激光治疗设备的制作方法

专利名称：激光治疗设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用激光的治疗设备，具体涉及适用于治疗近视和散光等的激光治疗设备，其中利用激光照射角膜表面的部分切除术(PRKphotorefractive keratectomy)或角膜内部做切口的部分切除术(LASIKlaser intrastromal keratomileusis)，矫正角膜的曲率或凹凸。
背景技术：
近年来，激光已用于各种应用中，例如，用于金属的切割和加工，作为半导体制造系统中光刻术设备的光源，用于各种类型的测量装置，以及用于外科，眼科和牙科领域中的治疗设备和各种手术。最近以来，特别引人注目的是，利用激光照射角膜表面的部分切除术(PRK)或角膜内部做切口的部分切除术(LASIK)，用于矫正角膜的曲率或凹凸，从而治疗近视，远视和散光，且这种治疗已取得实效。利用ArF准分子激光(波长193nm)照射角膜，完成角膜表面切除的设备是一种已知的角膜治疗设备(例如，见Japanese Patent No.2809959，Japanese Patent Application Kokoku No.H7-121268和JapanesePatent Application Kokai No.H5-220189)。
利用ArF准分子激光切除角膜表面技术的根据是，构成ArF激光的波长为193nm的光子具有切断诸如C-N，C-C，C-H和C＝C键的物质键的能量，因此，这种光能够破坏构成蛋白质基本单元的肽。在这个技术中，利用激光照射角膜表面，因此，肽被破坏和挥发，从而完成角膜表面的切除。
然而，在此情况下，为了保持角膜的透明性，需要进行精确的挥发而不出现热固化层。为此目的，利用波长为193nm的ArF准分子激光，其中主要发生物质键切断形成的挥发，而不发生热挥发。此外，借助于较长波长(248nm)的KrF激光或XeCl激光(波长308nm)，也可以使角膜表面挥发。然而，在这些情况下，除了物质键切断引起的挥发以外，热挥发的发生率是很高的，因此，容易产生热固化层。
此外，还出现以下的问题即，在利用激光照射时，细胞内的DNA容易受到损伤，因此，容易诱发自发突变的危险。DNA的吸收谱在紫外区的短波长光处有较大的值；然而，有效的自发变异诱发性是由光传输通过细胞质并到达核以及光被核吸收的光量确定。自发变异的诱发性在波长为240至280nm的范围内极强，在波长大于或小于这个范围之外较弱。特别是在这个范围的短波长处，细胞质的光吸收随波长的减小而急剧地增大。所以，随着波长变短，到达核的光量急剧地减小，因此，在光波长为193nm的情况下，到达核的光量几乎为零。此外，还出现以下的问题即，波长短于193nm的光在传播通过空气时被吸收，因此，传播效率是很低的。从这些事实可以判断，波长为193nm的ArF准分子激光最适用于角膜的治疗，而不是利用KrF激光或XeCl激光。
然而，ArF准分子激光振荡设备是在空腔内封装氩气，氟气和氖气等气体构成的，且必须密封这些气体。此外，还必须进行填充和回收各种气体，因此，该设备往往变得很大和很复杂。此外，为了在ArF准分子激光振荡设备中保持特定的激光发生性能，需要进行定期检修和替换内部气体。

发明内容
设计本发明是考虑到这样一些问题；本发明的目的是提供一种使用固态激光器的激光治疗设备，该设备容易维护且有小型和重量轻的结构。
在本发明中，为了实现这个目的，激光治疗设备是由[a]激光设备和[b]照射光学装置构成，激光设备包括[i]有固态激光器的激光发生装置，用于产生特定波长的激光；[ii]光放大器，用于放大这个激光发生装置产生的激光；和[iii]波长转换器，它利用非线性光学晶体，把光放大器放大的激光转换成波长约为193nm的治疗激光；而照射光学装置用于引导这个激光设备产生的治疗激光到治疗部位，并利用这个治疗激光照射治疗部位。此外，本发明的激光治疗设备适用于角膜的治疗。
由于上述结构的激光治疗设备是利用有固态激光器的激光发生装置构成，该设备的体积没有增大，与气体激光器的情况相同，例如，准分子激光器，因此，可以得到小型和重量轻的设备结构。此外，不需要像准分子激光器设备那样定期更换气体；所以，本发明设备的特征是，可以在一段很长的时间内保持规定的性能而无需检修。所以，不需要太多的维护，且维护是容易的。此外，控制激光发生装置的运行是容易的，且控制激光的照射位置和控制照射强度等也是容易的。
此外，由于产生的激光波长约为193nm，该波长与ArF准分子激光器的波长大致相等，利用这个激光照射角膜表面使物质键的断裂，角膜表面可以挥发。因此，可以有效地矫正角膜的曲率和角膜的凹凸。在此情况下，由于发生的热挥发很小，因此，可以确保治疗之后角膜的透明性。此外，由于使用的波长约为193nm，不会对细胞内的DNA产生损伤。
此外，在本发明的激光治疗设备中，最好是，固态激光器是由DFB半导体激光器，半导体激光器或光纤激光器构成，其振荡波长是在1.51μm至1.59μm的范围内，且该设备有这样的结构，借助于波长转换器，把来自固态激光器的上述波长激光转换成波长在189nm至199nm范围内的8次谐波。所以，可以利用极高频率的激光照射治疗部位，因此，可以利用这个激光高效率地完成治疗部位处物质键的断裂，从而可以完成不发生热挥发的治疗。
在本发明的激光治疗设备中，最好是，提供一种治疗部位观察装置，它可以观察治疗激光对治疗部位的照射状况。所以，在观察治疗部位的同时，可以准确地完成激光照射控制。
此外，最好是，提供一种用于控制照射光学装置治疗激光的治疗部位照射状况的照射控制装置。在此情况下，该设备可以有这样的结构，照射光学装置利用光斑形状的治疗激光照射治疗部位，而照射控制装置可以有这样的结构，这个照射控制装置使光斑形状激光扫描治疗部位。或者，该设备可以有这样的结构，照射光学装置利用治疗激光宽广地照射治疗部位的特定范围，而照射控制装置可以设置在治疗部位与照射光学装置之间，并有这样的结构，这个照射控制装置可变地调整治疗激光对治疗部位的照射区域。此外，该设备可以有这样的结构，照射光学装置利用治疗激光宽广地照射治疗部位的特定范围，而照射控制装置可以设置在治疗部位与照射光学装置之间，并有这样的结构，这个照射控制装置可变地调整治疗激光对治疗部位的照射强度。
在本发明中，可以提供一种用于测量治疗部位形状的形状测量装置，该设备可以有这样的结构，基于形状测量装置测得的治疗部位形状，照射控制装置完成治疗激光的照射控制。所以，根据病症的程度，可以准确地完成近视，远视和散光的治疗。
此外，在本发明中，可以在激光设备内安装强度调整装置，强度调整装置用于调整上述激光设备产生的治疗激光强度。此外，还可以安装激光强度测量装置和激光强度校正装置，激光强度测量装置用于测量激光设备产生的治疗激光强度，而激光强度校正装置用于校正激光强度测量装置测得的治疗激光强度到特定的强度。所以，通过恒定地保持激光强度在合适的值上，就可以确保准确的治疗。
此外，最好是，利用脉冲光作为激光设备产生的治疗激光，在此情况下，脉冲光的脉冲宽度最好设置在0.5ns至3ns的范围内。此外，这个脉冲光的重复频率最好设置在10kHz至100kHz的范围内。


图1是本发明激光治疗设备整体结构的正视图。
图2是上述激光治疗设备中激光设备内部结构的说明图。
图3是上述激光设备中第三级光纤放大器所用双包层光纤结构的剖面图。
图4是上述激光设备中第三级光纤放大器输出端形状的侧视图。
图5是上述激光设备中第三级光纤放大器输出端形状的剖面图。
图6是上述激光治疗设备中激光设备不同实施配置内部结构的说明图。
图7是上述激光治疗设备中波长转换部分的第一实施配置的说明图。
图8是上述激光治疗设备中波长转换部分的第二实施配置的说明图。
图9是上述激光治疗设备中波长转换部分的第三实施配置的说明图。
图10是上述激光治疗设备中照射光学装置和观察光学装置的第一实施配置结构的说明图。
图11是上述激光治疗设备中照射光学装置和观察光学装置的第二实施配置结构的说明图。
图12是作为本发明激光治疗设备治疗对象的角膜表面形状的说明图。
图13是上述激光治疗设备中照射光学装置和观察光学装置的第三实施配置结构的说明图。
图14是上述第三实施配置中照射光学装置的滤光片外部结构和滤光片性能的说明图。
具体实施例方式
以下参照附图描述本发明的几个优选实施配置；然而，这些实施配置的描述并不限定本发明的内容。
图1表示本发明激光治疗设备的总体结构的例子。这个激光治疗设备的基本结构是，在设备机壳1的内部安装激光设备10；照射光学装置60，用于引导这个激光设备10产生的激光到眼球EY的角膜HC表面(即，治疗部位)，并利用这个激光照射这个表面；和观察光学装置80，用于观察治疗部位。设备机壳1的基本部分2设置在X-Y移动台3上，借助于X-Y移动台3，设备机壳1的整体可以沿图1中箭头X指出的方向运动，即，沿附图的左右方向，和沿垂直于页平面的Y方向运动。
首先，参照图2描述激光设备10。激光设备10的结构是，用于产生激光的激光发生部分11；光纤放大器部分20，用于放大激光发生部分11产生的激光；和波长转换部分40，用于把光纤放大器部分20放大的激光转换成波长约为193nm的激光。
激光发生部分11有在所需波长上振荡的激光器12，这个激光器12是由(例如)脉冲驱动的InGaAsP DFB半导体激光器构成，其振荡波长为1.544μm。
例如，在DFB半导体激光器用作该激光器的情况下，通过控制DFB半导体激光器的温度，可以实现激光振荡波长的控制。利用这个方法，可以进一步稳定振荡波长并控制这个波长到恒定的波长上，或可以精细地调整输出波长。
通常，DFB半导体激光器等安装在散热片上，这些部分放置在机壳内。在本例子中，温度调整装置(例如，Peltier元件等)设置在与振荡激光器(DFB半导体激光器等)12相连的散热片上，用于控制温度和调整振荡波长。此处，在DFB半导体激光器等的情况下，温度可以控制到0.001℃单位。
此外，DFB半导体激光器的振荡波长与温度之间的关系约为0.1nm/℃。例如，若DFB半导体激光器的温度变化为1℃，则在基波(波长1544nm)的情况下，波长变化为0.1nm；所以，在8次谐波(波长193nm)的情况下，波长变化为0.0125nm。
此外，关于反馈控制的监测波长，当控制这个振荡波长到特定的波长时，这是利用DFB半导体激光器的振荡波长完成的。在这个半导体激光器12中，提供一种脉冲控制装置13，通过电流控制等操作产生脉冲振荡。所以，产生的脉冲光脉冲宽度可以控制在0.5ns至3ns的范围内，而重复频率可以控制在100kHz以下的范围内(例如，10kHz至100kHz的范围内)。在这种结构中，作为一个例子，利用脉冲控制装置13产生脉冲宽度为1ns和重复频率为100kHz的脉冲光。
如此得到的脉冲激光输出传输通过光隔离器14，并被引导到光纤放大器部分20；该激光在这个光纤放大器部分20中被放大。在这个光纤放大器部分20，首先由第一级光纤放大器21进行放大。这个第一级光纤放大器21是由掺饵(Er)光纤放大器(EDFA)构成。用于激励目的，来自半导体激光器21a的输出传输通过波分复用器(WDM)21b，因此，掺饵光纤被激励，第一级光纤放大器21完成光放大。
第一级光纤放大器21的输出传输通过窄带滤光片22a和光隔离器22b，并被引导到分光器23。分光器23把光并行地分割成通道0至通道3的四个输出。第二级光纤放大器25连接这个四路分割中的每个通道。然而，在图2中，仅仅画出一个通道作为代表性例子。
此外，窄带滤光片22a切除光纤放大器21产生的ASE光，并允许DFB半导体激光器12的输出波长(波长宽度约小于1pm)传输通过，因此，透射光的波长宽度大大变窄。所以，可以防止ASE光进入后级光纤放大器并降低激光的放大增益。此处，最好是，窄带滤光片的透射波长宽度约为1pm；然而，由于ASE光的波长宽度是几十纳米，可以有效地切除ASE光，因此，即使利用目前可以获得的透射波长为100pm的窄带滤光片，也不存在实际的问题。在DFB半导体激光器12的输出波长不断变化的情况下，可以根据输出波长替换窄带滤光片。然而，最好利用这样的窄带滤光片，其透射波长宽度对应于(即，相当于或大于)输出波长的可变宽度(作为曝光设备中的一个例子，约为上述宽度±20pm)。
在以上的结构中，描述这样一个例子，其中DFB半导体激光器用作该激光器，且平板波导型分光器用作光分支装置的分支单元。然而，在所需波长上振荡的任何激光器可用作该激光光源；例如，利用掺饵(Er)光纤激光器可以获得类似的效果。此外，可以利用与平板波导型分光器相同方式引起光并行分割的任何单元作为光分支装置的分支单元；例如，利用光纤分光器或使用部分透射式反射镜的分束器，也可以获得类似的效果。
第二级光纤放大器25中的每个放大器也是由掺饵(Er)光纤放大器(EDFA)构成。用于激励的半导体激光器25a的输出传输通过WDM25b，因此，掺饵光纤被激励，第二级光纤放大器25完成光放大。第二级光纤放大器25中每个放大器的输出经窄带滤光片26a和光隔离器26b被引导到第三级光纤放大器30。
这个第三级光纤放大器30是完成最后级光放大的装置，并构成高峰值输出光放大器。所以，为了避免光纤中非线性效应引起放大光的频谱宽度的增大，最好是，利用光纤模直径大于通信中使用的光纤模直径(5至6μm)的大模直径光纤放大器，例如，光纤模直径为15至25μm。
此外，为了在第三级光纤放大器30中得到高输出，也可以利用光纤包层中有双重结构的双包层光纤38替代大模直径光纤35。图3表示这种光纤38剖面图的例子。在这种结构中，纤心部分38a掺以对激光放大有贡献的离子，因此，放大的激光(信号)传播通过这个纤心。用于激励的半导体激光器与围绕这个纤心的第一包层38b耦合。这个第一包层38b是多模包层，且有大的横截面区；所以，用于激励的半导体激光的高输出传导是容易的，且可以有效地耦合多模振荡的半导体激光器，因此，可以有效地利用激励光源。在第一包层38b的外部周边上制成用于形成第一包层波导的第二包层38c。
利用这个大模直径光纤的第三级光纤放大器30放大的激光进入到波导转换部分40；此处，波长被转换成波长约为193nm的紫外激光波长，该波长与准分子激光的波长相同。最好是，传播通过这个大模直径光纤的待放大激光(信号)主要是由基模构成；在单模光纤或有低模数的多模光纤中，通过有选择地主要激励基模可以实现。安装在大模直径光纤放大器30输入侧的隔离器26b减小返回光的影响。
此外，窄带滤光片26a安装在每个第二级光纤放大器(它有标准模直径)和大模直径(第三级)光纤放大器30之间，为的是消除第三级光纤放大器30产生的ASE光。
利用模直径按照锥形方式增大的光纤，完成有标准模直径的每个前级光纤放大器25与有上述扩展模直径的对应最后级光纤放大器30之间的连接。
可以利用石英光纤或硅酸盐型光纤作为上述光纤放大器21，25和30的光纤；此外，也可以利用氟化物光纤，例如，ZBLAN光纤。在这种氟化物光纤的情况下，与石英光纤或硅酸盐型光纤比较，可以增大掺饵的浓度；因此，可以缩短用于放大所需的光纤长度。
特别理想的是，这种氟化物型光纤用在最后级光纤放大器30中。由于光纤长度的缩短，可以抑制脉冲光在光纤传播中非线性效应引起的光散射(例如，受激Raman散射)，因此，可以完成保持所需波长的光峰值功率的脉冲放大。
在数值1.51μm至1.59μm用作光纤放大器输出波长的情况下，该放大器有上述双重结构的包层，最好是，光纤中除了掺饵以外还掺镱作为掺杂离子。其理由是，这种掺杂具有提高半导体激光器激励效率的效果。具体地说，在光纤中掺有饵和镱的情况下，镱的强吸收波长扩展到915至975nm附近，在这个波长范围内具有各种不同振荡波长的多个半导体激光器可以被WDM耦合，因此，可以耦合到第一包层中。由于这种多个半导体激光可以用作激励光，就可以获得大的激励强度。
此外，有关光纤放大器掺杂光纤的设计，在本发明中设备工作在预先确定的固定波长情况下，选取这样的掺杂光纤材料，光纤放大器的增益在所需波长上是很大的。在本发明中，得到与ArF准分子激光(193至194nm)相同波长的输出波长；在这种设备的情况下，最好是，在利用光放大器光纤时，选择的材料是增益在所需波长上是大的，例如，1.548μm。
在第三级光纤放大器30的输出端36，即，最后级光纤放大器，如图4所示，所有4个通道集束在一起，这些通道被模压成矩形或直线形(见图4(a)或4(b))。此外，如图5所示，在光放大器中最后级各个光纤35的输出端部分36，最好是，光纤35内的纤心35a直径是以锥状形式向着输出端逐渐扩展的，因此，光的功率密度(每单位面积的光强)在输出端表面36是减小的。在此情况下，锥形部分设置成这样，纤心直径朝向输出端表面36是逐渐地扩展的，因此，当放大的激光传播通过锥形部分时，可以保持传播通过光纤的横模，所以，可以忽略足够小的其他横模激励(例如，几个mrad)。
按照这样的方式设置纤心直径，可以降低光纤输出端表面36处的光功率密度，因此，可以大大抑制激光对光纤输出端部的损伤，这是光纤损伤的最大问题。关于这个效果，当光纤放大器输出端射出的激光功率密度增大时(例如，当光强增大或在相同功率下纤心直径减小时)，可以获得更大的效果。
此外，在上述各个实施配置中，展示的例子中有这样的结构，其中在各个连接部分插入合适的隔离器以避免返射光的影响和插入窄带滤光片以得到良好的EDFA放大特性。然而，这种隔离器或窄带滤光片的数目和位置不限于上述实施配置中所示的情况；例如，根据本发明激光治疗设备所需的精度，可以合适地确定这种数目和位置，在某些情况下，可以完全省略这些隔离器或窄带滤光片。
此外，在窄带滤光片的情况下，仅仅得到所需波长的高透射率是足够了；滤光片透射波长的宽度在1pm以下已足够。利用这样的窄带滤光片，可以减轻光纤放大器产生的自发辐射光ASE(放大的自发辐射)引起的噪声。此外，可以抑制前级光纤放大器中ASE引起的基波输出放大率的降低。
在以上的结构中，展示的例子是光被分光器分成4行。然而，也可以构造这样的设备，如图6所示，它利用单行光纤放大器而不利用分光器。在图6中，在光纤放大器120中的光隔离器22b与WDM 25b之间不安装分光器。
在波长转换部分40中利用非线性光学晶体，把光纤放大器20和120放大并从输出端36输出波长为1.544μm的脉冲光转换成窄频谱线宽度的紫外脉冲输出。以下描述这种波长转换部分40的结构。
图7表示波长转换部分40的第一实施配置；此处画出一种结构的例子，其中利用非线性光学晶体，把从光纤35输出端36射出的波长为1.544μm的基波转换成8次谐波，从而产生波长为193nm的紫外光，该波长与ArF准分子激光的波长相同。从光纤35输出端36输出的波长为1.544μm(频率为ω)的基波在附图中是从左到右经非线性光学晶体41，42和43输出的。此外，如图7所示，聚焦透镜44和45设置在非线性光学晶体41，42和43之间。
当基波传输通过非线性光学晶体41时，由于产生2次谐波频率，就产生频率为二倍于基波频率ω的2次谐波，即，频率为2ω(波长为原始波长的1/2，即，772nm)。如此产生的2次谐波向右传播并进入下一个非线性光学晶体42。此时，再产生2次谐波频率，因此，产生频率为二倍于入射波频率2ω的4次谐波，即，频率4ω为四倍于基波频率(波长为原始波长的1/4，即，368nm)。如此产生的4次谐波进入位于更右端的非线性光学晶体43；此时，再产生2次谐波，因此，产生频率为8ω的8次谐波，(波长为原始波长的1/8，即，193nm)，该频率是入射波频率4ω的二倍，即，八倍于基波频率。
有关用于上述波长转换的非线性光学晶体，例如，用作非线性光学晶体41的LiB3O5(LBO)晶体完成从基波到2次谐波的转换，用作非线性光学晶体42的LiB3O5(LBO)晶体完成从2次谐波到4次谐波的转换，而用作非线性光学晶体43的Sr2Be2B2O7(SBBO)晶体完成从4次谐波到8次谐波的转换。此处，在利用LBO晶体从基波到2次谐波的转换时，利用LBO晶体的温度调节方法以完成波长转换相位匹配，即，非临界相位匹配(NCPM)。在NCPM的情况下，在非线性光学晶体内的基波与2次谐波之间没有角偏移(walk-off)。所以，能够高效率地完成到2次谐波的转换。此外，产生的2次谐波不会受角偏移引起的光束形变；所以，这个方法是有利的。
波长转换部分不限制于上述的结构，可以利用各种结构。例如，图8表示按照第二实施配置的波长转换部分140的结构。在这个波长转换部分中，按照以下的顺序完成波长转换基波(波长1.544μm)→2次谐波(波长772nm)→3次谐波(波长515nm)→4次谐波(波长386nm)→7次谐波(波长221nm)→8次谐波(波长193nm)。
在第一波长转换部分141中，利用上述的NCPM，LBO晶体用作基波到2次谐波的2次谐波转换。第一波长转换部分(LBO晶体)141允许部分的基波传输通过而没有波长转换，还利用基波的波长转换产生2次谐波，因此，这个基波和2次谐波都进入第二波长转换部分142。
在第二波长转换部分142中，利用第一波长转换部分141产生的2次谐波与没有转换而传输通过的基波产生的频率之和，得到3次谐波(波长515nm)。LBO晶体用作波长转换晶体；然而，这个晶体用在温度不同于第一波长转换部分(LBO晶体)141温度的NCPM中。因此得到3次谐波，没有波长转换而传输通过的2次谐波和基波被第一分色镜151分割。第一分色镜151反射的3次谐波传输通过透镜，并被全反型反射镜161反射；然后，这个3次谐波入射到第三分色镜153上。
与此同时，传输通过第一分色镜151的2次谐波和基波被第二分色镜152分割。利用LBO晶体，从第二分色镜152反射的2次谐波被第三波长转换部分143转换成频率为4ω的4次谐波(波长为原始波长的1/4，即，368nm)，该频率是入射波频率2ω的二倍，即，四倍于基波的频率。这个4次谐波被第三分色镜153反射，然后，被全反型反射镜161反射，使它与传输通过第三分色镜153的3次谐波一起入射到第四波长转换部分144(利用BBO晶体)。在这个第四波长转换部分144中，通过产生入射的3次谐波与4次谐波的频率之和，形成7次谐波，并使这个7次谐波入射到第四分色镜154。
此外，传输通过第二分色镜152的基波被第二个全反型反射镜162反射，并使它入射到第四分色镜154上。利用CLBO晶体，使入射到第四分色镜154上的7次谐波和基波进入第五波长转换部分145。在第五波长转换部分145中，通过产生入射基波与7次谐波的频率之和，形成8次谐波，输出这个8次谐波作为输出激光。
图9表示第三实施配置的波长转换部分240的结构。在这个波长转换部分中，按照以下的顺序完成波长转换基波(波长1.544μm)→2次谐波(波长772nm)→3次谐波(波长515nm)→6次谐波(波长257nm)→7次谐波(波长221nm)→8次谐波(波长193nm)。
在第一波长转换部分241中，利用上述的NCPM，LBO晶体用于从基波到2次谐波的二次谐波转换。第一波长转换部分(LBO晶体)241允许部分的基波传输通过而没有波长转换，并通过转换基波的波长产生2次谐波；这个基波和2次谐波都进入第二波长转换部分242。
在第二波长转换部分242中，通过第一波长转换部分241产生的2次谐波与没有转换而传输通过的基波产生频率之和，得到3次谐波(波长515nm)。LBO晶体用作波长转换晶体；然而，这个晶体用在温度不同于第一波长转换部分(LBO晶体)241温度的NCPM中。如此得到的3次谐波和没有波长转换而传输通过的基波被第一分色镜251分割。被第一分色镜251反射的3次谐波进入第三波长转换部分243(利用BBO晶体)，并被转换成6次谐波。这个6次谐波被第一全反型反射镜261反射，并使它入射到第二分色镜252上。
与此同时，传输通过第一分色镜251的基波被第二全反型反射镜262反射，并使它入射到第二分色镜252上。6次谐波和入射到第二分色镜252上的基波在第二分色镜252上合成，并利用CLBO晶体，使它们进入第四波长转换部分244。在第四波长转换部分244中，6次谐波和入射的基波合成为7次谐波，而允许部分的基波按照原样传输通过。从第四波长转换部分244输出的7次谐波被分色镜254反射，而基波传输通过分色镜254。于是，在分别被透镜聚焦之后，这些波在第三分色镜253上合成，并利用CLBO晶体使它们进入第五波长转换部分245，这些波在此合成，从而形成8次谐波。输出这个8次谐波作为输出激光。
此外，在以上图7至图9所示的各个例子中，光学透镜的布置如附图所示。此外，可以合适地设置波片以调整偏振方向到所需的方向。此外，波长转换部分的结构不限于以上描述的结构；可以利用产生1.544μm基波的8次谐波的任何结构。例如，按照以下的顺序利用波长转换，可以得到类似的效果基波(波长1.544μm)→2次谐波(波长772nm)→3次谐波(波长515nm)→4次谐波(波长386nm)→6次谐波(波长257nm)→7次谐波(波长221nm)→8次谐波(波长193nm)。
有关在这个情况下用于波长转换的非线性光学晶体，例如，利用LBO晶体作为把基波转换成2次谐波的晶体，利用LBO晶体作为把2次谐波转换成4次谐波的晶体，通过产生2次谐波与4次谐波的频率之和，利用BBO晶体作为产生6次谐波的晶体，通过产生基波与6次谐波的频率之和，其中利用BBO晶体作为产生7次谐波的晶体，和通过产生基波与7次谐波的频率之和，其中利用LBO晶体作为产生8次谐波的晶体，可以实现这样的转换。在此情况下，也可以利用LBO晶体产生8次谐波；所以，这个方法具有这样的优点，它不存在晶体损伤的问题。
以上描述的例子是利用单列光纤完成波长转换的；然而，类似的方法也可用在光纤束和透镜阵列等的情况，允许光纤束波长转换用在透镜部分。
以下，描述照射光学装置60和观察光学装置80，其中激光波长是与ArF准分子激光波长相同的193nm，激光是由上述结构的激光设备10产生的，它被引导到眼球EY的角膜HC表面，并照射这个表面。此外，在上述的激光设备10中，固态激光器是由DFB半导体激光器或光纤激光器构成，其振荡波长是在1.51μm至1.59μm的范围内；所以，来自固态激光器的上述波长激光被波长转换器转换成8次谐波，其波长在189nm至199nm的范围内，并输出这个激光。因此，这个激光是与ArF准分子激光波长基本相同的激光；然而，脉冲振荡的重复频率极高，即，100kHz。
图10表示这个照射光学装置60和观察光学装置80的第一实施配置。照射光学装置60是由聚焦透镜61和分色镜62构成，聚焦透镜61把从上述激光设备10射出的波长为193nm的激光聚焦成细光束形状，而分色镜62反射这个聚焦光束形状的激光，使这个激光照射到作为治疗对象的眼球EY的角膜HC表面。因此，利用光斑状的激光照射角膜HC的表面，这个部分的角膜被挥发。在此情况下，利用X-Y移动台3使设备机壳1的整体沿X和Y方向运动，使指向角膜HC表面的激光光斑完成扫描运动，因此，角膜表面被切除，从而治疗近视，远视或散光等。
在操作人员(例如，眼科医生等)借助于观察光学装置80目视观察操作的同时，通过控制X-Y移动台3的动作完成这种治疗。这个观察光学装置80是由照明灯85，物镜81，棱镜82，和目镜83构成，照明灯85用于照明作为治疗对象的眼球EY角膜HC表面，物镜81用于接收来自照明灯85照射角膜HC而传输通过分色镜62的光，棱镜82用于反射来自物镜81的光，和目镜83用于接收这个光。这个观察光学装置80设计成这样，通过目镜83可以观察到角膜HC的放大像。
此外，在这个例子中，X-Y移动台3的运动控制是由手动控制完成的。然而，还可以安装测量角膜HC形状的形状测量装置，和安装自动控制X-Y移动台3动作的装置，即，照射位置调整装置它是基于形状测量装置测得的角膜表面形状，使激光的照射自动进行。
在上述的例子中，该系统是这样安排的，利用X-Y移动台3沿水平面方向运动整个设备，从而操纵照射角膜HC表面的激光光斑。然而，激光照射位置的光扫描也是可行的。图11表示这样的例子。此处，照射光学装置60′有把波长为193nm的激光聚焦成细光束形状的聚焦透镜61，激光是从上述激光设备10射出的，且照射光学装置60′有这样的结构，聚焦的激光光束被第一反射镜63反射，并使它入射到第一伺服反射镜64，然后，激光被第一伺服反射镜64反射，并使它入射到第二伺服反射镜65，从第二伺服反射镜65反射的激光被第二反射镜66反射，并使它入射到分色镜62，从分色镜62反射的激光照射作为治疗对象的眼球EY角膜HC表面。此外，在图11所示的设备中，用相同的数字标记与图10中所示设备中相同的部件，从而省略多余的描述。
第一伺服反射镜64和第二伺服反射镜65有伺服电机64a和65a，用于调整各自的反射镜镜面的角度。利用伺服电机64a和65a调整反射镜镜面的角度，使照射角膜HC表面的激光光斑完成扫描运动，从而完成角膜表面的切除；按照这种方式治疗近视，远视或散光等。此外，在此情况下，操作人员，例如，眼科医生，在利用观察光学装置80目视观察角膜HC表面的同时，控制伺服电机64a和65a的运行。此外，也可以安装测量角膜HC形状的形状测量装置和安装自动控制伺服电机64a和65a运行的装置，即，照射位置调整装置，因此，基于形状测量装置测得的角膜表面形状，按照以上描述的方式自动完成激光的照射。
因此，利用激光设备10产生的脉冲激光照射角膜表面以治疗近视，远视或散光等，从而切除角膜表面。在此情况下，由于激光设备10产生的激光是具有极高频率100kHz(脉冲宽度1ns)的脉冲激光，即使脉冲光斑在角膜表面上扫描，均匀扫描是可能的。此外，由于脉冲宽度极小，几乎所有的脉冲能量用于物质键的断裂，从而抑制热挥发的发生。此外，在本发明的激光治疗设备中，可以控制脉冲光(脉冲形式激光)的脉冲宽度和重复频率，因此，可以有效地利用脉冲宽度(具体地说，脉冲宽度为0.5ns至3ns)和(具体地说，重复频率为10kHz至100kHz)抑制热挥发的发生。
例如，利用来自激光设备10的激光照射图12中角膜HC表面的阴影部分A，因此，这个部分被挥发和切除，从而完成利用这种激光治疗设备治疗近视。在图10和11所示激光治疗设备的情况下，使照射角膜表面的激光光斑产生扫描运动，完成阴影部分A的切除。然而，也可以利用图13所示类型的激光治疗设备完成切除操作。此外，在图13所示的激光治疗设备中，利用相同的数字标记与图10和11中所示设备中相同的部件，现在描述这种设备。
图13所示的设备是由照射光学装置160和观察光学装置80构成。观察光学装置80有与上述装置相同的结构；所以，省略对这个观察光学装置的描述。照射光学装置160是由聚焦透镜161，分色镜162和滤光片163构成，聚焦透镜161用于把激光设备10射出波长为193nm的激光聚焦成特定尺寸的圆柱形光束，分色镜162用于反射聚焦的圆柱形激光束，并使这个激光照射作为治疗对象的眼球EY的角膜HC表面，而滤光片163设置在眼球EY附近的位置上。
如图14所示，聚焦透镜161形成的圆柱形激光束是由直径为d的圆柱形激光构成，它足以覆盖作为角膜HC表面上治疗对象的区域。滤光片163有这样的性能，它在中心部分具有良好的激光透射率，而在滤光片周围部分的透射率减小。当圆柱形激光束传输通过滤光片163时，这个激光的强度有如图14(b)所示的分布。当具有这种强度分布的激光照射到角膜HC表面时，在激光强度大的区域切除量就大，因此，完成图12所示阴影部分A的切除。这对应于权利要求书中规定的照射控制装置；这个照射控制装置调整相对于治疗部位的激光照射强度。
此外，也可以利用多个有特定形状开孔的挡光元件代替滤光片163。例如，也可以在同心圆上安排多个有不同直径的挡光元件，首先利用有小开孔的挡光元件切除角膜HC的中心部分，然后在替换挡光元件的同时进行反复切除，因此，开孔区域逐渐增大，从而切除图12所示的阴影部分A。这对应于权利要求书中规定的照射控制装置；这个照射控制装置调整相对于治疗部位的激光照射区域。
在上述激光治疗设备中，照射角膜HC表面的激光强度与完成的切除部位大小有密切关系；所以，需要调整激光的强度。通过调整激光设备10内激光器12的振荡频率，或通过控制第三级光纤放大器30中半导体激光器31a和31b产生的光量，可以容易地完成这个强度调整。这相当于权利要求书中规定的调整激光强度的强度调整装置。此外，为了这种强度调整的目的，也可以安装测量实际激光强度的激光强度测量装置，判断这个激光强度测量装置测得的实际激光强度是否为所需的强度，并在该强度偏离所需强度的情况下，确定必须校正这个强度。通过控制上述强度调整装置的运行，可以完成这个强度的校正；可以利用权利要求书中规定的激光强度校正装置，用于控制强度调整装置的运行。
在以上的例子中，DFB半导体激光器12和光纤放大器用作激光发生部分11中的激光源；然而，也可以利用Q开关脉冲ErYAG激光器或Q开关脉冲Er玻璃激光器代替它。在这种情况下，输出波长约为1550nm的激光，并使这个激光进行波长转换，可以得到构成8次谐波的波长为194nm的激光。
工业应用的可能性如上所述，利用激光照射角膜，通过角膜表面的部分切除术(PRKphotorefractive keratectomy)或角膜内部做切口的部分切除术(LASIKlaser intrastromal keratomileusis)，矫正角膜的曲率或凹凸，本发明的激光治疗设备可用于治疗近视或散光等。当然，本发明的应用领域不仅限于上述治疗角膜；本发明也可用于其他的治疗。
权利要求
1.一种激光治疗设备，其特征是，这个设备有[a]激光设备和[b]照射光学装置，激光设备包括[i]有固态激光器的激光发生装置，用于产生特定波长的激光；[ii]光放大器，用于放大这个激光发生装置产生的上述激光；和[iii]波长转换器，利用非线性光学晶体，把上述光放大器放大的激光转换成波长约为193nm的治疗激光；而照射光学装置引导这个激光设备产生的上述治疗激光到治疗部位，并利用这个治疗激光照射治疗部位。
2.按照权利要求1的激光治疗设备，其特征是，上述固态激光器是由DFB半导体激光器或光纤激光器组成，其振荡波长是在1.51μm至1.59μm的范围内，而上述波长转换器把上述固态激光器的激光转换成波长在189nm至199nm范围内的8次谐波。
3.按照权利要求1或2的激光治疗设备，其特征是，上述治疗部位是角膜。
4.按照权利要求1至3中任一个的激光治疗设备，其特征是，该设备有治疗部位观察装置，用于观察上述治疗激光对上述治疗部位的照射状况。
5.按照权利要求1至4中任一个的激光治疗设备，其特征是，该设备有照射控制装置，用于控制上述照射光学装置的上述治疗激光对治疗部位的照射状况。
6.按照权利要求5的激光治疗设备，其特征是，利用上述照射光学装置利用光斑状的上述治疗激光照射治疗部位，且上述照射控制装置设计成这样，使上述光斑状的光扫描治疗部位。
7.按照权利要求5的激光治疗设备，其特征是，上述照射光学装置利用上述治疗激光宽广地照射治疗部位的特定范围，且上述照射控制装置设置在上述治疗部位与上述照射光学装置之间，它有这样的结构，这个照射控制装置可变地调整上述治疗激光对上述治疗部位的照射区域。
8.按照权利要求5的激光治疗设备，其特征是，上述照射光学装置利用上述治疗激光宽广地照射治疗部位的特定范围，且上述照射控制装置设置在上述治疗部位与上述照射光学装置之间，它有这样的结构，这个照射控制装置可变地调整上述治疗激光对上述治疗部位的照射强度。
9.按照权利要求5至8中任一个的激光治疗设备，其特征是，该设备有形状测量装置，用于测量照射部位的形状，和基于上述形状测量装置测得的上述治疗部位的形状，上述照射控制装置完成上述治疗激光的照射控制。
10.按照权利要求1至9中任一个的激光治疗设备，其特征是，上述激光设备有强度调整装置，用于调整上述激光设备产生的上述治疗激光的强度。
11.按照权利要求1至10中任一个的激光治疗设备，其特征是，该设备有激光强度测量装置和激光强度校正装置，激光强度测量装置用于测量上述激光设备产生的上述治疗激光的强度，而激光强度校正装置用于校正上述激光强度测量装置测得的上述治疗激光强度到特定的强度。
12.按照权利要求1至11中任一个的激光治疗设备，其特征是，上述激光设备产生的上述治疗激光是脉冲光，且上述脉冲光的脉冲宽度是0.5ns至3ns。
13.按照权利要求1至12中任一个的激光治疗设备，其特征是，上述激光设备产生的上述治疗激光是脉冲光，且上述脉冲光的重复频率是10kHz至100kHz。
全文摘要
提供一种使用固态激光器的小型和重量轻的激光治疗设备，它容易维护且特别适用于角膜的治疗。激光治疗设备包括含固态激光器(12)的激光束发生器(11)，用于产生预定的激光束；含光纤放大器(20)和波长转换装置(40)的激光设备(10)，光纤放大器(20)用于放大激光束发生器产生的激光束，而波长转换装置(40)利用非线性光学晶体，把放大的激光束转换成波长约为193nm的治疗激光束；和光学系统(60)，用于引导治疗激光束到角膜表面。
文档编号A61F9/01GK1419432SQ01807249
公开日2003年5月21日 申请日期2001年4月9日 优先权日2000年4月13日
发明者大和壮一, 大槻朋子 申请人:株式会社尼康