用于扫描超短脉冲光的光束的系统和方法
【专利说明】用于扫描超短脉冲光的光束的系统和方法
[0001]本公开涉及用于扫描超短脉冲光的光束的系统和方法。
[0002]对于电磁辐射的超短脉冲，材料色散可以在脉冲传播穿过光学系统中的玻璃或其它光学材料时造成脉冲的不想要的失真。失真量取决于脉冲的光谱带宽且随着脉冲持续时间减小到两位数飞秒范围或更短范围中的值而变得特别显著。材料色散的不利效果包括传播时间差(PTD)或群延迟(⑶)和群速度色散(GVD)。GVD包括穿过光学材料的不同阶色散。群延迟色散(⑶D)为二阶色散且造成传播穿过光学材料的脉冲的时间展宽。更高阶色散包括三阶色散(TOD)和四阶色散(FOD)。PTD和GVD的效果的更详细论述可见于其内容以引用方式并入本文中的US 2011/0058241。
[0003]射线在透镜中穿越的路径长度可以取决于与透镜的光学轴相隔的径向距离。例如，凸透镜在透镜的中心部分中具有较大厚度且在透镜的周边部分中具有较小厚度。在凹透镜中，路径长度在透镜的周边部分处较大且朝向透镜的中心变得较小。取决于相对于透镜的光学轴的径向位置，传播穿过透镜的射线可以因此经历不同量的色散。
[0004]射线在透镜中穿越的路径长度也可以取决于射线在透镜材料中相对于透镜的光学轴传播的角度。射线穿越透镜的角度取决于射线入射在透镜上的角度。因此，在相同位置处但以不同入射角度入射在透镜上的射线在透镜中经历不同路径长度。入射角度可以随着跨正交于传播光脉冲的光束的传播方向的平面扫描该光束而变化。因此，不同入射角度可以表示不同扫描角度。因此，取决于扫描角度，传播穿过透镜的射线可以经历不同量的色散。特定来说，对于不同值的扫描角度，射线可以经历不同量的GD。
[0005]色散镜可用于减少由光学系统引进的⑶D。为此，色散镜可以被设计来引进负啁啾，对于行进穿过光学系统的脉冲，其至少部分地对由光学系统引进的正啁啾(时间展宽)进行补偿。US 2011/0058241 Al描述具有伴随入射角度变化的⑶D值的啁啾多层镜。
[0006]本公开提供一种扫描光学系统，所述扫描光学系统包括:光源，其提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束；偏转器，其用于通过扫描角度使所述光束偏转；透镜系统，其包括用于使所述偏转的光束聚焦的聚焦物镜；色散补偿装置，其用于减小通过所述透镜系统的所述光束的脉冲的色散相关失真，所述色散补偿装置包括可变形色散镜和用于所述镜的致动器装置；和控制器，其用于控制所述致动器装置以根据所述扫描角度改变所述镜的形状。
[0007]改变可变形色散镜的形状可对引进或改变入射在所述镜的不同位置处的波包之间的相对延迟有效。以此方式，可调整入射在所述镜的不同位置的波包之间的相对时间位移且可至少部分地对群延迟(⑶)的空间分布比对透镜系统的扫描角度的变动进行补偿。改变可变形色散镜的形状可以包括相对于所述镜的一个或多个其它反射表面部分来回移动所述镜的一个或多个反射表面部分。
[0008]在某些实施方案中，可变形色散镜具有提供伴随所述镜的反射表面上的位置变化的色散特性的多层结构。例如，可变形色散镜的多层结构可以跨反射表面引进以下项中的至少一个:非一致⑶、非一致⑶D和非一致T0D。所述镜的非一致⑶可以用来对⑶比对从透镜系统的光学轴径向偏移的不同值的变动进行补偿。相似地，所述镜的非一致GDD和TOD可以用来分别对GDD和TOD比对从透镜系统的光学轴径向偏移的不同值的变动进行补偿。GD,GDD或TOD的空间变动可能在大孔径光学装置中特别显著，因为例如大孔径光学装置用于被设计用于眼科手术的飞秒激光系统。
[0009]在某些实施方案中，色散补偿装置还包括大块补偿器，其具有用于对由透镜系统引进的群延迟和群延迟色散中的至少一个的大块进行补偿的空间一致色散特性。
[0010]在某些实施方案中，所述光源为激光源且所述光具有适于在人眼组织中创建切口的中心波长。
[0011]本公开也提供一种扫描方法，其包括:提供超短脉冲持续时间的脉冲光的光束；通过扫描角度使所述光束偏转；借助于聚焦物镜使所述偏转的光束聚焦；提供可变形镜；和根据所述扫描角度控制所述可变形镜的形状以至少部分地对所述聚焦物镜的群延迟的空间分布比对不同扫描角度的变动进行补偿。
[0012]应注意，在本公开的某些实施方案中，可用可变形非色散镜取代可变形色散镜。在这些实施方案中，可变形镜仍可用来基于光束的扫描角度，局部地(即，个别地对于不同空间位置)调整所述镜与后续光学构件(例如，透镜)之间的气隙的长度。以此方式，可适应光学系统的群延迟的空间分布的变动，所述变动可以伴随不同扫描角度发生。又，在这些实施方案中，对于入射在可变形镜上的脉冲，所述镜不引进群速度色散。
[0013]现将举例、参考附图更详细地描述本公开的实施方案。
[0014]图1示出根据实施方案的可用于在人眼中创建切口的扫描光学系统的实例；
[0015]图2示出根据实施方案的色散补偿装置的详情；和
[0016]图3示出根据实施方案的扫描方法的步骤。
[0017]现参考附图，详细地示出所公开系统和方法的示例性实施方案。下文描述决不意在详尽性或以其它方式将所附权利要求书限制或限定于附图中所示和本文中所公开的特定实施方案。尽管附图表示可能的实施方案，但附图未必按比例绘制且可以对某些特征进行简化、扩大、移除或部分分段以更好地示出所述实施方案。此外，某些附图可以呈示意图形式。
[0018]图1不出可扫描激光的超短脉冲的光束并使其聚焦的扫描光学系统10的不例性实施方案。在所示实施方案中，扫描光学系统10包括激光装置和控制计算机。激光装置可使用激光在人眼的眼角膜、人眼晶状体或其它组织结构中创建切口。如本文中所使用，超短意在意指小于100、80、50或20飞秒(fs)的脉冲持续时间。在某些实施方案中，脉冲持续时间在单位数飞秒范围(即，小于1fs)或阿托秒(as)范围中。
[0019]在图1的所不实例中，扫描光学系统10对人眼12执行激光手术。扫描光学系统10包括可以如所示般耦接的激光装置14、患者适配器16、控制计算机18和存储器20。激光装置14包括如所示般耦接的激光源22、光束扩展器24、色散补偿装置25、扫描器26、一个或多个光学镜28和聚焦物镜30。患者适配器16包括可以如所示般耦接的接触元件32和支撑套管34。存储器20存储控制程序36。
[0020]激光源22生成具有超短脉冲的激光光束38。激光光束38的焦点可以使在组织(诸如眼12的眼角膜或其它组织结构)中创建激光诱导光学击穿(L1B)。激光光束38可以具有任何合适波长，诸如在300-1900纳米(nm)的范围中的波长，例如在300_650nm、650-1050nm、1050-1250nm、1100-1500nm 或 1500_1900nm 的范围中的波长。激光光束 38 也可以具有相对较小的聚焦体积，例如直径为5微米(μπι)或更小。
[0021]光束扩展器24、色散补偿装置25、横向扫描器26、光学镜28和聚焦物镜30在激光光束38的光束路径中。
[0022]光束扩展器24被配置来扩展激光光束38的宽度或直径。光束扩展器24的实例为伽利略类型的焦外望远镜。
[0023]扫描器26被配置来横向地控制激光光束38的焦点。“横向”是指与激光光束38的传播方向成直角的方向，且“纵向”是指光束传播方向。横向平面可以指定为χ-y平面，且纵向方向可以指定为z方向。扫描器26可以按任何合适方式使激光光束38横向地偏转。例如，扫描器26可以包括可绕着相互垂直的轴倾斜的一对电流测定致动式扫描器镜。作为另一实例，扫描器26可以包括可使激光光束38电光地转向的电光晶体。
[0024]激光装置14也可纵向地引导激光光束38以使光束38的焦点在z方向上移位。对于纵向扫描，激光装置14可以包括纵向可调整透镜、有可变折射能力的透镜或可控制光束焦点的z位置的可变形镜。在某些实施方案中，光束扩展器24包括由两个或两个以上透镜组成的透镜组合件，其中光束扩展器24的透镜中的一个被安置成纵向可调整或具有可变折射能力。在其它实施方案中，扫描器26包括纵向扫描构件，举例来说，诸如可变形镜。
[0025]—个或多个光学镜28朝向聚焦物镜30引导激光光束38。例如，光学镜28可以为不可移动偏离镜或可移动偏离镜。作为替代，可使激光光束38折射和/或衍射的光学元件可以被提供代替光学镜28。
[0026]聚焦物镜30使激光光束38聚焦到眼12的靶区域上。聚焦物镜30可以可分离地耦接到患者适配器16。聚焦物镜30可以为任何合适光学装置，诸如F-Θ物镜。在某些实施方案中，聚焦物镜30为由多个折射型透镜组成的多透镜装置。
[0027]患者适配器16与眼12的眼角膜连接。套管34耦接到聚焦物镜30且保持接触元件32。接触元件32对激光光束透明或半透明并且具有与眼角膜连接且可以与眼角膜的一部分齐平的邻接面40。在某些实施方案中，邻接面40是平面的且在眼角膜上形成平面区域。邻接面40可以在x-y平面上，使得平面区域也在x-y平面上。在其它实施方案中，邻接面40无需是平面的，例如可以是凸形或凹形的。
[0028]控制计算机18根据控制程序36控制激光装置14的可控制组件，举例来说，诸如激光源22、光束扩展器24、色散补偿装置25、扫描器26和视需要光学镜28中的至少一个。控制程序36含有指示可