用于设定能量相关的激光脉冲参数的技术的制作方法

本披露涉及设定激光脉冲参数。其具体地涉及用于设定能量相关的激光脉冲参数的技术。

背景技术：

特别是在工业和医疗环境中，脉冲聚焦激光辐射已经成为材料加工的重要手段。在脉冲激光辐射的典型应用中，吸收的激光辐射的电磁和/或热效应被用来局部改变或破坏其辐射区域中的靶材料，用以在目标中创造切口或从该目标烧蚀物质。对入射的辐射进行聚焦允许辐射的局部强度增加，并且使得在空间上更靠近与目标材料的相互作用的限定区域。另外，使用脉冲辐射来代替持续辐射减小了所处理的对象中的热积聚的效应。

在医用激光应用中，例如在包括但不限于LASIK(激光原位角膜磨削术)、角膜移植术、折射透镜取出术等的激光辅助眼外科手术中，以及在使用激光辐射的其他类型的材料加工中，通常要求激光处理具有清晰限定的范围、以及向处理材料中的较低的总能量传递。出于此目的，已经建议使用脉冲宽度在一皮秒以下范围内的超短激光脉冲。常规使用的脉冲时长例如可能是250fs与800fs之间的任何值。同时，试图将每个单一脉冲的能量设定为尽可能地小，即接近实现目标中的破坏或其他任何所希望效果的阈值能量。

当将所需的脉冲能量调整到不同的脉冲时长而达到所希望效果时，已经观察到，尽管较短的脉冲可具有较高的阈值功率，对于较短的脉冲时长，阈值功率与脉冲时长的乘积(即阈值脉冲能量)通常下降。然而，就这一点而言，已知对于各种应用存在特征脉冲宽度，在特征脉冲宽度以下，可以观察到阈值脉冲能量再次上升。在这种情况下，鉴于希望最小的能量传递，可以确定理想的脉冲长度，其可以只针对不同的应用和不同的光束或目标参数而变化。

理想的激光脉冲特性基本上取决于被处理材料以及激光治疗的预期效果。例如，在许多实际应用中，与过程的变化相关地，可能希望脉冲长度的修改。当被调整以适应特定脉冲长度的能量相关脉冲参数的设定在脉冲长度改变时在最小能量转移方面变成次优时，可能会出现问题。同时，例如在处理过程中，激光设备的使用者可能不能轻松地识别对于所选择的脉冲长度而言理想的脉冲能量，并且因而通过将该目标暴露于高于所需能量水平之上而对该目标施加过度刺激。

在外科手术中，尤其是在激光眼科手术中，当在眼睛的表面下进行切削时，这再次具有特定的缺点。因为，在这种情况下，过量的脉冲能量通常由于蒸发的眼部组织的缘故而引起眼部组织内的不希望的大蒸气泡；气泡的尺寸可大大超过激光束自身的焦点直径。这种气泡刺激眼部周围组织，并且它们改变操作区的光学性质，以使激光过程本身或相关的光学技术受到负面影响。此外，如果在所描述的场景中引导一系列脉冲彼此靠近，产生的气泡可以连接至甚至更大的泡体，并且因而加强了其负面影响。虽然已知用于除去这种气体体积的几种技术，将有利的是，可以对于众多不同的应用将其发生保持在最低限度。然而，这需要随着应用的变化适配激光参数。

因此希望用于辅助设定激光脉冲参数的技术。

技术实现要素：

根据第一方面，描述了一种用于脉冲聚焦激光辐射的能量设定方法。该方法包括以下步骤：建立在材料中引起不可逆损伤所需的阈值脉冲能量与脉冲时长之间的关系，该关系允许得到多个脉冲时长中的每个脉冲时长的阈值脉冲能量，该多个脉冲时长包括200fs及以下的范围内的一个或多个脉冲时长；对于给定的200fs及以下的范围内的脉冲时长，基于已建立的关系确定相关的阈值脉冲能量；并且基于所确定的相关的阈值脉冲能量，设定激光辐射的脉冲能量，其中，该关系定义了对于200fs及以下的范围内的递减的脉冲时长而递减的阈值脉冲能量。

该关系可表示基本上作为脉冲时长的立方根的函数的阈值脉冲能量的下降。在某些实施例中，该函数是脉冲时长的立方根的线性函数。除此之外或作为一个替代方案，对于300fs或更小的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量定义为最大0.35μJ的值，例如最大0.30μJ或最大0.25μJ或最大0.20μJ或最大0.15μJ的值。除此之外或作为一个替代方案，对于200fs的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量定义为从0.15μJ到0.30μJ的范围内的值，例如从0.15μJ到0.20μJ或从0.20μJ到0.25μJ或从0.25μJ到0.30μJ或从0.20μJ到0.30μJ的范围内的值。除此之外或作为一个替代方案，对于10fs的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量定义为从0.05μJ到0.10μJ的范围内的值，例如从0.05μJ到0.08μJ或从0.08μJ到0.10μJ的范围内的值。

该建立步骤可包括以下步骤：对于200fs以上的多个基准脉冲时长中的每个基准脉冲时长，用一系列激光辐射脉冲进行辐射，用以对该系列的每个脉冲产生一个损伤部位，其中，为该系列的每个脉冲设定不同的脉冲能量；确定每个损伤部位的尺寸；基于所确定的在对应的基准脉冲时长下产生的损伤部位的尺寸，对该多个基准脉冲时长中的每个基准脉冲时长确定基准阈值脉冲能量；并且基于所确定的基准阈值脉冲能量确定该关系。该物体是非生物材料或死亡后的生物材料。

基于在所确定的对应的基准脉冲时长下产生的损伤部位的尺寸的外推插值至零尺寸，可确定每个基准阈值脉冲能量。例如基于每个损伤部位的直径、面积或体积，可确定这些尺寸。该外推插值例如可基于应用于所确定的尺寸的线性、指数或多项式拟合或其组合。

除此之外或作为一个替代方案，确定该关系可包括根据该脉冲时长确定阈值脉冲能量的线性近似。

对于不大于10μm或7μm或5μm的激光辐射的焦点直径可以建立关系，其中，该焦点直径表示包含86％的辐射脉冲能量的脉冲部分的直径。

该损伤可包括由该材料的激光诱导的光学击穿导致的光致破裂。

该方法可包括以下步骤：在非生物材料或生物材料处引导具有这组脉冲能量的激光辐射，用以在该材料中形成切口。该材料可以是人眼组织。

可建立在脉冲时长与在该材料中导致不可逆损伤所需的阈值脉冲能量密度(pulse fluence)(而不是阈值脉冲能量)之间的关系，其中，该关系定义了对于200fs及以下的范围内的递减的脉冲时长而递减的阈值脉冲能量密度，并且其中，确定相关的阈值脉冲能量密度来取代相关的阈值脉冲能量，并且基于所确定的相关的阈值脉冲能量密度来设定激光辐射的脉冲能量密度。

如果建立了脉冲时长与阈值脉冲能量密度之间的关系，对于300fs或更小的脉冲时长，该关系可进一步将阈值脉冲能量密度定义为最大1.80Jcm^-2的值，例如最大1.50Jcm^-2或最大1.30Jcm^-2或最大1.10Jcm^-2或最大0.90Jcm^-2或最大0.70Jcm^-2或最大0.50Jcm^-2的值。除此之外或作为一个替代方案，对于200fs或更小的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量密度定义为从0.80Jcm^-2到1.50Jcm^-2的范围内的值，例如从0.80Jcm^-2到0.95Jcm^-2或从0.95Jcm^-2到1.05Jcm^-2或从1.05Jcm^-2到1.30Jcm^-2或从1.30Jcm^-2到1.50Jcm^-2的范围内的值。除此之外或作为一个替代方案，对于10fs的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量密度定义为从0.20Jcm^-2到0.50Jcm^-2的范围内的值，例如从0.20Jcm^-2到0.35Jcm^-2或从0.35Jcm^-2到0.50Jcm^-2的范围内的值。

根据第二方面，描述了一种激光设备，该激光设备包括：超短脉冲激光辐射的光束源；用于在时间和空间上引导和成形光束的一组部件；控制单元，存储了表示在材料中引起不可逆损伤所需的阈值脉冲能量与脉冲时长之间的关系的数据，该关系允许得到多个脉冲时长中的每个脉冲时长的阈值脉冲能量，该多个脉冲时长包括200fs及以下的范围内的一个或多个脉冲时长，其中，该关系定义了对于200fs及以下的范围内的递减的脉冲时长而递减的阈值脉冲能量，其中，该控制单元被配置成，对于给定的200fs及以下的范围内的脉冲时长，基于该存储的数据确定相关的阈值脉冲能量，并且基于所确定的相关的阈值脉冲能量确定光束的目标脉冲能量。

该控制单元可被配置成在输出设备上输出所确定的目标脉冲能量的视觉表示。该输出设备可以是远程设备，或可与该激光设备整合。除此之外或作为一个替代方案，该控制单元可被配置成对该光束自动设定所确定的目标脉冲能量。

该关系可表示基本上作为脉冲时长的立方根的函数的阈值脉冲能量的下降。除此之外或作为一个替代方案，对于300fs或更小的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量定义为最大0.35μJ的值，例如最大0.30μJ或最大0.25μJ或最大0.20μJ或最大0.15μJ的值。除此之外或作为一个替代方案，对于200fs的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量定义为从0.15μJ到0.25μJ的范围内的值，例如从0.18μJ到0.22μJ的范围内的值。除此之外或作为一个替代方案，对于10fs的脉冲时长，该关系可将阈值脉冲能量定义为从0.05μJ到0.10μJ的范围内的值，例如从0.06μJ到0.08μJ的范围内的值。

该光束可以是M²参数不大于1.15或1.1的高斯光束。

本发明的进一步的细节、目的和优点从以下的描述和附图中变得明显。

附图说明

本发明参考以下附图进行说明。

图1是根据本发明的用于确定单个脉冲时长的脉冲能量的方法的一个实施例的示意性表示；

图2是根据本发明的用于确定一系列脉冲时长的脉冲能量的方法的一个实施例的示意性表示；

图3是根据本发明的脉冲聚焦激光辐射的能量设定方法的一个实施例的流程图；

图4是根据本发明的脉冲聚焦激光辐射的能量设定方法的一个替代性实施例的流程图；以及

图5是根据本发明的激光设备的一个实施例的示意性表示。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于，对于特定的脉冲时长且对于任意目标材料，确定在目标材料中引起不可逆损伤所需的阈值脉冲能量的方法的一个实施例。在图1的实例中，脉冲时长τ_L选择为300fs、400fs和500fs，但是所描述的方法还可应用于任何其他组脉冲长度。

如图1的示图中所示，对于任何所选的脉冲长度，一旦达到或超过依赖于脉冲长度阈值能量(E_th)，将会在该目标材料中发生有限尺寸的损伤D_损伤。该示图还示出，对于任何给定的脉冲长度τ_L，在该目标材料中引起的损伤部位的尺寸D_损伤将会随着脉冲能量而增加。从三个曲线的比较中可以看出，由500fs的脉冲并以能量E₂引起的类似程度的损伤还可以用较少的能量E₁实现，如果能量集中在300fs的较短脉冲中。这符合一般的假设，即对于类似的效果，使用更短的脉冲允许传递更少量的能量的。

因为在各个阈值脉冲能量，E_th,300、E_th,400、E_th,500下，由单一脉冲造成的损伤会是小得不可见的，即D_损伤＝0和/或只由该材料中的热变化组成，对更高的能量，E₁、E₂，确定损伤的程度，其中对于一系列脉冲时长，可以常规地测量损伤部位的尺寸。如图1中的虚线所指示的，使每个脉冲时长与为零的损伤尺寸的依赖性外推将随后产生相应阈值能量的值。

尽管图1中的曲线提示损伤尺寸在脉冲能量上的线性依赖性，但可以通过非线性关系来更好地描述该依赖性。精确的关系例如取决于被选择用以描述损伤尺寸的量，通过长度、面积或容积。此外，反之在所描述的只考虑了单脉冲效应的实例中，该方法同样可涉及检测施加到相同部位的不同数量的脉冲(即脉冲爆发)的损伤尺寸。

虽然用于确定阈值能量的传统方法通常依赖于与激光诱导的光学击穿相关联地发生的继发效果，例如等离子体发射的迅速增加，本方法直接测量目标材料中的不可逆损伤的预期效果。以这种方式，可以在实验上对不同的目标材料确定阈值能量，与由其他方法获得的结果不同。这些实验具体地提示，可能以低于一般采取的阈值能量实现不可逆的破坏。然而，这并不排除在本方法中至少部分地由激光诱导的光学击穿引起目标材料中的损伤的可能性。

图2对任意脉冲和材料特征示意性地示出了用于确定在200fs以下及以上范围内的损伤阈值脉冲能量与脉冲时长之间的关系的方法。在200fs以上的范围内，根据图1，不同阈值能量，E_th，已经对于相应的脉冲长度τ_L＝300fs、400fs和500fs绘出。如图2中的连续曲线所示，插值允许在此范围内建立所希望的关系。

基于超短脉冲破坏可以被理解为是主要依赖于强度的过程的这种假设，这个过程不构成脉冲长度的下边界并且因而不构成阈值能量的下边界，还已经假设图2中的曲线表达的关系可以从原点开始。在这种情况下，假设阈值脉冲能量基本上是脉冲时长的立方根的函数(E_th(损伤)～τ^1/3)。与测得的数据相关且由图2中的虚线曲线所示，这允许在测得的范围以外的曲线、还有对于显著短于200fs的脉冲时长的外推。

得到的曲线显示了阈值能量的甚至朝向最短脉冲长度的持续下降，并且通过具有小于1的指数的脉冲长度的功率函数进行适当地说明。该曲线因而暗指，如果预期较低的能量传递进入目标材料，则脉冲长度可以减小到常用用途以下，至200fs下方的范围，同时对于递减的脉冲时长，阈值脉冲能量稳定下降。一旦建立了所描述的关系，可为200fs及以下范围内的各种脉冲时长设定脉冲能量。

除以上所述以外，或在无需假设就足以使该曲线通过原点的简化实施例中，可至少部分地根据基于测得的数据的线性近似来确定该关系。图2中的点线曲线示例性地示出了这种变体。此外，因为所述关系依赖于强度依赖性为主导的假设，有利的是在所描述的方法的替代性实施例中忽略偏向其他能量相关的光束参数(如每脉冲的能量密度)的脉冲能量。

图3是根据本发明的脉冲聚焦激光辐射的能量设定方法300的一个示例性实施例的流程图。方法300可涉及上述过程和结果的一部分或全部。在第一步骤310中，建立了在200fs及以下的范围内损伤阈值脉冲能量与脉冲时长之间的关系。这可以例如通过与图1和图2相关地描述的过程来进行。步骤320，基于此关系且对于在200fs及以下的范围内的给定的脉冲时长，确定相关的阈值脉冲能量。随后，在步骤330中，基于所确定的相关的阈值脉冲能量，设定激光辐射的脉冲能量。

方法300因而允许更容易地将激光辐射的能量调整至改变的脉冲长度。以此方式，有可能例如使特定过程改变激光的脉冲长度而同时一直维持最优化的脉冲能量。如果将脉冲能量设定为大于所确定的阈值能量的值，在某些实施例中这个设定值可以例如是在所确定的阈值能量的1.5到5倍的范围内或在1.5到4倍的范围内或在1.8到3.5倍的范围内或在2到4倍的范围内。根据其他实施例，用于处理材料的激光设备的脉冲能量可被设计为所确定的阈值能量的至少1.3倍或至少1.5倍或至少1.8倍或至少2.0倍。对于上限，设定的脉冲能量可以不大于所确定的阈值能量的5倍或不大于4.5倍或不大于4倍或不大于3.5倍或不大于3.0或不大于2.5倍。在某些实施例中，可以通过预定绝对量来设定脉冲能量，例如高于所确定的阈值能量0.05μJ，0.10μJ或0.20μJ或0.30μJ或0.40μJ。在这些情况中的任何一种下，一系列脉冲长度的阈值能量的信息提供了用于相应地优化脉冲能量的相关手段。

图4示出了根据本发明的脉冲聚焦激光辐射的能量设定的方法400的一个替代性实施例的流程图。在图4的方法400中，用于建立损伤阈值脉冲能量与脉冲时长之间的关系的步骤410包括多个子步骤412、414、416、418。与图3的方法300类同，一旦已经建立了此关系，该关系可用于在步骤420对在200fs及以下的范围内的给定的脉冲时长确定相关的阈值脉冲能量，并且用于在步骤430基于该相关的阈值脉冲能量设定激光辐射的脉冲能量。步骤440，一旦已经设定了脉冲能量，可以最终将激光辐射引导到目标材料，用以在该材料中形成切口。

在第一步骤412中，采用不同的脉冲能量以及大于200fs的脉冲时长，对要建立所描述的关系的材料的物体或样本进行照射，以便在该物体中产生可测量的损伤部位。步骤414，然后确定每个损伤部位的尺寸。步骤416，基于所确定的尺寸，可以对每个脉冲时长确定阈值脉冲能量。可以通过使用与图1相关地描述的任何技术来进行这个步骤。步骤418，最后，基于所确定的阈值能量，确定损伤阈值脉冲能量与脉冲时长之间的关系。这样，可以再次通过与图2相关地描述的任何技术完成这个步骤。

损伤阈值脉冲能量与脉冲时长之间的确切关系将取决于其他众多条件。这些条件最主要地包括被照射材料的特征以及其他的光束参数，如激光波长以及激光脉冲的时间和空间特征曲线。然而，基于实验数据，结果证明，如图2中所示，对于相关应用，对找到的关系进行描述的功率函数的指数主要在0.3与0.36之间变化。因此实际上可以近似于脉冲时长的立方根函数。

此外，对于不同的透明的非生物试验材料和死亡后的生物试验材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和动物眼部组织，以及对于所确立的用途的最相关的范围内的光束特征，例如当选择激光聚焦直径(即传输脉冲能量的约86％的光束截面的直径)小于10微米时，例如小于8微米或小于6微米或小于4微米时，所述的方法300、400产生了可靠的结果。例如，对于短于300fs的脉冲时长，确定阈值能量在0.05到0.35微焦耳之间。在此范围内，确定脉冲时长200fs的阈值能量落入从0.15到0.30微焦耳的范围内，并且对于脉冲时长10fs，阈值能量落入从0.05到0.1微焦耳的范围内。因此预期，在目标材料是人眼材料的情况下将应用相同的阈值脉冲能量对脉冲时长的特征性立方根依赖性以及还有可能的相同的能量范围。

如前所述，可以实现方法300、400的替代性的实施例，其中考虑其他能量相关的参数，例如每脉冲的能量密度，而不是脉冲能量。在这种情况下，立方根依赖性也相应地成立。例如，采用与前一实例相同的聚焦和材料特征、并且如果应用于阈值脉冲能量密度，所描述的方法300、400对于小于300fs的脉冲长度产生了0.2到1.80Jcm^-2之间的阈值能量密度。更具体地，对于脉冲时长200fs，确定阈值能量密度落入从0.80Jcm^-2到1.50Jcm^-2的范围内，并且对于脉冲时长10fs，确定阈值能量密度落入从0.20Jcm^-2到0.50Jcm^-2的范围内。

图5示出了根据本发明的激光设备500的示例性实施例。激光设备500包括束源510、一组520用于在时间和空间上引导和成形光束的部件、以及控制单元530。控制单元530可包括或连接至数据库535，使得控制单元530可存取并处理数据库535存储的数据。激光设备500还可包括可视输出设备540和/或被适配为通过控制单元530向外部输出设备540输出信号而用于视觉表示。

为了简单起见，束源510和这组520引导和成形部件在图5中示为两个单独的实体。然而，在替代性的实施例中，该光束成形和引导装置可包括激光设备500中的多个分离的部件；相反地，束源510还可包括用于对产生的激光束进行引导和成形的装置。因此应理解的是，束源510与引导和成形装置520一起定义了被适配为提供超短脉冲聚焦激光辐射的本领域已知的任何技术装备，其中，至少可以控制脉冲长度和脉冲能量或其他能量相关参数，如每脉冲的能量密度。鉴于最相关的应用，进一步优选的是，提供的激光束是M²参数不大于1.15的高斯光束。

根据本发明，控制单元530可存储并处理表示脉冲时长与损伤阈值脉冲能量或另一个能量相关的脉冲参数(如阈值能量密度)的损伤阈值之间的关系的数据。出于数据存储的目的，如图5中所示的控制单元530包括用于容纳数据库的存储设备535。在替代性的实施例中，数据库535可设置在控制单元530之外，只要控制单元530与数据库535之间的功能连接允许控制单元530读取并处理由数据库535存储的数据。基于此存储数据，控制单元530被配置成，对于给定的短于200fs的脉冲时长，确定相关的阈值脉冲能量，并且基于所确定的阈值进一步确定目标光束中的脉冲的能量。

如图5中所示，控制单元530还被配置成向输出设备540输出表示所确定的目标脉冲能量的信号。所确定的目标脉冲能量的图形显示因而使得激光设备的使用者能够根据所显示的信息并基于所选择的脉冲长度来设定脉冲能量。可替代地，控制单元530可被适配为自动设定所确定的脉冲能量。这可以例如通过控制该控制单元与束源510和/或光束引导和成形装置组520之间的控制连接来实现。这将允许激光设备500的使用者任意改变脉冲长度，而激光设备500将自动提供相应的脉冲能量。