专利名称：重复率根据扫描速度可调的高功率飞秒激光器的制作方法
技术领域：
本专利文献涉及飞秒激光器，包括可调节重复率高功率飞秒激光器。
背景技术：
在许多当今不断更具挑战性的激光应用中，持续存在对更短脉冲且每个脉冲具有高能的需要。这些特征允许激光应用的更好控制以及更大的工作速度。该领域发展中的重要阶段是输出飞秒激光脉冲的激光系统的出现和成熟。这些飞秒激光器能被用于各种各样的应用，包括许多不同类型的眼科手术，其中这些超短脉冲可以提供具有良好控制的组织修饰。
发明内容
在本文中提供了构造和操作飞秒脉冲激光器的设计和技术，包括具有啁啾脉冲放大的激光系统的例子和实现，其中一些具有少量的光学元件，一些具有低故障频率，其他一些具有适当小的物理延伸区(extent)，另一些则能够允许重复率的改变但无需系统进行大的重新调节，而一些对于热透镜效应具有降低的敏感度。例如，激光引擎的一些例子包括生成和输出飞秒种子脉冲束的振荡器，展宽种子脉冲持续时间的展宽器-压缩器，以及从展宽器-压缩器接收展宽的种子脉冲、放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲并且输出放大的展宽脉冲的激光束的放大器，其中展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲的激光束，压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并且输出脉冲持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束，并且放大器包括降低放大的展宽脉冲的色散的色散补偿器。在一些例子中，振荡器是二极管泵浦光纤振荡器，并且输出变换限制(transform-limited)的种子脉冲。在一些例子中，振荡器生成种子脉冲持续时间小于1000飞秒的光束。在一些实现中，振荡器输出种子脉冲重复率在IO-1OOMHz或20-50MHZ范围内的光束。在一些实现中，展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实现中，展宽器-压缩器包括光热折射玻璃。在一些实现中，展宽器-压缩器展宽飞秒种子脉冲的持续时间达10倍以上。在一些实现中，展宽器-压缩器将飞秒种子脉冲的持续时间展宽至1000-200000飞秒的展宽持续时间。在一些实现中，激光引擎不包含可调整的展宽器-压缩器。在一些实现中，激光引擎包括位于振荡器和展宽器-压缩器之间的偏振器和λ /4片，其使展宽的种子脉冲束重定向为朝向放大器。在一些实现中，激光引擎包括法拉第隔离器，其接收来自展宽器-压缩器的展宽种子脉冲束，朝向放大器输出该展宽种子脉冲束，接收来自放大器的放大的展宽脉冲激光束，朝向展宽器-压缩器的压缩器端口输出放大的展宽脉冲激光束，并将振荡器与放大的展宽脉冲激光束相隔离。在一些实现中，放大器包括光学元件，而色散补偿器引入与放大器的光学元件引入的色散的符号相反的色散。在一些实现中，由色散补偿器引入的色散与由放大器中除色散补偿器以外的光学元件在一次往返内引入的色散基本上幅度相等且符号相反。在一些实现中，色散补偿器包括啁啾反射镜、啁啾光纤、啁啾光栅、棱镜、或者啁啾透射光学元件中的至少一种。在一些实现中，放大器包括放大所选的展宽种子脉冲的幅度的增益材料，定义谐振腔的两个端镜，以及使谐振光路在放大器内折叠的两个折叠反射镜，其中两个端镜和两个折叠反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实现中，啁啾反射镜将负色散引入到放大的展宽脉冲中。在一些实现中，激光引擎被配置为输出具有第一重复率的激光束，并随后利用激光引擎的所有光学元件的基本上相同的设置输出具有不同的第二重复率的激光束。在一些实现中，第一重复率和第二重复率落入10kHz-2MHz、50kHz_lMHz或100kHz-500kHz 的范围内。在一些实现中，当未经修改的激光引擎对于第一和第二重复率采用不同的光学元件设置时，激光引擎能够被修改以利用与第一重复率的情况基本上相同的所有光学元件的设置，来输出具有第二重复率的激光束。在一些实现中，放大器被配置为在重复率改变时改变放大器中放大的展宽脉冲的往返次数，同时保持放大器的光学设置不变。在一些实现中，放大器具有小于一米的端镜至端镜折叠光路。在一些实现中，放大器是腔倒空再生放大器、啁啾脉冲放大器或Q开关放大器。在一些实现中，放大器在端镜之间的光路中具有可切换的偏振器，其能够通过在偏振调节状态和偏振非调节状态之间切换而选择展宽的脉冲，其中在偏振调节状态中，可切换偏振器调节放大的展宽脉冲的偏振，而在偏振非调节状态中，可切换偏振器基本上不调节放大的展宽脉冲的偏振。在一些实现中，激光引擎可以包括高压功率开关，其控制可切换偏振器以从偏振非调节状态切换至偏振调节状态，其上升时间小于5纳秒、4纳秒或3纳秒。在一些实现中，激光引擎在1-120秒、10-60秒或20_50秒内将飞秒脉冲激光束的
第一重复率改变为第二重复率。在一些实现中，激光引擎在1μ s -1s范围的改变时间内将飞秒脉冲激光束的第
一重复率改变至第二重复率。在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦反射镜和紧靠聚焦反射镜的焦点设置的激光晶体。在一些实现中，激光引擎被配置为使得当激光引擎的重复率从第一值改变至第二值且两值均位于10kHz-2MHz的范围中时，输出的激光束直径改变小于10%或20%，或者输出的激光束中心移动小于光束直径的20%或40%。在一些实现中，激光束的飞秒脉冲具有在1-100 μ J/脉冲、10-50 μ J/脉冲、或20-30 μ J/脉冲范围内的能量。在一些实现中，激光引擎输出功率大于0.1W、1W或IOW的激光束。在一些实现中，激光引擎是眼科手术系统的一部分。在一些实现中，一种使用激光引擎生成激光束的方法包括如下步骤:使用振荡器生成持续时间小于1000飞秒的种子脉冲的光束；使用脉冲展宽器展宽种子脉冲的持续时间；使用放大器放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以生成放大的展宽脉冲；使用脉冲压缩器将放大的展宽脉冲的持续时间压缩至小于1000飞秒；输出第一重复率处于10kHz-2MHz范围内且脉冲持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束；将重复率从第一重复率改变至处于10kHz-2MHz范围内的第二重复率，而基本上不改变激光引擎的光学设置；以及输出具有第二重复率以及小于1000飞秒的脉冲持续时间的飞秒脉冲激光束。在一些实现中，放大步骤包括利用放大器中的色散补偿器来降低由放大器的光学部件引起的放大的展宽脉冲的色散。在一些实现中，降低色散的步骤包括由放大器中的至少一个啁啾反射镜引入补偿色散，其中，对于每次往返，补偿色散与放大器中除色散补偿器之外的所有光学元件所引起的色散基本上幅度相等且符号相反。在一些实现中，改变重复率的步骤包括改变在放大器中的往返次数，同时保持放大器的光学设置基本上不变。在一些实现中，展宽步骤和压缩步骤由同一展宽器-压缩器执行。在一些实现中，在已经完成输出具有第一重复率的激光束之后，在1-120秒、10-60秒或20-50秒内输出具有第二重复率的激光束。在一些实现中，在1μ s -1s范围内的改变时间内将重复率从第一重复率改变至
第二重复率。在一些实现中，一种激光引擎包括:生成脉冲持续时间小于1000飞秒的脉冲光束的振荡器；展宽光束脉冲的持续时间的展宽器-压缩器；以及放大经展宽的光脉冲的幅度以生成放大的展宽脉冲的放大器，其中展宽器-压缩器压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并输出激光脉冲束；并且激光引擎可操作以输出第一重复率在10kHz-2MHz范围内的激光脉冲束，并且随后利用激光引擎的所有光学部件的基本上相同的设置输出第二重复率在10kHz-2MHz范围内的激光脉冲束，其中对于第一和第二重复率，激光脉冲的持续时间小于1000飞秒。在一些实施例中，放大器包括色散补偿器，其至少部分地补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实现中，放大器包括在放大器的端镜之间的可切换偏振器，其在可切换偏振器调节放大的展宽脉冲的偏振的状态和可切换偏振器不调节放大的展宽脉冲的偏振的状态之间切换，其上升时间小于5纳秒、4纳秒或3纳秒。在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦反射镜以及位于聚焦反射镜的焦点附近的增益晶体。在一些实现中，激光引擎在小于60秒、I秒或10μ s的时间内在第一重复率和第二重复率之间进行切换。在一些实现中，激光引擎包括:输出飞秒种子脉冲的振荡器；展宽种子脉冲持续时间的展宽器；将展宽的种子脉冲放大成放大的展宽脉冲的放大器，放大器包括色散补偿器以补偿由放大器的光学元件引起的放大的展宽脉冲的色散；以及压缩器，该压缩器接收放大的展宽脉冲，压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并输出飞秒脉冲激光束。在一些实现中，可变重复率激光引擎包括Q开关腔倒空再生放大器；该放大器包括两个端镜，其中激光引擎输出飞秒激光脉冲；而端镜之间的光路长度小于2米。在一些实现中，端镜之间的光路的长度小于I米。在一些实现中，激光引擎包括生成种子脉冲以传送至放大器的振荡器，其中从振荡器中生成种子脉冲光子之处到激光引擎输出激光脉冲之处的总自由空间光路长度小于500米、300米或150米。 在一些实现中，放大器的腔的所有边缘尺寸小于I米或0.5米，其中放大器的腔容纳放大器的所有光学元件。在一些实现中，放大器的占地面积小于Im2或0.5m2。在一些实现中，激光引擎包括展宽器-压缩器，该展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施例中，放大器包括色散补偿器，其补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实现中，放大器包括:放大激光脉冲的幅度的激光晶体；以及在放大器内折叠谐振光路的两个折叠反射镜，其中两个端镜和两个折叠反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实现中，激光引擎被配置为以激光引擎的所有光学元件的基本上相同的设置输出具有处于重复率范围内的第一重复率的激光束，并在随后输出具有处于该重复率范围内的第二重复率的激光束。在一些实现中，第一重复率和第二重复率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz-500kHz 的范围中。在一些实现中，激光引擎被配置为使得可在小于60秒、I秒或10μ s的时间内将第
一重复率改变至第二重复率。在一些实现中，放大器包括位于端镜之间的可切换偏振器，其在小于5ns、4ns或3ns的时间内在可切换偏振器调节放大脉冲的偏振的状态与可切换偏振器基本上不调节放大脉冲的偏振的状态之间进行切换。在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦端镜和紧靠聚焦端镜的焦点设置的激光晶体。在一些实现中，激光引擎包括:生成并输出飞秒种子脉冲光束的振荡器；展宽种子脉冲的持续时间的展宽器-压缩器；以及从展宽器-压缩器接收展宽的种子脉冲、放大所选的展宽种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲并且输出放大的展宽脉冲的激光束的放大器；其中展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲的激光束，压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并且输出脉冲持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束；其中从振荡器中生成种子脉冲光子之处到激光引擎输出激光脉冲之处的光路长度小于500米。在一些实现中，光路长度小于300米。在一些实现中，可变重复率激光引擎包括:生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡器；展宽种子脉冲持续时间的展宽器-压缩器；以及放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲的啁啾脉冲放大器；其中该放大器包括切换时间小于5ns的可切换偏振器；展宽器-压缩器压缩放大的展宽脉冲的持续时间至飞秒值；并且激光引擎占据小于Im2的面积。在一些实现中，激光引擎是手术激光系统的一部分，手术激光系统具有激光引擎以及位于手术激光系统的顶板上的成像系统。在一些实现中，可变重复率激光引擎包括:生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡器，展宽种子脉冲的持续时间的集成的展宽器-压缩器，以及放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲的Q开关腔倒空再生放大器；其中展宽器-压缩器压缩放大的展宽脉冲的持续时间，以输出飞秒激光脉冲，并且激光引擎的光学元件数量小于75。在一些实现中，激光引擎的光学元件数量小于50。在一些实现中，激光引擎除振荡器之外的部分中的光学元件数量小于50。在一些实现中，激光引擎除振荡器之外的部分中的光学元件数量小于35。在一些实现中，光学元件是下列之一:反射镜、透镜、平行板、偏振器、隔离器、任何可切换光学元件、折射元件、透射元件、或反射元件。在一些实现中，光学元件使光从空气中进入并且出射至空气中。在一些实现中，集成的展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅。在一些实施例中，放大器包括色散补偿器，其补偿由放大器的光学元件引入的色散。在一些实现中，放大器包括限定谐振腔的两个端镜，以及在放大器中折叠谐振光路的两个折叠反射镜，其中两个端镜和两个折叠反射镜中的至少一个是啁啾反射镜。在一些实现中，激光引擎被配置为以激光引擎的所有光学元件的基本上相同的设置输出第一重复率在重复率范围内的激光束且随后输出第二重复率在该重复率范围内的激光束，其中第一和第二重复率在10kHZ-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz_500kHz的范围内。在一些实现中，激光引擎被配置为使得第一重复率可在小于I秒的时间内改变至第二重复率。在一些实现中，放大器包括位于端镜之间的可切换偏振器，其可在小于5ns、4ns或3ns的时间内在可切换偏振器调节放大的展宽脉冲的偏振的状态与可切换偏振器基本上不调节放大的展宽脉冲的偏振的状态之间进行切换。在一些实现中，放大器包括至少一个聚焦反射镜和紧靠聚焦反射镜的焦点设置的激光晶体。在一些实现中，激光引擎包括:生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡器；展宽种子脉冲的持续时间的展宽器-压缩器；以及从展宽器-压缩器接收展宽的种子脉冲、放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲并且输出放大的展宽脉冲的放大器；其中展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲，压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并且输出脉冲持续时间小于1000飞秒的飞秒脉冲激光束，其中激光引擎中除振荡器之外的部分中的光学元件的数量小于50。在一些实现中，激光引擎的光学元件数量小于75。在一些实现中，一种使用激光系统进行扫描的方法包括如下步骤:使用激光引擎生成具有可变重复率的激光脉冲；使用扫描激光传递系统将激光脉冲聚焦至靶区域中的焦斑；使用扫描激光传递系统在靶区域中以扫描速度扫描焦斑；改变扫描速度；以及使用重复率控制器根据改变的扫描速度调节重复率。在一些实现中，生成步骤包括:由振荡器生成飞秒种子脉冲；由展宽器-压缩器展宽种子脉冲；由放大器将所选的展宽的种子脉冲放大成放大的展宽脉冲；以及由展宽器-压缩器将放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。在一些实现中，该方法包括调节重复率以将靶区域中由激光生成的泡的密度近似维持在选定值附近。在一些实现中，泡的密度是线密度、面积密度或体积密度。在一些实现中，调节重复率的步骤包括与扫描速度成比例地调节重复率。在一些实现中，调节重复率的步骤包括在I微秒-1秒的时间范围内将重复率从第一值调节为第二值。在一些实现中，扫描焦斑的步骤包括沿着最小加速路径扫描焦斑。在一些实现中，该方法包括沿着之字形路径对焦斑进行XY扫描，以及当靠近路径的折回部分时减慢重复率。在一些实现中，该方法包括沿着螺旋形扫描激光束，并且当扫描靠近螺旋形的中心时减慢重复率。在一些实现中，调节重复率包括:通过如下二者之一而由重复率控制器接收关于改变的扫描速度的信息:感测正在改变的扫描速度，以及从处理器或存储器获得关于正在改变的扫描速度的电子信息；以及，根据接收到的关于已改变的扫描速度的信息调节重复率。在一些实现中，可变重复率激光扫描系统包括:生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡器；展宽种子脉冲的持续时间、从放大器接收放大的展宽脉冲、压缩放大的展宽脉冲的持续时间、以及输出具有重复率的飞秒脉冲激光束的展宽器-压缩器；从展宽器-压缩器接收展宽的种子脉冲、放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲并且向展宽器-压缩器输出放大的展宽脉冲的放大器；以及以可变扫描速度在靶区域中扫描激光束的焦斑以生成光致破裂斑的扫描光学器件；其中激光扫描系统改变重复率以创建具有预定密度分布的光致破裂斑。在一些实现中，放大器包括降低放大的展宽脉冲的色散的色散补偿器。在一些实现中，放大器包括可切换偏振器，其旋转放大器中的展宽脉冲的偏振面，其中可切换偏振器的上升时间小于5ns、4ns或3ns。在一些实现中，激光扫描系统包括控制电子器件，其向可切换偏振器施加控制信号以使得可切换偏振器以小于5ns、4ns或3ns的上升时间进行切换。在一些实现中，一种使用激光引擎进行扫描的方法包括如下步骤:生成具有重复率的飞秒激光脉冲；将激光脉冲聚焦在靶区域中的焦斑以生成光致破裂斑；在靶区域中以扫描速度扫描焦斑，以及在扫描期间调节重复率以创建具有密度分布的光致破裂斑。在一些实现中，调节步骤包括创建具有在靶区域中基本上保持均匀的线斑密度、面积斑密度或体积斑密度的光致破裂斑。在一些实现中，调节步骤包括根据扫描速度的变化调节重复率。
在一些实现中，调节步骤包括与扫描速度成比例地调节重复率。在一些实现中，调节重复率的步骤包括在I微秒-1秒的时间范围内将重复率从第一值调节为第二值。在一些实现中，生成步骤包括:由振荡器生成飞秒种子脉冲；由展宽器-压缩器展宽种子脉冲；由放大器将所选的展宽的种子脉冲放大成放大的展宽脉冲；以及由展宽器-压缩器将放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。在一些实现中，扫描焦斑的步骤包括沿着最小加速路径扫描焦斑。在一些实现中，该方法包括沿着之字形路径扫描焦斑，以及当靠近路径的折回部分时减慢重复率。在一些实现中，该方法包括沿着螺旋形扫描激光束，并且根据扫描靠近螺旋形的中心而减慢重复率。在一些实现中，该方法包括沿着线的端部或线的转角扫描激光束；以及根据扫描靠近该线的端部或该线的转角而减慢重复率。在一些实现中，该方法包括接收存储的或感测的关于扫描速度的信息，并且根据接收到的关于扫描速度的信息调节重复率。在一些实现中，该方法包括接收感测的或成像的关于靶区域的信息，并且根据接收到的关于靶区域的信息调节重复率。在一些实现中，激光引擎能够包括输出飞秒种子光脉冲的振荡器，以及放大种子光脉冲以产生放大的光脉冲的放大器。该放大器包括耦合以接收和循环种子光脉冲的光腔，以及耦合至光腔以控制接收到的种子光脉冲的光耦合到光腔中并且控制光腔内的光耦合出去以作为放大器的输出光的光学开关设备。光学开关设备被配置为控制并调节在光腔内耦合的光的往返次数，并且调节放大器产生的放大的光脉冲的脉冲重复率。放大器还包括光腔内的用于将种子光脉冲放大成放大的光脉冲的光学增益介质，以及光腔内的用于补偿由放大器引起的放大的光脉冲的色散的色散补偿器。激光引擎包括放大器外部的一个或多个光学元件，以在将每个种子光脉冲耦合进放大器之前展宽种子光脉冲的持续时间，并且压缩由放大器输出的放大的光脉冲的持续时间以产生放大的光脉冲。该激光引擎能被配置为没有位于放大器外部的用于补偿放大器引起的放大的光学脉冲的色散的色散补偿设备。在另一些实施例中，一种用于操作激光引擎以产生飞秒光脉冲的方法可包括:展宽飞秒种子光脉冲以产生展宽的种子光脉冲，其中每个脉冲具有减小的光功率；以及将展宽的种子光脉冲耦合进入光学放大器的光腔内以放大每个展宽的种子光脉冲的光功率，从而产生放大的展宽光脉冲。在光学放大器内，使用光学补偿器向每个光脉冲提供色散补偿，其中光学补偿器被构建为引入色散，该引入的色散与除了色散补偿器引起的色散之外的、在放大器的光腔内的一次光往返中由放大器引起的色散的符号相反且幅度基本相等。该方法包括操作耦合至光腔的光学开关设备以控制将展宽的种子光脉冲的光耦合到光腔内以及将放大的展宽光脉冲的光耦合出光腔；压缩离开光腔的放大的展宽光脉冲的脉冲持续时间以产生压缩的放大光脉冲作为激光引擎的输出；并且操作光学开关设备以控制并调节光腔内的光往返次数，由此控制并调节压缩的放大光脉冲的脉冲重复率，而不使用位于放大器之外的色散补偿设备来补偿由放大器引起的色散。
图1A-B例示了高功率飞秒激光引擎I的两个实施例。图2更详细地例示了高功率飞秒激光引擎的一个实施例。图3A例示了对激光脉冲进行啁啾的概念。图3B例示了展宽器200’和压缩器400的例子。图3C例示了集成的展宽器-压缩器200的实现。图4例示了放大器300的实施例。图5A-B例示了激光腔的泵浦-增益-倒空循环。图6A-D例示了具有恒定和可变重复率的扫描手术图案。图7A-B例示了有关在放大器300中的激光晶体310的两个不同温度下的热透镜效应的设计挑战。图7C-D例示了具有降低的热透镜效应的放大器300的两个实现。图8例示了光束光功率作为工作温度的函数的关系曲线。
具体实施例方式在早期的飞秒激光器中，极短的脉冲长度导致了这些脉冲的极高功率。然而，该高功率可能损伤激光器的增益介质。该问题通过啁啾脉冲放大(CPA)而得以解决。在该技术中，生成飞秒种子脉冲，并在随后将种子脉冲的长度展宽10-1000倍而至皮秒范围，因而大幅降低脉冲功率。这些展宽的脉冲能够使用增益介质被安全地放大，而不引起损害。放大之后进行压缩，将放大后的脉冲的长度压缩回飞秒。目前，已经将该CPA方法引入大量应用中。然而，CPA激光器也具有缺点。典型地，这些激光器具有大量光学元件，并且因此非常复杂。这些因素使得故障频率非常高，并且减少了激光器能被可靠地开关的次数。同样地，CPA激光器非常大的尺寸使得将它们集成在医学设备内变得非常具有挑战性，因为它们典型地被用于外科套房或手术室的有限空间内。而且，如果不同的手术程序需要改变脉冲的重复率，那么该改变需要执行耗时的大量光学元件的重新调节。此外，热透镜效应大大影响了大部分CPA激光器的光学性能，使得它们对于激光器的工作功率非常敏感。该敏感性是对重复率改变的又一障碍。本文所述的用于构造和操作飞秒脉冲激光器的激光器设计和技术还可以用于解决其他飞秒脉冲激光器中的各种技术问题。图1A例示了啁啾脉冲放大(CPA)或者腔倒空再生放大器(⑶RA)激光引擎1，其包括振荡器100、展宽器-压缩器200和光学放大器300。振荡器100能够生成并输出飞秒种子脉冲的光束。展宽器-压缩器200能够展宽这些种子脉冲的持续时间。放大器300能够接收来自展宽器-压缩器200的展宽的种子脉冲，放大展宽的脉冲的幅度，并且输出放大的展宽脉冲的激光束。这些放大的展宽脉冲能够光学地耦合回到展宽器-压缩器200中，后者能够压缩放大的展宽脉冲的持续时间，并且输出飞秒脉冲的激光束。图1B例示了另一 CPA激光引擎I’的例子，其中光学振荡器100’和光脉冲展宽器200’下游的光学放大器300’能够将放大的展宽脉冲光学地耦合至单独的压缩器400，后者能够压缩放大的展宽脉冲并且输出飞秒脉冲的激光束。激光引擎I和I’的描述包括许多控制功能和方法步骤。这些功能和步骤可以受控于一个或多个控制器、处理器和其他计算机控制器。这些控制器、处理器和计算机控制器可以利用彼此交互的先进软件。为了清楚陈述，这些处理器、控制器及其相应软件未在本专利文件的附图中示出，但是在一些实现中旨在作为激光引擎I和I’的描述的一部分。虽然将根据眼科应用(诸如白内障手术、晶状体切开术或角膜手术程序)描述本申请中的若干例子，但能够在相当宽范围的应用中使用激光引擎I的各实现，所述应用包括各种各样的眼科手术程序，诸如视网膜和角膜手术，以及皮肤病和牙科应用、不同的外科应用、以及使用激光光致破裂或一些其他激光协助的处理而成形材料件的各种材料加工应用。如上所述，一些啁啾脉冲放大CPA/⑶RA激光引擎具有各种缺点。激光引擎I的实施例能够被配置为通过采用一些或所有下列设计原理以及其他设计考虑而提供针对这些问题的解决方案:(I)许多激光器具有大量光学元件，诸如一百个或更多，这使得它们的设计复杂和昂贵。在本文中，激光引擎I的实施例可以具有总共少至50个光学元件，并且在振荡器100外不多于35个光学兀件。(2)具有大量光学元件以及相应复杂性的激光器可能具有高故障频率。在一些CPA/⑶RA激光器中，故障概率可能在激光器“循环”(即开关30-40次)之后变得相当高。这类系统在30-40次开关循环之后可能需要预防性维护，或者需要更为经常地进行该维护，以防止在激光器的常规工作期间发生实际故障。在本文中，由于大量减少的光学元件数量以及新颖的色散控制方法，对于预期的常规工作，激光引擎I的实施例可以循环100、120或更多次，因而大幅降低需要维修的频率并且增加了总体可靠性。(3) 一些CPA/⑶RA的大物理延伸区和相应的长的往返持续时间将转换成长的充能(recharge)时间，如后面所述的，因而限制了其重复率，以及其用于空间受限的手术设备中的可用性。本文中，激光引擎I的实施例能够具有紧凑的谐振腔，其端镜至端镜光路在一些实施例中能够小于I米，在其他实施例中则能小于两米。紧凑性也是有助于激光引擎I的能够高达300、500或者甚至IOOOkHz的高重复率的一个因素。上述紧凑性能够转换成测得的从生成光子的点到出射点并且包括腔内所有往返的总光路，其可以不考虑这些激光器的高重复率而低至150米。(4) 一些CPA/⑶RA激光器被精细调整而以特定重复率工作。该调整可以包括由压缩器200/400补偿展宽器200和放大器300在特定重复率下的色散。然而，如果一个应用要求改变重复率，展宽器和放大器在该新重复率下会引起不同的色散，从而扰乱CPA/CDRA激光器的精细调整的色散补偿。为了补偿该改变的色散，典型地，展宽器200和压缩器200/400的光学元件需要通过耗时的程序来重新调节。该重新调节使得技术上不便于在眼科手术程序的时标上改变这些CPA/⑶RA激光器的重复率。因而，大部分商业眼科CPA激光器不提供可变重复率的功能，并且在手术过程中都不提供可改变的重复率。
本文中，激光引擎I的实施例可包括色散控制器或色散补偿器，其能够减少或甚至最小化放大器300所引起的激光束的色散。色散的这一最小化允许改变重复率，而无需耗时地重新调节激光引擎I的光学元件。因而，包含色散控制器使得可以在对时间敏感的手术过程中改变重复率。一个例子是对于白内障手术使用第一重复率，而对于晶状体切开术或角膜手术程序使用第二重复率。正如所周知的，在这些手术中，时间因素是非常关键的。(5)在一些情况下，在手术程序中，当激光束具有固定的重复率时，切割图案可被用来以不均匀的密度布置激光斑。例子包括在扫描栅格或扫描图案的转折点周围减慢扫描速度，或者以缩窄或增宽的螺旋来减慢扫描速度或扫描图案。在本文中，激光引擎I的实施例可被配置为具有基本上连续可调节的重复率，并且与正在改变的扫描速度近似同步地调节重复率，以补偿扫描速度的变化，从而允许以近似恒定的密度或者以预定的密度分布形成激光斑。(6)此外，热透镜效应负面地影响一些CPA/⑶RA激光器的光学性能，并且使得它们对于激光束的功率和重复率的改变非期望地敏感。本文中，激光引擎I的实施例能够利用热透镜效应补偿技术，使得这些实施例对于所应用的激光束的功率和重复率的改变相当不敏感。图2详细地例示了激光引擎I的一种特定实现。振荡器100可以是各种各样的光源，其能为激光引擎I生成并输出种子脉冲。例子包括二极管泵浦的光纤振荡器。振荡器可以包括单个二极管，例如在808nm波长工作的GaAs 二极管，或者各种各样的其他二极管。光纤振荡器显著小于基于自由空间光束传播的振荡器。在手术应用中，手术室的拥挤度是紧迫的约束，因此减小激光引擎的空间延伸区是很有价值的设计特征。在一些例子中，振荡器输出高质量种子脉冲。如下详细所述，若干因素能有助于实现高脉冲质量。(i)在一些实施例中，二极管可包括频率稳定条，诸如二极管内的体布拉格光栅。这种光栅可以提供具有低噪声和高脉冲至脉冲稳定性的脉冲。光纤可以由掺杂有Nd或Yb的玻璃形成。(ii)振荡器100可包括半导体可饱和吸收镜，或SESAM。利用一个或多个SESAM改进了所生成的脉冲的模式的相干性，由此得到基本上锁模的工作。具有上述设计原理的振荡器能够输出基本上变换限制的种子脉冲，例如，具有高斯形状。在一些例子中，还可以生成平顶脉冲。这些脉冲持续时间可以小于1000飞秒(fs)。在一些实现中，脉冲持续时间可处于50-1000飞秒范围内，在一些其他实施例中则处于100-500飞秒范围内。该种子脉冲频率或重复率可处于IO-1OOMHz的范围内，在其他实施例中则处于20-50MHZ的范围内。然而将种子脉冲频率降至10或20MHz以下会产生一系列设计挑战。出于该理由，大部分振荡器以高于20MHz的频率工作。该种子脉冲的光束功率可处于IO-1OOOmW的范围内，在其他实施例中则处于100-200mff的范围内。出于许多定时考虑，振荡器100可用作主时钟。展宽器-压缩器200可通过对于脉冲的不同频率成分引入不同的延迟时间来展宽种子脉冲。简言之，展宽器-压缩器能够引入色散或啁啾。
图3A详细例示了这一啁啾。展宽器-压缩器200可以接收短脉冲，其频率组成或频谱在脉冲的大部分持续时间上近似均匀或“白色”。换句话说，在脉冲开始处，不同频率成分的幅度近似均匀，并且在脉冲的持续间隔内保持如此。展宽器-压缩器200可以通过对这种“白色”脉冲的红色、绿色和蓝色成分引入不同的延迟时间而展宽脉冲长度。因而，由展宽器-压缩器200输出的脉冲的频率组成或频谱可变为与时间相关。根据典型惯例，前沿部分以红色频率为主而后沿部分以蓝色频率为主的脉冲被称为具有正色散或啁啾。本说明书涉及时域中的啁啾，S卩，高和低频率成分的相对延迟。空间啁啾(即光束内高低频率成分的空间分离)则提出了各种附加的设计挑战，并且不在展宽器200’或展宽器-压缩器200的期望功能中。展宽器-压缩器200或展宽器200’可以通过增强脉冲前沿部分中的红色成分并增强脉冲后沿部分中的蓝色成分而将正啁啾引入初始白色种子脉冲中。类似地，也可以由展宽器-压缩器200或展宽器200’来对非白色脉冲进行啁啾。展宽器-压缩器200可以将飞秒种子脉冲的持续时间从50-1000飞秒的范围展宽至1000-200000飞秒或者1-200皮秒或者甚至高达500ps的展宽的持续时间。展宽器-压缩器200能够将飞秒种子脉冲的持续时间展宽10倍以上。在一些情况下，展宽因子可以大于102、103、104或105。这些展宽因子各自为放大器300引入不同的设计规则。图3B例示了图1B中所示类型的激光引擎I’能够利用展宽器200’和分开的压缩器400。展宽器200’可以包括第一光栅201、透镜202、第二光栅203和反射镜204。当短脉冲211进入展宽器200’时，第一光栅201可以将不同频率成分折射到不同方向。在离开第一光栅201后，发散的光线可以传播至透镜202，并被重定向至第二光栅203。一些实施例可以使用两个透镜代替透镜202。由于第二光栅203与第一光栅201呈一定角度并且不同频率的光线在各发散方向上传播，因此不同的频率成分行进不同距离，并且需要不同的时间实现这一行进。例如，在图3B的展宽器200’中，频率在频谱蓝色区域中的成分的行进距离比红色区域中的成分更长，因此相对于入射短脉冲的红色成分具有延迟。此处和全文中，以说明性和相对方式使用术语“蓝色”和“红色”。它们分别指的是脉冲频谱中具有较短和较长波长的成分。在特定实现中，激光平均波长可以是1000-1 lOOnm，并且脉冲的带宽能够处于2-50nm的范围中，在一些情况下则处于5-20nm的范围中。在该例子中，脉冲的整个频谱位于红外区域中。在该例子中，术语“蓝色”和“红色”指的是在脉冲带宽内分别具有较短和较长波长的红外光谱部分。第二光栅203的功能包括啁啾的局部控制，即蓝色成分相对于红色成分的延迟，以及将光束恢复成基本上平行的光束，以使其适于由反射镜204反射。反射镜204反射频率分开的平行光线，这些光线于是折回它们的光路通过第二光栅203、透镜202和第一光栅201。到脉冲离开第一光栅201时，脉冲的蓝色成分行进的距离显著较长，并且因而落后于红色成分。该延迟对于输出的脉冲具有至少三个效果:(i )脉冲长度变得显著更长，(ii )不同的频率成分的幅度在时间上相对于彼此移位，将红色成分移至脉冲的前沿，而蓝色成分则移至后沿，或者反之，(iii)脉冲的总能量在更长的脉冲长度上分布，降低了输出脉冲的光功率。在一些情况下，脉冲持续时间可被展宽100、1000或更多倍，功率可相应地降低至百分之一、千分之一甚至更小。总而言之，展宽器-压缩器200或展宽器200’能够展宽脉冲、引入正啁啾并且由此大幅降低脉冲功率。如前述，降低脉冲的峰值功率是CPA/CDRA激光器的有利方面，因为随后的放大器300的腔光学元件不会暴露至过高功率的脉冲，并由此避免因光束而遭受损伤。图3B还例示了压缩器400的例子，其可包括第三光栅205、第四光栅207和反射镜208。一些例子在这些光栅之间不具有透镜，而其他例子则可具有一个或两个透镜。类似于展宽器200’的第一光栅201，第三光栅205再次将脉冲频谱的不同成分定向至不同方向。类似于第二光栅203，第四光栅207同样通过其朝向来局部控制蓝色和红色成分的相对延迟。然而，由于第四光栅207现在被定向为与第二光栅203相反，因此现在蓝色成分的光路更短，引起负啁啾。该负色散允许展宽的脉冲的蓝色成分赶上红色成分，将放大的展宽脉冲的总持续时间从数百皮秒缩短至数百飞秒。分开的展宽器200’和压缩器400的设计是图1B的激光引擎I’的实施例。图3B还例示了具有分开的展宽器200’和压缩器400的图1B的设计的两个敏感方面。(i)首先，展宽器200’、放大器300和压缩器400需要相对于彼此精细地调整，使得压缩器400能够以高精确性撤销由展宽器200’引起的展宽以及随后由放大器300引起的色散。因而，设置透镜202的位置以及第一至第四光栅201-207的朝向可能需要尤其高的精确性，以补偿放大的展宽脉冲的色散，并且将其压缩回飞秒脉冲。而且当然地，高精确性调节对于干扰非常敏感:温度、往返次数和机械应力的小改变都能破坏该精确性调节，由此需要维护和重新校准具有图1B结构的激光引擎I’。(ii)在一些复杂或多步骤程序中，可能期望改变重复率。然而,重复率的这种改变典型地伴随有往返次数的改变，以优化输出的脉冲。依次地，往返次数的改变往往导致热透镜效应以及放大器300引起的混合色散的改变。因而，重复率和往返次数的改变会扰乱展宽、色散和压缩的经仔细校准的平衡。为了抵消这些改变，如图3B的箭头所示，可以通过改变透镜202的位置、光栅201、203,205和207中的一些的位置或朝向、反射镜204和208的位置，或者通过移动一个或多个反射镜而改变光束入射到透镜202上的位置，而重新校准激光引擎I’的一些实现。无需言明，这些改变典型地需要谨慎并且往往反复的机械调节和精确性校准，所有这些都是耗时的介入。重新校准的缓慢可能向期望脉冲重复率及时改变的应用提出了问题。这在时间是关键性因素的应用中(例如，在患者控制眼睛移动的能力可能低至90秒的眼科手术应用期间)会特别成问题。鉴于所有这些理由，大部分激光引擎不提供可改变的重复率的功能。此外，由于在激光引擎I'中，展宽器200’与压缩器400分开，并且两者均包括多个光栅和透镜，因此图1B中类型的激光引擎I'的展宽器和压缩器的空间延伸区典型地非常占用空间。为了减少展宽器200’和压缩器400的空间占地面积并且减少校准次数，在激光引擎I’的一些实现中，展宽器200’和压缩器400能够共享一个或多个光学元件。在一些情况下，它们能够共享光栅，诸如第一光栅201和第三光栅205可以是同一个。在一些多次折叠的例子中，展宽器200’的两个光栅可以是同一个物理光栅，在不同的通过期间，透镜和反射镜引导同一光栅上的来自不同方向的波束。在一些多次折叠的例子中，展宽器200的两个光栅以及压缩器400的两个光栅的所有功能可以由单个共享的光栅执行。图3C例示了图1A实施例的展宽器-压缩器200的例子，其提供了对这些挑战的鲁棒的解决方法。图3C的展宽器-压缩器200集成了展宽和压缩功能，并且因而其可在图1A的激光引擎I的实施例中采用。如图3C中示例所实施的该展宽器-压缩器200是啁啾体布拉格光栅(CVBG)。该CVBG例如可以是在光热折射(PTR)玻璃中的叠层，各个层具有合适的折射率以及随着层位置改变的光栅周期。在这种设计中，对于脉冲的不同频谱成分，布拉格谐振条件出现在不同的位置。于是，不同的频谱成分在不同的位置处被反射，由此在脉冲中获得不同的时间延迟。如图3C中的例子所示，当短“白色”脉冲211进入展宽器-压缩器200时，红色频率成分从具有较宽的层间隔或光栅周期的近区域折射，因为其波长更长并且满足这些近区域中的布拉格反射条件。相反地，具有较短波长的蓝色频率成分从光栅的更远区域返回。由于蓝色成分经过更长的光路，因此它们相对于红色成分获得延迟。于是，输入的短白色脉冲211由该CVBG展宽器-压缩器200展宽成更长的展宽的脉冲212。在该特定示例中，由于蓝色成分相对于红色成分延迟，因此展宽的脉冲212演变出正啁啾。其他实施方式则可以具有产生负啁啾的CVBG，相对于蓝色光谱成分延迟红色光谱成分。该CVBG展宽器-压缩器200还能够以高精确性压缩放大的展宽脉冲213，而无需任何麻烦的精细调整，因为展宽的脉冲在由放大器300放大之后从相对端或压缩器端口注入同一 CVBG展宽器-压缩器200中。当展宽的脉冲从相对端进入CVBG展宽器-压缩器200中时，其红色成分的延迟程度与蓝色成分在展宽步骤中的延迟程度相同，因此脉冲的原始短长度得以恢复。因而，该展宽器-压缩器200能够非常有效地补偿在展宽期间引入的色散，并且输出适当压缩的放大脉冲214。与具有分开的展宽器200’和压缩器400的激光引擎I’的特定方面相比，(i)激光引擎I对移动的光学元件的精确对齐并非高度敏感，因为其没有移动的光学元件，并因此表现出对机械扰动或工作温度改变的显著鲁棒性，以及(ii)由于放大器300的新颖设计不会引起与往返次数相关的附加色散，如参考公式(I)- (2)和图5A-B进一步所述，因此当重复率改变时，激光引擎I不需要其光学元件和设置的敏感的重新校准和重新对齐。这些属性允许在其中快速或及时改变重复率非常重要的应用中使用激光引擎I。在与上述不同的其他设计中，放大器300可能引入附加色散。在这些设计中，展宽器-压缩器200的集成结构可以补充有重新调节功能，因为压缩器需要不仅压缩展宽器的色散，还需压缩放大器300的附加色散。该附加的任务可能需要实施与压缩器功能相关的可调整模块。返回图2，激光引擎I还可包括有效的偏振分束器150。分束器150可以包括位于振荡器100和展宽器-压缩器200之间的偏振器和λ/4片。在其他实施例中，分束器150可以是薄膜偏振器。该组合150能使得种子脉冲从振荡器100通过以到达展宽器-压缩器200，而将从展宽器-压缩器200返回的展宽脉冲重定向到放大器300，因为在两次通过之后，λ/4片将脉冲光束的偏振面旋转了 90度。偏振器在对于种子脉冲的偏振方向呈现透射性的同时，对于第二次穿过λ /4片后的展宽脉冲的经90度旋转的偏振面呈现反射性。
在一些实施例中，激光引擎I可包括位于分束器150和放大器300之间的光路中的法拉第隔离器500。法拉第隔离器500的功能可以包括将振荡器100与放大的光束相隔离，从而防止激光束的高功率对振荡器100的损害。这类法拉第隔离器500能够接收来自分束器150的展宽的种子脉冲，将展宽的种子脉冲朝向放大器300传送，接收来自放大器300的放大的展宽脉冲的激光束，并且通过偏振器550和560向展宽器-压缩器200输出放大的展宽脉冲的激光束。法拉第隔离器500在其中放大器300通过接收脉冲的同一光路输出放大的脉冲的实施例中会是有用的，因为简单的重定向光学器件可能会由于放大的脉冲常常具有数百或者甚至数千倍于种子脉冲的功率或强度而不适用于隔离功能。即使简单的重定向光学器件仅允许这些放大脉冲的一部分通过，这些透射的脉冲仍然强到足以损害振荡器100。在一些实施例中，法拉第隔离器500可被配置为允许来自放大器300的激光束的小于1/10000的部分通过而朝向振荡器100。在衰减方面也能得到相同的隔离功能:法拉第隔离器能够以例如40dB或者在一些实施方式中以50dB来衰减放大的激光束。法拉第隔离器或依赖于偏振的隔离器可以包括三个部分:垂直偏振的输入偏振器、法拉第旋转器、以及45度偏振的输出偏振器或分析器。前向行进的光如果不是已在例如垂直方向上偏振，则其被输入偏振器使得在垂直方向上偏振。(此处，偏振面指的是电场矢量所在的平面。而且，“垂直”仅建立了常规或参考平面。在各种实施例中，实际偏振面可被定向到其他特定方向。)法拉第旋转器将光束的偏振面旋转约45度，使其与分析器的偏振面对齐，所述分析器随后则使光透过而不施以附加的偏振面旋转。后向行进的光(诸如从放大器300返回的放大脉冲)在从分析器出射之后变得相对于参考垂直平面以45度偏振。法拉第旋转器再次将偏振旋转约45度。因而，法拉第旋转器输出的朝向输入偏振器的光为水平偏振。由于输入偏振器是垂直偏振的，因此水平偏振的光将由输入偏振器近乎完全地反射，而非将其透射至振荡器100。因而，法拉第隔离器500能够高效地保护振荡器100免于高能放大激光脉冲。法拉第旋转器典型地通过生成指向光轴方向的磁场而实现其功能。一些法拉第旋转器包括永磁体以实现该功能。法拉第旋转器中使用的光学材料典型地具有高维尔德常数、低吸收系数、低非线性折射率和高损伤阈值。同样地，为了防止自聚焦和其他热相关效应，光路典型地较短。700-1100纳米范围的两种最常用材料是掺铽的硼硅酸盐玻璃和铽镓石榴石晶体(TGG)。对于放大器300并不经由与脉冲进入相同的光路输出放大脉冲的激光引擎I或I’的实施例，可能不需要采用法拉第隔离器500。图2和4例示了从法拉第隔离器500透射的光可以进入放大器300。放大器300可以包括放大展宽的种子脉冲的激光晶体或者增益介质310，由此在端镜321和322之间形成往返。一些放大器300可以包括折叠光路(或者“z腔”)，其使用折叠反射镜重定向激光束，以缩短谐振腔的空间延伸区。图4中的放大器300具有四个反射镜:限定谐振腔的两个端镜321和322，以及两个折叠反射镜323和324。在一些例子中，光路甚至可以原路折叠，呈现为交叉图案。虽然更多折叠反射镜的使用能够通过将光路折叠在更紧凑的空间中而更进一步缩减放大器300的尺寸，但是额外的反射镜增加了未对准的可能性和价格。
除了激光晶体310和反射镜321-324之外，放大器300还可包括可切换偏振器330，其控制品质因数Q并由此控制放大器300的放大功能，以及控制用作脉冲在腔内的输入/输出端口的薄膜偏振器340。该薄膜偏振器340是偏振选择器件的一个具体实例，其反射具有第一预定偏振的光，同时透射具有正交于第一预定偏振的第二偏振的光。可切换偏振器330可以是偏振器件，其在当其不旋转通过其的光的偏振时的第一工作状态和当其响应于施加于其上的控制信号而旋转光的偏振时的第二工作状态之间切换。薄膜偏振器340和可切换偏振器330的组合能被用于在来自法拉第旋转器500的脉冲稱合入放大器300时以及当在放大器300内放大的脉冲从放大器耦合出来时进行控制，如下文所述。图4中的薄膜偏振器340和可切换偏振器330的该组合是用于放大器300的谐振腔的光学开关的一个例子。其他设计也可以用于该光学开关。下文将更详细地描述放大器300的操作和结构。更具体地，将示出通常通过改变放大脉冲在端镜321和322之间的往返次数而实现的重复率改变。刚刚所述的光学开关的功能是通过在脉冲耦合进入或离开谐振腔时进行控制而控制这些往返的次数。放大器300中的光学元件会在这些往返的每一次期间引入一定的色散量。因而，与重复率改变相关的放大器300中往返次数的改变会改变放大器300输出的放大脉冲的累积色散。即便调节压缩器400以针对特定次数的往返而补偿色散，由往返次数的改变引起的色散改变扰乱了图1B的激光引擎I’的展宽器200’、放大器300和压缩器400的展宽、色散性放大和压缩的敏感平衡，需要冗长的重新校准。即使对于具有图1A的集成展宽器-压缩器200的激光引擎I的更有创造性的结构，在往返次数改变时也可能需要使用要调节的补偿元件。该方面限制了这些激光引擎的实用性。为了拓宽它们的实用性，一些激光引擎可以包括色散控制器或补偿器作为放大器300的一部分。色散控制器的功能是引入与在往返期间放大器300的光学元件引入的色散符号相反且基本上幅度相等 的色散。作为该色散补偿或控制的结果，在放大器300的谐振腔中的往返期间，脉冲几乎没有色散或完全没有色散。因而，往返次数的改变仅微量改变或完全不改变放大的脉冲的色散。因而，由于在往返期间没有累积要补偿的色散，使得能够在基本上不对压缩器400或展宽器-压缩器200的光学设置进行调节、重新对准或校准的情况下改变激光脉冲的重复率。因此，能在图1B的激光引擎I’中实施色散受控的放大器300，使得压缩器400免于在重复率改变之后进行耗时的重新对准的任务。而且，该色散受控的放大器300允许在图1A的激光引擎I中使用集成的展宽器-压缩器200，而无需可调节的补偿功能。例如，如果激光晶体310在激光脉冲在谐振腔内的往返期间引入正色散，色散控制器则能够向放大的展宽脉冲引入具有同样幅度的负色散，以抑制、最小化或消除激光脉冲的色散。一种量化色散的有用方法是“群延迟色散”，或⑶D，通常定义为:GBD = ^^4^.L(I)
d rx r其中λ是光波长，c是光速，η(λ)是依赖于波长的折射率，而L是腔内光路长度。光学元件310、330和340、反射镜321-324以及放大器300中可能存在的任意其他光学元件的GDD例如能够通过测量或者根据设计推断而确定。知道GDD后，色散控制器就能腔内实施与所确定的放大器300的光学元件的GDD近似相等但符号相反的GDD。如此设计的腔在脉冲的往返期间几乎不产生或完全不产生色散，由此消除了所述的问题并且拓宽了激光引擎I或I’的实用性。在示例中，在典型的CPA激光引擎I’中，500飞秒的种子脉冲可由展宽器200’展宽200皮秒，得到展宽的脉冲长度200.5ps。可以调节和校准相应的压缩器400以将展宽的脉冲压缩200ps，得到理想约为500fs的压缩脉冲长度。考虑到非理想性，在现实情况下，压缩脉冲长度可能在500-800fs的范围内。然而，在展宽脉冲在放大器300的谐振腔内往返期间，展宽脉冲的长度可能由于放大器300的各光学元件的色散(表示为腔的GDD)而提升。该GDD的典型值可以从数百fs2变化至几十万fs2。在一些情况下，该⑶D可以在5000fs2-20000fs2的范围内。由于典型情况下展宽器200和补偿器400抵消彼此对脉冲长度的效果，所以由激光引擎I输出的脉冲长度At(out)经由下列关系式与由振荡器100生成的种子脉冲的长度At(seed)以及GDD相关:
权利要求
1.一种用激光系统进行扫描的方法，该方法包括以下步骤:用激光引擎生成具有可变重复率的激光脉冲；用扫描激光传递系统将激光脉冲聚焦至靶区域中的焦斑；用扫描激光传递系统在靶区域中以扫描速度扫描焦斑；改变扫描速度；以及用重复率控制器根据改变的扫描速度调节重复率。
2.如权利要求1所述的方法，所述生成步骤包括:由振荡器生成飞秒种子脉冲；由展宽器-压缩器展宽种子脉冲；由放大器将所选的展宽的种子脉冲放大成放大的展宽脉冲；以及由展宽器-压缩器将放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。
3.如权利要求1所述的方法，包括:调节重复率以将靶区域中由激光生成的泡的密度近似维持在选定值附近。
4.如权利要求3所述的方法，其中:泡的密度是线密度、面积密度或 体积密度。
5.如权利要求3所述的方法，所述调节重复率的步骤包括:与扫描速度成比例地调节重复率。
6.如权利要求1所述的方法，所述调节重复率的步骤包括:在I微秒到I秒的时间范围内将重复率从第一值调节为第二值。
7.如权利要求1所述的方法，所述扫描焦斑的步骤包括:沿着最小加速路径扫描焦斑。
8.如权利要求1所述的方法，包括:沿着之字形路径对焦斑进行XY扫描；以及当靠近路径的折回部分时减慢重复率。
9.如权利要求1所述的方法，包括:沿着螺旋形扫描激光束；以及当扫描靠近螺旋形的中心时减慢重复率。
10.如权利要求1所述的方法，所述调节重复率包括:通过以下之一由重复率控制器接收关于改变的扫描速度的信息:感测正在改变的扫描速度，和从处理器或存储器获得关于正在改变的扫描速度的电子信息；以及根据接收到的关于已改变的扫描速度的信息调节重复率。
11.一种可变重复率激光扫描系统，包括:振荡器，该振荡器生成和输出飞秒种子脉冲光束；展宽器-压缩器，该展宽器-压缩器:展宽种子脉冲的持续时间，从放大器接收放大的展宽脉冲，压缩放大的展宽脉冲的持续时间，以及输出具有重复率的飞秒脉冲激光束；放大器，该放大器: 从展宽器-压缩器接收展宽的种子脉冲， 放大所选的展宽的种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲，以及 向展宽器-压缩器输出放大的展宽脉冲；以及 扫描光学器件，该扫描光学器件以可变扫描速度在靶区域中扫描激光束的焦斑以生成光致破裂斑；其中 激光扫描系统改变重复率以创建具有预定密度分布的光致破裂斑。
12.如权利要求11所述的激光扫描系统，所述放大器包括: 色散补偿器，该色散补偿器降低放大的展宽脉冲的色散。
13.如权利要求11所述的激光扫描系统，所述放大器包括: 可切换偏振器，该可切换偏振器旋转放大器中的展宽脉冲的偏振面，其中 该可切换偏振器的上升时间小于5ns、4ns或3ns。
14.如权利要求13所述的激光扫描系统,所述激光扫描系统包括: 控制电子器件，该控制电子器件向可切换偏振器施加控制信号以使得可切换偏振器以小于5ns、4ns或3ns的上升时间进行切换。
15.一种使用激光引擎进行扫描的方法，该方法包括以下步骤: 生成具有重复率的飞秒激光脉冲；` 将激光脉冲聚焦到靶区域中的焦斑以生成光致破裂斑； 在靶区域中以扫描速度扫描焦斑；以及 在扫描期间调节重复率以创建具有密度分布的光致破裂斑。
16.如权利要求15所述的方法，所述调节步骤包括: 创建具有在靶区域中基本上保持均匀的线斑密度、面积斑密度或体积斑密度的光致破裂斑。
17.如权利要求15所述的方法，所述调节步骤包括: 根据扫描速度的变化调节重复率。
18.如权利要求15所述的方法，所述调节步骤包括: 与扫描速度近似成比例地调节重复率。
19.如权利要求15所述的方法，所述调节重复率的步骤包括: 在I微秒到I秒的时间范围内将重复率从第一值调节为第二值。
20.如权利要求15所述的方法，所述生成步骤包括: 由振荡器生成飞秒种子脉冲； 由展宽器-压缩器展宽所述种子脉冲； 由放大器将所选的展宽的种子脉冲放大成放大的展宽脉冲；以及 由展宽器-压缩器将放大的展宽脉冲压缩成飞秒激光脉冲。
21.如权利要求15所述的方法，所述扫描焦斑的步骤包括: 沿着最小加速路径扫描焦斑。
22.如权利要求15所述的方法，包括: 沿着之字形路径扫描焦斑；以及 当靠近路径的折回部分时减慢重复率。
23.如权利要求15所述的方法，包括:沿着螺旋形扫描激光束；以及根据扫描靠近螺旋形的中心而减慢重复率。
24.如权利要求15所述的方法，包括:沿着线的端部或线的转角扫描激光束；以及根据扫描靠近线的端部或线的转角而减慢重复率。
25.如权利要求15所述的方法,包括:接收存储的或感测的关于扫描速度的信息；以及根据接收到的关于扫描速度的信息调节重复率。
26.如权利要求15所述的方法,包括:接收感测的或成像的关于靶区域的信息；以及根据接收到的关于靶 区域的信息调节重复率。
全文摘要
提供了用于构造和操作飞秒脉冲激光器的设计和技术。激光引擎的一个例子包括生成和输出飞秒种子脉冲光束的振荡器；展宽种子脉冲的持续时间的展宽器-压缩器；以及接收展宽种子脉冲、放大所选的展宽种子脉冲的幅度以创建放大的展宽脉冲、并且输出放大的展宽脉冲激光束以返回至展宽器-压缩器的放大器，展宽器-压缩器压缩返回的激光束的持续时间并输出飞秒脉冲激光束。放大器包括色散控制器，其补偿放大的展宽脉冲的色散，使得激光器的重复率在手术程序之间或者根据扫描速度可调。激光引擎可以是紧凑的，其总光路小于500米，并且具有小数量的光学元件，例如少于50个。
文档编号H01S3/02GK103119805SQ201180010855
公开日2013年5月22日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月24日
发明者M·卡瓦维蒂斯 申请人:爱尔康手术激光股份有限公司