УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАКОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2014 года по МПК A61F9/08 

Область техники

Изобретение относится к устройству для обработки материала пучком импульсного лазерного излучения. Изобретение относится также к способу эксплуатации такого устройства.

Таким образом, изобретение применимо в лазерных системах, служащих для обработки самых различных материалов. Так, материал, подлежащий обработке, может быть не только неживой, но и живой материей, например тканью человеческого глаза.

Уровень техники

Применительно к обработке материалов, особенно материалов, которые прозрачны в видимой области спектра, все большее значение приобретают так называемые фемтосекундные лазерные системы, т.е. лазерные системы, которые генерируют импульсы сфокусированного лазерного излучения с длительностью, соответствующей фемтосекундному диапазону. Подобные фемтосекундные лазерные системы находят применение, например, в лазерной офтальмологической хирургии, где они обычно используются для выполнения разрезов в роговичной ткани или в других тканях человеческого глаза. Преимущество фемтосекундных систем состоит в их пригодности для формирования трехмерных разрезов произвольной конфигурации.

Далее будут кратко рассмотрены принципиальные основы процесса, реализуемого в связи с обработкой прозрачных материалов посредством сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения. Благодаря сильной фокусировке лазерного пучка внутри материала и с учетом прозрачности материала для излучения лазерная энергия может быть введена в материал без повреждения слоя материала (например, роговичной ткани), сквозь который проходит излучение, т.е. расположенного над фокальной зоной. Процесс, происходящий в фокальной зоне, именуется фотодеструкцией. Вследствие высокой интенсивности излучения в этой зоне достигается превышение порога возникновения микроплазмы. Испарение происходит в предельно малой сфере материала с диаметром, составляющим, например, около 1 мкм. В результате возникает микропузырек несколько большего диаметра, например около 5-12 мкм, который разрезает окружающий его материал и, в конце концов, полностью диффундирует в окружающую среду. Как следствие предельно короткой длительности воздействия посредством лазерного импульса, отсутствует возможность какой-либо теплопередачи окружающему материалу, так что вся эффективная энергия, а также теплота рассеиваются с исчезновением плазмы.

В известных фемтосекундных лазерных системах обеспечивается управление фокальной точкой в поперечном и продольном направлениях посредством сканера. В контексте изобретения термины "поперечное направление" и "продольное направление" означают соответственно направление в плоскости, ортогональной направлению распространения лазерного пучка, и направление распространения лазерного пучка. Если сформировать достаточное количество (например, несколько тысяч) полостей, которые образуются в результате плазменного разряда, одну над другой в соответствии с желательным трехмерным контуром, в материале будет получен желаемый разрез.

Чтобы производить разрезы с требуемой точностью, описанный процесс должен обеспечивать прецизионное позиционирование фокальной зоны, в которой интенсивность излучения очень высока. Однако фокусируемость и пиковая интенсивность излучения - это очень чувствительные параметры: даже сравнительно небольшие помехи на пути лазерного пучка могут ухудшить его пространственные и временные характеристики и, следовательно, его фокусируемость и пиковую интенсивность. Поэтому желательно непрерывно (или по меньшей мере многократно, например, через определенные временные интервалы) осуществлять, в процессе обработки материала, мониторинг пространственных и временных характеристик лазерного пучка.

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая изобретением, состоит соответственно в обеспечении мониторинга качества лазерного излучения в лазерной системе, служащей для обработки материала. Подобный мониторинг должен обеспечить, в случае ухудшения качества излучения, возможность прерывания процесса обработки или реагирования иным способом. Более конкретно, необходимо обеспечить мониторинг в реальном времени, т.е. в процессе обработки материала. В данном случае качество излучения характеризуется фокусируемостью (качеством фокусировки), а также развитием огибающей индивидуального лазерного импульса во времени, т.е. длительностью импульса. Критичным для фокусируемости является качество профиля пучка и волнового фронта импульса лазерного излучения.

С целью решения указанной задачи согласно одному аспекту изобретения создано устройство для обработки материала, содержащее:

- лазер для формирования пучка импульсного лазерного излучения,

- измерительные средства для получения измеренных значений мощности основной гармоники лазерного пучка и мощности по меньшей мере одной высшей гармоники, полученной посредством умножения частоты указанного лазерного пучка, и

- блок оценки, подключенный к измерительным средствам и выполненный с возможностью оценивания качества лазерного пучка, основываясь на измеренной мощности основной гармоники, на измеренной мощности высшей гармоники и на установленной мощности излучения лазера.

Для регистрирования временных и/или пространственных характеристик импульсного лазерного излучения (в частности, фемтосекундных импульсов) или для регистрирования изменений этих характеристик изобретение предлагает рассматривать процессы, эффективность которых зависит от интенсивности используемого сфокусированного лазерного излучения. Примерами таких процессов являются, в частности, нелинейные процессы преобразования частоты, в том числе ее удвоение. В этом случае в предложенной конфигурации (малая) часть лазерного излучения фокусируется на или в оптически нелинейный кристалл и преобразуется в излучение с удвоенной частотой. Если длина волны излучения лазера лежит в инфракрасном диапазоне, часть излучения, сфокусированного в кристалл, преобразуется, например, в зеленый свет. Поскольку удвоение частоты зависит от квадрата мощности падающего излучения, эффективность этого процесса зависит от плотности мощности излучения в кристалле (пространственной и временной) и, следовательно, от качества фокусировки и длительности импульса лазерного излучения. В результате становится возможным - в той степени, в которой может быть исключено влияние других параметров, - интерпретировать изменение мощности света на частоте второй гармоники изменениями качества фокусировки и/или длительности импульса. Такие изменения могут быть, например, обусловлены искажением волнового фронта излучения или увеличением длительности импульса.

Авторы изобретения обнаружили, что, в общем случае, дорого и сложно осуществлять мониторинг всех параметров, которые способны постоянно влиять, совместно и одновременно, на качество фокусировки (т.е. на фокусируемость). По контрасту с таким подходом, изобретение позволяет осуществлять итоговый контроль качества в реальном времени, т.е., по существу, в онлайновом режиме. Как только один из параметров, влияющих на фокусируемость, становится неприемлемым, это обстоятельство может быть обнаружено по измерению сигнала, соответствующего высшим гармоникам, что позволит прореагировать нужным образом. В плане функционирования устройства для обработки материала данные о том, какой именно параметр вызвал наблюдаемое ухудшение фокусируемости лазерных импульсов, можно рассматривать как нерелевантные. Если фокусируемость ухудшилась, желательно, после выхода за заранее установленные пределы, прекратить обработку как можно скорее. Мониторинг отдельно каждого индивидуального параметра лазера, релевантного для обеспечения эффективной фокусировки и способного ухудшить фокусируемость лазерного излучения, потребовал бы непомерно больших усилий. Кроме того, было бы крайне трудно обеспечить мгновенную и надежную реакцию на ухудшение одного из этих параметров. По контрасту, обеспечиваемая изобретением возможность мониторинга в оналайновом режиме суммарного влияния всех лазерных параметров, релевантных для фокусируемости, дает значительные преимущества, поскольку значительно снижает затраты.

В принципе, изобретение охватывает использование и нелинейных процессов более высокого порядка, т.е. главная идея изобретения не ограничивается только удвоением частоты. Однако для подобных процессов более высокого порядка, как правило, требуются более высокие интенсивности излучения, что может увеличить сложность решения согласно изобретению.

Оптическое удвоение частоты является конкретным вариантом трехволнового взаимодействия, в котором, при высоких напряженностях полей, из двух волн, соответствующих основным гармоникам с угловыми частотами ω1 и ω2, возникает третья волна с угловой частотой ω3=ω1±ω2(ω=2πf). В этом соотношении член ω3=ω1+ω2 соответствует суммарной частоте взаимодействующих волн, а член ω3=ω1-ω2 соответствует взаимодействию с генерацией разностной частоты. Применительно к частному случаю удвоения частоты ω1=ω2, что соответствует суммарной частоте: ω3=2ω1=2ω2.

При практическом осуществлении изобретения часть лазерного излучения подается в оптически нелинейную среду (например, в кристалл). Выделенная часть лазерного излучения предпочтительно фокусируется в этой среде. В результате достижения высокой интенсивности в фокальной зоне внутри нелинейной среды возбуждаются колебания носителей заряда, содержащие гармоники различных порядков основной частоты колебаний (исходной волны). При этом вторая гармоника соответствует волне, имеющей по сравнению с исходной волной удвоенную частоту и вдвое меньшую длину волны. При соответствующем выборе направления излучения, проходящего в нелинейную среду, или при соответствующей ориентации нелинейной среды относительно направления распространения пучка генерирование второй гармоники может быть предпочтительным по сравнению с другими частотами. Подробное теоретическое описание этого процесса можно найти в релевантной специальной литературе; в данном описании более детальное рассмотрение нецелесообразно.

В описанном процессе мгновенная интенсивность второй гармоники пропорциональна квадрату мгновенной интенсивности исходной волны. Уровень сигнала, соответствующего второй гармонике, в этом случае будет критически зависеть от пиковой интенсивности исходной волны. Эта пиковая интенсивность, в свою очередь, зависит от характеристик импульса энергии, от размера светового пятна, формируемого исходной волной в фокальной зоне (т.е. от квадрата радиуса этой зоны), а также от длительности импульса основной гармоники излучения. Поскольку эффективность удвоения частоты (эффективность преобразования) - определяемая, как отношение усредненной по времени мощности второй гармоники к усредненной по времени мощности излучения основной гармоники, - пропорциональна мощности основной гармоники и, следовательно, пиковой интенсивности излучения основной гармоники, зависимость от размера светового пятна, формируемого основной гармоникой излучения в фокальной зоне, и от длительности импульса имеет место и для эффективности преобразования. При постоянной энергии импульса излучения основной гармоники изменение эффективности преобразования позволяет сделать вывод об изменении временных и/или пространственных характеристик пучка (огибающей импульса, профиля пучка и др.) и/или об изменении формы волнового фронта и, следовательно, об изменении фокусируемости.

В предпочтительной конфигурации устройства по изобретению длину кристалла, используемого в качестве оптически нелинейной среды, выбирают существенно превышающей длину Рэлея для фокусируемого в кристалл излучения основной гармоники. В этом случае небольшая расходимость пучка излучения основной гармоники (в результате небольших смещений фокальной плоскости в кристалле-удвоителе частоты) практически не влияет на интенсивность сигнала, соответствующего второй гармонике.

В дополнение, излучение основной гармоники предпочтительно фокусируется в кристалл при сравнительно коротком фокусном расстоянии, чтобы уменьшить зависимость фазового согласования от направления и спектрального распределения мощности, приложенной к кристаллу. Благодаря фокусированию излучения основной гармоники требуемые компоненты излучения, для которых имеет место согласование фаз, всегда присутствуют даже в случае небольших изменений направления падающего излучения основной гармоники или средней длины волны излучения этой гармоники. Соответственно, может быть обеспечен относительно большой угловой интервал направлений падающего излучения, в пределах которого может быть получена по меньшей мере приблизительно постоянная интенсивность сигнала, соответствующего второй гармонике. Пока лазерный источник функционирует в пределах установленных для него параметров, он не влияет или по меньшей мере почти не влияет на результаты процесса измерений.

С другой стороны, если изменяются длительность импульса и/или фокусируемость, например, в результате искажений волнового фронта излучения основной гармоники, этот эффект не компенсируется; наоборот, он оказывает прямое влияние на эффективность преобразования. Искажения волнового фронта могут моделироваться, например, введением загрязненного диска на траекторию пучка излучения основной гармоники, причем при некоторых условиях мощность основной гармоники будет полностью или почти полностью сохраняться. Поскольку небольшие плоские волновые поверхности оказывают большее влияние на излучение, высокое качество фокусировки становится в этом случае недостижимым. По этой причине происходит резкое ослабление процесса удвоения частоты или даже его полное прекращение. Соответственно, изменение мощности второй гармоники можно ассоциировать с изменением волнового фронта излучения основной гармоники. Таким образом, искажения волнового фронта в лазерной системе могут быть обнаружены посредством мониторинга мощности второй гармоники (или другой более высокой гармоники) и сравнения этой мощности с опорной мощностью, которая предпочтительно характеризует максимальную мощность второй гармоники. Эта максимальная мощность может быть получена при определенной мощности основной гармоники. Данный способ позволяет с высокой чувствительностью и практически мгновенно (т.е. в реальном времени) детектировать ухудшение качества пучка излучения основной гармоники без существенного снижения ее мощности. Соответственно, обеспечивается возможность быстрого реагирования до того, как дальнейшее падение мощности станет заметным.

В приводимом, в качестве примера, варианте мониторинга в реальном времени качества пучка при проведении обработки лазерным пучком, формируемым лазерной системой, сначала, на предварительной стадии, выполняется операция калибровки, в процессе которой лазер настраивается на различные (номинальные) значения мощности излучения в пределах его диапазона мощности. При этом для каждой установленной мощности излучения измеряют мощность основной гармоники, а также мощность второй (или более высокой) гармоники. В этом случае операцию калибровки следует проводить при функционировании лазерной системы без дефектов и помех и при наилучшей фокусируемости излучения основной гармоники. Как следствие, можно гарантировать, что измеренные значения мощности основной гармоники, а также мощности высшей гармоники соответствуют максимальным (оптимальным) значениям. Эти максимальные значения характеризуют наивысшие достижимые мощности исходной волны и высшей гармоники при мощности излучения, установленной в каждом конкретном случае.

В дополнение, путем вычисления отношения мощности второй гармоники к мощности основной гармоники можно определить значение эффективности преобразования для каждой установленной мощности излучения лазера.

Данные, полученные при проведении калибровки, можно сохранять в памяти устройства, например, в табличной форме.

В процессе последующей обработки материала снова производят, непрерывно или через определенные временные интервалы, измерения мощности основной гармоники, а также мощности высшей гармоники. Эти измерения могут проводиться в составе двух отдельных контрольных операций. На первой из них измеренная мощность основной гармоники может сравниваться с соответствующим опорным значением. Это опорное значение, которое выбирается из хранящихся в памяти данных, полученных при проведении калибровки, характеризует оптимальное значение мощности основной гармоники при установленной мощности излучения лазера. Если измеренная мощность основной гармоники не отклоняется существенно от опорного значения, т.е. лежит относительно опорного значения внутри заданных допустимых пределов, это позволяет по меньшей мере сделать вывод об отсутствии каких-либо дефектов, способных существенно понизить мощность лазерного пучка. Если же имеется отклонение, выходящее за заданный допустимый предел, это может восприниматься как повод запустить предупреждающую или экстренную реакцию, которая может, например, включать генерирование предупреждающего сигнала и/или отключение лазера.

На второй контрольной операции может дополнительно проводиться сравнение измеренной мощности высшей гармоники с соответствующим опорным значением и/или эффективность преобразования (отношение измеренной мощности высшей гармоники к измеренной мощности основной гармоники) может сравниваться с соответствующим опорным значением. Опорные значения мощности высшей гармоники и эффективности преобразования также выбираются из данных калибровки. Они также характеризуют желательные (оптимальные) значения мощности высшей гармоники и эффективности преобразования в пределах нормальных мощностей излучения лазера, т.е. в его рабочих точках. Если это сравнение выявляет отклонения, выходящие за заданные пределы, может быть запущена предупреждающая или экстренная реакция, как это было описано выше. Если же первая и вторая контрольные операции (которые, разумеется, необязательно проводить именно в таком порядке) не выявляют недопустимых отклонений, может быть разрешено формирование лазерного пучка и функционирование устройства для обработки материала может продолжаться в нормальном режиме.

Вторая контрольная операция позволяет более конкретно выявлять дефекты, приводящие к ослаблению мощности лазерного пучка или приводящие лишь к незначительному ее ослаблению, но вызывающие существенные искажения волнового фронта. В случае подобных нежелательных искажений отношение измеренной и максимальной мощностей второй гармоники вполне может упасть до нескольких процентов (например, ниже 15%). Отсюда следует, что мощность второй гармоники является хорошим индикатором качества лазерного пучка.

Согласно дальнейшим предпочтительным вариантам устройства для обработки материала согласно изобретению по меньшей мере одна высшая гармоника может включать вторую гармонику, а длительность импульса лазерного пучка предпочтительно находится внутри фемтосекундного диапазона.

Блок оценки может быть выполнен с возможностью сравнивать по меньшей мере одно из измеренных значений мощности и/или выведенного из него значения по меньшей мере с одним опорным значением и вырабатывать заданный отклик, зависящий от степени отклонения измеренного значения или выведенного значения от опорного значения. В этом случае опорное значение может представлять максимально достижимое значение мощности основной гармоники при установленной мощности излучения лазера, мощности высшей гармоники или эффективности преобразования при умножении частоты.

Блок оценки может быть дополнительно выполнен с возможностью получать опорное значение из записанной заранее референтной информации, которая содержит опорные значения мощности основной гармоники и/или мощности высшей гармоники, и/или эффективности преобразования при умножении частоты, ассоциированные с множеством различных значений установленной мощности излучения лазера. Альтернативно или дополнительно, блок оценки может быть выполнен с возможностью определять отношение измеренной мощности высшей гармоники к измеренной мощности основной гармоники и/или определять отношение измеренной мощности высшей гармоники и опорного значения мощности высшей гармоники и оценивать качество пучка в зависимости от найденного значения указанного отношения.

При этом блок оценки может являться частью электронного управляющего контура, выполненного с возможностью управлять формированием лазерного пучка в зависимости от степени отклонения измеренного или выведенного значения от соответствующего опорного значения. Например, он может разрешать формирование лазерного пучка, если обнаруженное отклонение не выходит за заданные пределы, и/или предотвращать это формирование, если отклонение находится вне этих пределов.

Измерительные средства могут содержать оптическую нелинейную среду для генерирования высшей гармоники излучения, а также установленное перед указанной средой по направлению распространения пучка фокусирующее средство для фокусирования на нелинейную среду вспомогательного пучка излучения, выделенного из основного лазерного пучка.

Блок оценки может быть частью электронного управляющего контура, выполненного с возможностью последовательно устанавливать в процессе калибровки множество различных значений мощности излучения лазера с целью ассоциирования с каждым значением установленной мощности измеренных значений мощности основной гармоники и мощности высшей гармоники, а также записывать в память измеренные значения и/или выведенные из них значения, ассоциированные с различными значениями мощности излучения лазера.

Согласно своему другому аспекту изобретение обеспечивает создание способа эксплуатации устройства для обработки материала, использующего пучок импульсного лазерного излучения, преимущественно устройства для обработки материала, описанного выше. Способ согласно изобретению включает:

- измерение мощности основной гармоники лазерного пучка и мощности по меньшей мере одной высшей гармоники, полученной посредством умножения частоты указанного лазерного пучка,

- сравнение по меньшей мере одного из измеренных значений мощности и/или выведенного из него значения по меньшей мере с одним опорным значением и

- осуществление отклика, заданного в зависимости от степени отклонения указанного измеренного или выведенного значения от соответствующего опорного значения.

Данный способ может дополнительно включать осуществление, в качестве предварительной стадии, процесса калибровки, при проведении которой определяют, путем формирования лазерного пучка для множества различных значений установленной мощности излучения лазера, измеренные значения мощности основной гармоники и мощности высшей гармоники и записывают измеренные значения и/или выведенные из них значения, ассоциированные с различными значениями мощности излучения лазера, в память, при этом опорные значения определяют по измеренным и/или выведенным из них значениям, записанным в память.

Заданный отклик может включать посылку оптического и/или акустического сообщения и/или отключение лазерного пучка или обеспечение возможности его формирования. Кроме того, операции измерения и сравнения могут выполняться, в процессе обработки материала лазерным пучком, многократно, предпочтительно через регулярные временные интервалы. Это позволит осуществлять мониторинг в реальном времени (в онлайновом режиме). Частота циклов мониторинга зависит от периодичности проведения измерений. Изобретение не накладывает никаких ограничений на этот параметр, т.е. измерения могут проводиться настолько часто, насколько это позволяет измерительная аппаратура и доступная вычислительная мощность.

Краткое описание чертежа

Далее изобретение будет более подробно описано со ссылками на единственный прилагаемый чертеж.

Осуществление изобретения

На чертеже схематично представлен вариант устройства для лазерной обработки материала. Данное устройство (обозначенное в целом как 10) в представленном примере предназначено для лазерной хирургии человеческого глаза 12, например для выполнения в нем разрезов внутри роговичной ткани. Устройство содержит лазерный источник 14, который генерирует пучок 16 импульсного лазерного излучения с длительностями импульсов в пределах фемтосекундного диапазона. Лазерный источник 14 содержит, например, волоконный лазер. Устройство 10 для обработки материала содержит также фокусирующую оптику 18 для фокусирования лазерного пучка 16 на обрабатываемый объект (в данном примере глаз 12). Фокусирующая оптика 18 может быть представлена, например, f-theta объективом. Перед фокусирующей оптикой 18 установлен сканер 20, служащий для управления положением фокальной зоны лазерного пучка 16 в поперечном и продольном направлениях. Для осуществления поперечного отклонения пучка сканер 20 может, например, содержать пару зеркал с гальванометрическим приводом или отклоняющий кристалл с электрическим управлением. Для управления фокусом в продольном направлении сканер 20 может, например, содержать оптический элемент, влияющий на расходимость лазерного пучка 16, в частности линзу, установленную с возможностью перемещения в продольном направлении (в направлении распространения пучка), или жидкую линзу с изменяемым показателем преломления, или деформируемое зеркало. Должно быть понятно, что компоненты сканера 20, ответственные за управление положением фокальной зоны лазерного пучка 16 в поперечном и продольном направлениях, могут находиться в различных местах вдоль направления распространения лазерного пучка 16. Соответственно, не требуется, чтобы сканер 20 был компактным модулем; его компоненты могут быть распределены по различным участкам устройства.

Для управления лазерным источником 14 и сканером 20 используется управляющий контур 22 на базе микропроцессора, функционирующий в соответствии с управляющей программой, хранящейся в памяти 24. Управляющая программа содержит необходимые параметры управления (например, в форме координат, задающих положения, соответствующие выдаче индивидуальных лазерных импульсов), которые задают требуемую геометрию разреза.

Для формирования, посредством лазерного пучка 16, тонких и прецизионных разрезов желательно обеспечить высокие пространственные и временные характеристики пучка. С целью обеспечения мониторинга качества лазерного пучка 16 устройство 10 для обработки материала содержит средства для выделения из основного лазерного пучка 16 двух вспомогательных пучков 16', 16'', которые расположены по направлению распространения пучка перед компонентами сканера, осуществляющими поперечное отклонение пучка. В представленном примере эти средства содержат два полупрозрачных светоделительных зеркала 26, 28, установленные последовательно на траектории лазерного пучка 16.

Первый вспомогательный пучок 16'' фокусируется посредством фокусирующей линзы 32 на нелинейный оптический кристалл 34 (или на другую нелинейную среду), в котором (в которой) в результате нелинейных процессов формируется пучок 16''', соответствующий второй гармонике излучения. Затем из этого пучка посредством оптического узкополосного фильтра 36 удаляются любые возможные спектральные линии, способные создать помехи, а также остаточное излучение на основной частоте. Для измерения (усредненной по времени) мощности пучка 16''' на удвоенной частоте используется второй измеритель 38 мощности, который также может содержать фотодиод для детектирования излучения и который направляет в управляющий контур 22 сигнал, характеризующий измеренную мощность. Таким образом, измеренная мощность пучка 16''' характеризует мощность высшей (в данном случае второй) гармоники излучения, полученной из излучения на основной частоте.

Длина волны лазерного пучка 16, генерируемого лазерным источником 14, лежит, например, в инфракрасном диапазоне между 1000 нм и 1100 нм. В этом случае удвоение частоты излучения в нелинейном кристалле 34 обеспечивает получение пучка 16''', соответствующего зеленой или желто-зеленой области спектра.

Первый измеритель 30 мощности служит для измерения мощности излучения (усредненной по времени) второго вспомогательного пучка 16'. Данный измеритель, содержащий, например, фотодиод, направляет в управляющий контур 22 сигнал, характеризующий измеренную мощность излучения, в частности пропорциональный этой мощности. Мощность, измеряемая измерителем 30, соответствует мощности излучения основной гармоники лазера.

По поступающим от измерителей 30, 38 мощности сигналам, характеризующим значения измеренной мощности, управляющий контур 22 рассчитывает эффективность преобразования путем деления измеренного значения мощности вспомогательного пучка 16''' излучения на измеренное значение мощности вспомогательного пучка 16'.

В память 24 дополнительно записаны данные калибровки, полученные управляющим контуром 22 в предшествующем процессе калибровки. Данные калибровки задают для каждого из номинальных значений мощности излучения лазера 14 опорные (контрольные) значения мощности вспомогательного пучка 16', мощности пучка 16''' второй гармоники, а также эффективности преобразования. Различные значения мощности излучения лазера 14 соответствуют его различным рабочим точкам. Лазер 14 способен работать в некотором диапазоне мощностей излучения, и управляющий контур 22, с учетом конкретного применения, может выбирать для лазера 14 различные рабочие точки. Различные мощности излучения могут задаваться, например, в виде процентов от максимальной мощности излучения, обеспечиваемой лазером 14. Каждое из хранящихся в памяти опорных значений соответствует оптимальной ситуации, т.е. бездефектному функционированию без каких-либо (или по меньшей мере без существенных) нежелательных искажений волнового фронта лазерного пучка 16 и без какого-либо (или по меньшей мере без существенного) ослабления мощности лазерного пучка 16 на пути его распространения. Другими словами, эти значения представляют наилучшие реально достижимые значения мощностей второго вспомогательного пучка 16' и пучка 16''' второй гармоники, а также эффективности преобразования.

Текущие измеренные значения мощности указанных пучков 16' и 16''' используются управляющим контуром 22, чтобы оценить качество лазерного пучка 16 путем сопоставления этих значений с данными калибровки, хранящимися в памяти 24. Более конкретно, управляющий контур 22 проверяет, соответствует ли измеренная мощность вспомогательного пучка 16' (по меньшей мере приблизительно) записанному в память 24 опорному значению для мощности основной гармоники в релевантной рабочей точке лазера 14. Данным способом управляющий контур 22 может обнаруживать нежелательные потери мощности лазерного пучка 16 по сравнению с работой в бездефектном режиме.

Кроме того, управляющий контур 22 проверяет, соответствует ли измеренная мощность пучка 16''' второй гармоники (по меньшей мере приблизительно) записанному в память калибровочному значению для этой мощности, соответствующему релевантной рабочей точке лазера 14. Альтернативно или дополнительно, управляющий контур 22 проверяет, соответствует ли вычисленная эффективность преобразования (рассчитанная как отношение измеренных мощностей пучков 16''' и 16' излучения), по меньшей мере приблизительно, опорному значению, записанному, в составе данных калибровки, для эффективности преобразования, соответствующей релевантной рабочей точке лазера 14. Проверка соответствия измеренных значений мощности или рассчитанного по этим значениям значения эффективности преобразования хранящимся в памяти опорным значениям может, например, производиться с использованием операций вычитания и/или расчета отношения. Поскольку опорные значения - это значения оптических параметров, достижимые при бездефектном функционировании устройства 10 для обработки материала и при оптимальной фокусируемости лазерного пучка 16, любые возможные расхождения между измеренными значениями мощностей или вычисленными значениями эффективности преобразования и опорными значениями являются индикаторами нежелательного ослабления мощности и/или нежелательных искажений волнового фронта, и/или нежелательного увеличения длительности импульса лазерного пучка 16. Если обнаруженные отклонения превышают заданный уровень, управляющий контур 22 может прервать подачу лазерного пучка 16.

Вышеупомянутый процесс калибровки может производиться управляющим контуром 22 автоматически, например, каждый раз, когда устройство 10 для обработки материала включается или когда пользователь вводит соответствующую команду на проведение калибровки. В рамках процесса автоматической калибровки управляющий контур 22 может последовательно задавать лазеру 14 различные рабочие точки и записывать в память 24 соответствующие им измеренные значения мощности основной гармоники и мощности второй гармоники.

Для целей фокусировки первого вспомогательного пучка 16'' вместо линзы 32 можно использовать также дифракционный оптический элемент. Нелинейной средой 34 может быть, например, периодически поляризованный кристалл. Этот кристалл может быть стабилизирован по температуре, что позволит оптимизировать согласование по фазе путем изменения температуры. Кроме того, возможно и функционирование в соответствии с известным для специалистов способом некритичного фазового согласования.

Группа изобретений относится к медицине. Лазерное устройство для обработки материала содержит лазер для формирования пучка импульсного лазерного излучения, измерительные средства для получения измеренных значений мощности основной гармоники лазерного пучка и мощности по меньшей мере одной высшей гармоники, полученной посредством умножения частоты лазерного пучка, и блок оценки, подключенный к измерительным средствам и выполненный с возможностью оценивать качество лазерного пучка, основываясь на измеренной мощности основной гармоники, на измеренной мощности высшей гармоники и на установленной мощности излучения лазера. Вычисление отношения измеренной мощности высшей гармоники к измеренной мощности основной гармоники позволяет оценить текущую эффективность преобразования частоты. Эта эффективность преобразования служит мерой качества волнового фронта и длительности импульсов, образующих лазерный пучок. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для обработки материала посредством пучка (16) импульсного лазерного излучения, содержащее:
- лазер (14) для формирования указанного пучка (16) лазерного излучения,
- средство (28) для выделения из указанного лазерного пучка (16) первого вспомогательного пучка (16''),
- измерительные средства (30, 32, 34, 36, 38) для получения измеренных значений мощности основной гармоники лазерного пучка и мощности по меньшей мере одной высшей гармоники, полученной посредством умножения частоты указанного лазерного пучка, причем измерительные средства содержат оптическую нелинейную среду (34) для генерирования высшей гармоники излучения, а также установленное перед указанной средой по направлению распространения пучка фокусирующее средство (32) для фокусирования на нелинейную среду первого вспомогательного пучка (16'') излучения, и
- блок (22) оценки, подключенный к измерительным средствам и выполненный с возможностью оценивания качества лазерного пучка (16), основываясь на измеренной мощности основной гармоники, на измеренной мощности высшей гармоники и на установленной мощности излучения лазера (14).

2. Устройство по п.1, в котором по меньшей мере одна высшая гармоника включает вторую гармонику.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором блок (22) оценки выполнен с возможностью сравнивать по меньшей мере одно из измеренных значений мощности и/или выведенного из него значения по меньшей мере с одним опорным значением и осуществлять заданный отклик, зависящий от степени отклонения измеренного значения или выведенного значения от опорного значения.

4. Устройство по п.3, в котором блок (22) оценки выполнен с возможностью сравнивать по меньшей мере одно из измеренных значений мощности и/или выведенного из него значения по меньшей мере с одним опорным значением, соответствующим максимально достижимому значению мощности основной гармоники при установленной мощности излучения лазера (14), мощности высшей гармоники или эффективности преобразования при умножении частоты.

5. Устройство по п.3, в котором блок (22) оценки выполнен с возможностью получать опорное значение из записанной заранее референтной информации, которая содержит опорные значения мощности основной гармоники и/или мощности высшей гармоники, и/или эффективности преобразования при умножении частоты, ассоциированные с множеством различных значений установленной мощности излучения лазера (14).

6. Устройство по п.3, в котором блок (22) оценки выполнен с возможностью определять отношение измеренной мощности высшей гармоники к измеренной мощности основной гармоники и/или определять отношение измеренной мощности высшей гармоники к опорному значению мощности высшей гармоники и оценивать качество пучка в зависимости от найденного значения указанного отношения.

7. Устройство по п.3, в котором блок (22) оценки является частью электронного управляющего контура, выполненного с возможностью управлять формированием лазерного пучка в зависимости от степени отклонения измеренного или выведенного значения от соответствующего опорного значения.

8. Устройство по п.1, которое дополнительно содержит средство (26) для выделения из указанного лазерного пучка (16) второго вспомогательного пучка (16') и в котором измерительные средства выполнены с возможностью измерять мощность основной гармоники по измерению мощности второго вспомогательного пучка (16').

9. Устройство по п.3, в котором блок (22) оценки является частью электронного управляющего контура, выполненного с возможностью последовательно устанавливать в процессе калибровки множество различных значений мощности излучения лазера (14) с целью ассоциирования с каждым значением установленной мощности излучения лазера (14) измеренных значений мощности основной гармоники и мощности высшей гармоники, а также записывать в память измеренные значения и/или выведенные из них значения, ассоциированные с различными значениями мощности излучения лазера (14).

10. Устройство по п.1, в котором лазер (14) способен генерировать пучок (16) импульсного лазерного излучения с длительностями импульсов в пределах фемтосекундного диапазона.

11. Способ эксплуатации устройства (10) для обработки материала посредством пучка (16) импульсного лазерного излучения, включающий:
- выделение из основного лазерного пучка (16) вспомогательного пучка (16'') излучения и генерирование по меньшей мере одной высшей гармоники излучения лазерного пучка путем фокусирования вспомогательного пучка (16'') на оптическую нелинейную среду (34),
- измерение мощности основной гармоники лазерного пучка (16) и мощности указанной по меньшей мере одной высшей гармоники,
- сравнение по меньшей мере одного из измеренных значений мощности и/или выведенного из него значения по меньшей мере с одним опорным значением и
- осуществление отклика, заданного в зависимости от степени отклонения указанного измеренного или выведенного значения от соответствующего опорного значения.

12. Способ по п.11, дополнительно включающий осуществление, в качестве предварительной стадии, процесса калибровки, при проведении которой определяют, путем формирования лазерного пучка для множества различных значений установленной мощности излучения лазера (14), измеренные значения мощности основной гармоники и мощности высшей гармоники и записывают измеренные значения и/или выведенные из них значения, ассоциированные с различными значениями мощности излучения лазера (14), в память (24), при этом опорные значения определяют по измеренным значениям и/или выведенным из них значениям, записанным в память.

13. Способ по п.11, в котором заданный отклик включает посылку оптического и/или акустического сообщения и/или отключение лазерного пучка или обеспечение возможности его формирования.

14. Способ по любому из пп.11-13, в котором операции измерения и сравнения выполняются, в процессе обработки материала лазерным пучком, многократно, предпочтительно через регулярные временные интервалы.