ФОКУСИРОВКА ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА Российский патент 2017 года по МПК H01S3/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение в целом относится к лазерным системам и, в частности, к фокусировке лазерного импульса.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как правило, ультракороткие лазерные импульсы применяют в медицине и науке для обработки материалов. В ряде случаев может понадобиться, чтобы пиковая интенсивность лазерного излучения была предельно высокой. В некоторых областях применения лазерные импульсы проходят через оптическую систему, после чего фокусируются в точке фокусировки на мишени. При этом оптическая система может растягивать лазерные импульсы во времени, что приводит к снижению пиковой интенсивности излучения импульсов на мишени. Кроме того, по сравнению с лазерными импульсами большей длительности, лазерные импульсы меньшей длительности могут претерпевать большее растяжение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В некоторых вариантах реализации изобретения система содержит источник лазерного излучения, один или более оптических элементов, устройство мониторинга и управляющий компьютер. Источник лазерного излучения испускает один или более лазерных импульсов. Оптические элементы изменяют длительность лазерных импульсов, а устройство контроля измеряет длительность лазерных импульсов с целью обнаружения изменения длительности импульса. Значение длительности импульса, измеренное устройством контроля, принимается управляющим компьютером, с помощью которого определяется один или более параметров лазера для компенсации изменения длины импульса, и производится управление источником лазерного излучения затем в соответствии с параметрами лазера.

В некоторых вариантах реализации способ включает: генерацию одного или более лазерных импульсов с помощью источника лазерного излучения; изменение одним или более оптических элементов длительности лазерных импульсов; измерение длительности лазерных импульсов с помощью устройства контроля для выявления изменения длительности импульса; прием управляющим компьютером значения длительности импульса, измеренной устройством контроля; определение с помощью управляющего компьютера одного или более параметров лазера для компенсации изменения длины импульса; и управление источником лазерного излучения с помощью управляющего компьютера в соответствии с параметрами лазера.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Типовые варианты реализации данного изобретения будут описаны более подробно посредством примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:

на фиг. 1 проиллюстрирован пример реализации системы, выполненной с возможностью фокусировки лазерных импульсов на мишени согласно некоторым вариантам реализации изобретения;

на фиг. 2A и B проиллюстрированы примеры реализации фокусирующего объектива, а также устройство контроля, которые могут применяться совместно с системой, проиллюстрированной на фиг. 1, согласно некоторым вариантам реализации изобретения;

на фиг. 3 проиллюстрирован пример того, как количество циклов влияет на длительность импульса; и

на фиг. 4 проиллюстрирован пример реализации устройства, с помощью которого систему на фиг. 1 можно применять в соответствии с определенными вариантами реализации изобретения.

ОПИСАНИЕ ТИПОВЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Рассмотрим более подробно описание и графические материалы, типовые варианты реализации описанных устройств, систем и способов. Описание и графические материалы не претендуют на исчерпывающий характер или иным образом ограничивают пункты формулы изобретения для конкретных вариантов реализации изобретения, проиллюстрированных в графических материалах и отраженных в данном описании. Хотя графические материалы представляют собой возможные варианты реализации изобретения, графические материалы необязательно выполнены в масштабе, а некоторые особенности могут быть преувеличены, удалены или частично разделены на секции с целью лучшей иллюстрации вариантов реализации изобретения.

На фиг. 1 проиллюстрирован пример системы 10, выполненной с возможностью фокусировки лазерных импульсов лазерного луча 22 на мишени 26 в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения. В данном примере система 10 содержит источник лазерного излучения 20, один или более оптических элементов 24, устройство контроля 28 и управляющий компьютер 30. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство контроля 28 выполнено с возможностью измерения длительности лазерных импульсов на выходе из оптических элементов 24 для выявления изменения (например, увеличения или уменьшения) длительности импульса и передачи измеренных данных управляющему компьютеру 30. Управляющий компьютер 30 и/или лазерный источник 20 выполнены с возможностью компенсации изменения длины импульса. В некоторых вариантах реализации изобретения управляющий компьютер 30 выполнен с возможностью определения параметров источника лазерного излучения, благодаря чему возможна компенсация изменения (например, изменения длины импульса) и дальнейшее управление источником лазерного излучения 20, применяя эти параметры для направления лазерного луча 22 к цели 26.

В некоторых вариантах реализации изобретения оптические элементы 24 и/или источник лазерного излучения 20 выполнены с возможностью изменения длительности импульса. В некоторых вариантах реализации изобретения элементы (например, оптические элементы) источника лазерного излучения 20 можно применять для внесения соответствующей коррекции (например, отрицательного чирпа) для компенсации дисперсии (например, положительной дисперсии) оптических элементов 24 и/или источника лазерного излучения 20, которая является причиной образования чирпа (например, положительного чирпа). Кроме того, положительный чирп можно применять для компенсации отрицательной дисперсии оптических элементов 24 и/или источника лазерного излучения 20, которая является причиной образования отрицательного чирпа. Система 10 может быть выполнена с возможностью испускания к мишени 26 лазерных импульсов требуемой длительности и энергии. В некоторых случаях длительность импульса может быть сведена к минимуму.

Источник лазерного излучения 20 генерирует и излучает лазерный луч с помощью сверхкоротких лазерных импульсов. В данном документе термин «сверхкороткий» импульс света относится к световому импульсу, имеющему длительность, которая меньше или равна наносекунде, например, порядка наносекунды, пикосекунды, фемтосекунды или аттосекунды. Примеры реализации источника лазерного излучения 20 включают наносекундный, фемтосекундный, пикосекундный и аттосекундный лазеры. Лазерный луч может иметь любую требуемую длину волны, например, в диапазоне от 300 до 1900 нанометров (нм), например, длину волны в диапазоне от 300 до 650, от 650 до 1050, от 1050 до 1250 или от 1100 до 1900 нм. Лазерный луч может содержать импульсы любой требуемой длительности, например от 1 до 1000 фемтосекунд (фс), например, около 10 фс.

Оптические элементы 24 могут содержать один или более элементов, которые могут оказывать влияние на свет, например, отражать, преломлять, рассеивать и/или пропускать свет. Оптические элементы 24 могут включать любые соответствующие элементы, например фокусирующий объектив, который может сфокусировать лазерный луч 22 на цель 26. Оптические элементы 24 могут изменять, например увеличивать или уменьшать, длительность лазерных импульсов. В некоторых вариантах реализации изобретения оптические элементы 24 могут вносить положительную дисперсию, которая приводит к тому, что импульсы растягиваются во времени. Например, оптические элементы 24 могут увеличить длительность импульса от 10 фс до 200 фс. Кроме того, более короткие лазерные импульсы (например, 200 фс или меньше) могут подвергаться большему растяжению, чем более длинные (например, около 400 фс).

Устройство контроля 28 выполнено с возможностью измерения длительности лазерных импульсов для выявления растяжения импульсов во времени и дальнейшей передачи измеренных данных управляющему компьютеру 30. Длительность импульса может быть измерена любым подходящим способом. В некоторых вариантах реализации изобретения в устройстве контроля 28 применяют нелинейный метод измерений, в котором импульс копируется, а затем копии импульса суммируются в нелинейной среде. В нелинейной среде формируется специфический сигнал только в том случае, если обе копии импульса присутствуют одновременно, таким образом путем изменения задержки между копиями импульсов и измерения сигнала для каждой задержки можно получить оценочное значение длительности импульса. Устройства контроля могут содержать кристалл для генерации второй гармоники (SHG), фотодиод и/или мультифотонный детектор, выполненный с возможностью обнаружения двух или более фотонов. Примеры таких устройств контроля включают устройства частотно-разрешенного оптического стробирования (FROG), автокорреляционные мониторы и солнечно-слепые детекторы (для мультифотонного поглощения лазерных импульсов вблизи инфракрасного диапазона).

Управляющий компьютер 30 выполнен с возможностью приема от устройства контроля 28 измеренного значения длительности импульса, определения одного или более параметров лазера, которые в значительной мере компенсируют растяжение длительности импульса во времени, и управления источником лазерного излучения 20 в зависимости от параметров лазера. С помощью параметров лазера и/или элементов источника лазерного излучения можно компенсировать изменение ширины импульса любым подходящим способом. Например, элементы источника лазерного излучения могут генерировать отрицательный чирп для компенсации положительной дисперсии, которая вносится в лазерные импульсы оптическими элементами 24 (или наоборот). В качестве другого примера с помощью параметров лазера можно увеличить количество циклов регенеративного усилителя источника лазерного излучения 20 для запуска фазовой модуляции, которая вызывает отрицательный чирп.

В некоторых примерах положительная дисперсия или задержка групповой скорости (GVD), вносимая оптическими элементами 24, может быть выражена как GVD_pos. Отрицательный чирп, вносимый параметрами лазера, может быть выражен как |GVD_neg|=|GVD_pos|. Отрицательный чирп может иметь любое подходящее значение, например, значение в диапазоне от менее чем 0 фемтосекунд² (фс²) до значения, превышающего -20000 фс². Для компенсации изменения длительности импульса в значительной степени в некоторых вариантах реализации изобретения источник лазерного излучения 20 может быть выполнен с возможностью полной компенсации. В других вариантах реализации изобретения источник лазерного излучения 20 может выполнять частичную компенсацию, которая не компенсирует изменения длительности импульса в значительной степени, а другое устройство может выполнять оставшуюся часть компенсации до момента испускания импульсов к цели 26.

Цель 26 может представлять собой любой подходящий материал, например, живые или неживые биологические ткани. В некоторых вариантах реализации изобретения целью 26 является ткань глаза, например, ткань роговицы. В точке фокусировки лазерного луча может возникнуть лазерно-индуцированный оптический пробой (LIOB) мишени 26. В случае уменьшения длительности импульса до минимума LIOB может возникнуть при меньшей энергии импульса, благодаря чему возможно снижение влияния или предотвращение побочных эффектов, таких как рассеянное излучение, пузырьки газа или непрозрачные пузырьковые слои.

На фиг. 2A и B проиллюстрированы примеры фокусирующего объектива 32 и устройства контроля 28, которые могут применять совместно с системой 10. Фокусирующий объектив 32 является оптическим элементом 24 и может быть любым подходящим оптическим элементом, с помощью которого можно сфокусировать лазерный луч 22, например, F-тэта объектив. В некоторых вариантах реализации изобретения в качестве фокусирующего объектива 32 могут применять абляционный конус.

Устройство контроля 28 выполнено с возможностью измерения длительности импульса в любом подходящем месте, где возможно предоставление результатов измерений управляющему компьютеру 30, благодаря чему возможно вычисление параметров лазера управляющим компьютером 30, что позволяет в значительной мере компенсировать изменения длительности импульса. В данном примере устройство контроля 28 измеряет длительность импульсов, получаемых на выходе фокусирующего объектива 32. Устройство контроля 28 может быть соединено с фокусирующим объективом 32 (как проиллюстрировано на фиг. 2A) или расположено внутри фокусирующего объектива 32 (как проиллюстрировано на фиг. 2B).

Устройство контроля 28 выполнено с возможностью измерения длительности импульса в любое подходящее время, например, когда нужно произвести калибровку. В некоторых случаях измерение может производиться механически или автоматически, например, периодически (еженедельно, ежедневно или ежечасно) или в ответ на триггерное событие (например, при включении системы 10 или при вводе информации о новом пациенте). В остальных случаях измерения могут выполняться в ответ на запрос пользователя, который может быть сделан любым соответствующим пользователем, например врачом, техническим специалистом или производителем.

На фиг. 3 проиллюстрирован пример графика, на котором отображено соотношение между количеством циклов и длительностью импульсов. На графике длительность импульса 40 является длительностью импульса на выходе источника лазерного излучения 20, а длительность импульса 42 является длительностью импульсов на мишени 26. Стрелка указателя 50 указывает на увеличение длительности импульса от длительности импульса 40 на выходе источника лазерного излучения 20 до длительности импульса 42 на мишени 26. Стрелка указателя 52 указывает на изменение количества циклов с 90 до 83-85 циклов для получения длительности импульса 42, которая в оптической системе находится ближе к минимальной длительности импульса 40.

На фиг. 4 проиллюстрирован пример устройства 110, которое могут применять согласно некоторым вариантам реализации изобретения вместе с системой 10, проиллюстрированной на фиг. 1. Систему 10 могут применять при любом соответствующем практическом применении лазера. Примеры практического применения включают применение в научных и медицинских целях, например, для хирургии или диагностики. Например, как описано ниже, систему 10 могут применять совместно с лазерной хирургической системой, например, в многофотонной спектроскопии, или в других диагностических системах.

В некоторых вариантах реализации изобретения устройство 110 применяют для лазерной рефрактивной хирургии на глазе 122. Устройство 110 содержит лазерное устройство 115, адаптер пациента 120, управляющий компьютер 130 и запоминающее устройство 132, которые взаимосвязаны между собой, как проиллюстрировано в примере. Лазерное устройство 115 может содержать источник лазерного излучения 112, сканер 116, один или более оптических элементов 117 и/или фокусирующий объектив 118, которые взаимосвязаны между собой, как проиллюстрировано в примере. Адаптер пациента 120 может содержать контактный элемент 124 (который имеет опорную поверхность 126, расположенную снаружи от образца) и муфту 128, которые взаимосвязаны между собой, как проиллюстрировано на фигуре. В запоминающем устройстве 132 хранится программа управления 134.

Источник лазерного излучения 112 может быть идентичным источнику лазерного излучения 20 на фиг. 1, а оптические элементы 117 и фокусирующий объектив 118 могут быть идентичны оптическим элементам 24. Сканер 116, оптические элементы 117 и фокусирующий объектив 118 находятся на пути луча и в зависимости от применения могут быть легко удалены с пути луча. Сканер 116 в поперечном (х и y) и в продольном направлении (z) контролирует точку фокусировки лазерного луча 114. Один (или более) оптических элементов 117 направляют луч лазера 114 к фокусирующему объективу 118. Фокусирующий объектив 118 фокусирует луч лазера 114 на адаптере пациента 120 и может отделяемо присоединяться к адаптеру пациента 120. Адаптер пациента 120 соприкасается с роговицей глаза 122. В данном примере адаптер пациента 120 имеет муфту 128, соединенную с контактным элементом 124. Муфта 128 соединена с фокусирующим объективом 118.

Управляющий компьютер 130 согласно управляющей программе 134 управляет контролируемыми компонентами, например, источником лазерного излучения 112, сканером 116 и/или по меньшей мере одним оптическим элементом 117. Управляющая программа 134 содержит компьютерный код, с помощью которого управляемым компонентам предоставляются команды для фокусировки импульсного лазерного излучения на области роговицы для фоторазрушения по меньшей мере части области.

Компоненты системы и устройства, описанные в данной заявке (например, управляющий компьютер 130) могут содержать интерфейс, логику, запоминающее устройство и/или другой приемлемый элемент, причем любое из этих устройств может содержать аппаратное и/или программное обеспечение. С помощью интерфейса можно принимать входные сигналы, передавать выходные сигналы, обрабатывать входные и/или выходные сигналы и/или выполнять другие соответствующие операции. С помощью логики можно выполнять операции компонента, например, выполнять инструкции для генерирования на основании входного сигнала выходного сигнала. Логика может храниться в запоминающем устройстве в виде кода и с ее помощью могут выполняться операции при их обработке компьютером. Логика может быть выполнена в виде процессора, например, одного или более компьютеров, одного или более микропроцессоров, одного или более приложений и/или другой логики. Запоминающее устройство выполнено с возможностью хранения информации и может содержать один или более материальных, машиночитаемых и/или исполняемых с помощью компьютера носителей данных. Примеры запоминающего устройства включают компьютерную память (например, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)), носитель информации большой емкости (например, жесткий диск), съемные носители информации (например, компакт-диск (CD) или цифровой видеодиск (DVD)), базу данных и/или сетевое хранилище (например, сервер) и/или другие машиночитаемые носители информации.

В отдельных вариантах реализации изобретения операции могут выполняться с помощью одного или более машиночитаемых носителей информации, содержащих закодированную компьютерную программу, программное обеспечение, выполняемые на компьютере инструкции и/или инструкции, которые могут выполняться на компьютере. В отдельных вариантах реализации изобретения операции могут выполняться с помощью одного или более машиночитаемых носителей информации, которые реализованы и/или закодированы с помощью компьютерной программы и/или хранятся и/или закодированы с помощью компьютерной программы. Хотя данное изобретение было описано при помощи терминов, применимых в конкретных вариантах реализации изобретения, для специалистов в данной области техники будут очевидны усовершенствования (например, изменения, замены, добавления, опущения и/или другие модификации). Таким образом, для вариантов реализации изобретения возможны усовершенствования, которые не выходят за пределы объема изобретения. Например, усовершенствования могут быть применимы к системе и устройствам, описанным в данной заявке. Компоненты системы и устройств могут быть объединены или разделены, при этом функции системы и устройств могут выполняться большим, меньшим числом компонентов или другими компонентами. В качестве другого примера усовершенствования могут быть применимы к способам, описанным в данной заявке. Способы могут включать большее число, меньшее число этапов или другие этапы, при этом этапы могут выполняться в любом приемлемом порядке.

Возможны также и другие усовершенствования, которые не выходят за пределы объема изобретения. Например, в описании освещены варианты реализации изобретения для конкретных практических применений, но при этом для специалистов в данной области техники также будут очевидны и другие варианты применения. Кроме того, в областях техники, к которым относится данное изобретение, появятся открытия, сделанные в будущем, при этом описанные системы, устройства и способы будут применять совместно с такими будущими открытиями.

Объем изобретения не должен определяться на основании данного описания. В соответствии с патентным законодательством описание поясняет и иллюстрирует принципы и режимы работы данного изобретения при применении типовых вариантов реализации изобретения. Описание позволяет другим специалистам в данной области техники применять системы, устройства и способы в различных вариантах реализации изобретения и с различными усовершенствованиями, но описание не должно применяться для определения объема изобретения.

Объем изобретения должен определяться на основании пунктов формулы изобретения и полного объема эквивалентов к заголовкам таких пунктов формулы изобретения. Если конкретно не указано иное, в данном документе все пункты формулы изобретения приводятся в виде всеобъемлющих логических конструкций, и их обычные значения понятны специалистам в данной области техники. Например, использование существительных в единственном числе следует понимать как перечисление одного или более указанных элементов, если в формуле изобретения не изложено явное ограничение, имеющее противоположный смысл. В качестве другого примера слово "каждый" относится к каждому из элементов множества или каждому члену подмножества из множества, при этом множество может содержать ноль, один или более одного элемента. Резюмируя вышесказанное, усовершенствование изобретения возможно, причем объем изобретения должен определяться не описанием, а пунктами формулы изобретения, а также их полным объемом эквивалентов.

Изобретение относится к области лазерной техники и касается системы формирования лазерного излучения. Система включает в себя источник импульсного лазерного излучения, оптические элементы, содержащие фокусирующий объектив и выполненные с возможностью изменения длительности лазерных импульсов, устройство контроля, предназначенное для измерения длительности лазерных импульсов и выявления изменения длительности импульса, и управляющий компьютер. Компьютер выполнен с возможностью приема значений длительности импульса, определения параметров лазера, которые компенсируют изменение длительности импульса, и управления источником лазерного излучения в соответствии с одним или более параметров лазера. Устройство контроля выполнено с возможностью соединения с фокусирующим объективом или расположения внутри фокусирующего объектива. Технический результат заключается в увеличении точности настройки длительности лазерных импульсов. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система формирования лазерного излучения, содержащая:

источник лазерного излучения, выполненный с возможностью генерации одного или более лазерных импульсов;

один или более оптических элементов, выполненных с возможностью изменения длительности одного или более лазерных импульсов, при этом указанные один или более оптических элементов содержат фокусирующий объектив;

устройство контроля, выполненное с возможностью измерения длительности одного или более лазерных импульсов для выявления изменения длительности импульса, при этом устройство контроля выполнено с возможностью соединения с фокусирующим объективом или расположения внутри фокусирующего объектива; и

управляющий компьютер, выполненный с возможностью:

приема от устройства контроля значения измеренной длительности импульса;

определения одного или более параметров лазера, которые компенсируют изменение длительности импульса; и

управления источником лазерного излучения в соответствии с одним или более параметров лазера.

2. Система по п. 1, в которой изменение длительности импульса является увеличением или уменьшением длительности импульса.

3. Система по п. 1, в которой устройство контроля выполнено с возможностью измерения длительности одного или более лазерных импульсов на выходе из фокусирующего объектива одного или более оптических элементов.

4. Система по п. 1, в которой управляющий компьютер выполнен с возможностью определения одного или более параметров лазера посредством определения одного или более параметров, в зависимости от которых вводится положительный или отрицательный чирп для компенсации изменения длительности импульса.

5. Система по п. 1, в которой:

один или более оптических элементов изменяют длительность импульса посредством введения отрицательного чирпа в лазерные импульсы; и

управляющий компьютер выполнен с возможностью определения одного или более параметров лазера путем определения одного или более параметров, в зависимости от которых вводится положительный или отрицательный чирп для компенсации изменения длительности импульса.

6. Система по п. 1, в которой источник лазерного излучения содержит усилитель и управляющий компьютер выполнен с возможностью управления источником лазерного излучения в соответствии с одним или более параметров лазера с помощью:

команды для источника лазерного излучения для коррекции количества циклов усилителя источника лазерного излучения.

7. Система по п. 1, в которой в зависимости от одного или более параметров лазера изменение длительности импульса компенсируется в значительной степени.

8. Система по п. 1, в которой в зависимости от одного или более параметров лазера изменение длительности импульса компенсируется частично.

9. Способ формирования лазерного излучения, содержащий следующие этапы:

испускание источником лазерного излучения одного или более лазерных импульсов;

изменение одним или более оптических элементов длительности одного или более лазерных импульсов,

обеспечение фокусировки лазерного излучения с помощью фокусирующего объектива;

измерение устройством контроля длительности одного или более лазерных импульсов для выявления изменения длительности импульса, при этом устройство контроля выполнено с возможностью соединения с фокусирующим объективом или расположения внутри фокусирующего объектива;

прием управляющим компьютером от устройства контроля измеренного значения длительности импульса;

определение управляющим компьютером одного или более параметров лазера, которые компенсируют изменение длительности импульса; и

управление источником лазерного излучения посредством управляющего компьютера в соответствии с одним или более параметров лазера.

10. Способ по п. 9, в котором изменение длительности импульса является увеличением или уменьшением длительности импульса.

11. Способ по п. 9, в котором измерение включает измерение длительности импульса одного или более лазерных импульсов на выходе из фокусирующего объектива одного или более оптических элементов.

12. Способ по п. 9, в котором определение одного или более параметров лазера включает определение одного или более параметров, в зависимости от которых для компенсации изменения длительности импульса вводится положительный или отрицательный чирп.

13. Способ по п. 9, в котором:

длительность импульса изменяют посредством одного или более оптических элементов путем введения отрицательного чирпа в лазерные импульсы; и

определение одного или более параметров лазера включает определение одного или более параметров, в зависимости от которых для компенсации изменения длительности импульса вводится положительный чирп.

14. Способ по п. 9, в котором источник лазерного излучения содержит усилитель, и управление источником лазерного излучения в соответствии с одним или более параметров лазера включает:

команды для источника лазерного излучения для регулирования количества циклов усилителя источника лазерного излучения.

15. Способ по п. 9, в котором в зависимости от одного или более параметров лазера изменение длительности импульса компенсируется в значительной степени.

16. Способ по п. 9, в котором в зависимости от одного или более параметров лазера изменение длительности импульса компенсируется частично.