СПОСОБ ФОТОДЕСТРУКТИВНОЙ МНОГОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА Российский патент 2018 года по МПК B29C71/04 

Изобретение относится к способу фотодеструктивной обработки материала с помощью импульсного сфокусированного лазерного излучения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к многоимпульсной схеме для создания фотодеструкции в материале. В определенных вариантах осуществления материал представляет собой биологический материал, включая, но без ограничения, ткань человеческого глаза. В других вариантах осуществления материал представляет собой небиологический материал.

Фотодеструкцией называют определенный тип взаимодействия между материалом и лазерным излучением, падающим на материал. Фотодеструкция возникает в результате физического явления, называемого лазерно-индуцированным оптическим пробоем (сокращенно LIOB), и связана с механическими эффектами, включая, но без ограничения, кавитацию, происходящими в результате образования плазмы в материале, облучаемом лазерным излучением. Был показан полезный разрушительный эффект фотодеструкции для создания разрезов в прозрачном материале (например, прозрачном для лазерного излучения). Хотя сам по себе LIOB может быть по существу ограничен фокальным пятном лазерного излучения, кавитационные пузырьки, индуцированные LIOB, могут расширять область повреждения за пределы фокального пятна, искажая точность создаваемых в материале разрезов.

Фотодеструкцию можно рассматривать как определяемый интенсивностью процесс в том отношении, что для создания фотодеструкции в материале падающее лазерное излучение должно превышать определенный порог интенсивности. Порог фотодеструкции может зависеть от таких факторов, как тип материала и длина волны, и ширина импульса лазерного излучения. Общее количество энергии, необходимое для запуска фотодеструкции, может быть приложено к материалу посредством одной порции, или импульса, излучения (т.е. применения одного импульса) или посредством временной последовательности отдельных порций, или импульсов, излучения (т.е. применения нескольких импульсов). Последовательность может состоять из любого количества импульсов, больше чем единица, и импульсы последовательности могут обладать одинаковой или разной энергией. Наблюдения показали, что для многоимпульсного применения энергия каждого импульса последовательности может быть меньше, чем подходящая пороговая энергия для одноимпульсного применения (при условии одинаковых материала, длины волны, ширины импульса и фокусных расстояний), и тем не менее совокупный эффект последовательности импульсов может все равно вызывать фотодеструкцию. Также наблюдения показали, что размер повреждений при кавитации может быть меньше для многоимпульсного применения, чем для одноимпульсного применения, таким образом минимизируя область повреждения и повышая точность разрезания.

Обычное двухимпульсное применение включает в себя создание фотодеструкции на каждом из множества обрабатываемых участков в биологическом материале, причем за один раз лазерным излучением облучают только один из обрабатываемых участков. Каждый обрабатываемый участок облучают предварительным импульсом относительно более низкой энергии и последующим основным импульсом относительно более высокой энергии, причем основной импульс приводит к появлению фотодеструкции на облучаемом обрабатываемом участке. После создания фотодеструкции на одном из обрабатываемых участков сканер переводит фокальную точку лазерного излучения на следующий обрабатываемый участок для приложения другой пары предварительного импульса и основного импульса.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения способ лазерной обработки биологического или небиологического материала включает: предоставление дифрагированного луча импульсного лазерного излучения; облучение материала в целевом положении излучением из множества импульсов излучения дифрагированного луча для создания фотодеструкции в целевом положении, причем каждый импульс излучения из множества импульсов излучения падает в целевом положении частью поперечного сечения дифрагированного луча, при этом часть поперечного сечения содержит локальный максимум интенсивности дифрагированного луча, причем каждая часть поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества импульсов из множества импульсов содержит разный локальный максимум интенсивности.

Таким образом, способ реализует многоимпульсное применение в том, что целевое положение облучают излучением из нескольких смещенных во времени импульсов лазерного луча. Вследствие дифракции луча поперечное распределение интенсивности каждого импульса демонстрирует несколько (т.е. два или более) локальных максимумов. Фотодеструкцию создают облучением материала пространственно перекрывающимся образом с помощью нескольких поперечных импульсных сегментов, причем каждый принадлежит к отличающемуся по времени импульсу лазерного излучения и каждый содержит только один из множества локальных максимумов интенсивности дифрагированного луча. В данном документе поперечный сегмент также называется частью поперечного сечения дифрагированного луча. Для по меньшей мере подмножества из множества импульсов, необходимых для получения фотодеструкции, луч может быть смещен в поперечном направлении, т.е. перпендикулярно направлению распространения луча, между последовательными импульсами подмножества. Путем такого смещения (или сканирования) дифрагированного луча в поперечном направлении каждый импульс по меньшей мере указанного подмножества облучает целевое положение при помощи части поперечного сечения луча, которая содержит соответствующий разный локальный максимум интенсивности. В определенных вариантах осуществления луч сканируют в поперечном направлении между всеми импульсами множества, так что локальный максимум интенсивности, заключенный в одном из поперечных сегментов, не заключен ни в каком другом из поперечных сегментов.

Путем дифрагирования изначально дифракционно-ограниченного луча может быть создано несколько составляющих лучей, причем каждый связан с разным локальным максимумом интенсивности из множества локальных максимумов интенсивности дифрагированного луча. В определенных вариантах осуществления составляющие лучи могут иметь фокусы, лежащие в общей плоскости x-y в системе координат x-y-z, в которой z относится к направлению распространения дифрагированного луча, а x-y относится к направлениям, ортогональным направлению z. В этом случае поперечное сканирование дифрагированного луча позволяет создавать вытянутый в двух измерениях разрез, имеющий плоскость разрезания, которая параллельна относительно плоскости x-y. В других вариантах осуществления по меньшей мере некоторые из составляющих лучей могут иметь фокусы, лежащие в разных плоскостях x-y, т.е. имеющие разные положения z. Более конкретно, определенные варианты осуществления могут предусматривать двумерное распределение строк и столбцов фокусов составляющих лучей, в котором положение z фокусов изменяется при рассмотрении в направлении строк распределения, но остается постоянным, или по существу постоянным, при рассмотрении в направлении столбцов распределения. Сканирование дифрагированного луча поперечно в направлении столбцов тогда может позволить создавать двумерно расширенный разрез, имеющий плоскость разрезания, которая наклонена относительно плоскости x-y.

Благодаря дифрагированному лучу несколько целевых положений могут быть облучены соответствующими поперечными импульсными сегментами за один раз, причем каждый из поперечных импульсных сегментов содержит разный локальный максимум интенсивности луча. Таким образом, материал может быть обработан одновременно в нескольких целевых положениях (или обрабатываемых участках) перекрывающимся во времени образом. Это позволяет уменьшить общее время обработки, необходимое для выполнения желаемой обработки материала, без увеличения скорости поперечного сканирования лазерного луча.

В определенных вариантах осуществления части поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества являются отдельными (т.е. не перекрывающимися) при проецировании на поперечную плоскость (т.е. поперечную направлению распространения лазерного луча). В других вариантах осуществления по меньшей мере одна пара частей поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества частично перекрывается при проецировании на поперечную плоскость.

В предпочтительных вариантах осуществления дифрагированный луч имеет точечное распределение локальных максимумов интенсивности в фокальном пятне луча. Точечное распределение может представлять собой одномерное распределение или двумерное распределение. Одномерное распределение представляет собой одно из равномерного или неравномерного распределения на кривой, причем кривая имеет одну из нулевой кривизны и ненулевой кривизны. Кривая нулевой кривизны также может быть названа прямой линией, тогда как кривая ненулевой кривизны не является прямой, т.е. является кривой. Примерами кривых ненулевой кривизны являются спираль и круг. При равномерном распределении смежные локальные максимумы интенсивности находятся по существу на равном расстоянии друг от друга, тогда как при неравномерном распределении это расстояние не является одинаковым для всех локальных максимумов интенсивности распределения. Двумерное распределение может представлять собой одно из матричного распределения и распределения на основе концентрических кругов. В определенных вариантах осуществления матричное распределение является равномерным, т.е. локальные максимумы интенсивности имеют по существу равное взаимное расстояние в направлениях строк и столбцов матрицы. В других вариантах осуществления матричное распределение является неравномерным, т.е. расстояние между смежными локальными максимумами интенсивности, будь то в направлении строк или направлении столбцов, не является равным по всей матрице.

Согласно определенным вариантам осуществления по меньшей мере подмножество локальных максимумов интенсивности дифрагированного луча распределено по линии, причем способ включает перемещение дифрагированного луча по целевому положению в направлении линии. Линия может представлять собой прямую линию или она может представлять собой кривую линию, например, изогнутую по окружности линию или изогнутую по спирали линию. Кривая линия может быть применена, например, для создания круглого или частично круглого надреза (такого как, например, боковой разрез по методу обработки LASIK, в котором боковой разрез проходит от разреза стромального ложа до передней поверхности роговицы). В одном варианте осуществления все локальные максимумы интенсивности дифрагированного луча распределены по одной линии. В альтернативном варианте осуществления схема распределения локальных максимумов интенсивности дифрагированного луча определяет несколько взаимно параллельных линий, например, в форме матрицы или в форме нескольких концентрических кругов, причем каждая линия содержит разное подмножество локальных максимумов интенсивности, причем каждое подмножество может содержать одинаковое количество или разное количество локальных максимумов интенсивности.

В определенных вариантах осуществления распределенные по линии локальные максимумы интенсивности, т.е. те локальные максимумы интенсивности, которые распределены по одной и той же линии, расположены в порядке возрастания величины интенсивности, посредством чего меньший локальный максимум интенсивности падает в целевое положение в первый момент времени, а больший локальный максимум интенсивности падает в целевое положение во второй момент времени, который идет после первого момента времени. Таким образом, целевое положение облучают временной последовательностью порций излучения, причем интенсивность порций излучения увеличивается по мере появления порций излучения последовательности одна за другой.

Согласно вариантам осуществления распределенные по линии максимумы локальной интенсивности все имеют разные величины интенсивности, так что во временном ряду порций излучения, которые падают в целевое положение, интенсивность возрастает от порции к порции.

Согласно другим вариантам осуществления распределенные по линии максимумы локальной интенсивности содержат два или более максимумов по существу равной величины интенсивности. В определенных вариантах осуществления все максимумы локальной интенсивности, распределенные по одной и той же линии схемы распределения, имеют по существу равную величину интенсивности.

Независимо от конкретного распределения интенсивности среди локальных максимумов интенсивности, которые расположены по линии схемы распределения, излучение последнего по времени импульса во множестве импульсов излучения в определенных вариантах осуществления вызывает превышение порога фотодеструктивного повреждения материала. Другими словами, независимо от того, облучают ли целевое положение множеством импульсов излучения взаимно разных интенсивностей или же его облучают множеством импульсов излучения по существу равной интенсивности, последний по времени импульс множества в таких вариантах осуществления обладает эффектом, состоящим в превышении многоимпульсного порога для создания фотодеструкции в материале.

Выше было указано, что одноимпульсный порог интенсивности для получения повреждения путем фотодеструкции может отличаться для разных материалов. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения каждый локальный максимум интенсивности дифрагированного луча меньше одноимпульсного порога интенсивности для лазерно-индуцированного оптического пробоя в ткани человеческого глаза. Одноимпульсный порог интенсивности представляет собой порог, применимый для создания LIOB, и приводит к фотодеструкции в ткани человеческого глаза с помощью одного импульса лазерного излучения. Ткань человеческого глаза включает, но без ограничения, одно из ткани роговицы, ткани хрусталика и ткани сетчатки.

Согласно вариантам осуществления способ согласно настоящему изобретению включает: перемещение дифрагированного луча по материалу в поперечном направлении относительно направления распространения луча согласно предопределенной схеме попадания для доставки импульса лазерного излучения на материал относительно каждого положения попадания, причем расстояние между смежными положениями попадания соответствует расстоянию между смежными локальными максимумами интенсивности точечного распределения.

В определенных вариантах осуществления излучение последнего по времени импульса во множестве импульсов излучения имеет наивысшую интенсивность среди множества. А именно, излучение последнего по времени импульса во множестве может содержать глобальный максимум интенсивности дифрагированного луча.

Множество импульсов излучения, применяемых для облучения материала, для создания фотодеструкции в целевом положении может состоять из любого числа импульсов, большего единицы. Например, множество может состоять из двух, трех, четырех или пяти импульсов. В других вариантах осуществления множество может содержать существенно большее число импульсов. Например, число импульсов может находиться в двузначном или трехзначном диапазоне.

Импульсы лазерного излучения могут иметь ширину импульса в диапазоне аттосекунд, фемтосекунд, пикосекунд или наносекунд.

В определенных вариантах осуществления расстояние между пространственно смежными локальными максимумами интенсивности диффрагированного луча составляет не более чем 20 мкм, или 15 мкм, или 10 мкм, или 8 мкм, или 6 мкм, или 5 мкм, или 4 мкм, или 3 мкм, или 2 мкм в фокальном пятне луча.

В другой особенности варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают устройство для лазерной обработки материала, при этом устройство содержит: источник лазерного излучения, выполненный с возможностью предоставления дифракционно-ограниченного луча импульсного лазерного излучения; дифракционное устройство, выполненное с возможностью дифракции дифракционно-ограниченного луча для создания дифрагированного луча импульсного лазерного излучения; фокусирующее устройство, выполненное с возможностью фокусировки дифрагированного луча на материал; и контроллер, выполненный с возможностью управления дифрагированным лучом во времени и пространстве для облучения материала в целевом положении посредством излучения из множества импульсов излучения дифрагированного луча, так что каждый импульс излучения из множества импульсов излучения падает в целевом положении частью поперечного сечения дифрагированного луча, при этом часть поперечного сечения содержит локальный максимум интенсивности дифрагированного луча, причем каждая часть поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества импульсов множества содержит разный локальный максимум интенсивности.

Дифракционное устройство может содержать по меньшей мере одну дифракционную решетку для дифрагирования лазерного луча. Дополнительно или альтернативно дифракционное устройство может содержать одну или несколько других дифракционных структур, включая, но без ограничения, отверстие, лезвие, акустооптический модулятор и голограмму (например, двумерную или трехмерную голограмму). В определенных вариантах осуществления дифракционное устройство содержит DOE (дифракционный оптический элемент), который имеет микроструктурированную поверхность для его оптической функции.

Еще одна особенность настоящего изобретения предусматривает компьютерный программный продукт, содержащий команды, которые при выполнении контроллером лазерного устройства приводят к выполнению вышеописанного способа.

Еще одна особенность настоящего изобретения предусматривает среду для хранения информации (такую как, например, диск, карта памяти или флеш-накопитель), в которой хранится вышеуказанный компьютерный программный продукт.

Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:

на фиг. 1 схематически представлены компоненты устройства для лазерной хирургической обработки целевого материала согласно одному варианту осуществления; и

на фиг. 2 схематически представлены примерные взаимосвязи между целевыми положениями для лазерного облучения и поперечным распределением интенсивности сфокусированного лазерного луча, выпущенного устройством, представленным на фиг. 1.

На фиг. 1 представлено лазерное устройство для обработки целевого материала с помощью импульсного сфокусированного лазерного излучения, при этом устройство в целом обозначено 10. В показательном примере, который представлен на фиг. 1, устройство 10 применяют для выполнения лазерной хирургии на человеческом глазу 12, что может быть необходимо в случае ослабленного зрения или заболевания глаза 12. Например, устройство 10 может быть использовано для создания одного или нескольких надрезов в ткани роговицы, ткани хрусталика, стекловидных телах или ткани сетчатки глаза 12. Такие надрезы могут быть необходимы как часть операции, нацеленной на улучшение зрения пациента посредством рефракционной коррекции. Одним примером рефракционной глазной хирургии является LASIK (лазерный кератомилез). Нет необходимости утверждать, что применимость устройства 10 не ограничена созданием надрезов в глазу 12 в ходе операции LASIK. С помощью устройства 10 в равной степени могут быть выполнены и другие типы хирургических операций глаза, требующих создания одного или нескольких надрезов в глазу 12, такие другие типы операции включают, но без ограничения, внутрироговичную экстракцию линзы, кератопластику (послойную или проникающую), операцию по удалению катаракты и т.п. Кроме того, устройство 10 может быть применимо для лазерной обработки неживого материала, например, применения в фотолитографии.

Устройство 10 может, в частности, быть использованным для применений, требующих создания в целевом материале одной или нескольких строк сопредельных фотодеструкций в каждой из одной или нескольких плоскостей x-y в системе координат x-y-z лазерного устройства 10. Как используется в данном документе, z относится к продольному направлению луча, а x-y относится к поперечной плоскости относительно направления распространения луча. Строка может представлять собой прямолинейную строку или изогнутую строку. Прямолинейная строка фотодеструкций может быть создана каждый раз, когда фокус луча перемещается по прямолинейной части пути извилистого пути сканирования, который включает множество прямолинейных частей пути, проходящих параллельно друг другу, причем смежные прямолинейные части пути на конце соединены обратными частями пути. Извилистая схема сканирования может быть применена для создания проходящего в двух измерениях надреза, в плоскости x-y, например, среза ложа для лоскута LASIK, причем срез ложа определяет стромальное ложе лоскута. Изогнутая строка фотодеструкций, напротив, может быть создана, когда фокус луча перемещают в плоскости x-y по изогнутой, например, кольцевой, линии, к примеру, в операции LASIK может быть необходимо создать боковой надрез, проходящий от периферического края среза ложа до передней поверхности роговицы.

Устройство 10 содержит источник 14 лазерного излучения, расширитель 16 пучка, дифракционное устройство 18, сканер 20, фокусирующий объектив 22, блок 24 управления, запоминающее устройство 26 и программу 28 управления, хранящуюся в запоминающем устройстве 26, для управления работой блока 24 управления.

Источник лазерного излучения генерирует дифракционно-ограниченный лазерный луч 30, состоящий из равномерной (т.е. периодической) последовательности импульсов 32 лазерного излучения. Как можно видеть на схематическом представлении нескольких лазерных импульсов 32 на фиг. 1, пространственное (т.е. поперечное) распределение интенсивности лазерных импульсов 32 является нормальным или близким к нормальному и содержит единственный максимум интенсивности. Длину волны лазерного излучения, сгенерированного источником 14 лазерного излучения, выбирают надлежащим образом так, чтобы гарантировать, что излучение, выпущенное из устройства 10, может в достаточной мере проникнуть в целевую ткань глаза 12 (или, в общем случае, - целевой материал) для достижения LIOB и получающейся в результате фотодеструкции путем многоимпульсного применения. Например, для обработки человеческого глаза длина волны лазера может находиться в инфракрасном диапазоне от приблизительно 700 нм до приблизительно 1900 нм или может находиться в ультрафиолетовом диапазоне выше приблизительно 300 нм. Для обработки других материалов подходящими могут быть другие длины волн. Ширина импульса лазерных импульсов, сгенерированных источником 14 лазерного излучения, может находиться в пределах от аттосекунд до наносекунд и, например, в двузначном или трехзначном диапазоне фемтосекунд.

Расширитель 16 пучка расширяет лазерный луч 30 общеизвестным способом с помощью, например, телескопа Галилея, содержащего рассеивающую линзу и собирающую линзу, расположенную ниже по потоку от рассеивающей линзы относительно направления распространения лазерного луча 30. Расширенный лазерный луч, выходящий из расширителя 16 пучка, обозначен 30_exp на фиг. 1 и состоит из периодической последовательности лазерных импульсов 32_exp. Как схематически представлено на фиг. 1, лазерные импульсы 32_exp расширенного лазерного луча 30_exp имеют большую площадь поперечного сечения, но меньшую максимальную интенсивность, чем лазерные импульсы 32 дифракционно-ограниченного лазерного луча 30.

Дифракционное устройство 18 осуществляет дифракцию расширенного лазерного луча 30_exp для создания дифрагированного лазерного луча 30_diff. Дифрагированный лазерный луч 30_diff состоит из равномерной последовательности дифрагированных лазерных импульсов 32_diff. Как схематически представлено на фиг. 1, каждый дифрагированный лазерный импульс 32_diff имеет пространственное (т.е. поперечное) распределение интенсивности, демонстрирующее несколько локальных максимумов 36_i интенсивности (где индекс i принимает значения от 1 до N, причем N указывает общее количество локальных максимумов интенсивности дифрагированного лазерного импульса 32_diff). Дифракционная картина, т.е. поперечное распределение интенсивности, является одинаковой для всех дифрагированных импульсов 32_diff последовательности. Как легко понять, пара пространственно смежных локальных максимумов интенсивности будут отделены локальным минимумом интенсивности (на графических материалах отдельно не указаны).

В показательном примере, представленном на фиг. 1, каждый дифрагированный импульс 32_diff имеет в общем два локальных максимума 36₁, 36₂ интенсивности. Необходимо понимать, что устройство 10 не предназначено быть ограниченным генерацией дифрагированных лазерных импульсов, имеющих в точности два максимума интенсивности. Напротив, дифракционное устройство 18 может быть выполнено с возможностью генерирования дифрагированных лазерных импульсов, имеющих любое количество локальных максимумов интенсивности больше двух, например, три, четыре, пять или шесть максимумов интенсивности. Эти максимумы могут иметь одномерную схему распределения, такую как, например, по прямой линии, или двумерную схему распределения, такую как, например, матричная схема.

В иллюстративном примере, представленном на фиг. 1, локальные максимумы 36₁, 36₂ интенсивности каждого дифрагированного импульса 32_diff имеют разные интенсивности. Следует понимать, что в других вариантах осуществления локальные максимумы интенсивности 36₁, 36₂ могут быть по существу равной интенсивности. В общем и независимо от общего количества локальных максимумов интенсивности дифрагированный луч 30_diff может иметь поперечное распределение интенсивности, демонстрирующее два или более локальных максимума интенсивности по существу равной величины и, альтернативно или дополнительно, два или более локальных максимума интенсивности неравных величин.

Дифракционное устройство 18 содержит по меньшей мере один дифракционный элемент, имеющий дифрагирующий эффект для лазерного излучения, когда излучение проходит через дифракционный элемент. Примером дифракционного элемента, который может быть использован в дифракционном устройстве 18, является дифракционный оптический элемент (DOE), который общеизвестен в форме оптического элемента, имеющего прозрачную подложку (например, стеклянную подложку), на которую при помощи метода фотолитографии был нанесен узор, так что она имеет одну или несколько микрорешетчатых структур, преобразующих изначальную структуру луча в другую структуру луча. Например, дифракционное устройство 18 может быть выполнено с возможностью преобразования поперечной (т.е. x-y) структуры луча лазерного луча 30_exp в структуру точечной линии или точечно-матричную структуру дифрагированного луча 30_diff, причем каждая точка дифракционной картины содержит локальный максимум интенсивности дифрагированного луча 30_diff. Голографический оптический элемент (HOE) является еще одним примером дифракционного элемента, который применяют для получения желаемого дифракционного эффекта для лазерного излучения.

В вариантах осуществления, отдельно не представленных в данном документе, дифракционное устройство 18 может быть расположено выше по потоку относительно расширителя 16 пучка.

Фокусирующий объектив 22 фокусирует дифрагированный луч 30_diff, предоставляя в результате сфокусированный лазерный луч 30_foc (на фиг. 1 схематически представленный пунктирными линиями). Фокусирующий объектив 22 может, например, представлять собой объектив типа F-Theta и может быть однолинзовым объективом или многолинзовым объективом. Сфокусированный лазерный луч 30_foc состоит из периодической последовательности сфокусированных лазерных импульсов 32_foc, один из которых с целью иллюстрации схематически представлен на фиг. 1. Частота повторений сфокусированных лазерных импульсов 32_foc, выпущенных из устройства 10, находится в диапазонах кГц, МГц или ГГц и, например, в диапазоне от 50 кГц до 5 МГц, или от 5 МГц до 50 МГц, или от 50 МГц до 100 МГц, или от 100 МГц до 500 МГц, или вплоть до диапазона 1 ГГц или выше.

Устройство 10 оснащено надлежащим сканирующим устройством, позволяющим продольное регулирование фокусного положения сфокусированного лазерного луча 30_foc в направлении z (т.е. в направлении распространения луча) и позволяющим поперечное регулирование фокусного положения в плоскости x-y. Для сканирования в плоскости x-y фокуса луча сканер 20 может содержать, например, как это по сути общеизвестно в данном уровне техники, пару сканирующих зеркал 37, которые расположены с возможностью наклона относительно взаимно ортогональных осей наклона, как схематически представлено на фиг. 1, внутри прямоугольника, представляющего собой сканер 20. Для сканирования в направлении z фокуса луча расширитель 16 пучка может содержать оптический элемент (не показан на графических материалах), выполненный с возможностью соответствующего регулирования для наложения переменной степени расходимости на расширенный лазерный луч 30_exp. Такой оптический элемент может, например, состоять из линзы переменной преломляющей способности или линзы, размещенной с возможностью регулирования положения в направлении распространения луча. В разных вариантах осуществления другие части устройства 10, такие как, например, сканер 20 или фокусирующий объектив 22, могут иметь возможность сканирования в направлении z.

Блок 24 управления управляет общей работой устройства 10 под управлением программы 28 управления и, в частности, управляет работой источника 14 лазерного излучения и сканирующим устройством данного устройства 10, включая сканер 20. Программа 28 управления определяет схему попадания, состоящую из множества положений попадания, каждое представлено набором значений координат x, y и z в системе координат x-y-z устройства 10, причем схема попадания спроектирована так, чтобы давать в результате надрез желаемой геометрической формы в глазу 12. Каждое положение попадания соответствует испусканию одного лазерного импульса (т.е. одного сфокусированного импульса 32_foc) устройством 10.

По мере перемещения фокуса сфокусированного луча 30_foc в поперечном направлении (т.е. в плоскости x-y) по целевой области глаза 12 (эта целевая область может быть внешней поверхностью глаза 12 или быть в глазу 12) согласно схеме попадания то же место на или в глазу 12 последовательно облучается излучением множества сфокусированных импульсов 32_foc, и фотодеструкция создается в глазной ткани в этом положении в результате совокупного эффекта накопления энергии соединения импульсов ниже порога в ткани. Это более подробно объяснено ниже с дополнительной ссылкой на фиг. 2.

На фиг. 2 в качестве неограничительного примера представлен контур среза 38 ложа в плоскости x-y. Срез 38 ложа представляет собой проходящий в двух направлениях надрез в плоскости x-y и может служить для определения стромального ложа для роговичного лоскута, который создают в роговице глаза 12 в ходе выполнения процедуры LASIK. 38a обозначает ось вращения, по которой лоскут остается соединенным с окружающей тканью роговицы, так что лоскут можно складывать в сторону для открытия нижележащей ткани роговицы для последующего удаления предопределенного объема ткани с помощью УФ лазерного излучения (например, эксимерного лазерного излучения). Для создания среза 38 ложа необходимо осуществить фотодеструкцию в каждом из множества мест повреждения, сопредельных в плоскости x-y, так что повреждение ткани, связанное со множеством фотодеструкций, приводит к созданию среза 38 ложа.

Часть схемы попадания луча для создания среза 38 ложа схематически представлена на фиг. 2 справа от среза 38 ложа и содержит положения 40 попадания, расположенные в виде матрицы рядами и столбцами. На фиг. 2 также схематически представлены четыре примера точечных структур 42a, 42b, 42c, 42d сфокусированного луча 30_foc. Точечные структуры 42a, 42b, 42c, 42d являются графическим инструментом для представления распределения энергии в плоскости x-y (а, следовательно, структуры луча в плоскости x-y) сфокусированного луча 30_foc в области фокуса луча; большая часть энергии, если не вся, сконцентрирована в областях, представленных точками ("точечные области"), и лишь немного, если есть, энергии излучения встречается за пределами этих областей. Каждая точечная структура 42a, 42b, 42c, 42d соответствует разной конфигурации дифракционного устройства 18 устройства 10. Каждая точка точечной структуры представляет отдельный сегмент поперечного сечения (т.е. на x-y) сфокусированного луча 30_foc и может обозначать соответствующий локальный максимум 36_i интенсивности сфокусированного луча 30_foc. В представленном примере разные цвета точек точечной структуры представляют разные интенсивности локальных максимумов 36_i интенсивности точечных областей и/или могут представлять разные энергии точечных областей. Более конкретно, в представленных на фиг. 2 случаях черная тока представляет локальный максимум 36_i интенсивности большей интенсивности и/или большей энергии, чем серая точка, а серая точка представляет локальный максимум 36_i интенсивности большей интенсивности и/или большей энергии, чем белая точка.

Обе точечные структуры 42a, 42b имеют конфигурацию точечной линейной структуры, т.е. их точки распределены по одной линии, которая представляет собой прямую линию в представленных иллюстративных случаях. Для точечных структур 42a, 42b сфокусированный луч 30_foc в каждом случае содержит в общем три локальных максимума 36_i интенсивности, дающих в результате три точки для каждой из структур 42a, 42b. В точечной структуре 42a точки представляют локальные максимумы 36_i интенсивности с разной интенсивностью, как указано посредством разных цветов точек точечной структуры 42a. Связанное иллюстративное поперечное распределение 44a интенсивности представлено на фиг. 2 справа от точечной структуры 42a. Как можно видеть, распределение 44a интенсивности демонстрирует локальные максимумы 36₁, 36₂, 36₃ интенсивности с разной интенсивностью.

Наоборот, в точечной структуре 42b точки представляют локальные максимумы 36_i одинаковой интенсивности или по существу одинаковой интенсивности, что указано с помощью одного цвета для всех точек точечной структуры 42b. Связанное иллюстративное поперечное распределение 44b интенсивности представлено на фиг. 2 справа от точечной структуры 42b. Как можно видеть, распределение 44b интенсивности демонстрирует локальные максимумы 36₁, 36₂, 36₃ интенсивности равной интенсивности.

Каждая точечная структура 42c, 42d имеет конфигурацию точечной матричной структуры, т.е. их точки расположены в матрице m x n, имеющей строки в количестве m и столбцы в количестве n (где m и n представляют собой целые числа больше 1). А именно, точечная структура 42c представляет собой матрицу точек 3×5, и точечная структура 42d представляет собой матрицу точек 3×3. В строке матрицы сфокусированный луч 30_foc может иметь локальные максимумы интенсивности равной интенсивности (как в случае точечной структуры 42c) или с разными интенсивностями (как в случае точечной структуры 42d). Но каждая строка представляет одно и то же, или по существу одно и то же, распределение интенсивности, что и любая другая строка матрицы.

В определенных вариантах осуществления поперечное сечение x-y сфокусированного луча 30_foc в его фокальном пятне демонстрирует концентрацию энергии в круговых сегментах, как представлено при помощи круглой формы точек, представленных на фиг. 2. Однако следует заметить, что объем настоящего изобретения никоим образом не ограничен такими вариантами осуществления, и что сфокусированный луч 30_foc может демонстрировать в своем фокальном пятне любое подходящее распределение энергии на x-y, поступающей с множеством разделенных в пространстве локальных максимумов интенсивности. Идея точечной структуры сфокусированного луча 30_foc использована в данном документе только с целью облегчения понимания настоящего изобретения и, в частности, идеи создания фотодеструкции в целевом материале при помощи пространственно накладывающегося излучения по меньшей мере из частично неперекрывающихся поперечных сегментов последовательных во времени импульсов дифрагированного лазерного луча.

Диаметр каждой точечной области может составлять от 1 мкм до 10 мкм, или от 2 мкм до 8 мкм, или от 3 мкм до 6 мкм, и может быть по существу равен фокусному диаметру недифрагированного луча, который может быть сгенерирован устройством 10 после снятия дифракционного устройства 18.

Взаимное расстояние смежных положений 40 попадания схемы попадания в плоскости x-y обозначено на фиг. 2 как d1 и находится, например, в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм, или от 2 мкм до 8 мкм, или от 3 мкм до 6 мкм. Взаимное расстояние смежных локальных максимумов 36_i интенсивности сфокусированного луча 30_foc (в области фокуса луча) в плоскости x-y обозначено на фиг. 2 как d2 и по существу равно расстоянию d1. Путь сканирования x-y для сфокусированного луча 30_foc может быть определен как извилистый путь сканирования, как схематически представлено ссылкой 46 на фиг. 2, причем извилистый путь 46 сканирования содержит взаимно параллельные прямые части 46a пути, на концах соединенные повернутыми в обратном направлении частями 46b пути.

Соответственно, по мере перемещения сфокусированного луча 30_foc по положениям 40 попадания в плоскости x-y согласно предопределенному пути сканирования, такому как, например, извилистый путь 46 сканирования, одно и то же положение на или в глазу 12 последовательно облучается посредством излучения из разных частей поперечного сечения луча из множества импульсов сфокусированного луча 30_foc. Например, рассматривая дифракционную картину сфокусированного луча 30_foc, соответствующую точечной линейной структуре 42a, первый импульс сфокусированного луча 30_foc облучает глаз 12 в конкретном положении, связанном с одним из положений 40 попадания, посредством излучения из одной из точек, например, левой, белой точки, представляющей самый низкий пик интенсивности среди точек точечной структуры 42a. Когда сфокусированный луч 30_foc перемещают на расстояние d1 между последовательными импульсами согласно предопределенному пути сканирования, последующий второй импульс сфокусированного луча 30_foc прикладывает излучение из другой точки сфокусированного луча 30_foc, например, средней, серой точки, представляющей средний пик интенсивности, в то же самое место, т.е. в то же положение 40 попадания. Когда сфокусированный луч 30_foc затем перемещают еще раз на расстояние d1 согласно предопределенному пути сканирования, третий импульс сфокусированного луча 30_foc прикладывает излучение из третьей точки, например, правой, черной точки, представляющей высший пик интенсивности, в то же самое место глаза 12 и в конце концов вызывает фотодеструкцию в глазной ткани в соответствующем положении 40 попадания. Аналогичные рассуждения применимы и когда сфокусированный луч 30_foc имеет распределение энергии/интенсивности, соответствующее точечной структуре 42b.

Таким образом, многоимпульсное применение может быть осуществлено с помощью дифрагированного сфокусированного луча 30_foc. Фотодеструкция является результатом приложения энергии из разных частей поперечного сечения сфокусированного луча 30_foc в облучаемом материале посредством ряда импульсов луча. Необходимый порог для вызова фотодеструкции может быть достигнут с помощью частей поперечного сечения луча разной пиковой интенсивности/энергии (как в случае, например, точечной структуры 42a) или частей поперечного сечения луча по существу равной пиковой интенсивности/энергии (как в случае, например, точечной структуры 42b). В предпочтительных вариантах осуществления последний импульс ряда импульсов, которые падают в определенное положение облучаемого материала, в итоге запускает фотодеструкцию в материале. Другими словами, применимый порог фотодеструкции в таких вариантах осуществления превышается только с появлением последнего импульса ряда.

Благодаря тому, что сфокусированный луч 30_foc является дифрагированным лучом, имеющим энергию, распространенную по области, которая покрывает множество положений 40 попадания, а также благодаря тому, что сфокусированный луч 30_foc перемещают в плоскости x-y между последовательными импульсами только на расстояние d1, за один раз излучением сфокусированного луча 30_foc может быть облучено несколько положений 40 попадания. Для данной частоты повторения импульсов сфокусированного луча 30_foc и данной скорости сканирования луча на x-y это позволяет сократить общее время, необходимое для создания желаемого надреза (например, среза 38 ложа или последующего, или предшествующего среза для внутрироговичной линзы (не показаны)), по сравнению с обычным многоимпульсным применением, которое использует дифракционно-ограниченный лазерный луч для отправки нескольких последовательных импульсов в одно и то же положение попадания перед сканированием луча в смежное положение попадания.

Дополнительное сокращение общего времени обработки может быть достигнуто путем дифрагирования лазерного луча для создания матричной точечной структуры, такой как структура 42c или структура 42d. Двумерная точечная структура, такая как структура 42c или структура 42d, позволяет получать облучение целевого материала одновременно в положениях 40 попадания на нескольких параллельных линиях, так что шаг (расстояние) между смежными прямолинейными частями 46a пути извилистого пути 40 сканирования может быть увеличен в соответствии с количеством линий положений 40 попадания, покрытых матричной точечной структурой. Двумерная точечная структура, такая как структура 42c или 42d, может быть создана, например, с помощью двумерной дифракционной решетки или голограммы.

В точечных структурах 42c, 42d каждая точечная область может представлять составляющий луч дифрагированного луча, причем каждый составляющий луч имеет связанный фокус. Согласно определенным вариантам осуществления все фокусы составляющих лучей имеют одинаковое, или по существу одинаковое, положение z. Согласно другим вариантам осуществления не все фокусы составляющих лучей находятся в одной плоскости x-y. Например, в точечной структуре 42d положение фокуса может быть постоянным в направлении z при перемещении от составляющего луча к составляющему лучу в направлении строки матрицы (т.е. горизонтально на рисунке), тогда как положение фокуса может изменяться в направлении z при перемещении от составляющего луча к составляющему лучу в направлении столбца матрицы (т.е. вертикально на рисунке). Таким образом, хотя составляющие лучи, связанные с тремя белой, серой и черной точками из одной строки матрицы, могут иметь фокусы, расположенные в одном и том же положении z, составляющие лучи, связанные с тремя черными точками, могут иметь разные положения z своих фокусов (и аналогично для составляющих лучей, связанных с тремя серыми точками, и составляющих лучей, связанных с тремя белыми точками).

Группа изобретений относится к медицинской технике. В способе и устройстве лазерной обработки материала дифракционно-ограниченный луч импульсного лазерного излучения преломляется дифракционным устройством для создания дифрагированного луча импульсного лазерного излучения. Дифрагированный луч затем фокусируют на материале и управляют им во времени и пространстве для облучения материала в целевом положении излучением из множества импульсов излучения дифрагированного луча, так что каждый импульс излучения из множества импульсов излучения падает в целевом положении частью поперечного сечения дифрагированного луча, причем часть поперечного сечения содержит локальный максимум интенсивности дифрагированного луча. Каждая часть поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества импульсов множества содержит разный локальный максимум интенсивности. Таким образом, может быть осуществлено многоимпульсное применение для создания фотодеструкции в целевом положении материала. 2 н. и 37 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ лазерной обработки биологического или небиологического материала, при этом способ включает:

предоставление дифрагированного луча импульсного лазерного излучения;

управление дифрагированным лучом во времени и пространстве для облучения материала в целевом положении излучением из множества импульсов излучения дифрагированного луча для создания фотодеструкции в целевом положении, причем каждый импульс излучения из множества импульсов излучения падает в целевое положение частью поперечного сечения дифрагированного луча, при этом часть поперечного сечения содержит локальный максимум интенсивности дифрагированного луча, каждая часть поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества импульсов из множества содержит разный локальный максимум интенсивности, причем по меньшей мере подмножество локальных максимумов интенсивности дифрагированного луча распределено по линии, и

управление дифрагированным лучом для перемещения дифрагированного луча по целевому положению в направлении линии.

2. Способ по п. 1, где части поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества являются отдельными при проецировании на поперечную плоскость.

3. Способ по п. 1, где по меньшей мере одна пара частей поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества частично перекрывается при проецировании на поперечную плоскость.

4. Способ по любому из пп. 1-3, где дифрагированный луч имеет точечное распределение локальных максимумов интенсивности в фокальном пятне луча.

5. Способ по п. 4, где точечное распределение представляет собой одномерное распределение.

6. Способ по п. 5, где одномерное распределение представляет собой одно из равномерного и неравномерного распределения на кривой, причем кривая имеет одну из нулевой кривизны и ненулевой кривизны.

7. Способ по п. 4, где точечное распределение представляет собой двумерное распределение.

8. Способ по п. 7, где двумерное распределение представляет собой одно из матричного распределения и распределения на основе концентрических кругов.

9. Способ по п. 1, где локальные максимумы интенсивности, распределенные по линии, содержат два или более максимума с разными величинами интенсивности.

10. Способ по п. 9, где локальные максимумы интенсивности, распределенные по линии, расположены в порядке возрастания величины интенсивности, посредством чего максимум меньшей величины интенсивности падает в целевое положение в первый момент времени, а максимум большей величины интенсивности падает в целевое положение во второй момент времени, который следует после первого момента времени.

11. Способ по п. 9, где максимумы локальной интенсивности, распределенные по линии, содержат два или более максимума по существу с равными величинами интенсивности.

12. Способ по п. 1, где излучение последнего по времени импульса во множестве импульсов излучения приводит к превышению порога разрушения материала.

13. Способ по п. 1, где каждый локальный максимум интенсивности дифрагированного луча меньше одноимпульсного порога интенсивности для лазерно-индуцированного оптического пробоя в ткани человеческого глаза.

14. Способ по п. 4, включающий:

перемещение дифрагированного луча по материалу в поперечном направлении относительно направления распространения луча согласно предопределенной схеме попадания для создания фотодеструкции в каждом из множества положений попадания, определенных схемой попадания,

при этом расстояние между смежными положениями попадания соответствует расстоянию между смежными локальными максимумами интенсивности точечного распределения.

15. Способ по п. 1, где излучение последнего по времени импульса во множестве импульсов излучения имеет наивысшую интенсивность среди множества.

16. Способ по п. 15, где излучение последнего по времени импульса во множестве содержит глобальный максимум интенсивности дифрагированного луча.

17. Способ по п. 1, где множество состоит из двух или более импульсов излучения.

18. Способ по п. 1, где материал представляет собой ткань человеческого глаза.

19. Способ по п. 1, где лазерное излучение имеет длительность импульса в диапазоне аттосекунд, фемтосекунд, пикосекунд или наносекунд.

20. Способ по п. 1, где расстояние между пространственно смежными локальными максимумами интенсивности дифрагированного луча составляет менее 20 мкм, или 15 мкм, или 10 мкм, или 8 мкм, или 6 мкм, или 5 мкм, или 4 мкм, или 3 мкм, или 2 мкм в фокальном пятне луча.

21. Устройство для лазерной обработки материала, при этом устройство содержит:

источник (14) лазерного излучения, выполненный с возможностью предоставления дифракционно-ограниченного луча (30) импульсного лазерного излучения;

дифракционное устройство (18), выполненное с возможностью дифракции дифракционно-ограниченного луча для создания дифрагированного луча (30_diff) импульсного лазерного излучения;

фокусирующее устройство (22), выполненное с возможностью фокусировки дифрагированного луча на материале; и

контроллер (24), выполненный с возможностью:

управления дифрагированным лучом во времени и пространстве для облучения материала в целевом положении излучением из множества импульсов излучения дифрагированного луча, так что каждый импульс излучения из множества импульсов излучения падает в целевое положение частью поперечного сечения дифрагированного луча, при этом часть поперечного сечения содержит локальный максимум интенсивности дифрагированного луча, каждая часть поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества импульсов множества содержит разный локальный максимум интенсивности, причем по меньшей мере подмножество локальных максимумов интенсивности дифрагированного луча распределено по линии, и

управления дифрагированным лучом для перемещения дифрагированного луча по целевому положению в направлении линии.

22. Устройство по п. 21, где части поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества являются отдельными при проецировании на поперечную плоскость.

23. Устройство по п. 21, где по меньшей мере одна пара частей поперечного сечения луча по меньшей мере подмножества частично перекрывается при проецировании на поперечную плоскость.

24. Устройство по п. 21, где дифрагированный луч имеет точечное распределение локальных максимумов интенсивности в фокальном пятне луча.

25. Устройство по п. 24, где точечное распределение представляет собой одномерное распределение.

26. Устройство по п. 25, где одномерное распределение представляет собой одно из равномерного и неравномерного распределения по кривой, причем кривая имеет одну из нулевой кривизны и ненулевой кривизны.

27. Устройство по п. 24, где точечное распределение представляет собой двумерное распределение.

28. Устройство по п. 27, где двумерное распределение представляет собой одно из матричного распределения и распределения на основе концентрических кругов.

29. Устройство по п. 21, где локальные максимумы интенсивности, распределенные по линии, содержат два или более максимума с разными величинами интенсивности.

30. Устройство по п. 29, где локальные максимумы интенсивности, распределенные по линии, расположены в порядке возрастания величины интенсивности, посредством чего максимум меньшей величины интенсивности падает в целевое положение в первый момент времени, а максимум большей величины интенсивности падает в целевое положение во второй момент времени, который следует после первого момента времени.

31. Устройство по п. 29, где максимумы локальной интенсивности, распределенные по линии, содержат два или более максимума по существу равной величины интенсивности.

32. Устройство по п. 21, где каждый локальный максимум интенсивности дифрагированного луча меньше одноимпульсного порога интенсивности для лазерно-индуцированного оптического пробоя в ткани человеческого глаза.

33. Устройство по п. 25, где контроллер выполнен с возможностью управления дифрагированным лучом для перемещения луча по материалу в поперечном направлении относительно направления распространения луча согласно предопределенной схеме попадания для создания фотодеструкции в каждом из множества положений попадания, определенных схемой попадания, причем расстояние между смежными положениями попадания соответствует расстоянию между смежными локальными максимумами интенсивности точечного распределения.

34. Устройство по п. 21, где излучение последнего по времени импульса во множестве импульсов излучения имеет наивысшую интенсивность среди множества.

35. Устройство по п. 34, где излучение последнего по времени импульса во множестве содержит глобальный максимум интенсивности дифрагированного луча.

36. Устройство по п. 21, где множество состоит из двух или более импульсов излучения.

37. Устройство по п. 21, где дифракционное устройство содержит по меньшей мере одно из: отверстия, лезвия, акустооптического модулятора, дифракционного оптического элемента, дифракционной решетки и голографической решетки.

38. Устройство по п. 21, где лазерное излучение имеет длительность импульса в диапазоне аттосекунд, фемтосекунд, пикосекунд или наносекунд.

39. Устройство по п. 21, где расстояние между пространственно смежными локальными максимумами интенсивности дифрагированного луча составляет менее 20 мкм, или 15 мкм, или 10 мкм, или 8 мкм, или 6 мкм, или 5 мкм, или 4 мкм, или 3 мкм, или 2 мкм в фокальном пятне луча.