用于掃描超短脈沖光的光束的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于掃描超短脈沖光的光束的系統(tǒng)和方法
[0001]本公開涉及用于掃描超短脈沖光的光束的系統(tǒng)和方法。
[0002]對于電磁輻射的超短脈沖，材料色散可以在脈沖傳播穿過光學(xué)系統(tǒng)中的玻璃或其它光學(xué)材料時造成脈沖的不想要的失真。失真量取決于脈沖的光譜帶寬且隨著脈沖持續(xù)時間減小到兩位數(shù)飛秒范圍或更短范圍中的值而變得特別顯著。材料色散的不利效果包括傳播時間差(PTD)或群延遲(⑶)和群速度色散(GVD)。GVD包括穿過光學(xué)材料的不同階色散。群延遲色散(⑶D)為二階色散且造成傳播穿過光學(xué)材料的脈沖的時間展寬。更高階色散包括三階色散(TOD)和四階色散(FOD)。PTD和GVD的效果的更詳細(xì)論述可見于其內(nèi)容以引用方式并入本文中的US 2011/0058241。
[0003]射線在透鏡中穿越的路徑長度可以取決于與透鏡的光學(xué)軸相隔的徑向距離。例如，凸透鏡在透鏡的中心部分中具有較大厚度且在透鏡的周邊部分中具有較小厚度。在凹透鏡中，路徑長度在透鏡的周邊部分處較大且朝向透鏡的中心變得較小。取決于相對于透鏡的光學(xué)軸的徑向位置，傳播穿過透鏡的射線可以因此經(jīng)歷不同量的色散。
[0004]射線在透鏡中穿越的路徑長度也可以取決于射線在透鏡材料中相對于透鏡的光學(xué)軸傳播的角度。射線穿越透鏡的角度取決于射線入射在透鏡上的角度。因此，在相同位置處但以不同入射角度入射在透鏡上的射線在透鏡中經(jīng)歷不同路徑長度。入射角度可以隨著跨正交于傳播光脈沖的光束的傳播方向的平面掃描該光束而變化。因此，不同入射角度可以表示不同掃描角度。因此，取決于掃描角度，傳播穿過透鏡的射線可以經(jīng)歷不同量的色散。特定來說，對于不同值的掃描角度，射線可以經(jīng)歷不同量的GD。
[0005]色散鏡可用于減少由光學(xué)系統(tǒng)引進(jìn)的⑶D。為此，色散鏡可以被設(shè)計來引進(jìn)負(fù)啁啾，對于行進(jìn)穿過光學(xué)系統(tǒng)的脈沖，其至少部分地對由光學(xué)系統(tǒng)引進(jìn)的正啁啾(時間展寬)進(jìn)行補(bǔ)償。US 2011/0058241 Al描述具有伴隨入射角度變化的⑶D值的啁啾多層鏡。
[0006]本公開提供一種掃描光學(xué)系統(tǒng)，所述掃描光學(xué)系統(tǒng)包括:光源，其提供超短脈沖持續(xù)時間的脈沖光的光束；偏轉(zhuǎn)器，其用于通過掃描角度使所述光束偏轉(zhuǎn)；透鏡系統(tǒng)，其包括用于使所述偏轉(zhuǎn)的光束聚焦的聚焦物鏡；色散補(bǔ)償裝置，其用于減小通過所述透鏡系統(tǒng)的所述光束的脈沖的色散相關(guān)失真，所述色散補(bǔ)償裝置包括可變形色散鏡和用于所述鏡的致動器裝置；和控制器，其用于控制所述致動器裝置以根據(jù)所述掃描角度改變所述鏡的形狀。
[0007]改變可變形色散鏡的形狀可對引進(jìn)或改變?nèi)肷湓谒鲧R的不同位置處的波包之間的相對延遲有效。以此方式，可調(diào)整入射在所述鏡的不同位置的波包之間的相對時間位移且可至少部分地對群延遲(⑶)的空間分布比對透鏡系統(tǒng)的掃描角度的變動進(jìn)行補(bǔ)償。改變可變形色散鏡的形狀可以包括相對于所述鏡的一個或多個其它反射表面部分來回移動所述鏡的一個或多個反射表面部分。
[0008]在某些實施方案中，可變形色散鏡具有提供伴隨所述鏡的反射表面上的位置變化的色散特性的多層結(jié)構(gòu)。例如，可變形色散鏡的多層結(jié)構(gòu)可以跨反射表面引進(jìn)以下項中的至少一個:非一致⑶、非一致⑶D和非一致T0D。所述鏡的非一致⑶可以用來對⑶比對從透鏡系統(tǒng)的光學(xué)軸徑向偏移的不同值的變動進(jìn)行補(bǔ)償。相似地，所述鏡的非一致GDD和TOD可以用來分別對GDD和TOD比對從透鏡系統(tǒng)的光學(xué)軸徑向偏移的不同值的變動進(jìn)行補(bǔ)償。GD,GDD或TOD的空間變動可能在大孔徑光學(xué)裝置中特別顯著，因為例如大孔徑光學(xué)裝置用于被設(shè)計用于眼科手術(shù)的飛秒激光系統(tǒng)。
[0009]在某些實施方案中，色散補(bǔ)償裝置還包括大塊補(bǔ)償器，其具有用于對由透鏡系統(tǒng)引進(jìn)的群延遲和群延遲色散中的至少一個的大塊進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目臻g一致色散特性。
[0010]在某些實施方案中，所述光源為激光源且所述光具有適于在人眼組織中創(chuàng)建切口的中心波長。
[0011]本公開也提供一種掃描方法，其包括:提供超短脈沖持續(xù)時間的脈沖光的光束；通過掃描角度使所述光束偏轉(zhuǎn)；借助于聚焦物鏡使所述偏轉(zhuǎn)的光束聚焦；提供可變形鏡；和根據(jù)所述掃描角度控制所述可變形鏡的形狀以至少部分地對所述聚焦物鏡的群延遲的空間分布比對不同掃描角度的變動進(jìn)行補(bǔ)償。
[0012]應(yīng)注意，在本公開的某些實施方案中，可用可變形非色散鏡取代可變形色散鏡。在這些實施方案中，可變形鏡仍可用來基于光束的掃描角度，局部地(即，個別地對于不同空間位置)調(diào)整所述鏡與后續(xù)光學(xué)構(gòu)件(例如，透鏡)之間的氣隙的長度。以此方式，可適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的群延遲的空間分布的變動，所述變動可以伴隨不同掃描角度發(fā)生。又，在這些實施方案中，對于入射在可變形鏡上的脈沖，所述鏡不引進(jìn)群速度色散。
[0013]現(xiàn)將舉例、參考附圖更詳細(xì)地描述本公開的實施方案。
[0014]圖1示出根據(jù)實施方案的可用于在人眼中創(chuàng)建切口的掃描光學(xué)系統(tǒng)的實例；
[0015]圖2示出根據(jù)實施方案的色散補(bǔ)償裝置的詳情；和
[0016]圖3示出根據(jù)實施方案的掃描方法的步驟。
[0017]現(xiàn)參考附圖，詳細(xì)地示出所公開系統(tǒng)和方法的示例性實施方案。下文描述決不意在詳盡性或以其它方式將所附權(quán)利要求書限制或限定于附圖中所示和本文中所公開的特定實施方案。盡管附圖表示可能的實施方案，但附圖未必按比例繪制且可以對某些特征進(jìn)行簡化、擴(kuò)大、移除或部分分段以更好地示出所述實施方案。此外，某些附圖可以呈示意圖形式。
[0018]圖1不出可掃描激光的超短脈沖的光束并使其聚焦的掃描光學(xué)系統(tǒng)10的不例性實施方案。在所示實施方案中，掃描光學(xué)系統(tǒng)10包括激光裝置和控制計算機(jī)。激光裝置可使用激光在人眼的眼角膜、人眼晶狀體或其它組織結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建切口。如本文中所使用，超短意在意指小于100、80、50或20飛秒(fs)的脈沖持續(xù)時間。在某些實施方案中，脈沖持續(xù)時間在單位數(shù)飛秒范圍(即，小于1fs)或阿托秒(as)范圍中。
[0019]在圖1的所不實例中，掃描光學(xué)系統(tǒng)10對人眼12執(zhí)行激光手術(shù)。掃描光學(xué)系統(tǒng)10包括可以如所示般耦接的激光裝置14、患者適配器16、控制計算機(jī)18和存儲器20。激光裝置14包括如所示般耦接的激光源22、光束擴(kuò)展器24、色散補(bǔ)償裝置25、掃描器26、一個或多個光學(xué)鏡28和聚焦物鏡30?；颊哌m配器16包括可以如所示般耦接的接觸元件32和支撐套管34。存儲器20存儲控制程序36。
[0020]激光源22生成具有超短脈沖的激光光束38。激光光束38的焦點(diǎn)可以使在組織(諸如眼12的眼角膜或其它組織結(jié)構(gòu))中創(chuàng)建激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿(L1B)。激光光束38可以具有任何合適波長，諸如在300-1900納米(nm)的范圍中的波長，例如在300_650nm、650-1050nm、1050-1250nm、1100-1500nm 或 1500_1900nm 的范圍中的波長。激光光束 38 也可以具有相對較小的聚焦體積，例如直徑為5微米(μπι)或更小。
[0021]光束擴(kuò)展器24、色散補(bǔ)償裝置25、橫向掃描器26、光學(xué)鏡28和聚焦物鏡30在激光光束38的光束路徑中。
[0022]光束擴(kuò)展器24被配置來擴(kuò)展激光光束38的寬度或直徑。光束擴(kuò)展器24的實例為伽利略類型的焦外望遠(yuǎn)鏡。
[0023]掃描器26被配置來橫向地控制激光光束38的焦點(diǎn)?！皺M向”是指與激光光束38的傳播方向成直角的方向，且“縱向”是指光束傳播方向。橫向平面可以指定為χ-y平面，且縱向方向可以指定為z方向。掃描器26可以按任何合適方式使激光光束38橫向地偏轉(zhuǎn)。例如，掃描器26可以包括可繞著相互垂直的軸傾斜的一對電流測定致動式掃描器鏡。作為另一實例，掃描器26可以包括可使激光光束38電光地轉(zhuǎn)向的電光晶體。
[0024]激光裝置14也可縱向地引導(dǎo)激光光束38以使光束38的焦點(diǎn)在z方向上移位。對于縱向掃描，激光裝置14可以包括縱向可調(diào)整透鏡、有可變折射能力的透鏡或可控制光束焦點(diǎn)的z位置的可變形鏡。在某些實施方案中，光束擴(kuò)展器24包括由兩個或兩個以上透鏡組成的透鏡組合件，其中光束擴(kuò)展器24的透鏡中的一個被安置成縱向可調(diào)整或具有可變折射能力。在其它實施方案中，掃描器26包括縱向掃描構(gòu)件，舉例來說，諸如可變形鏡。
[0025]—個或多個光學(xué)鏡28朝向聚焦物鏡30引導(dǎo)激光光束38。例如，光學(xué)鏡28可以為不可移動偏離鏡或可移動偏離鏡。作為替代，可使激光光束38折射和/或衍射的光學(xué)元件可以被提供代替光學(xué)鏡28。
[0026]聚焦物鏡30使激光光束38聚焦到眼12的靶區(qū)域上。聚焦物鏡30可以可分離地耦接到患者適配器16。聚焦物鏡30可以為任何合適光學(xué)裝置，諸如F-Θ物鏡。在某些實施方案中，聚焦物鏡30為由多個折射型透鏡組成的多透鏡裝置。
[0027]患者適配器16與眼12的眼角膜連接。套管34耦接到聚焦物鏡30且保持接觸元件32。接觸元件32對激光光束透明或半透明并且具有與眼角膜連接且可以與眼角膜的一部分齊平的鄰接面40。在某些實施方案中，鄰接面40是平面的且在眼角膜上形成平面區(qū)域。鄰接面40可以在x-y平面上，使得平面區(qū)域也在x-y平面上。在其它實施方案中，鄰接面40無需是平面的，例如可以是凸形或凹形的。
[0028]控制計算機(jī)18根據(jù)控制程序36控制激光裝置14的可控制組件，舉例來說，諸如激光源22、光束擴(kuò)展器24、色散補(bǔ)償裝置25、掃描器26和視需要光學(xué)鏡28中的至少一個?？刂瞥绦?6含有指示可