借助激光辐射进行材料处理的装置和方法 本申请是申请日为 2006 年 10 月 4 日、 申请号为 200680038169.X( 国际申请号为 PCT/EP2006/009600)、 发明名称为 “借助激光辐射进行材料处理的装置和方法” 的发明专利 申请的分案申请。
技术领域 本发明涉及借助激光辐射进行材料处理的装置， 所述装置具有 ： 激光辐射源， 该激 光辐射源发射用于与材料相互作用的脉冲激光辐射 ； 光学装置， 该光学装置将脉冲处理激 光辐射聚焦到材料中相互作用中心 ； 扫描单元， 该扫描单元在材料内调节相互作用中心的 位置， 其中每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相互作用， 使 得材料在相互作用区中分离 ； 和控制单元， 该控制单元控制扫描单元和激光辐射源， 使得在 材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面。
本发明还涉及借助激光辐射进行材料处理的方法， 其中产生脉冲激光辐射， 为了 相互作用而聚焦到材料中相互作用中心上， 并且在材料中调节相互作用中心的位置， 其中， 每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相互作用， 使材料在相互 作用区中分离， 并且在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面。
本发明还涉及借助激光辐射进行材料处理的装置， 所述装置具有 ： 激光辐射源， 该 激光辐射源发射用于与材料相互作用的脉冲激光辐射 ； 光学装置， 该光学装置将脉冲处理 激光辐射沿光轴聚焦到材料中相互作用中心 ； 扫描单元， 该扫描单元在材料内调节相互作 用中心的位置， 其中， 每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料相 互作用， 使得材料在相互作用区中分离 ； 和控制单元， 该控制单元控制扫描单元和激光辐射 源， 使得在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面。
本发明还涉及借助激光辐射进行材料处理的方法， 其中产生脉冲激光辐射， 并为 了相互作用将该脉冲激光辐射沿光轴聚焦到材料中相互作用中心上， 并且在材料中调节相 互作用中心的位置， 其中每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用中心的区中与材料 相互作用， 并且材料在相互作用区中分离， 并且在材料中通过相互作用区的连续布置产生 切割面。
背景技术 这些装置以及对应的材料处理方法尤其适于在透明材料内产生弯曲的切割面。 例 如以激光手术方法、 并且尤其地在眼科手术中产生弯曲的切割面。 在这种情况下， 治疗激光 辐射聚焦到组织中， 即在组织的表面下方聚焦到相互作用中心。由此在周围的相互作用区 中分离材料层。该区通常对应于焦点斑。通常如此选择激光脉冲能量， 使得在相互作用区 中在组织内产生光学穿透。
在组织中， 由激光辐射脉冲启动的多个过程在时序上在多个光学穿透之后发生。 首先， 光学穿透在材料中产生等离子泡。 一旦这样的等离子泡形成， 则其由于扩展的气体而 成长。接下来， 在等离子泡中产生的气体由周围的材料吸收并且泡再次消失。但是， 该过程
花费比形成泡本身长非常多的时间。 如果在甚至可能位于材料结构内的材料界面处产生等 离子， 则实现从所述界面的材料去除。然后这称为光蚀除作用。结合先前分离连接的材料 层的等离子泡， 人们通常讲到光致破裂作用。 为简化起见， 所有这样的过程在此总结为术语 “相互作用” ， 即该术语不仅包括光学穿透， 而且包括任何其它的材料分离效应。
对于高精度的激光手术方法， 不可缺少的是确保激光束效应的高度定位并且如 果可能的话， 避免对相邻组织的间接损伤。因此， 在现有技术中通常是以脉冲形式应用激 光辐射， 使得仅在单个的脉冲中超过启动光学穿透所需的能量密度的阈值。在这方面， US 5,984,916 清楚地示出只要脉冲持续时间超过 2ps， 则相互作用区的空间范围仅取决于脉 冲持续时间。对于不多的 100fs 的值， 相互作用区的尺寸几乎独立于脉冲持续时间。因此， 与非常短的脉冲、 即低于 1ps 的脉冲结合的激光束的高度聚焦允许相互作用区在高度精确 性的情况下插入材料。
近年来这样的脉冲激光辐射的使用已建立， 尤其用于眼科学中视觉缺陷的激光手 术矫正。 眼睛的视觉缺陷常常是由于角膜和晶状体的屈光特性不会在视网膜上形成最优聚 焦。这种类型的脉冲也是在此描述的本发明的主题。
前述 US 5,984,916 描述了通过合适地产生光学穿透来产生切割的方法， 从而最 终对角膜的屈光特性施加选择性的影响。连续布置多重光学穿透， 使得切割面在眼睛的角 膜内隔离透镜状的部分体积。 然后经由侧向开放切割从角膜去除与剩余的角膜组织分开的 透镜状部分体积。 选择部分体积的形状， 使得在去除时， 角膜的形状改变并因此的屈光特性 改变以便产生视觉缺陷期望的矫正。在此所需的切割面是弯曲的并且围绕部分体积， 这需 要焦点的三维调节。 因此， 激光辐射的二维偏转同时与焦点沿第三空间方向的调节相结合。 这在此通过术语 “扫描” 、 “调节” 或 “偏转” 总结。
当在材料中通过光学穿透的连续布置构成切割面时， 比直到由此产生的等离 子由组织再次吸收为止快许多倍的速度产生光学穿透。从 A.Heisterkamp 等人， 在 Der Ophthalmologe， 2001， 98 ： 623-628 中的公开物中已知 ： 在已产生光学穿透之后， 等离子泡 在眼睛角膜中形成在产生光学穿透的焦点处， 该等离子泡能够与相邻的泡一起成长以形成 宏观泡。 公开物解释径直地成长的等离子泡的结合降低切割的质量。 因此， 所述公开物提出 其中不产生彼此直接相邻的单个的等离子泡。相反， 在连续产生的光学穿透之间以螺旋形 轮廓留有间隙， 该间隙在第二次通过螺旋时被填充以光学穿透和由此得到的等离子泡。这 用于防止相邻等离子泡在成长中的结合并改善切割的质量。
为了实现良好的切割质量， 因此现有技术使用以其产生光学穿透的特定的顺序。 这用于防止成长的等离子泡的结合。当然由于需要切割， 其中尽可能少的桥状物连接材料 或组织， 所以最终， 所产生的等离子泡在任何情况下都必须成长到一起以形成切割面。否 则， 材料连接将保留并且切割不完全。 发明内容 因此， 本发明的任务在于不需要确定激光脉冲引入的顺序地在材料中产生良好质 量的切割。
根据本发明， 该任务在第一变体中通过首先提及的根据本发明类属的装置来实 现， 其中控制单元控制激光辐射源和扫描单元， 使得相邻的相互作用中心以彼此位置间隔
a ≤ 10μm 地定位。在第一变体中， 该任务还通过首先提及的类属的方法实现， 其中相邻的 相互作用中心以位置间隔 a ≤ 10μm 地定位。
在本发明的第二变体中， 该任务通过首先提及的类属的装置实现， 其中对于每个 2 相互作用中心， 脉冲能流 F 低于 5J/cm 。在第二变体中， 该任务还同样通过首先提及的类属 的方法实现， 其中相互作用区被施加以脉冲， 所述脉冲的能流 F 各自低于 5J/cm2。
在本发明的第三变体中， 该任务通过第二提及的类属的装置实现， 其中控制单元 控制激光辐射源和扫描单元， 使得切割面具有两个沿光轴相邻的部分， 并且所述部分至少 部分地在时间间隔 t ≤ 5s 内由激光脉冲照射。在第三变体中， 该任务还通过第二提及的类 属的方法实现， 其中切割面具有两个沿光轴相邻的部分， 所述部分至少部分地在时间间隔 t ≤ 5s 内被施加以激光脉冲。
本发明从以下认知出发， 即： 材料中相互作用区彼此影响。因此， 激光束脉冲的效 应取决于在多大范围内、 在相互作用中心附近已出现先前的激光作用。 通过这种情形， 发明 人推断产生光学穿透或形成光学穿透所需的脉冲能量取决于到最接近的相互作用中心的 间隔。根据本发明的所有的变体均利用该认知。
根据变体 1， 相互作用中心之间的间隔， 例如相邻光学穿透的焦点位置之间的间隔 的， 根据发明的最小化使得减少处理脉冲能量成为可能。 描述脉冲能量的参数是能流、 即每 单位面积的能量或能量面密度。因此， 具有小于 10μm 的间隔的、 根据本发明的变体 1 提出 可归因于发明人的首次发现的方面。 另一方面在于 ： 现在明显减少处理激光脉冲的能流。因此， 变体 2 涉及与变体 1 相 同的方面， 但其未规定间隔的上限， 而是规定了能流的上限。
因此， 本发明所有的变体提供通过引入脉冲激光辐射产生切割的框架条件， 其中， 所述框架条件考虑直接相邻引入的脉冲的效应。关于脉冲长度， 在此应用 US 5,984,916 的 解释， 即使用低于 1ps、 优选地几个 100fs、 例如 300-500fs 的脉冲。尽管本发明限定了间隔 的上限， 但这指的是空间最靠近的相互作用中心的间隔。由于通常通过多重连续布置的相 互作用中心产生切割面， 所以为简化起见， 该间隔可理解成在材料中单个激光脉冲的激光 焦点间隔的平均值。如果沿切割面基本上为二维的出自相互作用中心的栅格不对称， 则该 间隔也能够是特征平均间隔。 在现有技术中已知使用激光辐射源并改进由此给出的激光辐 射源， 使得它们不会在材料中引起处理效应。于是仅仅部分激光辐射脉冲将用于处理。对 于本说明书使用的术语 “激光辐射脉冲” 、 “激光脉冲” 或 “脉冲” ， 这总是意味着处理激光脉 冲， 即设置用于或形成用于或适合于与材料相互作用的激光辐射脉冲。
通过本发明降低器械的开支， 因为减少脉冲尖峰性能。由于相互作用中心减小的 间隔， 所以如果处理持续时间保持恒定则增加脉冲序列频率。 此外， 在光学穿透的情况下产 生的等离子泡越小， 则切割越精细。 但是， 现有技术总是以较大的相互作用中心的间隔来工 作， 并且相应高地选择脉冲的能流， 以便可靠地获得光学穿透和对应地适于该间隔的大等 离子泡。
同时， 较小的能流也在材料处理期间减小人员危险。这在眼外科手术方法中尤其 重要。证实了尤其有利的是现在能够以 1M 危险级的激光来工作， 然而在现有技术中需要激 光等级 3。该等级需要操作人员、 例如医生或护士穿戴保护镜， 这自然使患者感觉不安。现 在根据本发明可能在 1M 等级的激光的情况下， 不再需要这样的保护措施。
因此， 根据本发明还为借助激光辐射进行材料处理提供改进的或独立的装置， 所 述装置具有 ： 发射激光辐射源， 该激光辐射源发射用于与材料相互作用的脉冲激光辐射 ； 光学装置， 该光学装置将脉冲激光辐射聚焦到材料中相互作用中心 ； 扫描单元， 该扫描单元 在材料内调节相互作用中心的位置， 其中， 每个处理激光脉冲在围绕分配给它的相互作用 中心的区中与材料相互作用， 使得材料在相互作用区中分离 ； 以及具有控制单元， 该控制单 元控制扫描单元和激光辐射源， 使得在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面， 其 中， 采用危险等级低于 3 的激光、 优选地危险等级为 1M 的激光。 危险等级的指示涉及国际标 准 IEC 60825-1 在其 2005 年 10 月 13 日生效的版本中。 类似地， ( 作为独立的或作为改进 ) 提供借助激光辐射进行材料处理的装置， 所述装置具有 ： 激光辐射源， 该激光辐射源发射用 于与材料相互作用的脉冲激光辐射 ； 光学装置， 该光学装置沿光轴将脉冲激光辐射聚焦到 材料中相互作用中心 ； 扫描单元， 该扫描单元在材料内调节相互作用中心的位置， 其中， 每 个激光脉冲在围绕分配给所述激光脉冲的相互作用中心的区中与材料相互作用， 并且材料 在相互作用区中分离 ； 所述装置还具有控制单元， 该控制单元控制扫描单元和激光辐射源， 使得在材料中通过相互作用区的连续布置产生切割面， 其中使用危险等级低于 3 的激光、 优选地危险等级为 1M 的激光。 这作为改进也分别可用于前述每个装置或前述每个方法。 除 非另有说明， 这应适用于每个所描述的有利的设计、 改进或实施。
由发明人进行的研究表明， 光学穿透仅在超过特定的阈值 M 时产生， 该阈值 M 根据 2 2 2 等式 M ＝ 3.3J/cm -(2.4J/cm )/(1+(a/r) ) 而依赖于相邻的相互作用中心的间隔 a。仅在 高于阈值 M 的脉冲能流时通过各个单个的激光脉冲确保光学穿透。出现在所述等式中的参 数 r 在此表示相邻的相互作用区的影响的、 实验得知的平均作用范围。取决于应用， 在此可 存在波动， 使得值可能有 3 至 10μm 之间的变化， 优选地 r ＝ 5μm。
在本发明的改进中， 对于本发明的变体 2 所提及的脉冲能流的上限同样基于阈值 关于相邻的相互作用中心的间隔的前述关系。因此， 改进优选地在于能流超过阈值 M 不多 2 于 3J/cm 的过多能量。由此限定的范围提供特别好的切割质量， 而与此同时确保光学穿透 的引发。 如果过多的能量进一步增加， 则将产生不必要地大的等离子泡， 并且切割的质量将 恶化。
但是， 现在产生切割不再严苛地需要以光学穿透来工作。发明人已发现如果相互 作用区重叠， 即使在脉冲激光辐射的能量低于用于引发光学穿透的阈值的情况下， 也能够 分离材料， 进而能够形成切割面。因此， 提供改进， 其中两个彼此跟随的脉冲的相互作用中 心的位置间隔 a 小于焦点的尺寸 d， 使得彼此跟随地被施加以激光辐射的材料体积、 即相互 作用区， 相互重叠。通过该实施， 在不形成等离子泡的情况下导致材料分离， 这将产生特别 平滑的切割。
有利地， 于是激光脉冲的能流也能够减小到低于已说明的阈值， 因为由于相互作 用区的重叠所以整体仍然实现组织分离效应。于是单个激光脉冲不再可靠地产生光学穿 透； 只有当相互作用区重叠时才形成组织的分离。这使得脉冲能量比现有技术状态的脉冲 能量低几个数量级 ； 同时又提高切割的质量， 因为时间上彼此跟随地产生的相互作用区重 2 叠。因此， 当考虑 1/e 直径 (e ＝欧拉常数 ) 时， 相互作用中心的间隔从零变化到焦点的直 径， 所述焦点直径例如在 1 与 5μm 之间。
根据本发明的切割产生非常精细的切割， 因为分别由于减小的间隔或减小的脉冲能量， 以、 或者能够以对应小等离子泡来工作， 或者甚至在没有、 或者能够在没有等离子泡 的情况下工作。 但是， 精细的切割面也可能是不利的， 例如如果操作者必须至少部分视觉识 别切割面时。这是例如在根据飞秒准分子激光原位角膜磨镶术 (fs-LASIK-Verfahren) 的 激光手术中的情形。在此通过激光辐射的作用隔离的部分体积首先通常由外科医生利用 抹刀从到周围的材料的任何残余桥状物中释放出来， 该部分体积通过侧向切割从组织中去 除。 为此目的， 外科医生将抹刀推入由侧向开放切割形成的凹口中， 并且通过抹刀抽出该部 分体积。 在非常精细的、 即平滑的切割面的情况下， 可能出现外科医生不再能够从外部看到 材料中切割面的分布。 因此， 他不能知道部分体积的周边处于哪里， 并且将不能可靠地引导 抹刀。为了解决这些问题， 提供开头所述类型的方法， 其中切割面分成至少两个部分表面， 并且一个部分表面通过产生较粗糙的、 从而较不平滑的切割面的操作参数形成。在上述类 属的装置中， 控制单元进行激光源和扫描单元的对应的控制。 优选地， 所述较粗糙的切割面 将设置在周边处， 这由此对于用户容易识别， 并且这例如在眼科手术中对于切割面的质量 而言并不重要。 因此， 两个部分表面至少在影响切割面的精细度的一个参数上彼此不同。 例 如， 可能的参数是所使用的激光脉冲的能流或相互作用中心的位置间隔。
将可原则上以不同的方式实现并且不局限于在此描述的本发明的方法与本发明 的前述变体结合， 便利的是， 控制单元控制激光辐射源和扫描单元， 使得切割面至少由第一 和第二部分切割面构成， 其中， 该第一部分切割面通过根据前述发明的概念的、 激光辐射源 和扫描装置的控制来产生， 而第二部分切割面通过控制激光辐射源形成， 其实施大于 3J/ 2 2 cm ， 优选地大于 5J/cm 的脉冲能流。在此当然也能够设置 a ＞ 10μm， 因为大的等离子泡。 于是后一部分表面自动具有期望的较粗糙的结构并且便于切割面由操作者或外科医生的 识别。类似的方法相应地设计， 以本发明的方法之一、 以大于 3J/cm2 的脉冲能流、 优选地大 2 于 5J/cm 的脉冲能流来产生第二部分切割面。
便利地， 较粗糙的部分表面选择成使得其围绕较精细的部分表面， 以便外科医生 能够很好地识别切割面的周边， 并且不会有害地影响 ( 在眼科手术的情况下 ) 所治疗的眼 睛处的光学成像。
本发明所基于的发现还表明 ： 可靠地实现光学穿透所需的阈值随相互作用中心的 间隔减小而减小。
由发明人进行的分析还表明 ： 由于激光脉冲分别与材料或组织的相互作用所形成 的等离子泡能够随时间变化， 正如由 Heisterkamp 等人公开的那样。但是， 该公开物集中 在防止相互作用中心靠近刚刚成长的等离子泡， 而本发明的变体 3 的目的是使宏观泡的变 形不会影响切割的质量。如果光学穿透在变形的材料或组织中位于特定的位置， 则一旦通 过放松所述变形回复， 则材料或组织内的相互作用中心的位置移动。 因此， 在第三变体中设 想： 在材料或组织的彼此潜在影响的两个区域中保持激光能量应用之间的时间如此的小， 以致该时间小于用于形成宏观泡的特征时间。其大约为 5s。当然， 只有存在两个沿光轴彼 此相邻的切割面的部分时才需要该方法， 因为只有在此时通过产生切割面部分所引起的变 形对沿光轴邻近该切割面部分的其它切割面的形成有影响。
该设想在飞秒准分子激光原位角膜磨镶术 (fs-LASIK-Verfahren) 期间对产生部 分体积尤其重要。所述也称为扁豆体 (Lentikel) 的部分体积由切割面的后部和前部产生， 以便切割面总体上围绕该扁豆体。但是， 在用于形成宏观泡的特征时间内一起产生后部和前部可导致对扫描单元偏转速度相对高的要求或不可避免地导致特定的扫描路径。优选 地， 这能够通过将后部和前部分成部分表面和巧妙地选择这些部分表面的处理顺序来避 免。
在一个实施例中， 两个区域分成环形部分表面。 由于在扁豆体的情况下， 中心部分 表面比周边区域对光学质量具有强得多的影响， 所以首先产生与后部的中心部分表面相对 应的切割， 并接着产生与前部的中心部分表面相对应的切割， 以便彼此时间上相邻地形成 部分表面。然后， 切割后部的环形部分表面， 并接着切割前部的环形部分表面。该原理同样 能够在任意多的部分表面的情况下实现。 实际限制在于前部与后部之间的切换总是需要沿 光轴移动激光焦点， 这在扫描期间出于技术原因占用大部分的时间。
在该设想中， 需重点注意的是 ： 每个环形或圆形后部分表面的直径应稍大于接下 来产生的各个前部分表面的直径。 这确保接下来待产生的后部分切割不仅仅使用作散射中 心的、 位于前面的干扰泡不可能。后部分切割必须比与其相关的前部分切割大出的最小量 由聚焦光学器件的数值孔径给出。
使时间间隔低于特征时间的另一可能性在于 ： 以从外到内延伸的相互作用中心的 螺旋来产生后部和以从内到外延伸的螺旋来产生前部。这确保在 5s 的时间间隔内、 至少在 中心区域中形成沿光轴相邻的部分。当然， 该方法能够应用于已提及的部分表面划分。 因此优选的是控制单元控制激光辐射源以及扫描单元， 使得邻近光轴的部分至少 部分地直接在时间上彼此跟随地通过相互作用中心的连续布置来照射。
类似地考虑同样适用于根据本发明的方法的实施例。
附图说明 以下将参考附图示例性地更详细地说明本发明， 其中 ：
图 1 示出用于眼睛治疗的激光手术器械 ；
图 2 示出在图 1 的器械中激光辐射作用到眼睛的角膜上的示意图 ；
图 3 示出对如何通过图 1 的器械产生并隔离部分体积进行说明的示意图 ；
图 4 示出图 1 的器械的偏转装置 ；
图 5 示出对图 1 的器械的结构的方框图 ；
图 6 示出由图 1 的器械产生的光学穿透的中心的间隔与脉冲能量之间的关系， 其 中示出用于图 1 器械的可能操作范围 ；
图 7 示出与图 6 相类似的示意图 ；
图 8 示出用于更清楚地说明产生的等离子泡的位置或由此产生的切割面的示意 性平面图 ；
图 9 示出沿线 A1-A1 的图 8 示意图的剖视图 ；
图 10 示出当通过根据图 1 的器械产生切割面时， 多个相互作用区的布置的示意 图， 以及
图 11 和 12 示出与图 10 相类似的用于改进的操作模式的视图。
具体实施方式
图 1 示出用于患者眼睛 1 的治疗的激光手术器械， 其中， 所述激光手术器械 2 用于实施屈光矫正。为此， 器械 2 将治疗激光束 3 发射到其头部固定在头部保持器 4 中的患者 的眼睛 1 上。激光手术器械 2 能够产生脉冲激光束 3， 使得能够实施在 US5,984,916 中所描 述的方法。例如， 治疗激光束 3 由具有 10 至 50kHz 之间的脉冲重复频率的飞秒激光脉冲组 成。在实施例中， 器械 2 的结构部件组由一体化的控制单元控制。
如图 2 示意性所示， 激光手术器械 2 具有辐射源 S， 其辐射聚焦到眼睛 1 的角膜 5 中。利用激光手术器械 2， 通过从角膜 5 去除材料来矫正患者的眼睛 1 的视觉缺陷， 使得角 膜的屈光特性改变期望的程度。在此， 从位于上皮和前弹力膜 (Bowmanscher Membran) 下 方以及位于后弹力膜 (Decemetscher Membran) 和内皮上方的角膜基质去除所述材料。
通过利用可调节的透镜系统 6 将高能量脉冲激光束 3 在位于角膜 5 中的焦点 7 上 聚焦， 以在角膜中分离组织层， 来实现材料去除。在此， 脉冲激光辐射 3 中的每个脉冲在组 织中产生光学穿透， 这样的光学穿透又启动等离子泡 8。因此， 组织层分离覆盖比激光辐射 3 的焦点 7 大的区域， 即使仅在焦点 7 中达到用于实现穿透的条件。于是， 在治疗中通过激 光束 3 的合适偏转产生许多等离子泡 8。这在图 3 中示意性示出。然后等离子泡形成限定 基质的部分体积 T、 即要从角膜 5 去除的材料的切割面 9。该切割面 9 由脉冲聚焦的激光束 3 的焦点 7 的持续移位所形成的等离子泡 8 的连续布置来形成。 所以激光手术器械 2 通过激光辐射 3 像手术刀那样作用， 其在角膜 5 之内直接分 离材料层， 而不会损伤角膜 5 的表面。如果通过进一步产生等离子泡 8 将切割 16 引导直到 角膜的表面， 则由切割面 9 隔离的角膜 5 的材料能够被侧向沿箭头 17 的方向拔出并因此能 够被去除。
在此， 一方面在实施例中借助图 4 中示意性所示的偏转单元 10 实现焦点移位， 所 述偏转单元 10 使在光轴 H 上射入眼睛 1 的激光束 3 绕两根相互正交的轴线偏转。为此目 的， 偏转单元 10 使用线式镜 11 以及框式镜 12， 这形成两根彼此前后定位的空间偏转轴线。 于是光轴 H 与偏转轴线的交点是各自的偏转点。另一方面， 合适地调节透镜系统 6 用于焦 点移位。由此能够在图 4 示意性示出的 x/y/z 坐标系统中沿三根正交轴调节焦点 7。偏转 单元 10 在 x/y 平面中调节焦点， 其中， 线式镜允许沿 x 方向调节焦点， 并且框式镜允许沿 y 方向调节焦点。与此相反， 透镜系统 6 作用在焦点 7 的 z 坐标上。因此， 总体上实现焦点 7 的三维偏移。
由于角膜曲率， 其在 7 与 10mm 之间， 所以部分体积 T 也必须相应地弯曲。因此， 角 膜曲率要求弯曲的切割面。这通过合适地控制偏转单元 10 和透镜系统 6 来起作用。
图 5 示出用于人类眼睛 1 上的屈光手术的激光手术器械 2 的简化方框图。仅示出 了最重要的结构部件组 ： 用作辐射源 S 的飞秒激光器， 其由飞秒振荡器 V 以及一个或多个放 大级 13 组成， 并且其在此之后还布置有压缩机或预压机 14 ； 激光脉冲调制器 15， 其被施加 以来自激光器 S 的激光辐射 ； 偏转单元 10， 在此实现为扫描器 ； 物镜， 该物镜用于聚焦到待 治疗的组织， 所述物镜实现透镜系统 6 ； 以及控制单元 17。
激光器 S 产生具有在飞秒范围内的持续时间的激光脉冲。首先， 激光脉冲到达激 光脉冲调制器 15 内， 其 ( 以仍待描述的方式 ) 按照来自控制单元 17 的控制信号影响激光脉 冲。接下来， 至少治疗激光脉冲到达扫描器 10 并通过物镜 6 进入患者眼睛 1 内。在那里， 激光脉冲聚焦并在焦点 7 中产生光学穿透。调制器设定激光脉冲的能量， 即设定单个激光 脉冲的能流。声光调制器 (AOM) 或电光调制器 (EOM)、 泡克耳斯盒 (Pockelszelle)、 液晶元
件 (LC 元件 )、 纤维光学开关元件或可变衰减器， 例如灰色滤波片 (Graufilter)， 可被用作 调制器。
于是激光手术器械 1 能够以不同的操作方式工作， 所述操作方式分别可单独或以 组合的形式实现， 并且涉及每个激光脉冲的能量或能流 F 或者位置间隔， 以所述位置间隔 连续布置激光脉冲以便产生切割面 9。
图 6 中将阈值 M 示出为曲线， 该曲线再现为间隔 a 与每个激光脉冲的能流 F 之间 的关系， 单个激光脉冲的相互作用中心以所述间隔 a 连续布置在眼睛角膜 5 内。仅在能流 超过阈值时， 产生具有紧随的等离子泡的光学穿透。
在曲线上画出的圆圈来自试验测量并表示测量点。以 300 飞秒的脉冲持续时间和 焦点 7 的 3μm 的斑直径来进行测量。
器械 1 可在根据图 6 的操作范围 18 中操作， 所述操作范围 18 可由各种边界条件 限定。不同的限定条件对应于本发明不同的变体。所有的变体都利用能流 F 的阈值 M 的分 布作为间隔 a 的函数。 该相关性由以下公式近似地给出 ： M ＝ 3.3J/cm2-(2.4J/cm2)/(1+(a/ r)2)， 其中 r 是表示能流平均作用范围的参数， 并位于 3 与 10μm 之间、 优选地为 5μm。
在第一变体中， 器械 1 以激光焦点 7、 即相互作用中心的间隔 a 来工作， 该间隔 a 低 于最大值 amax ＝ 10μm。从该值起， 阈值 M 的曲线明显朝较小的间隔 a 下降， 使得能够以明 显减小的能流 F 来工作。
在第二变体中， 以能流 F 的上限 Fmax 来工作。所述值在此为 5J/cm2。
在第一和第二变体的组合中， 既满足 a ≤ amax 也满足 F ≤ Fmax。相互作用中心的 间隔以及激光脉冲的能流都位于由仍待说明的部分范围 18.1 和 18.2 构成的范围内。由于 在两个变体本身以及这两个变体的组合中的激光手术器械 1 分别在材料、 例如角膜 5 中产 生光学穿透， 所以当然能流 F 一直高于阈值 M， 因为每个激光脉冲只有超过所述阈值才可靠 地产生光学穿透 8。
第三变体修改第二变体， 使得每个激光脉冲的能流 F 仅超过阈值 M 至多位于 3 与 2 3.5J/cm 之间的过多能量。于是保持能流 F 在图 6 的虚线以下， 该虚线将范围 18.1 与 18.2 彼此分开。 当然， 第三变体也能够与第一变体组合， 以便能流 F 与间隔 a 位于阴影范围 18.2 中。
在另外的实施例中， 激光手术器械 1 以激光脉冲来工作， 所述激光脉冲不是每个 都可靠地产生光学穿透 8。尽管如此， 但为了实现材料分离， 相互作用中心以小于激光焦点 的直径 d、 即小于相互作用区的尺寸的间隔 a 来连续布置。该工作方式在图 10 至 12 中更详 细地示出。
图 10 以一维示例示出与 ( 理论 ) 焦点的位置相对应的相互作用中心 Z 的布置。 每个相互作用由激光脉冲产生， 其中， 焦点 7 例如受衍射限制， 并且具有例如图 7 中所假定 的 3μm 直径。于是相互作用中心、 即聚焦的激光辐射的中心这样移位， 使得相邻地覆盖的 相互作用区 20、 21、 23 和 24 分别与它们直接的邻居重叠。因此， 存在分别由两个相互作用 区覆盖的重叠区域 25、 26 和 27。传入相互作用区中的能量低于阈值 M， 使得相互作用区 20 至 24 中的每个区本身不会可靠地引起光学穿透。但是， 由于所述重叠， 所以仍然实现材料 分离效果。 因此， 对于该工作方式重要的是， 相互作用中心坐标之间的间隔小于相互作用区 的分布范围 d。图 10 清楚地示出单个的坐标 X1、 X2、 X3 和 X4 之间的间隔大致对应于相互作用区 20 至 24 的直径的一半， 这导致单重重叠。
图 11 示出相互作用区更紧凑的分度， 使得导致相互作用区的四重重叠。这允许能 流 F 的进一步减小。
图 12 说明， 为了简化起见， 图 10 和 11 的表示仅仅是一维地、 即只考虑 x 坐标地示 出。沿 x 方向彼此重叠的相互作用区沿 y 方向的移位实现进一步的重叠， 使得取决于间距 地， 尽管沿 x 方向实际上只有单重重叠， 但沿 y 方向实现相互作用区的三重或五重重叠。在 该情况下， 沿 x 方向或沿 y 方向的间隔选择分别允许任意的重叠因子 (2、 3、 4、 5、 6、 7… )。
结果， 器械 1 在操作范围 19 中工作， 其特征在于， 两个彼此跟随的相互作用中心之 间的间隔小于相互作用区的分布范围或小于焦点斑尺寸， 并且能流 F 低于产生光学穿透所 需的阈值 M。
实际上， 大约 3 至 5μm 的激光焦点或相互作用中心的间隔被证实非常适于以尽可 能少的脉冲能量和有限的时间开支来产生高质量的切割。
在产生非常精细的切割的激光手术器械 1 中， 例如如果上述低能流值用于激光脉 冲， 则切割不会直接在产生之后立即可见， 因为出现的等离子泡或气泡， 其比在范围 18 之 外操作的情况下出现的那些更小且寿命更短， 或者因为 ( 在范围 19 中操作的情况下 ) 根本 没有泡形成。这可能使得更加难于例如通过抹刀来制备隔离的切割。在许多应用中使用的 手动过程 ( 在所述过程中， 借助抹刀或其它工具来刺穿在切割面中尚未完全分开的残桥 ) 可能在平滑的切割的情况下变得非常困难。 为了避免这种情形， 激光手术器械 1 的控制装置 17 例如进行图 8 和 9 所示的切割 划分。 切割面分成具有不同精细程度的部分切割面。 这些部分切割面以不同的平滑度切割， 使得区域形成， 其中切割面具有比其它区域更好的光学可见度。
图 8 示出患者眼睛 1 的角膜 5 的平面图， 而图 9 示出沿图 8 的线 A1-A1 的剖视图。 如所能看到的， 切割面 9 这样设置， 使它隔离部分体积 T， 如已在图 3 中示意性标识的那样。 于是切割面 9 由前部 F 和后部 L 组成。前部 F 经由导向角膜表面的、 侧向开放的切割 16 引 导向周边开口 S。因此， 透镜状部分体积 T 在实施具有部分 F、 L、 16 和 S 的切割面 9 之后， 位于由周边开口 S 形成的凹口中。
为了外科医生能够通过抹刀或其它手术器械感觉该凹口以便切实分开角膜 5 的 透镜状部分体积 T 与其余部分之间的可能的组织桥状物， 前部 F 以及后部 L 分别分成两个 部分区域。大致圆形的核心区域 F1 或 L1 分别由环形周边区域 F2 或 L2 围绕。在靠近光学 视轴的核心区域中， 以小尺寸的等离子泡、 即以精细的切割引导来工作。 这可例如分别通过 图 6 和 7 的范围 18 或 19 中的操作来实现。与此相反， 在 ( 环形 ) 周边区域 L2 和 F2 中， 例 如通过故意地在范围 18 或 19 以外的操作来产生比较粗糙的切割， 以便形成相对大的等离 子泡。因此， 在这些周边区域中， 切割面粗糙得多并且较容易被外科医生识别。
中心区域 F1 和 L1 的直径优选地大于被治疗的眼睛的瞳孔直径 P。 因此， 采用较粗 糙切割引导来处理的周边区域 F2 和 L1 位于用于光学感知的角膜 5 的区域以外并相应地不 干扰地起作用。分开部分 L 和 F 的目的在于 ： 通过不同的处理， 同时实现最高切割精度方面 以及由于在周边区域中切割的可见性所引起的良好的可操作性方面。
如果以等离子泡用于材料分离， 则激光脉冲的能量高于阈值 M。如以提及的， 在组 织中由激光能量的吸收所产生的泡的形态随时间改变。 在单个的泡形成的第一阶段之后是
多个单个的泡结合形成较大的宏观泡的泡聚集阶段。 最终， 最后阶段以消散闻名， 在该阶段 中宏观泡的气体内容物被周围的的组织吸收， 直到泡再次最终完全消失为止。 现在， 宏观泡 具有使周围的组织变形的干扰特性。 如果其它相互作用中心在变形的组织中设置到某一位 置作为等离子泡的起源， 则相互作用中心的位置将改变并且实现的组织分离的位置也将改 变， 从而同时消散阶段开始， 其中泡消失并且变形的组织 ( 至少部分地 ) 放松。由于宏观泡 仅在特征时间之后形成并且在引入激光脉冲能量之后没有马上出现， 所以对于激光手术器 械 1 的一个变体设想 ： 在组织的潜在彼此影响的两个区域中应用激光能量之间的时间保持 足够地短， 使得它比形成宏观泡所需的特征时间短。
在透镜状部分体积 T 的隔离期间， 切割面 9 的彼此干扰影响的前部和后部的区域 位于光学视轴的区域中。 如果在先前处理的后部 L 已具有宏观泡的时间点上， 才在切割面 9 的前部 F 中产生切割， 则前部 F 的切割面位于变形的组织内。结果是放松之后切割面 9 在 前部 F 中不希望有的波动。因此， 激光手术器械 1 在比形成宏观泡所消耗的特征时间短的 时间间隔内、 在前部 F 和后部 L 中产生切割面。这样的时间典型地大约为 5s。
实现这种情形的一种可能性在于将前部和后部分成对应的部分表面， 并在切割面 的形成期间， 在后部与前部的部分表面之间交替， 以便至少在中心区域中， 在产生部分表面 时， 不会在后地和在前地超过所述特征时间。另一可能性在于相互作用中心合适的连续布 置。因此， 例如能够首先以从外到内朝光学视轴引导的螺旋线切割后部 L， 并且紧接着能够 以从视轴向外延伸的螺旋线切割前部 F。 于是至少在围绕视轴的核心区域中， 产生的相互作 用位于通过特征时间所给出的时间窗内， 以便在前部的处理期间不存在宏观泡影响。 在激光手术器械 1 在控制装置 17 的控制下划分部分表面的期间考虑 ： 待处理的后 区域不受已处理的、 用作散射中心的前区域或相互作用区的干扰。
描述的切割形状、 表面划分等通过激光手术器械在控制装置 17 的控制下实现。控 制装置 17 通过在此描述的过程特征使激光手术器械 1 操作。
就以上已描述的激光手术器械的实施而言， 取决于激光手术器械 1 的具体实现， 它们能够单独实现也能够以组合的形式实现。除了在激光手术中使用， 器械 1 也能够用于 非手术的材料处理， 例如在产生波导或柔性材料的处理中使用。