【課題を解決するための手段】
【0010】
この目的は、独立クレームに示す方法と装置により達成される。その他の有利な構成は従属クレームに示される。
特に、前記目的は材料特に生体材料の精密加工のための装置によって達成される。この装置は、加工すべき材料内に、10μmよりも小さな直径のキャビテーション泡を生成する。これを実現するために、5μJよりも小さなパルスエネルギーのパルスレーザービームが数ミクロンの焦点直径に集束させられる。焦点直径は好ましくは約3μmであり、パルスエネルギーは好ましくは1μJである。また、この装置は、50 kHzよりも大きなパルス繰り返し数の使用により、非常に高速の加工が可能である、ということを特徴とする。これは、特に屈折に関する角膜手術に対して大きな利点となる。この場合、数秒〜約1分の手術時間が実現されるからである。
【0011】
また、この目的は、前記パラメータを有するパルスレーザーシステムを線源として備えた、材料特に生体材料の精密加工のための装置によって達成される。この場合、線源からの加工ビームを、ビーム偏向のための少なくとも一つの装置を有するビーム装置によって、材料に作用させることができる。パルス放出はビーム偏向と相関させられ、ビーム偏向のための装置はレーザーパルスをオンにする手段を有する。オンにするというのは、レーザー装置がレーザーパルスを発射できるようにし、レーザーパルスを、レーザー装置がその最大繰り返し数を有するレーザーパルスを送り出すことができるようになったらただちにふたたび発射させる、ということである。パルス放出をビーム偏向と相関させるというのは、特に、ビームが所定の点に向けられたときパルス放出を行うことができる、すなわちパルス放出がビーム偏向に応じて制御される、ということである。
【0012】
一つの特定実施形態において、前記目的は、線源としてパルスレーザーシステムを有する、材料特に生体材料の精密加工のための装置によって達成される。ビームエネルギーは約100 nJ〜10μJ好ましくは500 nJ〜5μJである。放射の繰り返し数は、好ましくは50 kHz〜1 MHz特に好ましくは100〜500 kHzである。ビームの焦点直径は好ましくは約500 nm〜10μm特に好ましくは3〜5μmである。放射のパルス持続時間は好ましくは約100 fs〜1 ps特に好ましくは200〜500 fsである。
【0013】
ビーム整形および/またはビーム偏向のための装置、またはより一般にビーム整形およびビーム偏向のシステムは、回折もしくは屈折微小光学装置または適応光学装置または通常の光学システムを有することができる。いくつかの通常の光学要素を回折または屈折要素で置き換えることができる。
【0014】
材料の精密加工のための前記装置は、好ましくは、眼科における眼の治療、特に眼の視力の欠陥の矯正のために使用される。この装置は、視力の欠陥の矯正のために、角膜に組織弁または微小レンズ(lenticle)を切るために使用することができる。微小レンズの切断のほかに、本発明の装置により、角膜内に屈折構造、たとえば横並びの平坦スポットまたは点の集合体(cloud)の形のものを作ることもできる。
【0015】
レーザーパルスは屈折構造を作るために直接作用させることもできる。たとえば、材料または液体を気化させることにより、眼の水晶体内に小さな泡を作ることができる。そのためには、たとえば、本発明の装置によって実施できるような非常に多くの割合に低エネルギーのレーザーパルス打ち込みが必要である。
【0016】
同様に可能なことは、本発明の装置により、組織たとえば眼の水晶体内に意図的な切れ目を作り、隣接組織部分の相対変位をより容易にすることによって、眼の柔軟性と弾性とを良くすることである。材料特に生体材料の精密加工のためのこの装置は、本発明のこの側面においては、老眼の治療のための装置として使用することができる。ビーム整形は、通常のやり方、または回折もしくは屈折微小光学装置または適応光学装置によって実施することができる。ビーム偏向は好ましくは走査システムによって実施される。
【0017】
適当なレーザービーム発生源は発振器-増幅器装置である。適当な増幅器は、特に再生増幅器、チャープパルス増幅器(CPA)、または多重通過(multipass)増幅器である。
モード連結(mode-coupled)発振器の構成においては、ディスクレーザー発振器、ファイバーレーザー発振器、およびロッドレーザー発振器が特に好ましい。増幅器の構成においては、ディスクレーザー増幅器、ファイバーレーザー増幅器、およびロッドレーザー増幅器が特に好ましい。
【0018】
レーザー媒質に対する励起源として特に好ましいのは、長寿命、信頼性、制御性、および割合に低い製造価格のため、半導体レーザーダイオードが特に好ましい。
前記レーザービーム発生源における好ましいレーザー媒質は、ドープした固体材料特に結晶およびガラスである。例としては、YAG、タングステン酸塩、サファイア、およびフッ化物ガラスがある。
【0019】
これらの基材には、好ましくはネオジム、エルビウム、チタン、クロム、リチウム、またはイッテルビウムをドープすることができる。これらの材料はすべて、スペクトル範囲600〜2000 nmの広帯域スペクトルのレーザー放射を特徴とし、したがって屈折に関する角膜手術に特に適当な800〜1200 nmのスペクトル範囲が含まれる。
【0020】
前記材料のレーザー放射の広いスペクトル帯域により、レーザーパルスの超短持続時間50 fs〜1 psが保証される。この場合、レーザー装置自身がこのパルス持続時間のパルスを放出する必要はなく、約300 fsの好ましいパルス持続時間を、加工すべき加工物内またはその表面において実現することができる。この目的のために、本発明の装置は、適当なやり方でレーザーパルスのスペクトル位相関数に作用させるための光学装置モジュールを有する。特に、この光学装置モジュールは、光学系の線形チャープに適合する大きさの線形プリチャープ(prechirp)を生成する。この光学装置モジュールは、最初からレーザービーム発生源に適当に統合することもできる。特に、このモジュールはCPAレーザービーム発生源のパルス圧縮器と結合することができ、または同一のものとすることができる。
【0021】
ミクロン精度で加工するのに好ましい材料としては、ミクロン領域の構造を有する材料、すなわち格子、コンタクトレンズ、プラスチック、眼内レンズ(IOL)、半導体ウェーハ、微小光学装置要素、その他がある。生体材料たとえば組織特に人の眼の組織が特に好ましい。
【0022】
パルスレーザーシステムは、fsパルスを生成させるためのレーザービーム発生源とこれに対応する光学装置、特にミラー、レンズ、その他とから成る装置である。
本発明による装置の一つの構成においては、ビーム偏向のための手段は走査モードで動作させられる。線源からの加工ビームは、一つの次元に沿って周期的に繰り返される経路上で偏向させることができ、したがってたとえば、いろいろな直径の円形経路またはらせん経路を生成させることができる。加工ビームの経路は、装置を回転させることにより、または他の手段たとえばミラー、レンズ、格子、その他によってビームをある経路上に保つことのできる装置により、生成させることができる。ビーム偏向のための手段は、所定の経路上を動くことができるように支持されたスキャナーたとえば機械的スキャナーを有することができる。本発明においては、偏向システムの自然な経路上で、たとえば回転偏向システムにおける円形経路またはらせん経路上で、レーザーを偏向させる高速偏向システムを使用する。個々の位置に接近し、所定位置に到達するとただちに該位置に対してレーザーパルスを発射し、その際偏向システムがふたたび停止するというのではなく、偏向システムの経路を、停止することなく通過し、パルスの放出が所定の時刻に開始される。この所定の放出は、焦点の経路移動速度によって与えられる所定の繰り返し数でなされる。
【0023】
焦点位置が所定の点に到達すると、レーザー装置がオンになり、したがってレーザーパルスが加工領域に送られる。その結果、加工体積の経路、短いパルス持続時間中に実質的に予定の経路に沿ってレーザー焦点によって加工される材料の場所が決定される。この予定の経路は、特に、均一かつ所定の距離、たとえばキャビテーション泡の直径の大きさの程度で、隣接加工体積が配置される、ということを特徴とする。一緒になって切断面を形成する追加経路は、偏向システムの自然な経路の小さな変更により、たとえば円形経路半径の小さな減少たとえば隣接加工体積間の距離に対応する量だけの減少により、描くことができる。たとえば、同心経路、らせん経路、その他を生成させることができる。偏向ミラーを使用する場合、この作業は、たとえば、傾斜を変える一方で、ミラーの回転を一定に保つことにより、実行できる。その目的は、加工体積またはレーザー焦点の均一格子によって必要切断面を覆うことである。偏向システムの自然経路は、レーザーシステムの大きな繰り返し数のおかげで、所定の時系列で非常に高速で通過できる。このとき、レーザーパルスの時系列を適当に選ぶことにより、レーザー打ち込みスポットによる必要な切断面被覆率を得ることができる。
【0024】
さらに、ビーム整形および/またはビーム制御および/またはビーム偏向および/またはビーム集束のためのビーム装置が、本発明のもう一つの実施形態によって与えられる。これらのビーム装置により、意図する用途で必要なだけの精度で材料が加工されるように、ビームを配向し、案内することができる。特に、約1μJという低パルスエネルギーのため、3μmの程度の大きさの焦点直径に集束される超短レーザーパルスにより、材料の隣接領域に対する熱的、音響的、または機械的負荷なしで、材料の結合を切断し、かつ/または材料に構造変化を生じさせて、小さく正確なキャビテーション泡を生成する。センチメートルスケールの巨視的切断および構造の場合、レーザー焦点は加工すべき材料の全体にわたって3次元的に走査される。それぞれの用途により、大きな加工速度と高い精度とを同時に実現するために、ビーム発生源、ビーム制御とビーム整形、スキャナー、走査アルゴリズム、および集束光学装置をどのように整合させるかが決定される。
【0025】
ビーム整形は、好ましくは、ビーム直径を拡大して、レーザーが対応する小さな焦点に集束することができるようにする望遠鏡(好ましくは、集光レンズと発散レンズとを有するガリレオ望遠鏡)によって実行する。好ましくは、望遠鏡の結像誤差を最小限に抑えるレンズ系を使用する。
【0026】
好ましくは、ビーム制御は、個々の下位要素において、ビームを調節できるミラーまたはミラー対によって行う。
ビーム偏向装置は、通常のスキャナー、または機械的レーザービーム偏向システムたとえば閉ループモードのガルバノミラーその他を有することができる。しかし、所定の経路(たとえば、円形経路)を通過し、それに応じて所定の位置でビーム発生源を作動させることによって作動する機械的スキャナーが好ましい。このようにして、大面積の切断面を割合にゆっくりしたスキャナー運動により十分な繰り返し数で加工することができる。
【0027】
ビーム集束装置は、材料表面または材料内のビームの焦点で材料の一体性を破壊する(光切断)のに使用される。これは一般に材料の局所気化を伴う。好ましくは、レーザーはこの目的のためにミクロン領域の直径に集束させられる。この直径は可視および近赤外領域の光の回折限界に近い。したがって好ましくは、集束光学装置は大きな開口数を有し、したがって短い焦点距離と大きな口径(拡大されたレーザービーム直径)を有する。レーザー発生源からやってくるビームは、好ましくは、材料または組織に集束する前に、直径が拡大される。したがって好ましくは、ビーム制御、ビーム偏向、およびビーム集束のためのシステムは、大ビーム直径用として設計する。
【0028】
レーザー発生源、ビーム偏向(スキャナー)、および集束光学装置は、光切断によって精密な高速切断が可能になるように、整合させられる。約100 nm〜数μmの集束直径を有するレーザースポットが、キャビテーション泡直径程度の大きさのスポット距離で材料内に配置される。
【0029】
特に好ましい実施形態においては、ビーム装置特に偏向装置はプログラム可能である。それぞれのビーム装置を互いに整合させて、対応するプログラムによって制御する能力により、ビーム装置のシステムとパルスレーザーシステムとを、材料とその材料に対して使用すべき切断要件とに合わせて正確に調節することができる。すなわち、パラメータの組が、加工すべき材料の透明度と屈折能力、および必要な切断形状と作業の持続時間に応じて、プログラムによってあらかじめ選択される。
【0030】
本発明の別の好ましい実施形態においては、加工すべき材料の位置決めおよび/または固定のために、保持装置が備えられる。これらの保持装置によって保証されるのは、本発明によってレーザーにより形成させることのできるミクロン精度の構造が、加工すべき材料特に人の眼の制御できない運動によって損なわれることがない、ということである。
【0031】
前記のような種類の固定および位置決め装置は、好ましくは最適調節のために加工物を移動および傾斜させるために多軸調節能力を有する、簡単な加工物のクランプ装置とすることができる。さらに、器官たとえば眼に対する医療用途のための固定装置は、その場合の生物学的要因に合わせなければならない。人の眼は、たとえば特別の取りつけ具と真空吸引リングとによって固定することができる。
【0032】
前記の大繰り返し数と前記の低パルスエネルギーおよび偏向装置とにより、光切断のためのレーザーの作用を精密に局在させることができる。そのようにして、材料構造を明確に定められた焦点体積内で破壊することができ、隣接する領域(μmよりも小さな距離しか離れていない)では、大体において材料には変化がない。したがって、材料の隣接領域の損傷なしで、高い加工精度(ミクロン精度)が得られる。加工されない領域に対する熱および機械的負荷は、他の切断法の場合に比してかなり小さい。
【0033】
本発明の装置のもう一つの好ましい実施形態においては、線源からの加工ビームを、ビーム装置特に偏向装置によって、あらかじめ定めることのできる時系列により、あらかじめ定めることのできる幾何的形状にしたがって、材料に作用させることができる。それぞれの要素間の相互作用により、切れ目と構造とを生成させることができる。一般に、所定のパルスパラメータ(パルスエネルギー、パルス持続時間、焦点)を有する一つのレーザーパルスが、材料構造が分解した一つのスポットを生成させるのに十分である。切断と構造生成とのためには、複数のこのようなスポットを、隣接配置しなければならない。隣接スポット間の距離は、作業の完了時に、キャビテ-ション泡の大きさの程度でなければならない。そのために、レーザー焦点を、材料の表面および内部の全体にわたって、走査移動させることができる。理想的には、レーザー焦点は3次元的な所定の幾何的経路をミクロン精度で追跡する。たとえば、隣接μmスポットから成る組織内の任意の面たとえば長方形の面上を、次々と順次に走査するように動かすことにより、加工すべき材料内に切れ目を生成させることができる。その結果、材料の完全性がこの面において精密に破壊され、したがって組織内に切れ目が形成される。また、スキャナーを円形経路内で円形運動させることにより、加工すべき材料にレーザー焦点を作用させる。たとえば、加工ビームをらせんパターンに沿って順次に案内することにより、材料に円筒面を切ることができる。また、光切断は好ましくは非常に小さな領域内で実施されるので、レーザービームを、焦点の外部にレーザービームが侵入することによる材料への損傷を与えることなく、組織に作用させることができる。このようにして、材料に、任意の幾何的経路したがって形状の切れ目を、光切断によって形成させることができる。
【0034】
屈折に関する角膜手術においては、本発明の装置によって、特殊な切断案内を実現することができる。通常の組織弁を作ることなく、あらかじめ本発明の装置によって角膜内に形成された微小レンズを、やはり本発明の装置によって形成される一つ以上の明確な横切れ目により、周縁から引き出すことができる。そのために、微小レンズを、あらかじめ本発明の装置によって一つ以上の部分に分割するのが有利でありうる。この分割は、分割後これらの部分が吸引/洗浄カニューレによって吸引されて引き出される場合には、特に有効である。
【0035】
本発明の好ましい実施形態においては、パルス加工ビームをビーム偏向装置によって材料に作用させることのできる装置が提供され、この作業においては、加工ビームのパルス繰り返し数を変えることができる。加工ビームを加工すべき材料に対してビーム制御すると同時に繰り返し数を変えるための装置を備えることにより、加工すべき材料に洗練されたやり方で均一なスポットパターンを生成させることができる。これは、ビームが、偏向装置によっていろいろな角度または速度で、加工すべき材料に作用させられる場合でも、そうである。特に著しい利点は、たとえば、偏向装置がビームを円形経路で加工すべき材料に作用させ、これらの円形経路が偏向装置特にたとえば偏向ミラーの特定の回転速度によって生成される場合に、実現される。回転速度が50 Hzの場合に、たとえば、レーザービームを、300 kHzの繰り返し数で直径1 cmの円形経路上を案内すると、60,000スポットが各回転においてそのときの円形経路に均一に分布するように配置される。これと同じ偏向装置回転速度で、ビームを、直径0.5 cmしかない円上を案内する場合、パルス加工ビームの繰り返し数を減少させることにより、大きな円形経路上でビームを案内する場合に生成される個別スポット間隔と同じ距離が、加工すべき材料に生じる。偏向装置がしたがう幾何的形状に応じて繰り返し数を変えることにより、事実上スポット間距離が一定の任意の幾何的パターンを、加工すべき材料に生成させることができる。たとえば、らせん上を、偏向装置の回転速度を一定として、繰り返し数が外から内へ連続的に減少するように進むことができる。これとは異なる任意の他の幾何的形状を生成させることもできる。材料に一定の個別スポット間隔を与える必要がなく、特定領域には高スポット密度、別の領域には低スポット密度を与える必要がある場合、これは、加工ビームの繰り返し数と偏向装置の速度または空間経路とに関して選択パラメータを組み合わせることによっても、実現できる。たとえば、やはり好ましいやり方においては、それぞれの領域で異なる焦点密度を有するように徐々に密度を変えることもできる。円の場合、たとえば、中心では非常に小さな焦点間距離を有し、へりに向って焦点間距離が次第に増大するようにすることができる。
【0036】
本発明の目的は、また、前記特徴を有するレーザービーム発生源からのfsパルスを、特に大繰り返し数と低パルスエネルギーとで、材料特に生体材料特にヒトの眼に作用させる方法によっても達成される。この場合、材料は、レーザービームの焦点における、光切断または完全性の破壊によって加工される。
【0037】
本発明の特に好ましい方法においては、パルスレーザービームが、偏向装置によって加工すべき材料に作用させられ、レーザービームのパルス繰り返し数が、材料にこのやり方で生成されるスポットパターンに応じて変えられる。このようにして、任意のスポットパターン、また特に任意の個別スポット間距離を、加工すべき材料に必要な形態で生成させることができる。特に好ましいやり方においては、スポットパターンが、光切断によって生じる各個別スポットのキャビテーション泡が次のスポットのキャビテーション泡にきっちり隣接配置されるように、加工すべき材料に分布させられる。このようにして、キャビテーション泡が密接した必要な切れ目パターンが生成される。ある種の用途においては、スポットをさらに近づけて配置することが望ましいこともある。この配置は、たとえば、加工すべき材料がある時間の経過後に再生されるが、材料の破壊がある時間にわたって保証され、たとえば、加工すべき材料から切断された穿孔芯その他の切断片が除去できる場合に、推奨される。また、最初はスポットを互いに離して配置し、後続のステップにおいて、スポット間のギャップを埋めて、キャビテーション泡の必要なパターンを生成させることも可能である。
【0038】
本発明の装置は、角膜または水晶体を加工することによる、屈折に関する手術のために使用することができる。