雷射治療設備的製作方法
2023-10-25 19:39:12
專利名稱：雷射治療設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用雷射的治療設備，具體涉及適用於治療近視和散光等的雷射治療設備，其中利用雷射照射角膜表面的部分切除術(PRKphotorefractive keratectomy)或角膜內部做切口的部分切除術(LASIKlaser intrastromal keratomileusis)，矯正角膜的曲率或凹凸。
背景技術：
近年來，雷射已用於各種應用中，例如，用於金屬的切割和加工，作為半導體製造系統中光刻術設備的光源，用於各種類型的測量裝置，以及用於外科，眼科和牙科領域中的治療設備和各種手術。最近以來，特別引人注目的是，利用雷射照射角膜表面的部分切除術(PRK)或角膜內部做切口的部分切除術(LASIK)，用於矯正角膜的曲率或凹凸，從而治療近視，遠視和散光，且這種治療已取得實效。利用ArF準分子雷射(波長193nm)照射角膜，完成角膜表面切除的設備是一種已知的角膜治療設備(例如，見Japanese Patent No.2809959，Japanese Patent Application Kokoku No.H7-121268和JapanesePatent Application Kokai No.H5-220189)。
利用ArF準分子雷射切除角膜表面技術的根據是，構成ArF雷射的波長為193nm的光子具有切斷諸如C-N，C-C，C-H和C＝C鍵的物質鍵的能量，因此，這種光能夠破壞構成蛋白質基本單元的肽。在這個技術中，利用雷射照射角膜表面，因此，肽被破壞和揮發，從而完成角膜表面的切除。
然而，在此情況下，為了保持角膜的透明性，需要進行精確的揮發而不出現熱固化層。為此目的，利用波長為193nm的ArF準分子雷射，其中主要發生物質鍵切斷形成的揮發，而不發生熱揮發。此外，藉助於較長波長(248nm)的KrF雷射或XeCl雷射(波長308nm)，也可以使角膜表面揮發。然而，在這些情況下，除了物質鍵切斷引起的揮發以外，熱揮發的發生率是很高的，因此，容易產生熱固化層。
此外，還出現以下的問題即，在利用雷射照射時，細胞內的DNA容易受到損傷，因此，容易誘發自發突變的危險。DNA的吸收譜在紫外區的短波長光處有較大的值；然而，有效的自發變異誘發性是由光傳輸通過細胞質併到達核以及光被核吸收的光量確定。自發變異的誘發性在波長為240至280nm的範圍內極強，在波長大於或小於這個範圍之外較弱。特別是在這個範圍的短波長處，細胞質的光吸收隨波長的減小而急劇地增大。所以，隨著波長變短，到達核的光量急劇地減小，因此，在光波長為193nm的情況下，到達核的光量幾乎為零。此外，還出現以下的問題即，波長短於193nm的光在傳播通過空氣時被吸收，因此，傳播效率是很低的。從這些事實可以判斷，波長為193nm的ArF準分子雷射最適用於角膜的治療，而不是利用KrF雷射或XeCl雷射。
然而，ArF準分子雷射振蕩設備是在空腔內封裝氬氣，氟氣和氖氣等氣體構成的，且必須密封這些氣體。此外，還必須進行填充和回收各種氣體，因此，該設備往往變得很大和很複雜。此外，為了在ArF準分子雷射振蕩設備中保持特定的雷射發生性能，需要進行定期檢修和替換內部氣體。
發明內容
設計本發明是考慮到這樣一些問題；本發明的目的是提供一種使用固態雷射器的雷射治療設備，該設備容易維護且有小型和重量輕的結構。
在本發明中，為了實現這個目的，雷射治療設備是由[a]雷射設備和[b]照射光學裝置構成，雷射設備包括[i]有固態雷射器的雷射發生裝置，用於產生特定波長的雷射；[ii]光放大器，用於放大這個雷射發生裝置產生的雷射；和[iii]波長轉換器，它利用非線性光學晶體，把光放大器放大的雷射轉換成波長約為193nm的治療雷射；而照射光學裝置用於引導這個雷射設備產生的治療雷射到治療部位，並利用這個治療雷射照射治療部位。此外，本發明的雷射治療設備適用於角膜的治療。
由於上述結構的雷射治療設備是利用有固態雷射器的雷射發生裝置構成，該設備的體積沒有增大，與氣體雷射器的情況相同，例如，準分子雷射器，因此，可以得到小型和重量輕的設備結構。此外，不需要像準分子雷射器設備那樣定期更換氣體；所以，本發明設備的特徵是，可以在一段很長的時間內保持規定的性能而無需檢修。所以，不需要太多的維護，且維護是容易的。此外，控制雷射發生裝置的運行是容易的，且控制雷射的照射位置和控制照射強度等也是容易的。
此外，由於產生的雷射波長約為193nm，該波長與ArF準分子雷射器的波長大致相等，利用這個雷射照射角膜表面使物質鍵的斷裂，角膜表面可以揮發。因此，可以有效地矯正角膜的曲率和角膜的凹凸。在此情況下，由於發生的熱揮發很小，因此，可以確保治療之后角膜的透明性。此外，由於使用的波長約為193nm，不會對細胞內的DNA產生損傷。
此外，在本發明的雷射治療設備中，最好是，固態雷射器是由DFB半導體雷射器，半導體雷射器或光纖雷射器構成，其振蕩波長是在1.51μm至1.59μm的範圍內，且該設備有這樣的結構，藉助于波長轉換器，把來自固態雷射器的上述波長雷射轉換成波長在189nm至199nm範圍內的8次諧波。所以，可以利用極高頻率的雷射照射治療部位，因此，可以利用這個雷射高效率地完成治療部位處物質鍵的斷裂，從而可以完成不發生熱揮發的治療。
在本發明的雷射治療設備中，最好是，提供一種治療部位觀察裝置，它可以觀察治療雷射對治療部位的照射狀況。所以，在觀察治療部位的同時，可以準確地完成雷射照射控制。
此外，最好是，提供一種用於控制照射光學裝置治療雷射的治療部位照射狀況的照射控制裝置。在此情況下，該設備可以有這樣的結構，照射光學裝置利用光斑形狀的治療雷射照射治療部位，而照射控制裝置可以有這樣的結構，這個照射控制裝置使光斑形狀雷射掃描治療部位。或者，該設備可以有這樣的結構，照射光學裝置利用治療雷射寬廣地照射治療部位的特定範圍，而照射控制裝置可以設置在治療部位與照射光學裝置之間，並有這樣的結構，這個照射控制裝置可變地調整治療雷射對治療部位的照射區域。此外，該設備可以有這樣的結構，照射光學裝置利用治療雷射寬廣地照射治療部位的特定範圍，而照射控制裝置可以設置在治療部位與照射光學裝置之間，並有這樣的結構，這個照射控制裝置可變地調整治療雷射對治療部位的照射強度。
在本發明中，可以提供一種用於測量治療部位形狀的形狀測量裝置，該設備可以有這樣的結構，基於形狀測量裝置測得的治療部位形狀，照射控制裝置完成治療雷射的照射控制。所以，根據病症的程度，可以準確地完成近視，遠視和散光的治療。
此外，在本發明中，可以在雷射設備內安裝強度調整裝置，強度調整裝置用於調整上述雷射設備產生的治療雷射強度。此外，還可以安裝雷射強度測量裝置和雷射強度校正裝置，雷射強度測量裝置用於測量雷射設備產生的治療雷射強度，而雷射強度校正裝置用於校正雷射強度測量裝置測得的治療雷射強度到特定的強度。所以，通過恆定地保持雷射強度在合適的值上，就可以確保準確的治療。
此外，最好是，利用脈衝光作為雷射設備產生的治療雷射，在此情況下，脈衝光的脈衝寬度最好設置在0.5ns至3ns的範圍內。此外，這個脈衝光的重複頻率最好設置在10kHz至100kHz的範圍內。
圖1是本發明雷射治療設備整體結構的正視圖。
圖2是上述雷射治療設備中雷射設備內部結構的說明圖。
圖3是上述雷射設備中第三級光纖放大器所用雙包層光纖結構的剖面圖。
圖4是上述雷射設備中第三級光纖放大器輸出端形狀的側視圖。
圖5是上述雷射設備中第三級光纖放大器輸出端形狀的剖面圖。
圖6是上述雷射治療設備中雷射設備不同實施配置內部結構的說明圖。
圖7是上述雷射治療設備中波長轉換部分的第一實施配置的說明圖。
圖8是上述雷射治療設備中波長轉換部分的第二實施配置的說明圖。
圖9是上述雷射治療設備中波長轉換部分的第三實施配置的說明圖。
圖10是上述雷射治療設備中照射光學裝置和觀察光學裝置的第一實施配置結構的說明圖。
圖11是上述雷射治療設備中照射光學裝置和觀察光學裝置的第二實施配置結構的說明圖。
圖12是作為本發明雷射治療設備治療對象的角膜表面形狀的說明圖。
圖13是上述雷射治療設備中照射光學裝置和觀察光學裝置的第三實施配置結構的說明圖。
圖14是上述第三實施配置中照射光學裝置的濾光片外部結構和濾光片性能的說明圖。
具體實施例方式
以下參照附圖描述本發明的幾個優選實施配置；然而，這些實施配置的描述並不限定本發明的內容。
圖1表示本發明雷射治療設備的總體結構的例子。這個雷射治療設備的基本結構是，在設備機殼1的內部安裝雷射設備10；照射光學裝置60，用於引導這個雷射設備10產生的雷射到眼球EY的角膜HC表面(即，治療部位)，並利用這個雷射照射這個表面；和觀察光學裝置80，用於觀察治療部位。設備機殼1的基本部分2設置在X-Y移動臺3上，藉助於X-Y移動臺3，設備機殼1的整體可以沿圖1中箭頭X指出的方向運動，即，沿附圖的左右方向，和沿垂直於頁平面的Y方向運動。
首先，參照圖2描述雷射設備10。雷射設備10的結構是，用於產生雷射的雷射發生部分11；光纖放大器部分20，用於放大雷射發生部分11產生的雷射；和波長轉換部分40，用於把光纖放大器部分20放大的雷射轉換成波長約為193nm的雷射。
雷射發生部分11有在所需波長上振蕩的雷射器12，這個雷射器12是由(例如)脈衝驅動的InGaAsP DFB半導體雷射器構成，其振蕩波長為1.544μm。
例如，在DFB半導體雷射器用作該雷射器的情況下，通過控制DFB半導體雷射器的溫度，可以實現雷射振蕩波長的控制。利用這個方法，可以進一步穩定振蕩波長並控制這個波長到恆定的波長上，或可以精細地調整輸出波長。
通常，DFB半導體雷射器等安裝在散熱片上，這些部分放置在機殼內。在本例子中，溫度調整裝置(例如，Peltier元件等)設置在與振蕩雷射器(DFB半導體雷射器等)12相連的散熱片上，用於控制溫度和調整振蕩波長。此處，在DFB半導體雷射器等的情況下，溫度可以控制到0.001℃單位。
此外，DFB半導體雷射器的振蕩波長與溫度之間的關係約為0.1nm/℃。例如，若DFB半導體雷射器的溫度變化為1℃，則在基波(波長1544nm)的情況下，波長變化為0.1nm；所以，在8次諧波(波長193nm)的情況下，波長變化為0.0125nm。
此外，關於反饋控制的監測波長，當控制這個振蕩波長到特定的波長時，這是利用DFB半導體雷射器的振蕩波長完成的。在這個半導體雷射器12中，提供一種脈衝控制裝置13，通過電流控制等操作產生脈衝振蕩。所以，產生的脈衝光脈衝寬度可以控制在0.5ns至3ns的範圍內，而重複頻率可以控制在100kHz以下的範圍內(例如，10kHz至100kHz的範圍內)。在這種結構中，作為一個例子，利用脈衝控制裝置13產生脈衝寬度為1ns和重複頻率為100kHz的脈衝光。
如此得到的脈衝雷射輸出傳輸通過光隔離器14，並被引導到光纖放大器部分20；該雷射在這個光纖放大器部分20中被放大。在這個光纖放大器部分20，首先由第一級光纖放大器21進行放大。這個第一級光纖放大器21是由摻餌(Er)光纖放大器(EDFA)構成。用於激勵目的，來自半導體雷射器21a的輸出傳輸通過波分復用器(WDM)21b，因此，摻餌光纖被激勵，第一級光纖放大器21完成光放大。
第一級光纖放大器21的輸出傳輸通過窄帶濾光片22a和光隔離器22b，並被引導到分光器23。分光器23把光並行地分割成通道0至通道3的四個輸出。第二級光纖放大器25連接這個四路分割中的每個通道。然而，在圖2中，僅僅畫出一個通道作為代表性例子。
此外，窄帶濾光片22a切除光纖放大器21產生的ASE光，並允許DFB半導體雷射器12的輸出波長(波長寬度約小於1pm)傳輸通過，因此，透射光的波長寬度大大變窄。所以，可以防止ASE光進入後級光纖放大器並降低雷射的放大增益。此處，最好是，窄帶濾光片的透射波長寬度約為1pm；然而，由於ASE光的波長寬度是幾十納米，可以有效地切除ASE光，因此，即使利用目前可以獲得的透射波長為100pm的窄帶濾光片，也不存在實際的問題。在DFB半導體雷射器12的輸出波長不斷變化的情況下，可以根據輸出波長替換窄帶濾光片。然而，最好利用這樣的窄帶濾光片，其透射波長寬度對應於(即，相當於或大於)輸出波長的可變寬度(作為曝光設備中的一個例子，約為上述寬度±20pm)。
在以上的結構中，描述這樣一個例子，其中DFB半導體雷射器用作該雷射器，且平板波導型分光器用作光分支裝置的分支單元。然而，在所需波長上振蕩的任何雷射器可用作該雷射光源；例如，利用摻餌(Er)光纖雷射器可以獲得類似的效果。此外，可以利用與平板波導型分光器相同方式引起光並行分割的任何單元作為光分支裝置的分支單元；例如，利用光纖分光器或使用部分透射式反射鏡的分束器，也可以獲得類似的效果。
第二級光纖放大器25中的每個放大器也是由摻餌(Er)光纖放大器(EDFA)構成。用於激勵的半導體雷射器25a的輸出傳輸通過WDM25b，因此，摻餌光纖被激勵，第二級光纖放大器25完成光放大。第二級光纖放大器25中每個放大器的輸出經窄帶濾光片26a和光隔離器26b被引導到第三級光纖放大器30。
這個第三級光纖放大器30是完成最後級光放大的裝置，並構成高峰值輸出光放大器。所以，為了避免光纖中非線性效應引起放大光的頻譜寬度的增大，最好是，利用光纖模直徑大於通信中使用的光纖模直徑(5至6μm)的大模直徑光纖放大器，例如，光纖模直徑為15至25μm。
此外，為了在第三級光纖放大器30中得到高輸出，也可以利用光纖包層中有雙重結構的雙包層光纖38替代大模直徑光纖35。圖3表示這種光纖38剖面圖的例子。在這種結構中，纖心部分38a摻以對雷射放大有貢獻的離子，因此，放大的雷射(信號)傳播通過這個纖心。用於激勵的半導體雷射器與圍繞這個纖心的第一包層38b耦合。這個第一包層38b是多模包層，且有大的橫截面區；所以，用於激勵的半導體雷射的高輸出傳導是容易的，且可以有效地耦合多模振蕩的半導體雷射器，因此，可以有效地利用激勵光源。在第一包層38b的外部周邊上製成用於形成第一包層波導的第二包層38c。
利用這個大模直徑光纖的第三級光纖放大器30放大的雷射進入到波導轉換部分40；此處，波長被轉換成波長約為193nm的紫外雷射波長，該波長與準分子雷射的波長相同。最好是，傳播通過這個大模直徑光纖的待放大雷射(信號)主要是由基模構成；在單模光纖或有低模數的多模光纖中，通過有選擇地主要激勵基模可以實現。安裝在大模直徑光纖放大器30輸入側的隔離器26b減小返回光的影響。
此外，窄帶濾光片26a安裝在每個第二級光纖放大器(它有標準模直徑)和大模直徑(第三級)光纖放大器30之間，為的是消除第三級光纖放大器30產生的ASE光。
利用模直徑按照錐形方式增大的光纖，完成有標準模直徑的每個前級光纖放大器25與有上述擴展模直徑的對應最後級光纖放大器30之間的連接。
可以利用石英光纖或矽酸鹽型光纖作為上述光纖放大器21，25和30的光纖；此外，也可以利用氟化物光纖，例如，ZBLAN光纖。在這種氟化物光纖的情況下，與石英光纖或矽酸鹽型光纖比較，可以增大摻餌的濃度；因此，可以縮短用於放大所需的光纖長度。
特別理想的是，這種氟化物型光纖用在最後級光纖放大器30中。由於光纖長度的縮短，可以抑制脈衝光在光纖傳播中非線性效應引起的光散射(例如，受激Raman散射)，因此，可以完成保持所需波長的光峰值功率的脈衝放大。
在數值1.51μm至1.59μm用作光纖放大器輸出波長的情況下，該放大器有上述雙重結構的包層，最好是，光纖中除了摻餌以外還摻鐿作為摻雜離子。其理由是，這種摻雜具有提高半導體雷射器激勵效率的效果。具體地說，在光纖中摻有餌和鐿的情況下，鐿的強吸收波長擴展到915至975nm附近，在這個波長範圍內具有各種不同振蕩波長的多個半導體雷射器可以被WDM耦合，因此，可以耦合到第一包層中。由於這種多個半導體雷射可以用作激勵光，就可以獲得大的激勵強度。
此外，有關光纖放大器摻雜光纖的設計，在本發明中設備工作在預先確定的固定波長情況下，選取這樣的摻雜光纖材料，光纖放大器的增益在所需波長上是很大的。在本發明中，得到與ArF準分子雷射(193至194nm)相同波長的輸出波長；在這種設備的情況下，最好是，在利用光放大器光纖時，選擇的材料是增益在所需波長上是大的，例如，1.548μm。
在第三級光纖放大器30的輸出端36，即，最後級光纖放大器，如圖4所示，所有4個通道集束在一起，這些通道被模壓成矩形或直線形(見圖4(a)或4(b))。此外，如圖5所示，在光放大器中最後級各個光纖35的輸出端部分36，最好是，光纖35內的纖心35a直徑是以錐狀形式向著輸出端逐漸擴展的，因此，光的功率密度(每單位面積的光強)在輸出端表面36是減小的。在此情況下，錐形部分設置成這樣，纖心直徑朝向輸出端表面36是逐漸地擴展的，因此，當放大的雷射傳播通過錐形部分時，可以保持傳播通過光纖的橫模，所以，可以忽略足夠小的其他橫模激勵(例如，幾個mrad)。
按照這樣的方式設置纖心直徑，可以降低光纖輸出端表面36處的光功率密度，因此，可以大大抑制雷射對光纖輸出端部的損傷，這是光纖損傷的最大問題。關於這個效果，當光纖放大器輸出端射出的雷射功率密度增大時(例如，當光強增大或在相同功率下纖心直徑減小時)，可以獲得更大的效果。
此外，在上述各個實施配置中，展示的例子中有這樣的結構，其中在各個連接部分插入合適的隔離器以避免返射光的影響和插入窄帶濾光片以得到良好的EDFA放大特性。然而，這種隔離器或窄帶濾光片的數目和位置不限於上述實施配置中所示的情況；例如，根據本發明雷射治療設備所需的精度，可以合適地確定這種數目和位置，在某些情況下，可以完全省略這些隔離器或窄帶濾光片。
此外，在窄帶濾光片的情況下，僅僅得到所需波長的高透射率是足夠了；濾光片透射波長的寬度在1pm以下已足夠。利用這樣的窄帶濾光片，可以減輕光纖放大器產生的自發輻射光ASE(放大的自發輻射)引起的噪聲。此外，可以抑制前級光纖放大器中ASE引起的基波輸出放大率的降低。
在以上的結構中，展示的例子是光被分光器分成4行。然而，也可以構造這樣的設備，如圖6所示，它利用單行光纖放大器而不利用分光器。在圖6中，在光纖放大器120中的光隔離器22b與WDM 25b之間不安裝分光器。
在波長轉換部分40中利用非線性光學晶體，把光纖放大器20和120放大並從輸出端36輸出波長為1.544μm的脈衝光轉換成窄頻譜線寬度的紫外脈衝輸出。以下描述這種波長轉換部分40的結構。
圖7表示波長轉換部分40的第一實施配置；此處畫出一種結構的例子，其中利用非線性光學晶體，把從光纖35輸出端36射出的波長為1.544μm的基波轉換成8次諧波，從而產生波長為193nm的紫外光，該波長與ArF準分子雷射的波長相同。從光纖35輸出端36輸出的波長為1.544μm(頻率為ω)的基波在附圖中是從左到右經非線性光學晶體41，42和43輸出的。此外，如圖7所示，聚焦透鏡44和45設置在非線性光學晶體41，42和43之間。
當基波傳輸通過非線性光學晶體41時，由於產生2次諧波頻率，就產生頻率為二倍於基波頻率ω的2次諧波，即，頻率為2ω(波長為原始波長的1/2，即，772nm)。如此產生的2次諧波向右傳播並進入下一個非線性光學晶體42。此時，再產生2次諧波頻率，因此，產生頻率為二倍於入射波頻率2ω的4次諧波，即，頻率4ω為四倍於基波頻率(波長為原始波長的1/4，即，368nm)。如此產生的4次諧波進入位於更右端的非線性光學晶體43；此時，再產生2次諧波，因此，產生頻率為8ω的8次諧波，(波長為原始波長的1/8，即，193nm)，該頻率是入射波頻率4ω的二倍，即，八倍於基波頻率。
有關用於上述波長轉換的非線性光學晶體，例如，用作非線性光學晶體41的LiB3O5(LBO)晶體完成從基波到2次諧波的轉換，用作非線性光學晶體42的LiB3O5(LBO)晶體完成從2次諧波到4次諧波的轉換，而用作非線性光學晶體43的Sr2Be2B2O7(SBBO)晶體完成從4次諧波到8次諧波的轉換。此處，在利用LBO晶體從基波到2次諧波的轉換時，利用LBO晶體的溫度調節方法以完成波長轉換相位匹配，即，非臨界相位匹配(NCPM)。在NCPM的情況下，在非線性光學晶體內的基波與2次諧波之間沒有角偏移(walk-off)。所以，能夠高效率地完成到2次諧波的轉換。此外，產生的2次諧波不會受角偏移引起的光束形變；所以，這個方法是有利的。
波長轉換部分不限制於上述的結構，可以利用各種結構。例如，圖8表示按照第二實施配置的波長轉換部分140的結構。在這個波長轉換部分中，按照以下的順序完成波長轉換基波(波長1.544μm)→2次諧波(波長772nm)→3次諧波(波長515nm)→4次諧波(波長386nm)→7次諧波(波長221nm)→8次諧波(波長193nm)。
在第一波長轉換部分141中，利用上述的NCPM，LBO晶體用作基波到2次諧波的2次諧波轉換。第一波長轉換部分(LBO晶體)141允許部分的基波傳輸通過而沒有波長轉換，還利用基波的波長轉換產生2次諧波，因此，這個基波和2次諧波都進入第二波長轉換部分142。
在第二波長轉換部分142中，利用第一波長轉換部分141產生的2次諧波與沒有轉換而傳輸通過的基波產生的頻率之和，得到3次諧波(波長515nm)。LBO晶體用作波長轉換晶體；然而，這個晶體用在溫度不同於第一波長轉換部分(LBO晶體)141溫度的NCPM中。因此得到3次諧波，沒有波長轉換而傳輸通過的2次諧波和基波被第一分色鏡151分割。第一分色鏡151反射的3次諧波傳輸通過透鏡，並被全反型反射鏡161反射；然後，這個3次諧波入射到第三分色鏡153上。
與此同時，傳輸通過第一分色鏡151的2次諧波和基波被第二分色鏡152分割。利用LBO晶體，從第二分色鏡152反射的2次諧波被第三波長轉換部分143轉換成頻率為4ω的4次諧波(波長為原始波長的1/4，即，368nm)，該頻率是入射波頻率2ω的二倍，即，四倍於基波的頻率。這個4次諧波被第三分色鏡153反射，然後，被全反型反射鏡161反射，使它與傳輸通過第三分色鏡153的3次諧波一起入射到第四波長轉換部分144(利用BBO晶體)。在這個第四波長轉換部分144中，通過產生入射的3次諧波與4次諧波的頻率之和，形成7次諧波，並使這個7次諧波入射到第四分色鏡154。
此外，傳輸通過第二分色鏡152的基波被第二個全反型反射鏡162反射，並使它入射到第四分色鏡154上。利用CLBO晶體，使入射到第四分色鏡154上的7次諧波和基波進入第五波長轉換部分145。在第五波長轉換部分145中，通過產生入射基波與7次諧波的頻率之和，形成8次諧波，輸出這個8次諧波作為輸出雷射。
圖9表示第三實施配置的波長轉換部分240的結構。在這個波長轉換部分中，按照以下的順序完成波長轉換基波(波長1.544μm)→2次諧波(波長772nm)→3次諧波(波長515nm)→6次諧波(波長257nm)→7次諧波(波長221nm)→8次諧波(波長193nm)。
在第一波長轉換部分241中，利用上述的NCPM，LBO晶體用於從基波到2次諧波的二次諧波轉換。第一波長轉換部分(LBO晶體)241允許部分的基波傳輸通過而沒有波長轉換，並通過轉換基波的波長產生2次諧波；這個基波和2次諧波都進入第二波長轉換部分242。
在第二波長轉換部分242中，通過第一波長轉換部分241產生的2次諧波與沒有轉換而傳輸通過的基波產生頻率之和，得到3次諧波(波長515nm)。LBO晶體用作波長轉換晶體；然而，這個晶體用在溫度不同於第一波長轉換部分(LBO晶體)241溫度的NCPM中。如此得到的3次諧波和沒有波長轉換而傳輸通過的基波被第一分色鏡251分割。被第一分色鏡251反射的3次諧波進入第三波長轉換部分243(利用BBO晶體)，並被轉換成6次諧波。這個6次諧波被第一全反型反射鏡261反射，並使它入射到第二分色鏡252上。
與此同時，傳輸通過第一分色鏡251的基波被第二全反型反射鏡262反射，並使它入射到第二分色鏡252上。6次諧波和入射到第二分色鏡252上的基波在第二分色鏡252上合成，並利用CLBO晶體，使它們進入第四波長轉換部分244。在第四波長轉換部分244中，6次諧波和入射的基波合成為7次諧波，而允許部分的基波按照原樣傳輸通過。從第四波長轉換部分244輸出的7次諧波被分色鏡254反射，而基波傳輸通過分色鏡254。於是，在分別被透鏡聚焦之後，這些波在第三分色鏡253上合成，並利用CLBO晶體使它們進入第五波長轉換部分245，這些波在此合成，從而形成8次諧波。輸出這個8次諧波作為輸出雷射。
此外，在以上圖7至圖9所示的各個例子中，光學透鏡的布置如附圖所示。此外，可以合適地設置波片以調整偏振方向到所需的方向。此外，波長轉換部分的結構不限於以上描述的結構；可以利用產生1.544μm基波的8次諧波的任何結構。例如，按照以下的順序利用波長轉換，可以得到類似的效果基波(波長1.544μm)→2次諧波(波長772nm)→3次諧波(波長515nm)→4次諧波(波長386nm)→6次諧波(波長257nm)→7次諧波(波長221nm)→8次諧波(波長193nm)。
有關在這個情況下用于波長轉換的非線性光學晶體，例如，利用LBO晶體作為把基波轉換成2次諧波的晶體，利用LBO晶體作為把2次諧波轉換成4次諧波的晶體，通過產生2次諧波與4次諧波的頻率之和，利用BBO晶體作為產生6次諧波的晶體，通過產生基波與6次諧波的頻率之和，其中利用BBO晶體作為產生7次諧波的晶體，和通過產生基波與7次諧波的頻率之和，其中利用LBO晶體作為產生8次諧波的晶體，可以實現這樣的轉換。在此情況下，也可以利用LBO晶體產生8次諧波；所以，這個方法具有這樣的優點，它不存在晶體損傷的問題。
以上描述的例子是利用單列光纖完成波長轉換的；然而，類似的方法也可用在光纖束和透鏡陣列等的情況，允許光纖束波長轉換用在透鏡部分。
以下，描述照射光學裝置60和觀察光學裝置80，其中雷射波長是與ArF準分子雷射波長相同的193nm，雷射是由上述結構的雷射設備10產生的，它被引導到眼球EY的角膜HC表面，並照射這個表面。此外，在上述的雷射設備10中，固態雷射器是由DFB半導體雷射器或光纖雷射器構成，其振蕩波長是在1.51μm至1.59μm的範圍內；所以，來自固態雷射器的上述波長雷射被波長轉換器轉換成8次諧波，其波長在189nm至199nm的範圍內，並輸出這個雷射。因此，這個雷射是與ArF準分子雷射波長基本相同的雷射；然而，脈衝振蕩的重複頻率極高，即，100kHz。
圖10表示這個照射光學裝置60和觀察光學裝置80的第一實施配置。照射光學裝置60是由聚焦透鏡61和分色鏡62構成，聚焦透鏡61把從上述雷射設備10射出的波長為193nm的雷射聚焦成細光束形狀，而分色鏡62反射這個聚焦光束形狀的雷射，使這個雷射照射到作為治療對象的眼球EY的角膜HC表面。因此，利用光斑狀的雷射照射角膜HC的表面，這個部分的角膜被揮發。在此情況下，利用X-Y移動臺3使設備機殼1的整體沿X和Y方向運動，使指向角膜HC表面的雷射光斑完成掃描運動，因此，角膜表面被切除，從而治療近視，遠視或散光等。
在操作人員(例如，眼科醫生等)藉助於觀察光學裝置80目視觀察操作的同時，通過控制X-Y移動臺3的動作完成這種治療。這個觀察光學裝置80是由照明燈85，物鏡81，稜鏡82，和目鏡83構成，照明燈85用於照明作為治療對象的眼球EY角膜HC表面，物鏡81用於接收來自照明燈85照射角膜HC而傳輸通過分色鏡62的光，稜鏡82用於反射來自物鏡81的光，和目鏡83用於接收這個光。這個觀察光學裝置80設計成這樣，通過目鏡83可以觀察到角膜HC的放大像。
此外，在這個例子中，X-Y移動臺3的運動控制是由手動控制完成的。然而，還可以安裝測量角膜HC形狀的形狀測量裝置，和安裝自動控制X-Y移動臺3動作的裝置，即，照射位置調整裝置它是基於形狀測量裝置測得的角膜表面形狀，使雷射的照射自動進行。
在上述的例子中，該系統是這樣安排的，利用X-Y移動臺3沿水平面方向運動整個設備，從而操縱照射角膜HC表面的雷射光斑。然而，雷射照射位置的光掃描也是可行的。圖11表示這樣的例子。此處，照射光學裝置60′有把波長為193nm的雷射聚焦成細光束形狀的聚焦透鏡61，雷射是從上述雷射設備10射出的，且照射光學裝置60′有這樣的結構，聚焦的雷射光束被第一反射鏡63反射，並使它入射到第一伺服反射鏡64，然後，雷射被第一伺服反射鏡64反射，並使它入射到第二伺服反射鏡65，從第二伺服反射鏡65反射的雷射被第二反射鏡66反射，並使它入射到分色鏡62，從分色鏡62反射的雷射照射作為治療對象的眼球EY角膜HC表面。此外，在圖11所示的設備中，用相同的數字標記與圖10中所示設備中相同的部件，從而省略多餘的描述。
第一伺服反射鏡64和第二伺服反射鏡65有伺服電機64a和65a，用於調整各自的反射鏡鏡面的角度。利用伺服電機64a和65a調整反射鏡鏡面的角度，使照射角膜HC表面的雷射光斑完成掃描運動，從而完成角膜表面的切除；按照這種方式治療近視，遠視或散光等。此外，在此情況下，操作人員，例如，眼科醫生，在利用觀察光學裝置80目視觀察角膜HC表面的同時，控制伺服電機64a和65a的運行。此外，也可以安裝測量角膜HC形狀的形狀測量裝置和安裝自動控制伺服電機64a和65a運行的裝置，即，照射位置調整裝置，因此，基於形狀測量裝置測得的角膜表面形狀，按照以上描述的方式自動完成雷射的照射。
因此，利用雷射設備10產生的脈衝雷射照射角膜表面以治療近視，遠視或散光等，從而切除角膜表面。在此情況下，由於雷射設備10產生的雷射是具有極高頻率100kHz(脈衝寬度1ns)的脈衝雷射，即使脈衝光斑在角膜表面上掃描，均勻掃描是可能的。此外，由於脈衝寬度極小，幾乎所有的脈衝能量用於物質鍵的斷裂，從而抑制熱揮發的發生。此外，在本發明的雷射治療設備中，可以控制脈衝光(脈衝形式雷射)的脈衝寬度和重複頻率，因此，可以有效地利用脈衝寬度(具體地說，脈衝寬度為0.5ns至3ns)和(具體地說，重複頻率為10kHz至100kHz)抑制熱揮發的發生。
例如，利用來自雷射設備10的雷射照射圖12中角膜HC表面的陰影部分A，因此，這個部分被揮發和切除，從而完成利用這種雷射治療設備治療近視。在圖10和11所示雷射治療設備的情況下，使照射角膜表面的雷射光斑產生掃描運動，完成陰影部分A的切除。然而，也可以利用圖13所示類型的雷射治療設備完成切除操作。此外，在圖13所示的雷射治療設備中，利用相同的數字標記與圖10和11中所示設備中相同的部件，現在描述這種設備。
圖13所示的設備是由照射光學裝置160和觀察光學裝置80構成。觀察光學裝置80有與上述裝置相同的結構；所以，省略對這個觀察光學裝置的描述。照射光學裝置160是由聚焦透鏡161，分色鏡162和濾光片163構成，聚焦透鏡161用於把雷射設備10射出波長為193nm的雷射聚焦成特定尺寸的圓柱形光束，分色鏡162用於反射聚焦的圓柱形雷射束，並使這個雷射照射作為治療對象的眼球EY的角膜HC表面，而濾光片163設置在眼球EY附近的位置上。
如圖14所示，聚焦透鏡161形成的圓柱形雷射束是由直徑為d的圓柱形雷射構成，它足以覆蓋作為角膜HC表面上治療對象的區域。濾光片163有這樣的性能，它在中心部分具有良好的雷射透射率，而在濾光片周圍部分的透射率減小。當圓柱形雷射束傳輸通過濾光片163時，這個雷射的強度有如圖14(b)所示的分布。當具有這種強度分布的雷射照射到角膜HC表面時，在雷射強度大的區域切除量就大，因此，完成圖12所示陰影部分A的切除。這對應於權利要求書中規定的照射控制裝置；這個照射控制裝置調整相對於治療部位的雷射照射強度。
此外，也可以利用多個有特定形狀開孔的擋光元件代替濾光片163。例如，也可以在同心圓上安排多個有不同直徑的擋光元件，首先利用有小開孔的擋光元件切除角膜HC的中心部分，然後在替換擋光元件的同時進行反覆切除，因此，開孔區域逐漸增大，從而切除圖12所示的陰影部分A。這對應於權利要求書中規定的照射控制裝置；這個照射控制裝置調整相對於治療部位的雷射照射區域。
在上述雷射治療設備中，照射角膜HC表面的雷射強度與完成的切除部位大小有密切關係；所以，需要調整雷射的強度。通過調整雷射設備10內雷射器12的振蕩頻率，或通過控制第三級光纖放大器30中半導體雷射器31a和31b產生的光量，可以容易地完成這個強度調整。這相當於權利要求書中規定的調整雷射強度的強度調整裝置。此外，為了這種強度調整的目的，也可以安裝測量實際雷射強度的雷射強度測量裝置，判斷這個雷射強度測量裝置測得的實際雷射強度是否為所需的強度，並在該強度偏離所需強度的情況下，確定必須校正這個強度。通過控制上述強度調整裝置的運行，可以完成這個強度的校正；可以利用權利要求書中規定的雷射強度校正裝置，用於控制強度調整裝置的運行。
在以上的例子中，DFB半導體雷射器12和光纖放大器用作雷射發生部分11中的雷射源；然而，也可以利用Q開關脈衝ErYAG雷射器或Q開關脈衝Er玻璃雷射器代替它。在這種情況下，輸出波長約為1550nm的雷射，並使這個雷射進行波長轉換，可以得到構成8次諧波的波長為194nm的雷射。
工業應用的可能性如上所述，利用雷射照射角膜，通過角膜表面的部分切除術(PRKphotorefractive keratectomy)或角膜內部做切口的部分切除術(LASIKlaser intrastromal keratomileusis)，矯正角膜的曲率或凹凸，本發明的雷射治療設備可用於治療近視或散光等。當然，本發明的應用領域不僅限於上述治療角膜；本發明也可用於其他的治療。
權利要求
1.一種雷射治療設備，其特徵是，這個設備有[a]雷射設備和[b]照射光學裝置，雷射設備包括[i]有固態雷射器的雷射發生裝置，用於產生特定波長的雷射；[ii]光放大器，用於放大這個雷射發生裝置產生的上述雷射；和[iii]波長轉換器，利用非線性光學晶體，把上述光放大器放大的雷射轉換成波長約為193nm的治療雷射；而照射光學裝置引導這個雷射設備產生的上述治療雷射到治療部位，並利用這個治療雷射照射治療部位。
2.按照權利要求1的雷射治療設備，其特徵是，上述固態雷射器是由DFB半導體雷射器或光纖雷射器組成，其振蕩波長是在1.51μm至1.59μm的範圍內，而上述波長轉換器把上述固態雷射器的雷射轉換成波長在189nm至199nm範圍內的8次諧波。
3.按照權利要求1或2的雷射治療設備，其特徵是，上述治療部位是角膜。
4.按照權利要求1至3中任一個的雷射治療設備，其特徵是，該設備有治療部位觀察裝置，用於觀察上述治療雷射對上述治療部位的照射狀況。
5.按照權利要求1至4中任一個的雷射治療設備，其特徵是，該設備有照射控制裝置，用於控制上述照射光學裝置的上述治療雷射對治療部位的照射狀況。
6.按照權利要求5的雷射治療設備，其特徵是，利用上述照射光學裝置利用光斑狀的上述治療雷射照射治療部位，且上述照射控制裝置設計成這樣，使上述光斑狀的光掃描治療部位。
7.按照權利要求5的雷射治療設備，其特徵是，上述照射光學裝置利用上述治療雷射寬廣地照射治療部位的特定範圍，且上述照射控制裝置設置在上述治療部位與上述照射光學裝置之間，它有這樣的結構，這個照射控制裝置可變地調整上述治療雷射對上述治療部位的照射區域。
8.按照權利要求5的雷射治療設備，其特徵是，上述照射光學裝置利用上述治療雷射寬廣地照射治療部位的特定範圍，且上述照射控制裝置設置在上述治療部位與上述照射光學裝置之間，它有這樣的結構，這個照射控制裝置可變地調整上述治療雷射對上述治療部位的照射強度。
9.按照權利要求5至8中任一個的雷射治療設備，其特徵是，該設備有形狀測量裝置，用於測量照射部位的形狀，和基於上述形狀測量裝置測得的上述治療部位的形狀，上述照射控制裝置完成上述治療雷射的照射控制。
10.按照權利要求1至9中任一個的雷射治療設備，其特徵是，上述雷射設備有強度調整裝置，用於調整上述雷射設備產生的上述治療雷射的強度。
11.按照權利要求1至10中任一個的雷射治療設備，其特徵是，該設備有雷射強度測量裝置和雷射強度校正裝置，雷射強度測量裝置用於測量上述雷射設備產生的上述治療雷射的強度，而雷射強度校正裝置用於校正上述雷射強度測量裝置測得的上述治療雷射強度到特定的強度。
12.按照權利要求1至11中任一個的雷射治療設備，其特徵是，上述雷射設備產生的上述治療雷射是脈衝光，且上述脈衝光的脈衝寬度是0.5ns至3ns。
13.按照權利要求1至12中任一個的雷射治療設備，其特徵是，上述雷射設備產生的上述治療雷射是脈衝光，且上述脈衝光的重複頻率是10kHz至100kHz。
全文摘要
提供一種使用固態雷射器的小型和重量輕的雷射治療設備，它容易維護且特別適用於角膜的治療。雷射治療設備包括含固態雷射器(12)的雷射束髮生器(11)，用於產生預定的雷射束；含光纖放大器(20)和波長轉換裝置(40)的雷射設備(10)，光纖放大器(20)用於放大雷射束髮生器產生的雷射束，而波長轉換裝置(40)利用非線性光學晶體，把放大的雷射束轉換成波長約為193nm的治療雷射束；和光學系統(60)，用於引導治療雷射束到角膜表面。
文檔編號A61F9/01GK1419432SQ01807249
公開日2003年5月21日 申請日期2001年4月9日 優先權日2000年4月13日
發明者大和壯一, 大槻朋子 申請人:株式會社尼康