專利名稱：用于外科手術的短脈沖中紅外參數發生器的制作方法
本申請是專利申請(序列號No.08/549385，申請日1995年10月27日)的部分繼續申請。
最近幾年，對眼睛的角膜進行整型的光折射角膜切除術(PRK)作為一種校正視覺缺陷的有效手段已得到越來越廣泛的應用。這些方法通常基于利用紫外線(UV)輻射的組織體積切除，紫外線輻射一般來自193納米ArF準分子激光器。在這種短波長下，高光子能以一種稱為光化學分解的方法導致分子內部鍵的直接斷裂。基于這種光化學機理的組織燒蝕的優點是使在鄰近手術點的細胞中產生的間接熱損傷減至最小。另外，分解的深度非常小，一般小于1微米，從而由UV輻射造成組織切除精確，對基底結構的損傷危險很小。
雖然基于準分子激光的方法是一種安全、有效的角膜燒蝕方法，但是存在許多缺陷，包括初始費用和工作維持費用高，光束輸送系統巨大并且復雜，由于氟和臭氧氣體形成而導致的安全危險，及持久可靠性問題。此外，高功率UV輻射的潛在光毒性是基于準分子激光PRK中的一個不確定危險。特別地，由于二次熒光效應，UV輻射造成一定的誘變和導致白內障的危險。
最近提出的進行角膜折射外科手術的準分子激光器的一種備選方案包括利用尤其是對應于水的吸收峰值為3微米左右的輻射，以中紅外波長進行燒蝕，水是角膜的主要組成部分。這種備選系統中最關心的前提是可利用固體技術產生紅外輻射，固體技術具有更易于操作，更廉價，更小型及可靠性更好的特征，同時消除了起因于與UV波長相關的毒性氣體或誘變副作用的任意可能的安全問題。一種固體激光器，尤其是鉺YAG(ErYAG)激光器發射2.94微米波長的輻射，該波長對應于水中13000cm-l以上的吸收系數。這種高吸收導致影響區域相當小，穿透深度大概小于2微米。和與準分子激光相關的光燒蝕機理，即光化學分解相反，鉺波長下的燒蝕起因于水分子的光汽化，或者光熱蒸發。這種方法本質上比光分解更有效，允許同時切除多達3微米的組織，從而使外科手術速度更快。這種系統已由，例如T.Seiler和J.Wollensak在“Fundamental Mode Photoablation of the Corneafor Myopic Correction”，Lasers and Light in Ophthalmology，5，4，199-203(1993)中提出。Cozean等已在PCT申請No.93/14817中描述了另一種系統，這種系統依靠刻蝕濾光器來控制利用脈動的3微米ErYAG激光器切除的組織量。但是，雖然基于自激或長脈沖鉺激光器的眼科外科手術技術已表現出一定的前途，但是它們也存在許多問題，這些問題主要涉及IR輻射導致對燒蝕區附近的組織的間接熱損傷，損傷區的大小可能超過幾微米，從而導致潛在的不希望的長期影響。
最近認識到脈沖持續時間小于幾十納秒的激光將產生較小的熱影響。特別地，已經在紅外波長觀察到稱為光致散裂反應的直接組織相互作用效果，從而借助較短的脈沖，輻射只與受輻射組織相互作用，對相鄰的未輻射組織產生的影響可忽略。光致散裂反應是一種光機械燒蝕機理，起因于入射輻射的快速吸收及隨后角膜組織的擴張。這種擴張之后是導致組織切除的雙極激波。有關用于完成直接利用光致散裂反應機理切除組織的角膜外科手術的方法和設備的詳細描述，參見作為本發明的母申請的美國專利申請，序列號08/549385，該申請作為參考包含于此。其中公開的方法和設備利用短脈沖(最好小于50納秒)固體激光器，該固體激光器發射最好為2.94微米或2.94微米左右的中紅外輻射，掃描角膜的一個區域，以便利用相對較低能量的激光均勻輻射處理區域。正如母申請中指出的一樣，這種應用所需的激光源將具有最高達30毫焦的輸出能量，及最高達100Hz的重復頻率，取決于輸送系統的元件。
在2.94微米下操作的摻鉺激光器是這種激光源的一個可選方案。在我們的同時待審的專利申請，序列號08/549385中描述了一種小型的可靠的Q-開關鉺激光器。雖然由于其簡單性而有很大的吸引力，但是即使借助將來的二極管泵激，由于強的熱二次光折射效應，也難以把鉺激光操作擴大到高的重復頻率(超過30Hz)。基頻水平動力特性(fundamental level dynamics)的限制和長的上激光能級持續時間(upper-laser-level lifetime)也會協力造成對光學器件涂層的峰值功率損壞，從而在Q-開關模式下操作的鉺基激光器中對20納秒左右的脈沖持續時間施加一個實際上的下限。
認識到短脈沖(小于20納秒)可能增大真正的光致散裂燒蝕過程的百分比，從而進一步降低起因于不希望的熱影響對組織燒蝕的殘余作用，最好構成能夠安全并有效地滿足PRK的要求的最短脈沖固體中紅外激光源。理想地，這種激光源還可被調節到高的重復頻率(接近100Hz)，而不會顯著增大裝置的費用和復雜性，或者損害裝置的可靠性。
作為一種備選方法，在我們的同時待審的美國專利申請，序列號08/549385中提出了一種光學參數振蕩器(OPO)，它可降低來自在1.06微米或1.06微米左右操作的標準摻釹激光器，例如NdYAG的輻射的頻率，從而在中紅外波長下獲得需要的參數。但是，到目前為止，還不能獲得能夠滿足預期的眼外科治療過程的全部要求的這種裝置。例如，最近幾年利用多種不同的非線性晶體，例如鈮酸鋰(LiNbO3)和磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4或“KTP”)，已證明由1微米激光泵激的具有紅外范圍輸出的高效OPO。感興趣的3微米波長附近的參數振蕩器的例子包括利用由100Hz單模泵激光束泵激的LiNbO3產生3.5微米下的高功率輻射(8瓦)(參見A.Englander和R.Lavi.OSA Proceedingson Advanced Solid-State Lasers，Memphis，Tennessee，1995，第163頁)及利用非臨界相位匹配結構中的KTP，3.2微米下0.2瓦輸出的實驗證明(參見，例如K.Kato IEEE J Quantum Electronics，27，1137(1991))。由于兩種易于獲得的候選晶體LiNbO3和KTP在2.9～3.0微米波長范圍內表示出吸收，因此認為具有要求的2.9～3.0微米波長范圍下的輸出的光學參數裝置的實現是困難的。由于使用目前的晶體生長方法，在LiNbO3晶體中存在OH帶，而引起在3.0微米或3.0微米附近的吸收，因此使用LiNbO3晶體被認為尤其不可行。OPO設計的其它缺陷包括需要能夠克服啟動參數過程的高門限值的大功率及高光束質量泵激源。由于通過聚焦泵激光束增大泵激功率的效率受非線性晶體的離散角限制，在大多數晶體中，不能簡單地通過利用小的泵激光束直徑來克服門限條件。回避這個問題的一種途徑是利用可被非臨界相位匹配，從而導致更大的受光角的晶體(例如KTP)，但是對于1微米泵激光束波長，及成功的PRK過程所需的輸送波長來說，這種結構是不可能的。不過在以0.88～0.90微米泵激的KTP(X-切割)中，輸出在2.9～3.0微米范圍內的非臨界相位匹配是可行的。但是和1微米或1微米左右的標準摻釹激光器相比，發射這種波長范圍的激光器更復雜，費用更高。
對于醫療激光儀器，通常不希望對泵激激光器提出過度嚴格的要求，因為這會使系統更復雜、費用更高。理想地，可商業獲得的多模高斯或頂環束剖面是所希望的。但是，在本發明之前，并不清楚可具有相當大的離散度的這種泵激光束會產生必需的輸出能量，而不會損壞OPO晶體和/或耦合的光學器件。另外，在高期空間剖面光束的情況下，整個晶體內峰值功率密度的不均勻分布只可產生一部分對參數產生起極大貢獻的光束，從而損害了轉變效率。此外，對于在升高的平均功率水平和/或高重復頻率下的操作所特別關心的另一問題是KTP中的吸收(已知該吸收基本上在3.0微米波長下)。這些及其它原因阻止了迄今為止具有實用輸出能量和重復頻率的2.9～3.0微米脈動輻射的OPO源的實現。
本發明公開了一種用于產生2.94微米或2.94微米附近的短脈沖輻射的特定設備。該設備專門適合于以最小的復雜性和低的成本進行PRK及其它顯微手術，從而極大地增大了這種顯微手術對于許多患者的可利用性。此外，適當地調節該設備，該設備可用于其它一些眼科治療過程，這些過程中選定的中紅外波長下的集中脈動光束具有優點。這些治療過程包括激光鞏膜造口術、小梁切除術及玻璃體和/或視網膜的外科手術。在這些治療方法中，需要能夠實現精確、高度定域的組織燒蝕的裝置。例如，在激光輔助玻璃體結合蛋白(vitroretinal)外科手術的情況下，2.94微米下的中紅外輻射的應用能在玻璃體薄膜橫切和必需的(epiretinal)組織燒蝕中提供無牽引操縱(tractionlessmaneuver)，淺的穿透深度及非常高的精確性。例如，參見J.F.Berger等在SPIE，vol.2673，1994，第146頁中的描述。此外，通過利用本發明中公開的短脈沖，可以以低的流量水平有效地實施治療過程，從而放寬了對探頭幾何形狀的要求。在青光眼濾出過程，例如外鞏膜切開術中，其中形成從眼睛前室進入結膜下區的瘺管，應用來自308納米的準分子激光器的納秒級低能量脈沖非常有利于治療許多損傷嚴重的患者。例如，參見J.Kampmeier等在Ophthalmolge，90，1993，第35-39頁中的描述。由于鞏膜的高吸收特性，因此對于中紅外波長，預計治療過程可具有相似的療效。迄今為止，妨礙中紅外激光輻射廣泛應用于顯微眼外科手術的主要問題是缺少把能量輸送給目標組織的適宜光纖。不過，本領域中的最新發展獲得了多種可能的光纖技術，包括氟化鋯、鹵化銀藍寶石和中空波導管技術。隨著損壞閾的進一步提高，能夠為低能量(＜20毫焦)應用輸送更短波長的脈沖，3微米輻射的足夠柔韌、損耗低的光纖和適當的探頭在近期將成為可能。這種光纖輸送系統的出現也使短脈沖，中紅外輻射在普通的內窺顯微手術中具有很大的吸引力。尤其是，諸如腦、水檢眼檢和脊髓外科手術之類的醫療過程可受益于由與本發明的系統相關的光機械燒蝕產生的高度定域效果，因為所涉及組織的易損性限制了對周圍組織的間接熱損傷。當然，激光的最佳參數可隨著應用、組織類型和要求的效果而變化。不過在方面，就可用輸出(包括波長和脈沖持續時間的變化)而論，OPO激光器具有能夠提供很大的靈活性的優點。
于是本發明的一個目的是提供一種新的改進外科手術設備，它特別適于進行角膜折射外科手術。另一目的是提供一種新的改進的光折射激光外科手術方法，這種方法以由來自摻釹激光器，例如NdYAG的輻射的參數下變頻產生的短脈沖、中紅外輻射的應用為基礎。
短脈沖被認為對于降低相鄰組織中的有害改變，尤其是熱影響非常關鍵，熱影響能夠引起紅外輻射產生的互作用點的不好的不規則邊緣。借助足夠短的脈沖，熱損傷可被降到亞微米級，產生和通常用在折射外科手術過程中的深度-UV激光產生的燒蝕性光分解相同的臨床表現。于是，本發明的關鍵是提供波長為3.0微米或3.0微米左右，不過最好接近2.94微米水吸收最大值，脈沖持續時間小于25納秒的激光源。
本發明的另一目的是提供一種新的改進的激光外科手術設備，它利用基于非線性晶體，例如KTP或其同晶型體的OPO，把摻釹激光器的波長變換到3.0微米附近要求的中紅外波長范圍。在備選實施例中，相關目的是提供一種把來自以880～900納米或880～900納米左右發射的近紅外激光源的波長變換為要求的3.0微米波長范圍的非臨界相位匹配晶體。
就另一目的而論，OPO空腔參數可適應易于獲得的中等功率泵激光束，并且仍能產生脈沖能量可調節到幾十毫焦水平的穩定輸出。在OPO激光器的一個最佳實施例中，可適應具有高斯或頂環空間剖面，并且離散度為衍射極限幾倍的單模或多模泵激光束，同時利用最少數目的組件保持簡單的光學結構。
另一目的是在OPO結構中提供用于升高損壞閾的裝置，以便能夠適應能量輸出超過200毫焦，波長為1微米或1微米左右的短脈沖泵激光束，而不會在超過10Hz，最好接近50Hz的重復頻率下損害光學器件。相關目的是提供最佳OPO結構，以便為中紅外范圍內的要求輸出得到最低的泵激門限值。
本發明的又一個目的是提供一種進行折射外科手術的新設備和新方法，它利用光纖或光纖束或一些其它波導裝置使泵激激光器與OPO空腔分離。OPO部分可安放在外科顯微鏡上，為外科醫生把激光輸送到患者眼睛提供了最大的靈活性。
參考下面的詳細說明及附圖，將更充分地理解本發明，及本發明的其它特征和優點。


圖1是圖解說明根據本發明的OPO激光裝置的一個最佳實施例的示意圖。
圖2是圖解說明使用L形結構的OPO激光源的備選實施例的示意圖。
圖3是圖解說明使用單通道泵激光束的OPO的另一備選實施例的示意圖。
圖4是圖解說明在環形結構中使用單通道泵激光束的另一備選實施例的示意圖。
圖5是圖解說明泵激光束通過光纖與OPO耦合的OPO激光源的最佳實施例的示意圖。
公開了一種中紅外激光源，所選參數能夠產生具有與基于光致散裂反應機理的最佳組織去除相適應的性質的光束。最理想的是，激光光速包括一系列持續時間小于25納秒的不連續脈沖，每個脈沖的能量大于1毫焦，以至少10Hz，但可調節到50Hz以上的重復頻率發射。為了使醫療過程的持續時間降至最短，同時允許使用具有較好的重疊參數的光點尺寸來改善外科手術的效果，需要高的脈沖重復頻率。脈沖持續時間的關鍵性特征和光致散裂反應過程的門限值有關，隨著脈沖持續時間的降低，該門限值下降，從而便于使用較低的能量密度(或流量)影響燒蝕。通常，能量密度越低，越不可能發生對環繞燒蝕點的組織的熱損傷。這也是產生具有類似于目前使用UV輻射獲得的臨床結果的高度集中的燒蝕的一個重要原因。
如圖1中所示，中紅外激光源1最好包括摻釹激光源泵20，摻釹激光源泵20產生包括1微米或1微米左右的短激光脈沖(最好小于30納秒)的泵激光束50，該輻射通過光學參數振蕩器(OPO)10被降頻到中紅外波長范圍。圖中所示的OPO 10包括鏡子12、16和非線性晶體15。非線性晶體15作用于激光脈沖，以一種已知方式產生兩個光束。具體地說，OPO的輸出包括空載光束(idler beam)52和信號光束54。關于一種特定OPO的操作的詳細說明，參見美國專利No.5181211，該專利作為參考包含于此。
對于折射外科手術，所需的波長是空載光束52的波長，在最佳實施例中該波長為2.89～2.98微米。在1.064微米的NdYAG泵激光束的例子中，信號光束54的對應波長為1.66～1.68微米。但是應明白，雖然優選2.94微米水吸收峰值附近的波長，尤其是對于PRK應用更是如此，但是如果所選的具體波長適應外科手術應用的要求，別約2.75微米到稍大于3.0微米范圍內的空載波長也在本發明的范圍之內。
空載光束52從二色分光鏡35被反射，隨后射向光束傳送光學系統40，在最佳實施例中，光束傳送光學系統40可包括成象和掃描裝置，以便能夠在角膜上的不同點選擇性地除去組織，從而可以受控方式按預期地改變角膜。在我們的同時待審的美國專利申請，序列號No.08/549385中公開了這種裝置，該專利申請作為參考包含于此，該裝置對于本發明并不是關鍵性的。信號光束54通過分光鏡35被傳送給束流收集器32。殘余的信號光束54可由共同表示為衰減器34的附加反射器進一步衰減，衰減器34可放置在空載光束52的路徑上，以防止信號光束54的信號波長的任意干擾進入輸送系統40。
在圖1的實施例中，選擇OPO空腔10中的鏡子12、晶體15和鏡子16的涂層和位置，以構成適于產生空載波長的單諧振振蕩器(SRO)結構，該單諧振器具有利用進入晶體中的泵激光束50的未覆蓋部分的背反射進行進一步處理的附加特征。這樣，涂覆鏡子12，以便極大地透射1.0～1.1微米之間的波長，并且極大地反射2.8～3.0微米之間的空載波長。涂覆鏡子16，以便部分反射2.8～3.0微米之間的波長，并極大地透射信號光束54的1.65～1.7微米之間的波長。這樣信號光束54通過振蕩器空腔而不被反射，而空載光束52被共振，以確保中紅外波長下的最大輸出。最好，也把鏡子16涂覆成高度反射1.0～1.1微米之間的泵激波長。但是，并不是必需提供最后這種高反射，不過這種反射通過降低參數過程的能量門限值，有利于設備更有效地操作。
一種備選的SRO結構是雙諧振振蕩器(DRO)，其中空載波和信號波均被共振。通常，已知DRO具有較低的振蕩門限值，但是其缺點是鏡面涂層更復雜，對準過程稍困難。盡管如此，雖然由于SRO更為簡單，并且組件成本較低而優先SRO，但是DRO結構被認為是某些情況下的備選實施例，這種情況下振蕩門限值顯著降低是有利的。應注意雖然DRO輸出被認為不如SRO的輸出穩定，但是對于其中只利用包括多種縱向振蕩模的泵激光束的本應用來說，這不是問題。于是在這里討論的所有OPO結構中，DPO是一種可接受的變形。
本領域的普通技術人員顯然知道鏡子12和16的表面可以是平的、凹的或凸的。在最佳實施例中，平坦的表面有利于轉變多模泵激輻射，因為模式匹配將由泵激光束50控制，而不是OPO空腔。這種情況下起因于高次橫模的效率降低不嚴重。由于平面平行OPO的諧振模由一束平行光組成，因此也不需要聚焦泵激光束的透鏡，從而使整個OPO激光器設計進一步簡化。也可使用凹-凸表面，不過對準稍微復雜，因為需要提供使泵的腰部與OPO諧振腔模的小腰部(small waist)相一致。在這種結構中，模式匹配是需要考慮的重要問題，因為任何模式不匹配將導致光學參數振蕩的增益的降低，隨之導致門限值的增大。在最佳實施例中，在限制由輸送系統，而不是OPO的需要所指示的許可離散的情況下，復雜程度較低，并且更廉價的泵激激光器可提供多模光束。
泵激激光器20一般由受閃光燈或二極管陣列泵激的摻釹激光棒，例如NdYAG組成。具有要求能量、峰值功率和重復頻率的閃光燈和二極管泵激激光器均眾所周知，并且可商業獲得。其它合適的激光媒質包括諸如NdYLF、Nd玻璃和NdYAlO3之類的晶體，所有這些媒質提供在本發明應用覆蓋范圍內的波長下的基本輻射。
晶體15最好包括具有非線性系數、相當寬的角度和溫度帶寬、高的損壞閾及在空載或信號波長下的最小吸收的非線性材料。理想地，可非臨界地被相位匹配的晶體將是首選，因為這將導致使即使光束質量差的激光光束也能在長晶體中被容易地轉變的最大的可能離散角。在非臨界相位匹配(NCPM)安排中，對晶體定向，以便沿著平行于晶體的主軸(X、Y或Z)之一的傳播方向實現相位匹配。實際上，利用目前可獲得的材料和激光器可能不能滿足對于指定應用的這種標準。另一方面，具有臨界相位匹配(CPM)的晶體也是可接受的，只要離散角和角度帶寬足夠高，足以能夠實現不一定是單橫模的光束的有效轉變即可。我們已確定被稱為磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4或“KTP”)的晶體能夠滿足這種應用的要求，即使KTP不能與在利用1.06微米激光泵激下選擇產生的空載波長非臨界相位匹配。還已知KTP晶體在3微米或3微米附近表現出一定的吸收，通常這是由于生長過程固有的殘余OH-基的存在引起的。這種吸收，如果過大，會阻礙KTP在高重復頻率應用方面的應用。
但是，我們已確定即使由于當前的材料生長能力而存在這種吸收水平，不過在適當的條件下，KTP仍然適于作為角膜刻蝕應用的OPO晶體。如下所述，借助KTP的大溫度帶寬及適度能量輸出和預期的外科手術應用的平均功率要求的偶然組合，已實現了這一點。借助為Type-II相位匹配切割的晶體，根據X-切割材料的已知材料參數，當被1.06微米NdYAG激光器泵激時，68～70°的內角將為空載(idler)提供要求的波長。如果需要的話，這些角度可非常接近90°，以提供足夠大的受光角，足以適應離散度超過衍射極限許多倍的多模泵激光束。但是要明白為了實現外科用激光儀器的所需操作條件，尤其是當提出和輕便性相一致的緊致、簡單設備的標準時，審慎地選擇各個組件是必不可少的。根據由，例如角膜刻蝕應用施加的嚴格參數測定，使用圖1中描述的簡單光學布置中的可用材料和光學器件的不同OPO部件和參數的特定組合不是事先顯而易見的。
于是，在本發明的一個關鍵方面，必須選擇足夠長的KTP晶體以便有效地轉變1微米輻射。在一個最佳實施例中，根據在X-切割晶體的68～70°Type-II CPM結構中是可實現的離散角，和產生在要求的5～30毫焦范圍內的空載(idler)輸出能量級所需的OPO增益的估計量的折衷，至少20毫米，不過長達30毫米的晶體長度是合適的。在這種定向下，KTP的受光角為5cm-mrad數量級，該受光角仍然足夠大，足以適應本應用優選的多模泵激光束。
還要明白通過相對于主軸系轉動晶體，可改變輸出光束52的具體波長。在外科手術環境中這一點具有潛在的用處，因為不同類型的組織之間，吸收性能不同，并且即使在相同的組織內，由于隨著溫度而變化，吸收性能也不同。因此，波長的細微變化可允許與指定過程所要求的最佳吸收匹配，從而擴大了OPO激光源的范圍和應用。可這樣獲得的波長范圍的極限由泵激光束和晶體孔徑的相對尺寸確定。根據KTP的已知參數和易于獲得的晶體尺寸，利用幾種可商業獲得的摻釹泵激激光器中的任意一種，從2.75～稍大于3微米的波長范圍均可被本結構所覆蓋。
而本發明的另一方面涉及利用足夠短的泵激激光脈沖，以便即使利用不聚焦的泵激光束結構也能達到OPO門限值。通過不需要把光束聚焦在晶體上，因此可利用多模或不穩定的諧振泵激光束空間分布，其優點是顯著地放寬對泵激激光器的要求，同時減輕了和OPO模式匹配相關的困難。在最佳實施例中，發現泵激脈沖持續時間(FWHM)在5～12納秒之間是可接受的，即使對于離散度比衍射極限大8倍以上的多模泵激光束，也能對10％以上的空載波長產生有效的轉變。
就本發明的另一特征而論，裸晶面(即非抗反射(AR)涂覆晶面)可用于減輕與當前的涂覆技術的缺陷有關的損壞危險，從而所選的3微米波長附近的殘余吸收能夠使損壞閾降低到不實際的水平，尤其是當使用短持續時間脈沖時。如果涂層質量高，那么3微米涂層適用于KTP，由于這將降低OPO損耗，并且對于相同的傾斜效率(slopeefficiency)能夠進一步降低參數振蕩的門限值，使用3微米涂層是有利的。但是應指出對于最佳性能及無損操作，門限值應使得利用不大于3到4倍門限值的輸入能量可實現要求的無效能量輸出。借助對晶體進行AR涂覆，可降低輸出耦合器的反射率，從而對于相同的輸出能量，降低了循環2.9微米功率(circulating 2.9μm power)。
在上面例證的例子中，確定對于裸晶體，利用所有標準光學器件，即使對于10Hz光束，輸入泵激能量超過250毫焦，仍能避免損壞晶體或光學器件。同樣，利用直徑為1～5毫米數量級的不聚焦光束的能力也被認為是實現這種性能的一個關鍵方面。為了進一步降低損壞的可能性，也可采用其它布置，從而不通過相同的0°輸入鏡耦合泵激光束，該0°輸入鏡也必須提供3微米下的高反射。當使用最佳的1微米涂層時，以45°反射3微米空載光束可增大損壞閾。
現在參考圖2，圖中圖解說明了一個備選實施例，在該實施例中，通過利用三個鏡子16、17和18采用了一個“L”形空腔，以便在泵激光束50的路徑和空載空束52之間提供一定的分離。這樣，泵通過45°鏡子17被耦合，鏡子17被涂覆，以便也在空載波長下提供高反射(以45°)。鏡子18也被涂覆，以反射空載光束52，不過它并不經受高能泵激光束50。隨后空載光束52通過鏡子16耦接出去，在空載光束52的波長下，鏡子16進行部分反射。同樣，如圖1中所示，最后把鏡子16涂覆成背反射泵激光束50，以降低參數過程的門限值。這種“L”形空腔的優點是由于45°入射角的緣故，降低了輸入鏡上的注量。由于通常鏡子17是第一個被損壞的組件，因此注量的降低表現為在給定能量輸出級下，OPO的損壞可能性降低。
要注意在圖1和圖2的實施例中，OPO軸必須稍微偏離泵軸，以防止反饋進入泵激激光器20。作為備選方案，可在泵激激光器和OPO之間使用一個隔離器，不過這將額外增加系統的成本。圖3和圖4表示了兩個備選結構，由于它們依靠單通道泵激，因此不存在泵激反饋。這樣，為增大轉變并降低門限值，取代進入同一晶體的泵激光束的背反射，一前一后地使用了兩個OPO晶體。圖3表示了一種布置，其中泵激光束50通過45°鏡子11耦合接入OPO空腔，涂覆鏡子11，以便在泵激波長下實現高反射，在空載波長下實現高透射。泵激光束通過兩個非線性晶體15′和15″，隨后通過鏡子12射出空腔，涂覆鏡子12，以便在泵激波長下實現高透射，在空載波長52的3微米波長范圍下實現高反射。空載光束52通過鏡子13耦合離開空腔，鏡子13被涂覆，以便利用選定用于優化來自空腔的輸出的反射率部分反射空載波長。在這種單諧振振蕩器(SRO)中，每個鏡子11、12和13被涂覆，以透射信號波長，從而只有空載波長被諧振。一種備選布置將使用DRO，DRO也需要信號波長下的反射涂層，還可能需要附加的分光器和/或其它光學器件。那么門限值可被降低，但是其代價是光學系統的復雜性增大，對準過程更復雜。
圖4描繪了所謂的“環”形結構，其中棱鏡14提供空腔中的光束的全內反射(TIR)，從而泵激兩個OPO晶體，如單通道布置中那樣，這兩個OPO晶體再次被標記為15和15′。兩個45°鏡子19和19′被涂覆成在泵激波長和信號波長下提供高透射。鏡子19′還被涂覆成反射空載波長，而鏡子19部分反射3微米波長，以外耦合(outcouple)空載光束52。如圖4所示，現在殘余的泵激光束50通過鏡子19′離開OPO空腔，這樣不會造成反饋問題。另外，由于大多數信號光束54也通過鏡子19′透射出空腔，因此不再需要進一步衰減空載光束52的路徑中的信號光束。雖然在最后這兩個方面上具有吸引力，但是圖4的結構在光學上更復雜，和圖1的簡單布置相比，需要額外的部件。
圖5描繪了一種新的備選布置，它利用波導裝置60使泵激輻射耦合進入OPO。在一個最佳實施例中，波導裝置包括中空波導管、光纖或束光纖。用于醫療激光系統的通過空氣通道的光纖輸送的固定光束輸送系統的優點眾所周知。這包括易于使光束對準手術點，輻射、輸送角和位置的調節更靈活，多模光束均勻(或者空間平滑)，及能夠把輻射輸送到用其它方法達不到的內部位置。但是，雖然很好地開發了傳輸1微米輻射的光纖，其損壞閾可經受數百毫焦的短脈沖輻射，但是目前不可獲得類似的可傳輸3微米短脈沖輻射的光纖。于是，如果可通過光纖傳輸更高功率的1微米泵激光束，使OPO的位置非常接近手術顯微鏡將是有益的。當泵激光束是通過光纖耦合時，除了接近內部位置之外，光纖輸送系統的大多數優點都會實現。特別地，泵激光束的均勻性將使輸出的中紅外光束的輪廓更平滑，這是角膜燒蝕中一個非常期望的特性。
在圖5的實施例中，泵激光束50通過透鏡62進入光纖60中，在備選實施例中光纖60可由偏振保持束光纖或中空金屬波導管構成。束光纖可適于有效地接收并傳輸離散的泵激光束50，同時便于通過標準光學裝置64在遠端收集光線并重新使光線準直。如圖中所示的透鏡把泵激光線映射入OPO。在一個最佳實施例中，在6毫米直徑束光纖的情況下，透視提供1∶1成象，以保持不聚焦泵激光束的特性。其它比例也是可行的，取決于可獲得的光泵激光束的特性和光纖的數值孔徑。在該最佳實施例中，在需要的情況下，束光纖可由許多偏振保持單模光纖構成，以允許OPO晶體中的相位匹配。本領域的普通技術人員顯然知道，使用這種方法，必須談及每個光纖的損壞極限和離開光纖的光束的離散度。在中空金屬波導管的情況下，偏振可被維持，直徑約為1毫米的波導管能夠很好地輸送100毫焦的1微米波長短脈沖光。校正離開波導管60的泵激光的殘余消偏振所必需的這種光學裝置可作為圖5示意圖中的光學部件64的一部分包含在其中。為簡便起見，圖5中只圖解說明了圖1的簡單OPO結構，不過要明白圖2到4的任意備選OPO實施例都可用作圖5中的OPO部件10。
要注意在3微米或3微米附近，所選KTP晶體中的吸收能夠限制擴大上述任意一種結構中的OPO激光源的重復頻率。這樣，對于被認為是KTP的溫度帶寬通常較寬所造成的低于0.5瓦的平均功率OPO輸出，晶體長度內吸收水平為8～10％是可接受的。但是，要認識到在材料領域的某些進展中，可能要求把OPO的重復頻率增大到超過40～50Hz，借此可在不利于吸收OH-離子的形成的改變條件下實現生長。目前可預期這種發展，如果這種發展被實現，將允許把重復頻率增大到超過50Hz水平。例如通過交疊由單激光光束泵激的兩個OPO的輸出還可使重復頻率增大到100Hz水平。這些，及利用多種晶體的其它布置均在本發明的范圍之內。
在具有類似于KTP的性質的條件下，諸如KTA和RTA之類的其它KTP同晶型體也被看作使用上面指定的任意一種結構的中紅外OPO激光器的候選物。這樣具體晶體的選擇取決于性質，主要是與合適的相位匹配及在本發明的所選波長下的最小吸收相關的性質的組合。
最后，存在多種備選的OPO技術，如果在不遠的將來研究出這些技術，則這些技術可用于促進這里公開的外科手術用OPO激光器。這些改進包括使用周期性接入(poled)(PP)KTP，由于高度的非線性，這種KTP可提供很低的門限值。由于孔徑較小(＜1毫米)，PP KTP的輸出能量目前小于1毫焦，不過通過發展諸如熔融結合之類的技術，較大的PP KTP晶體將變成可能。此外，在1微米下被泵激的呈周期接入形式的LiNbO3也可是用于在有效模擬NCPM的準相位匹配條件下產生需要的2.9～3.0微米波長的候選晶體。孔徑同樣被限制在1毫米以下，不過未來的發展可能導致在不久的將來較大的PP晶體將成為可能。當然，3微米下LiNbO3中的吸收仍然是一個問題，尤其是對于較高的重復頻率，將必須解決這個問題。
我們還提及輸出波長在0.85～0.9微米范圍內的泵激激光源的利用代表了另一種備選OPO結構。借助這種泵激波長，非臨界相位匹配KTP(X-切割)成為可能，對于預期的外科手術應用，這將非常有益。但是，作為小型的，低成本的商用激光器，目前還不可獲得提供這種近紅外輻射的泵激激光器。候選物包括燈泵激的Ti藍寶石和CrLiSAF激光器，不易獲得具有要求的能量(大于100毫焦)，脈沖持續時間(小于25納秒)和重復頻率(大于10Hz)的上述兩種激光器。不過，這些和類似的激光器可能在將來被開發出，這樣也包括在本發明的范圍內。
這里表示和描述的實施例和變化只是舉例說明本發明的原理，在不脫離本發明的范圍和精神的情況下，本領域的技術人員能夠實現各種變化和修改。
權利要求
1.一種用于對組織進行激光外科手術過程的中紅外激光系統，所述系統包括產生具有約1.0～1.1微米波長的泵激光束的激光源裝置，用于把泵激光束參數轉換為空載光束和信號光束的非線性晶體，所述空載光束具有近似對應于所述組織的吸收峰值的中紅外范圍內的波長；及把所述空載光束引到所述組織上，以便主要借助光機械燒蝕除去所述組織部分的裝置。
2.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述激光源裝置是摻釹激光器。
3.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述泵激光束具有小于50納秒的脈沖持續時間，至少10Hz的重復頻率及由單模或多模組成的橫模結構。
4.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述非線性晶體是磷酸氧鈦鉀(KTP)晶體。
5.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述非線性晶體可繞三個主軸旋轉。
6.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述非線性晶體由周期性接入(periodically poled)的非線性材料，包括KTP及其同晶型體或LiNbO3構成。
7.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述非線性晶體是可調諧的，以便優化所述組織中的吸收。
8.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述空載光束具有至少1毫焦的能量輸出。
9.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述空載光束在角膜組織中的熱損傷區小于2微米。
10.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述外科手術過程是角膜燒蝕過程。
11.按照權利要求10所述的激光系統，其中所述角膜燒蝕過程是基于光致散裂反應機理的PRK技術。
12.按照權利要求1所述的激光系統，其中所述引導裝置包括構成“L”形布置的三個鏡子。
13.按照權利要求1所述的激光系統，其中非線性晶體以雙諧振振蕩器為基礎。
14.按照權利要求1所述的激光系統，包括由所述激光源裝置用交疊光束泵激的一對所述非線性晶體，從而獲得至少20Hz的總重復頻率。
15.按照權利要求1所述的激光系統，其中眼睛上的能量注量為100mJ/cm2～500mJ/cm2。
16.一種用于對組織進行激光外科手術過程的中紅外激光系統，所述系統包括產生具有約從1.0～1.1微米波長的泵激光束的激光源裝置，用于把泵激光束參數轉換為空載光束和信號光束的非線性晶體，所述空載光束具有在約2.85～3.0微米的中紅外范圍內的波長；及把所述空載光束引到所述組織上，以便主要借助光機械燒蝕除去所述組織部分的裝置。
17.一種對組織進行激光外科手術過程的方法，所述方法包括下述步驟產生具有約1.0～1.1微米波長的泵激光束，使所述泵激光束通過非線性晶體，把泵激光束參數轉換為空載光束和信號光束，所述空載光束具有近似對應于所述組織的吸收峰值的中紅外范圍內的波長；及把所述空載光束引到所述組織上，以便主要借助光機械燒蝕除去所述組織部分。
18.按照權利要求17所述的方法，其中所述激光源裝置是摻釹激光器。
19.按照權利要求17所述的方法，其中所述泵激光束具有小于50納秒的脈沖持續時間，至少10Hz的重復頻率及由單模或多模組成的橫模結構。
20.按照權利要求17所述的方法，其中所述非線性晶體是磷酸氧鈦鉀(KTP)晶體。
21.按照權利要求17所述的方法，其中所述非線性晶體可繞三個主軸旋轉。
22.按照權利要求17所述的方法，其中所述非線性晶體由周期性接入(periodically poled)的非線性材料，包括KTP及其同晶型體或LiNbO3構成。
23.按照權利要求17所述的方法，還包括調諧所述非線性晶體，以優化所述組織中的吸收的步驟。
24.按照權利要求17所述的方法，其中所述空載光束具有至少1毫焦的能量輸出。
25.按照權利要求17述的方法，其中所述空載光束在角膜組織中的熱損傷區小于2微米。
26.按照權利要求17所述的方法，其中所述外科手術過程是角膜燒蝕過程。
27.按照權利要求26所述的方法，其中所述角膜燒蝕過程是基于光致散裂反應機理的PRK技術。
28.按照權利要求17所述的方法，其中所述引導裝置包括構成“L”形布置的三個鏡子。
29.按照權利要求17所述的方法，其中非線性晶體以雙諧振振蕩器為基礎。
30.一種用于對組織進行激光外科手術過程的中紅外激光系統，所述系統包括產生具有約0.85～0.9微米波長的泵激光束的激光源，可繞三個主軸旋轉的，用于把泵激光束參數轉換為空載光束和信號光束的非線性晶體，所述空載光束具有在約2.85～3.0微米中紅外范圍內的波長，其中所述非線性晶體被非臨界相位匹配，并且所述晶體被定向，以便在沿著平行于所述主軸之一的所述空載光束的傳播方向上實現相位匹配；及把所述空載光束引到所述組織上的裝置。
31.一種用于對組織進行激光外科手術過程的中紅外激光系統，所述系統包括產生具有約0.85～1.1微米波長的泵激光束的激光源，所述泵激光束具有確定的偏振；用于把泵激光束參數轉換為空載光束和信號光束的非線性晶體，所述空載光束具有在約2.85～3.0微米中紅外范圍內的波長；使所述激光源與所述非線性晶體耦接的光纖裝置，所述光纖裝置維持所述偏振；及把所述空載光束引到所述組織上，以便主要借助光機械燒蝕除去所述組織部分的裝置。
32.一種用于從患者眼睛切除角膜組織的方法，所述方法包括下述步驟產生波長約為1微米的泵激光束；使所述泵激光束通過非線性晶體，把泵激光束參數轉換為空載光束和信號光束，所述空載光束具有對應于角膜吸收峰值的中紅外范圍內的波長；及按照預定模式使所述光束掃描通過在所述角膜組織的一個區域，以便主要借助光機械燒蝕除去所述角膜組織的部分。
33.按照權利要求32所述的方法，其中所述激光源裝置是摻釹激光器。
34.按照權利要求32所述的方法，其中所述泵激光束具有小于50納秒的脈沖持續時間，至少10Hz的重復頻率及由單模或多模組成的橫模結構。
35.按照權利要求32所述的方法，其中所述非線性晶體是磷酸氧鈦鉀(KTP)晶體。
36.按照權利要求32所述的方法，其中所述非線性晶體可繞三個主軸旋轉。
37.按照權利要求32所述的方法，其中所述非線性晶體由周期性接入(periodically poled)的非線性材料，包括KTP及其同晶型體或LiNbO3構成。
38.按照權利要求32所述的方法，還包括調諧所述非線性晶體，以優化所述組織中的吸收的步驟。
39.按照權利要求32所述的方法，其中所述空載光束具有至少1毫焦的能量輸出。
40.按照權利要求32述的方法，其中所述空載光束在角膜組織中的熱損傷區小于2微米。
41.按照權利要求32所述的方法，其中所述外科手術過程是角膜燒蝕過程。
42.按照權利要求41所述的方法，其中所述角膜燒蝕過程是基于光致散裂反應機理的PRK技術。
43.按照權利要求32所述的方法，其中所述引導裝置包括構成“L”形布置的三個鏡子。
44.按照權利要求32所述的方法，其中非線性晶體以雙諧振振蕩器為基礎。
45.一種用于從患者眼睛切除角膜組織的中紅外激光系統，所述系統包括產生具有約1.0～1.1微米波長的脈動泵激光束的激光源裝置，用于把泵激光束參數轉換為空載光束和信號光束的非線性晶體，所述空載光束具有在近似對應于角膜吸收峰值的中紅外范圍內的波長；及按照預定的模式使所述空載光束射到所述組織上，以便主要借助光機械燒蝕除去所述角膜組織部分的裝置。
46.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述激光源裝置是摻釹激光器。
47.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述泵激光束具有小于50納秒的脈沖持續時間，至少10Hz的重復頻率及由單模或多模組成的橫模結構。
48.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述非線性晶體是磷酸氧鈦鉀(KTP)晶體。
49.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述非線性晶體可繞三個主軸旋轉。
50.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述非線性晶體由周期性接入(periodically poled)的非線性材料，包括KTP及其同晶型體或LiNbO3構成。
51.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述非線性晶體是可調諧的，以便優化所述組織中的吸收。
52.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述空載光束具有至少1毫焦的能量輸出。
53.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述空載光束在角膜組織中的熱損傷區小于2微米。
54.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述外科手術過程是角膜燒蝕過程。
55.按照權利要求54所述的激光系統，其中所述角膜燒蝕過程是基于光致散裂反應機理的PRK技術。
56.按照權利要求45所述的激光系統，其中所述引導裝置包括構成“L”形布置的三個鏡子。
57.按照權利要求45所述的激光系統，其中非線性晶體以雙諧振振蕩器為基礎。
58.按照權利要求45所述的激光系統，包括由所述激光源裝置用交疊光束泵激的一對所述非線性晶體，從而獲得至少20Hz的總重復頻率。
59.按照權利要求45所述的激光系統，其中對眼睛的能量注量為100mJ/cm2～500mJ/cm2。
全文摘要
公開了一種用于外科手術應用的激光參數發生器,該激光參數發生器利用短脈沖,中紅外輻射。中紅外輻射可由泵激激光源(20),例如摻釹激光器產生,泵激激光源(20)提供的輻射在適當的非線性晶體(15)中被參數下變頻到要求的中紅外范圍。短脈沖把鄰近區域中的不希望的熱影響和變化降低到亞微米級。參數下變頻的輻射源最好在3.0微米或3.0微米左右,不過最好接近與組織相關的水吸收最大值下產生脈沖持續時間小于25納秒的輻射。下變頻到要求的中紅外波長最好由非線性晶體(15),例如KTP或其同晶型體產生。在一個實施例中,使用非臨界相位匹配晶體把來自近紅外源發射的880－900納米或880－900納米左右的波長變換到要求的2.9－3.0微米波長范圍。作為本發明的一部分,使用光纖、束光纖或另一波導管裝置使泵激激光器與光學參數振蕩器(OPO)空腔分開。
文檔編號A61F9/01GK1258210SQ98804945
公開日2000年6月28日 申請日期1998年1月28日 優先權日1997年3月14日
發明者威廉·B·泰爾法爾, 亨利·詹奇, 彼德·莫爾頓, 漢納·J·霍夫曼 申請人:艾維希恩公司