WO2004105661A1 - Verfahren und vorrichtung zum präzisen bearbeiten von material - Google Patents

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WO2004105661A1
WO2004105661A1 PCT/IB2004/001772 IB2004001772W WO2004105661A1 WO 2004105661 A1 WO2004105661 A1 WO 2004105661A1 IB 2004001772 W IB2004001772 W IB 2004001772W WO 2004105661 A1 WO2004105661 A1 WO 2004105661A1
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Mark Bendett
Mark Bischoff
Mario Gerlach
Dirk Muehlhoff
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Carl Zeiss Meditec Ag
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Definitions

  • the invention relates to a femtosecond laser system for the precise processing of material and tissue, in particular a laser device for precise, micrometer accurate processing of organic material, preferably an eye.
  • the material-processing effect of the laser is limited to the small spatial area of the laser focus (typically a few ⁇ m 3 ), in which the light intensity is high enough to exceed the threshold of the optical breakthrough. Localized to this focus volume, the cohesion of the material is destroyed and creates a cavitation bubble. If the laser focus is directed to a new position for each laser pulse, linear, area or three-dimensional patterns can be generated. The distance between adjacent cavitation bubbles must be approximately equal to their diameter at the end of processing, so that the material is easily mechanically removable along the cuts.
  • the existing lasers for material processing with femtosecond laser pulses use regenerative amplifiers with repetition rates up to 15 kHz, which amplify individual pulses of a femtosecond oscillator. While the oscillator itself provides only pulse energies in the nanjojoule range, the pulses can be amplified with a regenerative amplifier up to a few millijoules of pulse energy. While these laser sources are suitable for high erosion rate applications per laser pulse, they are not optimal for the precision cutting application described above.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device for the precise machining of material, with which these disadvantages of the prior art are overcome
  • the object is achieved by a device for precise machining of material, in particular organic material, which device generates cavitation bubbles in the material to be machined whose diameter is less than 10 ⁇ m.
  • a pulsed laser beam with a pulse energy of less than 5 ⁇ J Focused on a focus diameter of a few microns Preferably, the focus diameter amounts to about 3 .mu.m and the pulse energy 1 .mu.J
  • the device is characterized by the fact that it allows a very fast processing by using a pulse repetition rate of more than 50 kHz This is especially for the refractive corneal surgery of great advantage, because it allows an operating time of a few seconds to about 1 minute is achieved
  • a device for precise processing of material, in particular organic material comprising a pulsed laser system with the above b
  • a beam source in which by a jet devices with at least one means for beam deflection, a working beam of the beam source is applied to the material, wherein the pulse emission correlate
  • the above object is achieved by a device for precise machining of material, in particular organic material, comprising a pulsed laser system as a beam source, wherein the energy of the radiation about 100 nJ to 10 .mu.J, preferably 500 nJ to 5 .mu.J, the 2004/105661
  • the repetition rate of the radiation is preferably 50 kHz to 1 MHz, particularly preferably 100 kHz to 500 kHz.
  • the focus diameter of the radiation is preferably about 500 nm to 10 ⁇ m, more preferably 3 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the pulse duration of the radiation is preferably about 100 fs to 1 ps , more preferably 200 fs to 500 fs
  • the means for beam shaping and / or beam deflection or, more generally, the beam shaping and deflection systems may comprise diffractive or refractive micro-optics or adaptive optics or classical optical systems. With diffractive or refractive elements, it is possible to replace a plurality of conventional or conventional optical elements
  • Said device for precise processing of material is preferably used for ophthalmological eye treatment, in particular for correcting the refractive error of an eye.
  • the device can be used for cutting a flap or lenticle in the cornea for the correction of refractive error besides cutting the lenticle Device refractive structures in the cornea, for example in the form of flachcrowdedig juxtaposed spots or a point cloud generated
  • laser shots can be set directly to produce refractive structures.
  • small bubbles can be produced in the eye lens by vaporization of material or liquid.
  • Very many laser shots with comparatively low energy are required, as can be provided with the device according to the invention
  • the inventive device targeted cuts in the tissue, such as the eye lens to bring and thus improve the curability and elasticity of the eye lens, since the adjacent tissue parts now easier to move against each other
  • the device for precise processing of material, in particular organic material is used in this embodiment of the invention as a device for the treatment of presbyopia.
  • the beam shaping takes place either conventionally or with diffractive or refractive micro-optics or adaptive optics.
  • the beam deflection preferably takes place via scanning systems
  • Suitable laser beam sources are oscillator-amplifier arrangements, regenerative amplifiers, chirped-pulse amplifiers (CPA) or multipass amplifiers being particularly suitable for the amplifier
  • the mode-locked oscillator in particular disk laser oscillators, fiber laser oscillators, but also bar laser oscillators are suitable.
  • the amplifier in particular disk laser amplifiers, fiber laser amplifiers, but also bar laser amplifiers are suitable O 2004/105661
  • semiconductor laser diodes are particularly preferable because of their long life, reliability, controllability and their comparatively low manufacturing cost
  • Preferred laser media in the above laser beam sources are doped solid state materials, in particular crystals and glasses.
  • these are YAG, tungstates, sapphire and fluoride glasses
  • These host materials may preferably be doped with neodymium, erbium, titanium, chromium, lithium or ytterbium. All these materials are characterized by a spectrally broadband laser emission in the spectral range from 600 nm to 2000 nm and thus comprise the spectral range between 800 that is particularly suitable for refractive corneal surgery nm and 1200 nm
  • the device comprises an optical module which serves to suitably influence the spectral phase function of the laser pulses.
  • this optical module generates a linear pre-chirp whose magnitude is adapted to the linear chirp of the optical system It may already be suitably integrated in a laser beam source, in particular it may be combined with or identical to the pulse compressor of a CPA laser beam source
  • the micron precision material to be machined may include micron sized material, grids, contact lenses, plastics, intraocular lenses (IOL), semiconductor wafers, microoptical elements, etc.
  • organic matter such as tissue, most preferably the tissue of the human eye
  • the pulsed laser system is an arrangement of a laser beam source for generating fs pulses and corresponding optical devices, in particular mirrors, lenses, etc
  • the means for beam deflection are operated in the scan mode.
  • the working beam of the beam source can be deflected on pathways recurring in one dimension so that, for example, circular paths of different diameters or spiral paths can be produced of the working beam can be transmitted through a rotating or otherwise on a path
  • the means for beam deflection may comprise scanners, eg mechanical scanners, which are movably mounted on predetermined paths.
  • the present invention makes use of fast deflection systems, such as a mirror, a lens, a grating or the like.
  • the laser is released and thus laser pulses sent to the processing area.
  • slight modification of the natural path of the deflection system for example by a slight reduction of the orbit radius, for example by the amount of the distance adjacent
  • concentric tracks or spiral tracks or the like can be generated using a deflection mirror, this can for example by The aim is to cover the desired cut surface with a gleichlingerigen grid of effective volumes or Laserfoki
  • the natural paths of the deflection can be traversed very quickly with a defined timing due to the high repetition rate of the laser system Time sequence of the laser pulses then leads to the desired coverage of the cut surface with laser shots
  • jet devices for beam shaping and / or beam guidance and / or beam deflection and / or beam focusing are furthermore provided.
  • the beam can be directed and directed to the material to be processed exactly as the intended application requires focused on a focus diameter of the order of 3 microns ultra-short laser pulses, especially due to their low pulse energy of about l ⁇ J in a small, precise Kavitationsblase loose the Matenalzusammenhalt and / or cause structural changes in the material without adjacent areas in the material thermally, acoustically or mechanically too load
  • the laser focus is scanned three-dimensionally through the material to be processed.
  • the application case determines, like beam source, 2004/105661
  • Beam guidance and shaping, scanner, scanning algorithm and focusing optics are coordinated to achieve a high processing speed with high precision.
  • the beam shaping is preferably done by means of a telescope (preferably Galileo telescope with collecting and scattering lens), which widens the beam diameter so that the laser can be focused on a correspondingly small focus.
  • a telescope preferably Galileo telescope with collecting and scattering lens
  • a lens system is used which minimizes the aberrations of the telescope
  • the beam guidance is preferably carried out by mirrors or mirror pairs with which the beam can be adjusted into the individual subcomponents.
  • the beam deflection may be conventional scanners or mechanical laser beam deflection systems such as galvanometer mirrors in close-loop mode, etc.
  • mechanical scanners are preferred which traverse predetermined paths (e.g., circular paths) and thereby trigger laser pulses at the intended positions by triggering the beam source. For example, you can work on a large area of the cut surface with full repetition rate with relatively slow scanner movements.
  • the beam focusing device serves to cancel the cohesion of the material in the focus of the beam on or within the material.
  • Photo disruption Generally, this involves a local evaporation of the material.
  • the laser is preferably focused to a diameter in the micrometer range. This is close to the diffraction limit of light in the visible or near infrared range.
  • the focusing optics therefore preferably have a high numerical aperture and thus a short focal length and a large optical aperture (expanded laser beam diameter).
  • the beam emanating from the laser source is widened in diameter before focusing on the material or tissue.
  • the systems for beam guidance, deflection and focusing are therefore preferably designed for a large steel diameter.
  • Laser source, steel deflection (scanner) and focusing optics are coordinated so that precise and fast cutting is made possible by means of photo-disruption.
  • Laser spots with a focus diameter of a few 100 nm to several ⁇ m are placed with a spot distance of the order of the cavitation bubble diameter in the material.
  • the jet devices are programmable.
  • the tunability of the individual jet devices to each other and the control by appropriate programs, the system of the jet devices can be adjusted together with the pulsed laser system exactly on the material and the cutting request for which it is to be used.
  • the set of parameters to be selected and tuned by the program are programmable.
  • holding devices for positioning and / or fixing of the material to be processed are further provided by these holding devices ensures that the micrometer-accurate structures that can be produced by the laser according to the invention, not by uncontrollable movements of the material to be processed , especially of the human eye
  • Such a fixing and positioning device may be a simple clamping device for a workpiece, which is preferably equipped with multi-axis adjustment facilities for movement and tilting of the workpiece for optimal adjustment
  • Fixing devices for medical applications to organs such as the eye must also the respective biological conditions be adapted
  • the fixation of the human eye can be done for example with the help of a special adapter and a vacuum Saug ⁇ nges
  • the laser effect for the photodisruption can be precisely located in coordination with the described low-energy pulse energies and the deflection devices.
  • the material structure is destroyed, in closely adjacent areas (less than one micrometer away) Generally there is no change in the material. This results in a high degree of machining precision (micrometer accuracy) while preserving adjacent material regions. Thermal and mechanical stress on unprocessed regions is significantly lower than with other machining methods
  • a working beam of the beam source in geometrically predeterminable form in temporally predeterminable course applicable to the material through the interaction of the individual components is so possible to create sections and structuring
  • a laser pulse with defined pulse parameters pulse energy, pulse duration, focus
  • pulse energy, pulse duration, focus is sufficient for a spot in which the material structure has been resolved.
  • pulse energy, pulse duration, focus is sufficient for a spot in which the material structure has been resolved.
  • the spacing of adjacent spots should be of the order of magnitude at the end of the procedure
  • the laser focus can be scanned over or through the material.
  • the laser focus follows ideally 3-dimensional with micrometer accuracy of a given geometric path.
  • a special cutting guide can be realized with the device according to the invention.
  • no traditional flap is prepared, but the previously prepared with the device according to the invention in the cornea lenticles via one or more limited lateral sections, which are also generated with the device according to the invention, extracted at the periphery.
  • a fragmentation is so useful that then a removal of the parts can be done by suction with a suction-flushing cannula.
  • a device in which the pulsed working beam can be applied to the material by the beam deflection device and during which the repetition rate of the pulses of the working beam can be modified.
  • the laser beam is guided on a circular path of 1 cm in diameter at a repetition rate of 300 kHz, then 60000 spots are set uniformly distributed on each circular path per revolution. If the beam is then guided on a circle of only 0.5 cm diameter with the same frequency of the deflector, by lowering the repetition rate of the pulsed working beam, the same distance of the individual spots from each other on the material to be processed can be generated as in the Strahlbowung on the larger circular path.
  • the repetition rate as a function of the geometry traveled by the deflecting device, it is thus possible to generate any desired geometric patterns with a substantially constant spot spacing on the material to be processed.
  • spirals can be traversed,
  • any other geometric shapes Is a constant spacing of the individual spots on the material just not intended, but rather in a specific area a higher spot density and in a further area a lower spot density can be achieved, this can also be generated by combining the selected parameters for the repetition rate of the working beam and the frequency or the local course of the deflection so it is preferably also possible to produce gradually different areas with different focus density, for example For example, in a circle the center may have a very low focus distance as the focal distance to the edge increases
  • the object is also achieved by a method for applying fs pulses of a laser beam source having the above-mentioned properties, in particular a high repetition rate and low pulse energy, to a material, in particular an organic material, in particular the human eye, in which the material is focused in the laser beam is processed by photodisruption or its cohesion is resolved
  • Spots are generated from each other in the desired geometry on the material to be processed
  • the spot patterns are distributed on the material to be processed so that the cavitation bubble of each spot, which results from photodisruption, just adjacent to the cavitation bubble of the next
  • Spots is set In this way, then creates a desired pattern of directly adjacent cavitation bubbles
  • it may also be desired to set the spots even closer This is, for example, recommended if the material to be processed after a certain time renewed and the replacement the material for a specific time is to be ensured before, for example, the drill core or otherwise cut out
  • the spots are first set at a greater spacing to fill in the gaps between the spots in a subsequent step and thereby form a desired pattern of cavitation bubbles
  • the device according to the invention can be used for refractive surgery by processing the cornea or the lens of the eye
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a laser according to the invention
  • FIG. 2 shows another embodiment of a laser according to the invention with a surgical microscope and eye to be processed
  • Fig. 3 shows a schematic representation of some examples of possible sectional patterns that can be carried out with the laser system according to the invention
  • FIG. 5 shows the time profile of sequences of laser pulses in and outside the laser resonator.
  • Fig. 6 shows the Thomasbowung for generating a lenticle in section through the cornea
  • Fig. 7 shows the process of extracting the cut lenticle by a small lateral cut
  • Fig. 8 shows the cut lenticle in the plan view of the cornea
  • Fig. 9 shows another form of incision wherein the lenticle is divided and can be extracted by two lateral cuts
  • Fig. 10 shows a further embodiment of the inventive method wherein the lens is divided into many parts which are removed with a suction-rinsing device.
  • Figure 1 is a schematic representation of the individual components of a
  • Processing device 1 comprises as a beam source 11, a fs laser beam source.
  • Laser beam 15 is mirrored and a beam splitter 57 on a
  • the expanded laser beam 15 ' is then passed over a beam deflection device such as a scanner in XY
  • a beam focusing device 24 This is displaceable in the Z-axis and thus allows the displacement of the focus point by displacement of the beam focusing along the arrow Z.
  • a focusing optical system with variable focal length can be used to move the focus position controlled in the Z direction.
  • Fixing device 32 is held in position.
  • the material 90 is here a contact lens to be processed.
  • the spot 16 can also be moved by moving the Fixing device 32 in the direction of XY 'and Z' are aligned on or in the material
  • the laser beam 15 generated by the beam source 11 is focused on the material 90
  • a focus diameter of a few micrometers can be achieved that the laser beam 15 is focused with a beam diameter of a few millimeters through optics with a few centimeters focal length example results for a Gaussian beam profile, a focus diameter of three microns when focusing a laser beam of wavelength 1000 nm and a beam diameter of 10 mm with a focal length of 50 mm
  • the laser beam 15 at the output of the beam source 1 1 has a smaller beam diameter than is necessary for optimal focusing
  • the beam diameter can be adapted to the requirements
  • As beam widening optics 21 set to infinity telescope Galilei (diverging lens plus convergent lens) This results in no intermediate focus, which could lead under certain circumstances already to an optical breakthrough in air
  • the remaining laser energy is higher and the beam profile consistently good
  • the use of lens systems which lead to optimal imaging properties of the telescope
  • the laser focus is scanned three-dimensionally with micrometer precision.
  • the expanded laser beam 15 ' is deflected perpendicularly to the original beam direction by a deflection device.
  • the position of the focus shifts to the focusing optics 24 perpendicular to the original beam direction This allows the focus to be moved in a plane that is essentially flat and perpendicular to the laser beam direction (X / Y direction).
  • the movement parallel to the beam direction (Z direction) can be done by moving the workpiece ( see arrow Z ')
  • the scanning algorithms are then preferably designed so that the workpiece must be moved only slowly and the fast scanning movements are performed by the deflection on the other hand, the focusing optics can be moved parallel to the laser beam direction (arrow Z) to order the focus in the Z direction too Lowering Especially in medical applications, the second method is preferred because the patient generally can not be moved fast enough
  • the processed material 90 is fixed relative to the laser device in a fixing and Justagevor ⁇ chtung 32
  • the fixing device is adjusted perpendicular and parallel to the beam direction to place the pattern at the intended location in the material 90 A with the processing laser beam 15, 15 ' Collinear visible laser beam from a pilot laser 27 supports the adjustment
  • Mirrors or mirror pairs 22 are provided for beam guidance and for fine adjustment of the beam position between the individual components.
  • the nature of the mirrors is preferably selected such that the machining laser beam does not destroy it, the mirrors are highly reflective for the wavelength of the processing laser and sufficiently reflective for the pilot laser
  • the coating is selected such that the mirror does not substantially prolong the laser pulse duration.
  • at least one of the mirrors will be a so-called "chirped mirror" with which the dispersion of all optics present in the beam path can be compensated in order to optimally short pulses in the machining focus achieve.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the present laser processing apparatus with surgical microscope.
  • the construction essentially corresponds to the structure in FIG. 1. Identical parts are identified by the same reference symbols.
  • a human eye is provided here as the material 90.
  • this laser device will be described in detail, with which precise cuts in the cornea of the human eye can be made.
  • a circular surface that follows the curvature of the cornea and is centered to the optical axis of the eye to be cut with fs laser pulses within the cornea by a niksegmentfbrmigen edge section from the circular surface to the outside of the cornea creates a corneal flap (flap) after the laser cut can be folded to the side
  • Such a flap is used for the preparation of a LASIK operation in which laser ablation the thickness of the cornea is varied so that refractive errors of the eye can be compensated. So far, this cut is performed with a mechanical keratome, which requires a high degree of practice in the doctor and
  • a further curved curved surface which encloses a lenticle together with the first circular surface of the flap, which can be removed after opening the flap, can be used to perform a refractive correction of the cornea in the same operation.
  • the eye is pressed by a suction ring 32 to a contact glass 31, which is either flat, or preferably the curvature of the cornea is substantially adapted.
  • the suction ring is firmly connected to the exit window of the laser device, which ensures a defined position of the cornea relative to the laser focus.
  • the expanded femtosecond laser beam is focused with an optic 24 into the cornea.
  • a beam splitter which is highly reflective for the laser wavelength and transmitting light for visible light, reflects the laser beam in the beam path of a surgical microscope, which is used for observation and centering of the eye
  • the focusing optics 24 forms part of the microscope objective Together with a bundling optics can be a real Intermediate image of the cornea can be generated, which can be seen with the stereo eyepiece 80 can look spatially.
  • the beam deflection unit 23 deflects the " expanded " laser beam 15 perpendicular to its direction of propagation
  • the laser focus can be directed to different points in the cornea
  • the depth of focus can be varied by displacing the focusing optics 24 along the optical axis or by adjusting the focal length of the focusing optics ,
  • the deflection unit travels circular paths.
  • the circle radius is reduced from circular path to circular path and the repetition rate is adjusted so that a uniform spot spacing is maintained.
  • the depth of focus is adjusted from orbit to orbit so that the cut follows the curvature of the cornea. If astigmatic corrections of the sight (cylinder correction) are to be introduced, the depth of focus during the circular path can be moved up and down twice, so that a lenticle with a cylindrical lens portion is formed.
  • the focal depth is slowly shifted from the flap bottom to the outside of the cornea at a fixed radius, so that a cylinder jacket is created.
  • the laser beam must be interrupted to leave a "hinge" on which the prepared flap is held. For this purpose, the decoupling of laser pulses from the beam source 11 is simply interrupted.
  • the beam source 11 is a femtosecond beam source with the parameters described above, which is preferably directly diode pumped and thus simple and reliable.
  • the emitted laser beam 15 is preferably expanded to a 1-2 cm beam diameter with a Galilean telescope. Collinear with the expanded laser beam 15, a visible laser beam from a pilot laser 27 is superimposed, which is then scanned and focused together with the processing laser beam.
  • the beam splitter 57 is transparent to the femtosecond laser wavelength and reflective to the pilot beam for this purpose.
  • a laser device as described is used for a variety of applications (for example for refractive corrections of vision) in which cuts or structural transformations are made within the transparent components of the eye (cornea, lens, vitreous) and on the non-transparent parts such as sclera, iris, ciliary body to be, suitable.
  • the invention far surpasses existing technologies.
  • FIG. 3 shows in the sub-representations 3 a to d application examples of cutting geometries that can be realized with the laser system according to the invention. These applications are only examples - any other geometries can be realized.
  • the cohesion of the material 90 is repealed (photodisruption). In general, this is associated with local evaporation of the material.
  • the cavitation bubble hereinafter also called Spot 16
  • Spot 16 the O 2004/105661
  • a large number of individual spots which dissolve the material structure, are placed close to each other.
  • the distance between adjacent spots should be on the order of the spot diameter at the end of the procedure.
  • a predetermined volume eg, a bore in the material
  • FIG. 3d shows how cavities or structurings (eg changes in the optical properties) can be produced in a transparent material, depending on the nature of the material
  • FIG. 4 schematically shows a section of a possible scan pattern in which the individual spots 16 processed by individual laser pulses are arranged along tracks which can be traversed continuously by the scanner In order to achieve a sufficiently large spot spacing at high repetition rates of the beam source 11, the focus becomes very fast in at least one of three scan dimensions O 2004/105661 moves.
  • the scanning algorithms are therefore preferably designed so that the spots are placed along paths that correspond to the natural movements of the deflection unit.
  • the movement in the other two dimensions can then take place relatively slowly.
  • the natural paths of the deflection unit can be, for example, circular paths which can travel the deflection units at fixed circulating frequencies. This can be done, for example, by rotating optical elements in the deflection unit.
  • the radius of the circular path and the depth of focus (Z direction) are then the slowly variable scanning sizes. This variant is particularly suitable when rotationally symmetrical sectional figures have to be generated.
  • the repetition rate of the circular orbits can be used in such a way that the full repetition rate of the beam source at the desired spot distance d for the largest orbits to be traveled (B) If the circular paths are smaller in the radius (A) when the pattern is cut off, the repetition rate of the source can be correspondingly reduced so that the optimal spot distance results again.
  • An adaptation of the rotational frequency to the repetition rate of the source may be technologically more difficult, in particular if this is done continuously for each circular path (A, B). However, an adjustment of the rotational frequency may be required to reduce the processing time In a few steps to the smaller circular paths be beneficial
  • FIG. 5 shows possible sequences of laser pulses in and outside of an oscillator-amplifier arrangement.
  • the rotational frequency of the laser pulses in the oscillator 40 depends only on the resonator length and is predetermined for a specific beam source and lies at resonator lengths of a few meters around 100 MHz.
  • the pulses 41 are coupled into the amplifier and amplified. If a lower repetition rate is desired, the amplification of the pulses 43 takes place. A change in the repetition rate of the amplified laser pulses can thus be realized in an effortless manner.
  • FIG. 6 shows a sectional view of the human cornea 107 with front side 100 and rear side 101.
  • the lenticle 103 is formed by the two planar sections 104 and 105.
  • a small lateral section 102 which leads to the anterior corneal surface 100 allows the extraction of the lenticle 103. This extraction is shown in FIG. The remaining cavity collapses 106
  • FIG. 8 shows the cornea in plan view.
  • the boundary 111 of the lenticle 103 and the cuts leading to the front surface of the cornea can be seen.
  • the front surface of the cornea is severed and the extraction of the lens is made possible
  • FIG. 9 shows a further preferred form of the cut.
  • the lenticle was divided into two parts 123 and 124 by a cut 122.
  • two extraction cuts 120 and 121 are made appropriate.
  • the lens part 123 is removed by the extraction section 120 and the lens part 124 by the extraction section 121.
  • FIG. 10 illustrates another embodiment of the method according to the invention.
  • the lenticle bounded by the edge 111 is cut into many small fragments 132. These can now be aspirated using a cannula 133, which preferably has a diameter adapted to the fragment size.
  • This process can be assisted by a flushing device via a second cannula 134, which is inserted into an opposite channel or also the same channel.
  • the rinsing agent 136,135 is preferably isotonic saline, although other solutions may be used. This procedure realizes a minimal weakening of the cornea by this method of refractive laser surgery.

Abstract

Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material, insbesondere organischem Gewebe, bei dem Laserimpulse mit einer Pulslänge zwischen 50fs und 1 ps und mit einer Pulsfrequenz von 50 kHz bis 1 MHz und mit einer Wellenlänge zwischen 600 and 2000 nm auf das zu bearbeitende Material einwirken.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material
Die Erfindung betrifft ein Femtosekunden-Lasersystem zur präzisen Bearbeitung von Material und Gewebe, insbesondere ein Lasergerät zur präzisen, mikrometer genauen Bearbeitung von organischem Material, bevorzugt einem Auge.
In einem wertvollen Beitrag zum Stand der Technik wird in der Patentschrift DE 197 46 483 der Anmelderin beschrieben, wie mit Mikrometerpräzision bei der großflächigen Bearbeitung von Materialien mit Lasern mit großem Spotdurchmesser (mm - cm) makroskopische Materialmengen ablatiert, verdampft oder geschmolzen werden (CO2- Laser, Nd.YAG, Excimer ...).
In einem weiteren wertvollen Beitrag zum Stand der Technik wird in der Patentschrift DE 197 27 573 der Anmelderin ein Algorithmus beschrieben, wie ein Laserstrahl abgelenkt werden kann, um eine bestmögliche und präzise Bearbeitung von Material zu gewährleisten.
In der US 5, 656, 186 wird ein Verfahren zum Bearbeiten vom Material bei gleichzeitiger Vermeidung oder Minimierung von schädigenden Nebenwirkungen (Schmelzränder, thermische Schädigung, akustische Schockwellen, Rissbildung) durch Wahl einer speziellen Pulsdauer in Abhängigkeit vom Material beschrieben.
Die materialbearbeitende Wirkung des Lasers ist dabei auf den kleinen Raumbereich des Laserfokus (typischerweise einige μm3) beschränkt, in dem die Lichtintensität hoch genug ist, um die Schwelle des optischen Durchbruchs zu überschreiten. Lokalisiert auf dieses Fokusvolumen wird der Zusammenhalt des Materials zerstört und es entsteht eine Kavitationsblase. Wird der Laserfokus für jeden Laserpuls an eine neue Position gelenkt, können lineare, flächige oder dreidimensionale Schnittmuster generiert werden. Der Abstand benachbarter Kavitationsblasen muss am Ende der Bearbeitung etwa ihrem Durchmesser entsprechen, damit das Material entlang der Schnitte leicht mechanisch ablösbar ist.
Die bestehenden Lasergeräte für die Materialbearbeitung mit Femtosekunden- Laserpulsen verwenden regenerative Verstärker mit Repetitionsraten bis 15 kHz, mit denen einzelne Pulse eines Femtosekundenoszillators verstärkt werden. Während der Oszillator selbst nur Pulsenergien im Nanojoule Bereich bereitstellt, können die Pulse mit einem regenerativen Verstärker bis zu einigen Millijoule Pulsenergie verstärkt werden. Während diese Laserquellen für Anwendungen mit hohen Abtragsraten pro Laserpuls geeignet sind, sind sie nicht optimal für die oben beschriebene Anwendung für Präzisionsschnitte.
Es ist bekannt, solche Laser für die refraktive Hornhautchirurgie zu verwenden. Übliche Pulsenergien betragen 5μJ bis lOμJ. Dadurch werden Kavitationsblasen erzeugt, deren Durchmesser lOμm bis 30μm beträgt. Durch diese Blasengröße wird eine Mikrorauhigkeit des erzeugten Schnittes in gleicher Größenordnung bewirkt. Bekannt ist andererseits, dass eine Mikrorauhigkeit in dieser Größenordnung nur unbefriedigende refraktive Ergebnisse gestattet. In K. König et al , Optics Letters Vol. 26, No. 11 (2001) wurde beschrieben, wie auch mit Nanojoule-Pulsen aus einem Femtosekunden-Oszillator Schnitte in Gewebe ausgeführt werden können. Da dabei aber ein einzelner Laserpuls nicht zur Ausbildung einer Kavitationsblase fuhrt, sondern mehrere, an die gleiche Stelle plazierte Pulse notig sind, um eine Schnittwirkung zu erzielen, eignet sich dieses Verfahren nur für sehr feine Schnittfiguren im Mikrometermaßstab Für den industriellen bzw medizinischen Einsatz ist diese Laserquelle nicht geeignet
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur präzisen Bearbeitung von Material bereitzustellen, mit der diese Nachteile des Standes der Technik überwunden werden
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelost Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhangigen Ansprüchen angegeben
Insbesondere wird die Aufgabe gelost durch eine Vorrichtung zur präzisen Bearbeitung von Material, insbesondere organischem Material, wobei diese Vorrichtung im zu bearbeitenden Material Kavitationsblasen erzeugt, deren Durchmesser weniger als lOμm betragt Um dies zu erreichen, wird ein gepulster Laserstrahl mit einer Pulsenergie von weniger als 5μJ auf einen Fokusdurchmesser von wenigen μm fokussiert Vorzugsweise betragt der Fokusdurchmesser etwa 3μm und die Pulsenergie 1 μJ Weiterhin zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass sie durch Verwendung einer Pulswiederholrate von mehr als 50 kHz eine sehr schnelle Bearbeitung gestattet Dies ist insbesondere für die refraktive Hornhautchirurgie von großem Vorteil, weil damit eine Operationszeit von wenigen Sekunden bis ca 1 Minute erreicht wird Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Vorrichtung zur präzisen Bearbeitung von Material, insbesondere organischem Material, umfassend ein gepulstes Lasersystem mit den oben beschriebenen Parametern als Strahlquelle, bei dem durch eine Strahleinrichtungen mit mindestens einem Mittel zur Strahlablenkung ein Arbeitsstrahl der Strahlquelle auf das Material applizierbar ist, wobei die Pulsaussendung mit der Strahlablenkung korreliert und wobei das Mittel zur Strahlablenkung Mittel zur Freigabe von Laserpulsen umfasst Unter Freigabe wird dabei verstanden, dass der Laser für einen Laserimpuls freigegeben wird und der Laserimpuls ausgelost wird, sobald der Laser entsprechend seiner maximalen Repetitionsrate erneut einen Laserimpuls abgeben kann Unter Korrelation der Pulsaussendung mit der Strahlablenkung wird insbesondere verstanden, dass die Pulsaussendung erfolgen kann, wenn der Strahl auf einen bestimmten Punkt gelenkt wurde, die Pulsaussendung also in Abhängigkeit der Strahlablenkung angesteuert wird
In einer besonderen Ausgestaltung wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur präzisen Bearbeitung von Material, insbesondere organischem Material, umfassend ein gepulstes Lasersystem als Strahlquelle, wobei die Energie der Strahlung etwa 100 nJ bis 10 μJ, vorzugsweise 500 nJ bis 5 μJ, beträgt Die 2004/105661
Repetitionsrate der Strahlung betragt dabei vorzugsweise 50 khz bis 1 Mhz, besonders bevorzugt 100 khz bis 500 khz Der Fokusdurchmesser der Strahlung beträgt dabei vorzugsweise etwa 500 nm bis 10 μm, besonders bevorzugt 3μm bis 5μm Die Pulsdauer der Strahlung betragt vorzugsweise etwa 100 fs bis 1 ps, besonders bevorzugt 200 fs bis 500 fs
Die Mittel zur Strahlformung und/oder Strahlablenkung bzw allgemeiner formuliert die Strahlformungs- und -ablenkungssysteme können difFraktive oder refraktive Mikrooptiken oder adaptive Optiken oder klassische optische Systeme umfassen Mit diffraktiven oder refraktiven Elementen kann man dabei mehrere klassische bzw konventionelle optische Elemente ersetzen
Die genannte Vorrichtung zur präzisen Bearbeitung von Material wird vorzugsweise eingesetzt für die ophthalmologische Augenbehandlung, insbesondere zur Korrektur der Fehlsichtigkeit eines Auges Die Vorrichtung kann zum Schneiden eines Flaps oder Lentikels in der Cornea zur Korrektur der Fehlsichtigkeit verwendet werden Neben einem schneiden des Lentikels können mit der erfindungsgemaßen Vorrichtung refraktive Strukturen in der Cornea, beispielsweise in Form flachenmaßig nebeneinander gesetzter Spots oder einer Punktwolke, erzeugt werden
Ebenso können unmittelbar Laserschusse zur Erzeugung refraktiver Strukturen gesetzt werden Beispielsweise können in der Augenlinse kleine Bläschen durch verdampfen von Material bzw Flüssigkeit erzeugt werden Dazu sind sehr viele Laserschusse mit vergleichsweise niedriger Energie erforderlich, wie sie mit der erfindungsgemaßen Vorrichtung bereit gestellt werden können
Ebenso ist es möglich, mit der erfindungsgemaßen Vorrichtung gezielte Schnitte in das Gewebe, beispielsweise der Augenlinse, einzubringen und damit die Krummbarkeit und Elastizität der Augenlinse zu verbessern, da sich die benachbarten Gewebeteile nun leichter gegeneinander verschieben lassen Die Vorrichtung zur präzisen Bearbeitung von Material, insbesondere organischem Material, wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung als Vorrichtung zur Behandlung der Presbyopie eingesetzt Die Strahlformung erfolgt entweder konventionell oder mit diffraktiven bzw refraktiven Mikrooptiken oder adaptiven Optiken Die Strahlablenkung erfolgt vorzugsweise über Scansysteme
Geeignete Laserstrahlquellen sind Oszillator- Verstärker-Anordnungen, wobei für den Verstärker insbesondere regenerative Verstarker, Chirped-Pulse- Verstarker (CPA) oder Multipass- Verstarker geeignet sind
Hinsichtlich der Bauform des modengekoppelten Oszillators sind insbesondere Scheibenlaseroszillatoren, Faserlaseroszillatoren, aber auch Stablaseroszillatoren geeignet Hinsichtlich der Bauform des Verstärkers sind insbesondere Scheibenlaserverstärker, Faserlaserverstärker, aber auch Stablaserverstärker geeignet O 2004/105661
Als Pumpquelle für die Lasermedien sind Halbleiter-Laserdioden aufgrund ihrer langen Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Regelbarkeit und ihrer vergleichsweise geringen Herstellungskosten besonders vorzuziehen
Bevorzugte Lasermedien in obigen Laserstrahlquellen sind dotierte Festkorpermateπahen, insbesondere Kristalle und Gläser Beispielsweise sind dies YAG, Wolframate, Saphir und Fluoridgläser
Diese Wirtsmaterialien können bevorzugt mit Neodym, Erbium, Titan, Chrom, Lithium oder Ytterbium dotiert werden Alle diese Materialien zeichnen sich durch eine spektral breitbandige Laseremission im Spektralbereich von 600 nm bis 2000 nm aus und umfassen damit den für die refraktive Hornhautchirurgie besonders geeigneten Spektralbereich zwischen 800 nm und 1200 nm
Die große spektrale Bandbreite der Laseremission der oben genannten Materialien unterstutzt eine ultrakurze Laserpulsdauer zwischen 50 fs und 1 ps Dabei ist es nicht erforderlich, dass der Laser selbst Pulse dieser Pulsdauer emittiert, dass aber die bevorzugte Impulsdauer von etwa 300 fs im zu bearbeitenden Werkstuck bzw auf seiner Oberflache erreicht wird Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung ein optisches Modul welches dazu dient, die spektrale Phasenfünktion der Laserpulse geeignet zu beeinflussen Insbesondere erzeugt dieses optische Modul einen linearen Pre-Chirp, dessen Betrag dem linearen Chirp des optischen Systems angepasst ist Diese optische Modul kann bereits in einer Laserstrahlquelle geeignet integriert sein, insbesondere kann es mit dem Pulskompressor einer CPA-Laserstrahlquelle kombiniert oder mit diesem identisch sein
Das bevorzugt mit Mikrometergenauigkeit zu bearbeitende Material kann Material mit Strukturen im Mikrometerbereich, Gitter, Kontaktlinsen, Kunststoffe, Intraokkularlinsen (IOL), Halbleiterwafer, mikrooptische Elemente etc umfassen Besonders bevorzugt ist organisches Material, wie beispielsweise Gewebe, besonders bevorzugt das Gewebe des menschlichen Auges
Das gepulste Lasersystem ist eine Anordnung einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung von fs-Pulsen und entsprechenden optischen Vorrichtungen, insbesondere Spiegel, Linsen, etc
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Strahlablenkung im Scan-Modus betrieben werden Der Arbeitsstrahl der Strahlquelle kann dabei auf in einer Dimension periodisch wiederkehrenden Bahnen abgelenkt werden, sodass beispielsweise kreisförmige Bahnen unterschiedlicher Durchmesser oder spiralförmige Bahnen erzeugt werden können Die Bahnen des Arbeitsstrahles können durch eine rotierende oder in anderer Weise auf einer Bahn O 2004/105661 gehaltenen Vorrichtung, beispielsweise durch einen Spiegel, eine Linse, ein Gitter oder dergleichen, erzeugt werden Die Mittel zur Strahlablenkung können Scanner, z B mechanische Scanner, umfassen, die auf vorgegebenen Bahnen bewegbar gelagert sind Die vorliegende Erfindung nutzt schnelle Ablenksysteme, die den Laser auf den naturlichen Bahnen des Ablenksystems ablenkt, also z B auf Kreisbahnen oder Spiralbahnen bei rotierenden Ablenksystemen Anstatt einzelne Positionen anzufahren und dort einen Laserimpuls auszulosen, sobald die vorgegebene Position erreicht ist und das Ablenksystem wieder ruht, wird die Bahn des Ablenksystems ohne Stops durchlaufen und die Pulse werden durch eine vorgewählte, über die Bahngeschwindigkeit der Fokusbewegung vorgegebene Repetitionsrate beginnend zu einem definierten Zeitpunkt abgegeben
Sobald also die Fokusposition einen bestimmten Punkt erreicht hat, wird der Laser freigegeben und damit Laserpulse auf das Bearbeitungsgebiet gesendet Dies führt zu einer Spur von Wirkvolumina, mithin durch den Laserfokus wahrend der kurzen Pulsdauer modifizierte Stellen im Material, entlang einer im wesentlichen vordefinierten Bahn, die insbesondere dadurch ausgezeichnet ist, dass benachbarte Wirkvolumina in gleichbleibendem, vordefiniertem Abstand, beispielsweise in der Größenordnung des Durchmessers der Kavitationsblasen, platziert werden Durch leichte Modifikation der naturlichen Bahn des Ablenksystems, z B durch eine leichte Reduktion des Kreisbahnradius, beispielsweise um den Betrag des Abstandes benachbarter Wirkvolumina, können weitere Spuren geschrieben werden, die sich zu einer Schnittflache erganzen Beispielsweise können hier konzentrische Bahnen oder spiralförmige Bahnen oder dergleichen erzeugt werden Bei Verwendung eines Ablenkspiegels kann dies beispielsweise durch eine Veränderung der Neigung bei gleichbleibender Rotation des Spiegels geschehen Ziel ist es, die gewünschte Schnittflache mit einem gleichmaßigen Raster von Wirkvolumina bzw Laserfoki zu überdecken Die naturlichen Bahnen des Ablenksystems können aufgrund der hohen Repetitionsrate des Lasersystems sehr schnell mit definiertem zeitlichem Ablauf durchfahren werden Die Anpassung der zeitlichen Abfolge der Laserpulse führt dann zur gewünschten Uberdeckung der Schnittflache mit Laserschussen
Bei einem weiteren Ausfuhrungsbeispiel der vorhegenden Erfindung sind weiterhin Strahleinrichtungen zur Strahlformung und/oder Strahlführung und/oder Strahlablenkung und/oder Strahlfokusierung vorgesehen Durch diese Strahleinrichtungen kann der Strahl genau so auf das zu bearbeitende Material gelenkt und geleitet werden, wie es die geplante Anwendung erfordert Die hier auf einen Fokusdurchmesser in der Größenordnung von 3 μm fokussierten ultrakurzen Laserpulse können insbesondere aufgrund ihrer geringen Pulsenergie von etwa lμJ in einer kleinen, präzisen Kavitationsblase den Matenalzusammenhalt losen und/oder strukturelle Veränderungen im Material hervorrufen ohne benachbarte Gebiete im Material thermisch, akustisch oder mechanisch zu belasten Für makroskopische Schnitte und Strukturen im Zentimetermaßstab wird der Laserfokus dreidimensional durch das zu bearbeitende Material gescannt Der Anwendungsfall bestimmt, wie Strahlquelle, 2004/105661
Strahlführung und -formung, Scanner, Scanalgorithmus und Fokussieroptik aufeinander abgestimmt werden, um eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Präzision zu erreichen.
Die Strahlformung geschieht dabei bevorzugt mittels eines Teleskops (bevorzugt Galilei-Teleskop mit Sammel- und Streulinse), das den Strahldruchmesser so aufweitet, dass der Laser auf einen entsprechend kleinen Fokus fokussiert werden kann Bevorzugt wird ein Linsensystem verwendet, das die Abbildungsfehler des Teleskops weitgehend minimiert
Die Strahlführung erfolgt bevorzugt durch Spiegel oder Spiegelpaare, mit denen der Strahl in die einzelnen Subkomponenten justiert werden kann.
Die Strahlablenkung können konventionelle Scanner bzw mechanische Laserstrahl- Ablenksysteme wie Galvanometerspiegel im Close-Loop-Betrieb, etc. sein Bevorzugt jedoch sind mechanische Scanner, die vorgegebene Bahnen (z.B. Kreisbahnen) abfahren und durch Triggerung der Strahlquelle an den vorgesehenen Positionen dadurch Laserpulse ausgelöst werden. So kann auf einem großen Bereich der Schnittfläche mit voller Repetitionsrate bei relativ langsamen Scannerbewegungen gearbeitet werden.
Die Strahlfokussierungseinrichtung dient dazu, im Fokus des Strahls auf oder innerhalb des Materials den Zusammenhalt des Materials aufzuheben (Photo disruption) Im Allgemeinen geht das mit einer lokalen Verdampfung des Materials einher. Bevorzugt wird der Laser hierfür auf einen Durchmesser im Mikrometerbereich fokussiert. Dies liegt nahe am Beugungslimit von Licht im sichtbaren bzw. nahen Infrarotbereich. Die Fokussieroptik weist daher bevorzugt eine hohe numerische Apertur und damit eine kurze Brennweite und eine große optische Öffnung (aufgeweiteter Laserstrahl Durchmesser) aus. Bevorzugt wird der von der Laserquelle ausgehende Strahl vor der Fokussierung auf das Material bzw. Gewebe im Durchmesser aufgeweitet. Die Systeme zur Strahlführung, -ablenkung und -fokussierung sind daher bevorzugt für einen großen Stahldurchmesser ausgelegt.
Laserquelle, Stahlablenkung (Scanner) und Fokussieroptik sind so aufeinander abgestimmt, dass präzise und schnelle Schnittführung im Wege der Fotodisruption ermöglicht wird Dabei werden Laserspots mit einem Fokusdurchmesser von einigen 100 nm bis einigen μm mit einem Spotabstand in der Größenordnung des Kavitationsblasendurchmessers im Material platziert.
In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Strahleinrichtungen, insbesondere die Ablenkeinrichtungen, programmierbar. Durch die Abstimmbarkeit der einzelnen Strahleinrichtungen aufeinander und die Steuerung durch entsprechende Programme kann das System der Strahleinrichtungen zusammen mit dem gepulsten Lasersystem genau auf das Material und die Schnittanforderung eingestellt werden, für die es eingesetzt werden soll. So kann in Abhängigkeit der Transparenz und Brechkraft des zu bearbeitenden Materials sowie der Anforderung an Schnittgeometrie und Operationsdauer das Set an Parametern durch das Programm vorgewählt und abgestimmt werden
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind weiterhin Haltevorrichtungen zur Positionierung und/oder Fixierung des zu bearbeitenden Materials vorgesehen Durch diese Haltevorrichtungen wird sichergestellt, dass die mikrometergenauen Strukturen, die durch den erfindungsgemaßen Laser hergestellt werden können, nicht durch unkontrollierbare Bewegungen des zu bearbeitenden Materials, insbesondere des menschlichen Auges, beeinträchtigt werden
Eine solche Fixier- und Positioniervorrichtung kann eine einfache Klemmvorrichtung für ein Werkstuck sein, das bevorzugt mit Mehrachsen-Justagemoghchkeiten zur Bewegung und Verkippung des Werkstucks zur optimalen Justage ausgestattet ist Fixiereinrichtungen für die medizinische Anwendungen an Organen wie zum Beispiel dem Auge müssen außerdem den jeweiligen biologischen Gegebenheiten angepasst sein Die Fixierung des menschlichen Auges kann zum Beispiel mit Hilfe eines speziellen Adapters und eines Vakuum-Saugπnges erfolgen
Mit den beschriebenen hohen Repetitionsraten kann in Abstimmung mit den beschriebenen Pulsenergien geringen Betrages und der Ablenkeinrichtungen die Laserwirkung für die Photodisruption präzise lokalisiert werden Hierdurch wird in einem scharf begrenzten Fokusvolumen das Mateπalgefüge zerstört, in dicht benachbarten Bereichen (von weniger als ein Mikrometer entfernt) findet im Allgemeinen keine Veränderung des Materials statt Daraus ergibt sich eine hohe Bearbeitungsprazision (Mikrometergenauigkeit) bei Schonung benachbarter Materialregionen Thermische und mechanische Beanspruchung der nicht bearbeiteten Regionen sind deutlich geringer als bei anderen Bearbeitungsmethoden
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist durch die Strahleneinrichtung, insbesondere die Ablenkeinrichtung, ein Arbeitsstrahl der Strahlquelle in geometrisch vorbestimmbarer Form in zeitlich vorbestimmbarem Verlauf auf das Material applizierbar Durch das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten ist so möglich, Schnitte und Strukturierungen zu erzeugen Zur Erzeugung eines Spots, in dem das Materialgefüge aufgelost wurde, genügt im Allgemeinen ein Laserpuls mit definiertem Pulsparametern (Pulsenergie, Pulsdauer, Fokus) Für Schnitte und Strukturierung ist eine Vielzahl solcher Spots dicht nebeneinander zu plazieren Der Abstand benachbarter Spots sollte am Ende der Prozedur in der Größenordnung der Kavitationsblasen liegen Dafür kann der Laserfokus scannend über bzw durch das Material bewegt werden Der Laserfokus folgt in idealer Weise 3-dimensional mit Mikrometergenauigkeit einer vorgegebenen geometrischen Bahn So ist es beispielsweise möglich, einen Schnitt in dem zu bearbeitenden Material dadurch zu erzeugen, dass eine beliebige Flache, zum Beispiel eine Rechteckflache benachbarter Mikrometerspots in dem Gewebe nacheinander 2004/105661 scannend angesteuert wird. Dadurch wird genau in dieser Ebene der Materialzusammenhalt aufgelöst und dadurch ein "Schnitt" im Gewebe erzeugt. Genauso ist es möglich, den Laserfokus durch Kreisbewegungen des Scanners in einer Kreisbahn auf das zu bearbeitende Material zu applizieren. Durch eine sich anschließende helixförmige Führung des Bearbeitungsstrahls kann so beispielsweise eine Zylinderfläche aus dem Material herausgeschnitten werden. Da die Photodisruption bevorzugt in einem sehr engen Bereich stattfindet, kann der Laserstrahl auch im Gewebe wirken, ohne dass das vom Laserstrahl außerhalb des Fokus durchdrungene Material beschädigt wird. Auf diese Weise sind beliebige geometrische Bahnen und damit Formen durch Photodisruption in dem Material herausschneidbar.
Bei der refraktiven Hornhautchirurgie kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine spezielle Schnittführung realisiert werden. Dabei wird kein traditioneller Flap präpariert, sondern das zuvor mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Cornea präparierte Lentikel über einen oder mehrere begrenzte seitliche Schnitte, welche ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden, am Umfang extrahiert. Zu diesem Zweck kann es vorteilhaft sein, dass Lentikel zuvor durch einen oder mehrere Schnitte mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu zerteilen. Insbesondere ist eine Zerteilung derart sinnvoll, dass anschließend eine Entfernung der Teile mittels Absaugung mit einer Saug-Spül-Kanüle erfolgen kann.
Beim bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der der gepulste Arbeitsstrahl durch die Strahlablenkungseinrichtung auf das Material applizierbar ist und währenddessen die Repetitionsrate der Pulse des Arbeitsstrahles modifizierbar ist. Durch das Vorsehen einer Einrichtung zur Modifizierung der Repetitionsrate bei gleichzeitiger Strahlfuhrung des Arbeitsstrahles über das zu bearbeitende Material kann auf diese Weise elegant ein gleichmäßiges Spotmuster auf dem zu behandelnden Material erzeugt werden, auch wenn der Strahl unter verschiedenen Winkeln bzw. verschieden schnell durch die Ablenkeinrichtung auf das zu bearbeitende Material gerichtet wird. Ein besonders augenfälliger Vorteil wird beispielsweise dann erreicht, wenn die Ablenkeinrichtung den Strahl in Kreisbahnen auf das zu bearbeitende Material lenkt und diese Kreisbahnen mit einer speziellen Umlauffrequenz der Ablenkeinrichtung, insbesondere beispielsweise der Ablenkspiegel, erzeugt wird. Wird bei einer Umlauffrequenz von beispielsweise 50Hz der Laserstrahl auf einer Kreisbahn von 1cm Durchmesser bei einer Repetitionsrate von 300kHz geführt, dann werden auf jeder Kreisbahn pro Umlauf gleichmäßig verteilt 60000 Spots gesetzt. Wenn der Strahl dann auf einem Kreis von nur 0,5 cm Durchmesser mit derselben Frequenz der Ablenkeinrichtung geführt wird, kann durch Erniedrigung der Repetitionsrate des gepulsten Arbeitsstrahles der gleiche Abstand der einzelnen Spots voneinander auf dem zu bearbeitenden Material erzeugt werden, wie bei der Strahlfuhrung auf der größeren Kreisbahn. Durch eine entsprechende Modifikation der Repetitionsrate in Abhängigkeit der durch die Ablenkeinrichtung abgefahrenen Geometrie lassen sich so beliebige geometrische Muster mit einem im Wesentlichen gleich bleibenden Spotabstand auf dem zu bearbeitenden Material erzeugen. Beispielsweise können Spiralen abgefahren werden, bei denen von außen nach innen bei gleichbleibender Umlauffirequenz der Ablenkeinrichtung die Repetitionsrate immer weiter abnimmt Daneben sind auch beliebige andere geometrische Formen denkbar Ist eine konstante Beabstandung der einzelnen Spots auf dem Material gerade nicht beabsichtigt, sondern soll vielmehr in einem speziellen Bereich eine höhere Spotdichte und in einem weiteren Bereich eine niedrigere Spotdichte erreicht werden, so kann dies ebenfalls durch Kombination der gewählten Parameter für die Repetitionsrate des Arbeitsstrahles und die Frequenz bzw den ortlichen Verlauf der Ablenkeinrichtung erzeugt werden So ist es bevorzugt auch möglich, graduell unterschiedliche Bereiche mit verschiedener Fokusdichte zu erzeugen Beispielsweise kann bei einem Kreis das Zentrum einen sehr niedrigen Fokusabstand aufweisen wahrend der Fokusabstand zum Rand hin immer großer wird
Die Aufgabe wird auch gelost durch ein Verfahren zur Applikation von fs-Pulsen einer Laserstrahlquelle mit oben genannten Eigenschaften, insbesondere hoher Repetitionsrate und geringer Pulsenergie, auf ein Material, insbesondere ein organisches Material, insbesondere das menschliche Auge, bei dem im Fokus des Laserstrahls das Material mittels Photodisruption bearbeitet wird bzw dessen Zusammenhalt aufgelost wird
Beim besonders bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der gepulste
Laserstrahl mittels einer Ablenkeinrichtung auf das zu bearbeitende Material gelenkt und in Abhängigkeit des hierdurch auf dem Material erzeugten Spotmusters die
Repetitionsrate der Pulse des Laserstrahls modifiziert Auf diese Weise kann jedes beliebige Spotmuster und insbesondere jede beliebige Beabstandung der einzelnen
Spots voneinander in der gewünschten Geometrie auf dem zu bearbeitenden Material erzeugt werden Besonders bevorzugt werden die Spotmuster so auf dem zu bearbeitenden Material verteilt, dass die Kavitationsblase jedes einzelnen Spots, die durch Photodisruption entsteht, genau benachbart zu der Kavitationsblase des nächsten
Spots gesetzt wird Auf diese Weise entsteht dann ein gewünschtes Schnittmuster direkt benachbarter Kavitationsblasen Für spezielle Anwendungsfalle kann es auch gewünscht sein, die Spots noch enger zu setzen Dies ist beispielsweise dann empfehlenswert, wenn das zu bearbeitende Material sich nach einer gewissen Zeit wieder erneuert und die Ablösung des Materials für eine spezielle Zeit sichergestellt werden soll, bevor beispielsweise der Bohrkern oder ein sonst herausgeschnittenes
Stuck des zu bearbeitenden Materials entfernt werden kann Ebenso ist es denkbar, dass die Spots zuerst mit einer größeren Beabstandung gesetzt werden, um in einem folgenden Schritt die Lücken zwischen den Spots zu füllen und dadurch ein gewünschtes Muster von Kavitationsblasen zu bilden
Die erfindungsgemaße Vorrichtung kann verwendet werden zur refraktiven Chirurgie durch Bearbeitung der Cornea oder der Linse des Auges
Im Folgenden sollen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert werden Hierbei zeigt O 2004/105661
Fig 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasers
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers mit Operationsmikroskop und zu bearbeitendem Auge,
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung von einigen Beispielen möglicher Schnittmustern, die mit dem erfindungsgemäßen Lasersystem ausgeführt werden können;
Fig 4 zeigt schematisch eine Detailansicht einer Folge von Laserspots auf Kreislinien und
Fig 5 zeigt den zeitlichen Verlauf von Folgen von Laserpulsen im und außerhalb des Laserresonators.
Fig. 6 zeigt die Schnittfuhrung zur Erzeugung eines Lentikels im Schnitt durch die Cornea
Fig. 7 zeigt den Vorgang der Extrahierung des geschnittenen Lentikels durch einen kleinen seitlichen Schnitt
Fig. 8 zeigt das geschnittene Lentikel in der Draufsicht der Cornea
Fig. 9 zeigt eine weitere Form der Schnittführung wobei das Lentikel zerteilt wird und durch zwei seitliche Schnitte extrahiert werden kann
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausbildung des erfindungsgemaßen Verfahrens wobei die Linse in viele Teile zerteilt wird welche mit einer Saug-Spül-Einrichtung entfernt werden.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung der einzelnen Komponenten eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasersystems dargestellt Die
Bearbeitungsvorrichtung 1 umfaßt als Strahlquelle 11 eine fs-Laserstrahlquelle. Der
Laserstrahl 15 wird über Spiegel und einen Strahlteiler 57 auf eine
Strahlaufweitungsoptik 21 ausgekoppelt. Der aufgeweitete Laserstrahl 15' wird dann über eine Strahlablenkungseinrichtung wie beispielsweise einen Scanner in XY-
Richtung auf eine Strahlfokussierungseinrichtung 24 gelenkt. Diese ist in der Z-Achse verschiebbar und erlaubt so die Verschiebung des Fokuspunktes durch Verschiebung der Strahlfokussierungseinrichtung entlang des Pfeiles Z. Alternativ kann ein fokussierendes optisches System mit veränderlicher Brennweite verwendet werden, um die Fokusposition in Z-Richtung kontrolliert zu verschieben. Der fokussierte Laserspot
16 wird so auf das zu bearbeitende Material 90 gelenkt, das durch eine
Fixierungsvorrichtung 32 in seiner Position gehalten wird. Das Material 90 ist hier eine zu bearbeitende Kontaktlinse. Der Spot 16 kann auch durch Verschieben der Fixierungsvorrichtung 32 in Richtung XY' bzw Z' auf bzw in dem Material ausgerichtet werden
Durch die Bearbeitungsvorπchtung 1 wird der von der Strahlquelle 11 erzeugte Laserstrahl 15 auf das Material 90 fokussiert Ein Fokusdurchmesser von wenigen Mikrometern kann dadurch erreicht werden, dass der Laserstrahl 15 mit einem Strahldurchmesser von einigen Millimetern durch eine Optik mit einigen Zentimetern Brennweite fokussiert wird Beispielsweise ergibt sich für ein gaußformiges Strahlprofil ein Fokusdurchmesser von drei Mikrometern, wenn ein Laserstrahl der Wellenlange 1000 nm und einem Strahldurchmesser von 10 mm mit einer Brennweite von 50 mm fokussiert wird
Im Allgemeinen besitzt der Laserstrahl 15 am Ausgang der Strahlquelle 1 1 einen geringeren Strahldurchmesser als zur optimalen Fokussierung notwendig ist Mit einer Strahlaufweitungsoptik 21 kann der Strahldurchmesser den Erfordernissen angepaßt werden Bevorzugt kann als Strahlaufweitungsoptik 21 ein auf unendlich eingestelltes Teleskop nach Galilei (Zerstreuungslinse plus Sammellinse) eingesetzt werden Hierbei entsteht kein Zwischenfokus, der unter Umstanden schon zu einem optischen Durchbruch in Luft führen konnte Damit ist die verbleibende Laserenergie hoher und das Strahlprofil gleichbleibend gut Bevorzugt ist die Verwendung von Linsensystemen, die zu optimalen Abbildungseigenschaften des Teleskops führen Durch Justage des Teleskops können auch Fertigungsschwankungen in der Strahldivergenz der Strahlquelle 11 ausgeglichen werden
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Laserfokus scannend über bzw durch das Material bewegt Der Laserfokus bzw Laserspot 16 wird so dreidimensional mit Mikrometergenauigkeit gescannt Der aufgeweitete Laserstrahl 15' wird senkrecht zur ursprunglichen Strahlrichtung durch eine Ablenkeinrichtung 23 abgelenkt Hierbei verschiebt sich die Lage des Fokus 16 nach der Fokussieroptik 24 senkrecht zur ursprunglichen Strahlrichtung Damit kann der Fokus in einer Flache, die im Wesentlichen eben und senkrecht zur Laserstrahlrichtung ist (X/Y-Richtung) bewegt werden Die Bewegung parallel zur Strahlrichtung (Z-Richtung) kann zum einen durch bewegen des Werkstucks erfolgen (siehe Pfeil Z') Die Scan-Algorithmen sind dann bevorzugt so ausgelegt, dass das Werkstuck nur langsam bewegt werden muß und die schnellen Scannbewegungen von der Ablenkeinheit ausgeführt werden Zum anderen kann auch die Fokussieroptik parallel zur Laserstrahlrichtung bewegt werden (Pfeil Z), um damit den Fokus in Z-Richtung zu senken Insbesondere bei medizinischen Applikationen ist die zweite Methode bevorzugt, da der Patient im allgemeinen nicht schnell genug bewegt werden kann
Das bearbeitete Material 90 wird relativ zum Lasergerat in einer Fixier- und Justagevorπchtung 32 fixiert Bevorzugt wird hier die Fixiervorrichtung senkrecht und parallel zur Strahlrichtung justiert, um das Schnittmuster an die vorgesehene Stelle im Material 90 plazieren zu können Ein mit dem bearbeitenden Laserstrahl 15, 15' kolinearer sichtbarer Laserstrahl aus einem Pilotlaser 27 unterstützt hierbei die Justierung
Zur Strahlfuhrung und zur Feinjustage der Strahllage zwischen den einzelnen Komponenten sind Spiegel bzw Spiegelpaare 22 vorgesehen Die Beschaffenheit der Spiegel wird bevorzugt so gewählt, dass der bearbeitende Laserstrahl diesen nicht zerstört, die Spiegel hoch reflektierend für die Wellenlänge des Bearbeitungslasers und hinreichend reflektierend für den Pilotlaser sind Bevorzugt wird die Beschichtung so gewählt, dass der Spiegel die Laserpulsdauer nicht wesentlich verlängert Besonders bevorzugt wird mindestens einer der Spiegel ein sogenannter "Chirped Mirror" sein, mit dem die Dispersion aller im Strahlengang vorhandenen Optiken kompensiert werden kann, um optimal kurze Pulse im Bearbeitungsfokus zu erzielen.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Laserbearbeitungsvorrichtung mit Operationsmikroskop gezeigt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau in Figur 1 Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet Als Material 90 ist hier ein menschliches Auge vorgesehen Es soll nun beispielhaft dieses Lasergerat detailiert beschrieben werden, mit dem präzise Schnitte in der Hornhaut des menschlichen Auges eingebracht werden können. Dabei soll eine kreisförmige Fläche, die der Krümmung der Hornhaut folgt und zur optischen Achse des Auges zentriert ist, mit fs-Laserpulsen innerhalb der Hornhaut geschnitten werden Durch einen kreissegmentfbrmigen Randschnitt von der Kreisfläche bis zur Außenseite der Hornhaut entsteht ein Hornhautlappen (Flap), der nach dem Laserschnitt zur Seite geklappt werden kann
Solch ein Flap dient zur Vorbereitung einer LASIK-Operation, bei der durch Laserabtrag die Dicke der Hornhaut so variiert wird, dass refraktive Fehler des Auges kompensiert werden Bisher wird dieser Schnitt mit einem mechanischen Keratom durchgeführt, was ein hohes Maß an Übung beim Arzt voraussetzt und risikobehaftet ist Zusatzlich kann durch eine weitere gekrümmte Kreisflache, die zusammen mit der ersten Kreisflache des Flaps ein Lentikel umschließt, das nach Aufklappen des Flaps entnommen werden kann, im gleichen Arbeitsgang eine refraktive Korrektur der Hornhaut erfolgen.
Bei der besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird das Auge durch einen Saugring 32 an ein Kontaktglas 31 gedrückt, das entweder eben ist, oder bevorzugt der Krümmung der Hornhaut im Wesentlichen angepaßt ist. Der Saugring ist fest mit dem Austrittsfenster des Lasergerätes verbunden, was für eine definierte Lage der Hornhaut relativ zum Laserfokus sorgt Der aufgeweitete Femtosekunden-Laserstrahl wird mit einer Optik 24 in die Hornhaut fokussiert. Ein Strahlteiler, der für die Laserwellenlange hochreflektierend und für sichtbares Licht transmitierend ist, spiegelt den Laserstrahl in den Strahlengang eines Operationsmikroskopes ein, das zur Beobachtung und Zentrierung des Auges dient Die Fokussieroptik 24 bildet dabei einen Teil des Mikroskopobjektives Zusammen mit einer bündelnden Optik kann ein reelles Zwischenbild der Hornhaut erzeugt werden, das man sich mit dem Stereo-Okular 80 räumlich anschauen kann. Die Strahlablenkeinheit 23 lenkt den" aufgeweiteten' Laserstrahl 15 senkrecht zu dessen Ausbreitungsrichtung aus. Somit kann der Laserfokus auf unterschiedliche Punkte in der Hornhaut gerichtet werden. Die Fokυstiefe kann durch verschieben der Fokussieroptik 24 längs der optischen Achse oder durch Anpassung der Brennweite der Fokussieroptik variiert werden.
Vorzugsweise werden mit der Ablenkeinheit Kreisbahnen abgefahren. Zum Schneiden der Kreisfläche wird der Kreisradius von Kreisbahn zu Kreisbahn verringert und die Repetitionsrate so angepasst, dass ein einheitlicher Spot-Abstand beibehalten wird. Die Fokustiefe wird von Kreisbahn zu Kreisbahn so angepasst, dass der Schnitt der Krümmung der Hornhaut folgt. Sollen astigmatische Korrekturen der Sehkraft (Zylinderkorrektur) eingebracht werden, kann die Fokustiefe während der Kreisbahn zweimal auf und ab bewegt werden, so das ein Lentikel mit Zylinderlinsenanteil entsteht. Für die Flapkante wird bei festem Radius die Fokustiefe vom Flapboden langsam bis zur Außenseite der Hornhaut verschoben, so dass ein Zylindermantel entsteht. Auf einem Bogenstück der dabei beschriebenen Kreise muss der Laserstrahl unterbrochen werden, um einen "Hinge", an dem der präparierte Flap festgehalten wird, zu belassen. Dazu wird einfach das Auskoppeln von Laserpulsen aus der Strahlquelle 11 unterbrochen.
Die Strahlquelle 11 ist eine Femtosekunden-Strahlquelle mit den oben beschriebenen Parametern, der bevorzugt direkt diodengepumpt und damit einfach und zuverlässig ist. Der emittierte Laserstrahl 15 wird bevorzugt mit einem Galilei-Teleskop auf 1-2 cm Strahldurchmesser aufgeweitet. Kollinear zum aufgeweiteten Laserstrahl 15 wird ein sichtbarer Laserstrahl aus einem Pilotlaser 27 überlagert, der dann zusammen mit dem Bearbeitungslaserstrahl gescannt und fokussiert wird. Der Strahlteiler 57 ist für diesen Zweck transparent für die Femtosekunden-Laserwellenlänge und reflektierend für den Pilotstrahl.
Die Vielfalt der möglichen Schnittfiguren hängt nur von den Scanalgorithmen ab. Prinzipiell ist ein Lasergerät wie beschrieben zu einer Vielzahl von Applikationen (beispielsweise für refraktive Korrekturen der Sehkraft), bei denen Schnitte oder Strukturumwandlungen innerhalb der transparenten Bestandteile des Auges (Hornhaut, Linse, Glaskörper) und auf den nichttransparenten Teilen wie Sclera, Iris, Zilliarkörper vorgenommen werden sollen, geeignet. Damit übertrifft die Erfindung selbst in diesem kleinen Teilbereich der Anwendung in Universalität und Präzision (Schonung von umliegendem Gewebe) bestehende Technologien bei weitem.
In Figur 3 sind in den Unterdarstellungen 3 a bis d Anwendungsbeispiele von Schnittgeometrien gezeigt, die mit dem erfindungsgemäßen Lasersystem realisiert werden können. Diese Anwendungen sind nur beispielhaft - es können beliebige weitere Geometrien realisiert werden. Im Fokus 16 des Lasers wird der Zusammenhalt des Materials 90 aufgehoben (Photodisruption). Im Allgemeinen geht das mit einer lokalen Verdampfung des Materials einher. Nach der Einwirkung des Laserpulses ist in einem kleinen Volumen, der Kavitationsblase (im folgenden auch Spot 16 genannt) das O 2004/105661
Materialgefüge dauerhaft oder für einen bis mindestens zum Ende der Bearbeitungsdauer dauernden Zeitraum aufgehoben Der Einsatz eines stark fokussierten Femtosekunden-Lasers bietet damit die präziseste Lokalisierung der Laserwirkung In dem scharf begrenzten Fokusvolumen wird damit das Materialgefüge zerstört, während es in dicht benachbarten Bereichen (schon weniger als ein Mikrometer entfernt) im Allgemeinen keine Veränderung des Materials stattfindet Daraus ergibt sich eine hohe Bearbeitungspräzision bei Schonung benachbarter Materialregionen
Für Schnitte und Strukturierungen werden eine Vielzahl von einzelnen Spots, die das Materialgefüge auflösen, dicht nebeneinander platziert Der Abstand benachbarter Spots sollte am Ende der Prozedur in der Größenordnung des Spotdurchmessers liegen In Figur 3 a wird ein vorbestimmtes Volumen (z B eine Bohrung im Material) durch vollständiges Ausfüllen des abzutragenden Volumens mit einzelnen Spots 16 generiert Bei einem solchen nicht transparenten Material geht man dabei schichtweise beginnend mit der dem Laser zugewandten Schicht von Spots vor
In Figur 3 b wird nur der Rand der Bohrung mit Spots überdeckt Es soll hier ein Schnitt durch das Material gezeigt sein Die Spots 16 sollen rotationssymmetrisch um die gestrichelt eingezeichnete Achse Z angeordnet sein Auf diese Weise wird ein Bohrkern in der Mitte des bearbeiteten Materials 90 erzeugt. Der Bohrkern kann anschließend als zusammenhangendes Stuck entnommen werden Die benotigte Anzahl von Laserpulsen verringert sich damit insbesondere bei großen Querschnittsflachen der Bohrung erheblich im Vergleich zur Figur 3 a
In Figur 3 c ist eine Unterschneidung in einem transparenten Material 90 gezeigt Da die Strahlung vom Material 90 nicht absorbiert wird, sind zusammenhangende Material stucke durch Platzierung von Spots auf der Schnittkante aus dem Material herauslosbar, wenn dieses an die Oberfläche grenzt
In Figur 3 d ist gezeigt, wie in einem transparenten Material je nach Beschaffenheit des Materials Hohlräume bzw Strukturierungen (z B. Änderungen der optischen Eigenschaften) erzeugt werden können
Für makroskopische Schnittfiguren (im Zentimeterbereich) werden einige Millionen Laserspots benotigt, selbst um nur die Schnittfläche (wie in Figuren 3 b und c) dicht genug mit Spots zu überdecken Für viele Anwendungen (insbesondere medizinische Applikationen) ist es vorteilhaft, die Bearbeitungs- bzw Behandlungszeit so gering wie möglich zu halten Die Strahlquelle des Lasergerats ist daher erfindungsgemäß in der Lage, Laserpulse mit einer hohen Repetitionsrate abzugeben In Figur 4 wird schematisch ein Ausschnitt aus einem möglichen Scanmuster gezeigt, bei dem die einzelnen von einzelnen Laserpulsen bearbeiteten Spots 16 entlang von Bahnen angeordnet sind, die vom Scanner kontinuierlich abgefahren werden können Um bei hohen Repetitionsraten der Strahlquelle 11 einen hinreichenden großen Spotabstand zu erzielen, wird der Fokus in mindestens einer von drei Scandimensionen sehr schnell O 2004/105661 bewegt. Die Scan-Algorithmen werden daher bevorzugt so ausgelegt, dass die Spots entlang von Bahnen, die den natürlichen Bewegungen der Ablenkeinheit entsprechen, platziert werden. Die Bewegung in den anderen zwei Dimensionen kann dann relativ langsam erfolgen Die naturlichen Bahnen der Ablenkeinheit können z.B Kreisbahnen sein, die die Ablenkeinheiten mit festen Umlauffrequenzen abfahren kann. Das kann z.B. durch rotierende optische Elemente in der Ablenkeinheit erfolgen Der Radius der Kreisbahn und die Fokustiefe (Z-Richtung) sind dann die langsam veränderbaren Scangrößen. Diese Variante eignet sich besonders, wenn rotationssymmetrische Schnittfiguren erzeugt werden müssen Die Repetitionsrate des Lasers läßt sich dann besonders effektiv nutzen, wenn die Umlauffrequenz der Kreisbahnen so gewählt wird, dass bei den größten abzufahrenden Kreisbahnen (B) die volle Repetitionsrate der Strahlquelle zum gewünschten Spotabstand d führt Werden die Kreisbahnen beim Abfahren des Schnittmusters kleiner im Radius (A), kann die Repetitionsrate der Quelle entsprechend verringert werden, so dass sich wieder der optimale Spotabstand ergibt. Diese Anpassung der Repetitionsrate ist bei der beschriebenen Laserstrahlquelle ohne Weiteres möglich Eine Anpassung der Umlauffrequenz an die Repetitionsrate der Quelle kann technologisch schwieriger sein, insbesondere wenn diese kontinuierlich für jede Kreisbahn (A, B) erfolgt Für eine Verringerung der Bearbeitungszeit kann aber eine Anpassung der Umlauffrequenz in wenigen Schritten an die kleineren Kreisbahnen von Vorteil sein
In Figur 5 sind mögliche Folgen von Laserpulsen in und außerhalb einer Oszillator- Verstärker-Anordnung dargestellt Die Umlauffrequenz der Laserpulse im Oszillator 40 hängt nur von der Resonatorlange ab und ist für eine bestimmte Strahlquelle vorgegeben und liegt bei Resonatorlängen von wenigen Metern um 100 MHz. Bei der hier dargestellten regenerativen Verstärkung werden beispielsweise die Pulse 41 in den Verstärker eingekoppelt und verstärkt. Wird eine geringere Repetitionsrate gewünscht, erfolgt die Verstärkung der Pulse 43 Eine Veränderung der Repetitionsrate der verstärkten Laserimpulse ist auf diese Weise aufwandgering zu realisieren.
Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung der menschlichen Hornhaut 107 mit Vorderseite 100 und Rückseite 101. Das Lentikel 103 wird durch die beiden flächigen Schnitte 104 und 105 gebildet. Ein kleiner seitlicher Schnitt 102, welcher bis zur Hornhautvorderfläche 100 führt ermöglicht die Extraktion des Lentikels 103. Diese Extraktion ist in Figur 7 dargestellt. Der verbleibende Hohlraum kollabiert 106
Figur 8 stellt die Hornhaut in der Draufsicht dar. Erkennbar ist die Berandung 111 des Lentikels 103, sowie die an die Hornhautvorderfläche führenden Schnitte 102. Entlang der Linie 110 wird die Hornhautvorderfläche durchtrennt und die Extraktion der Linse ermöglicht
Figur 9 stellt eine weitere bevorzugte Form der Schnittführung dar. Dabei wurde das Lentikel in zwei Teile 123 und 124 durch einen Schnitt 122 zerteilt Statt eines einzigen Extraktions Schnittes 110 werden hier zwei Extrakationsschnitte 120 und 121 angebracht. Im nachfolgenden wird das Linsenteil 123 durch den Extraktionsschnitt 120 und das Linsenteil 124 durch den Extraktionsschnitt 121 entfernt.
Figur 10 stellt eine weitere Ausprägung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In dieser Ausprägung wird das durch den Rand 111 berandete Lentikel in viele kleine Fragmente 132 zerschnitten. Diese können nun mit Hilfe einer Kanüle 133, die vorzugsweise einen an die Fragmentgröße angepassten Durchmesser besitzt, abgesaugt werden. Dieser Vorgang kann durch eine Spüleinrichtung über eine zweite Kanüle 134, die in einen gegenüberliegenden Kanal oder auch den gleichen Kanal eingeführt wird, unterstützt werden. Das Spülmittel 136,135 ist vorzugsweise isotonische Kochsalzlösung wobei auch andere Lösungen eingesetzt werden können. Dieses Verfahren realisiert eine minimalste Schwächung der Cornea durch diese Methode der refraktiven Laserchirurgie.
Die Erfindung wurde an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Fachmännische Weiterentwicklungen führen nicht zu einem Verlassen des durch die Ansprüche definierten Schutzumfangs.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material, insbesondere organischem Gewebe, bei dem Laserimpulse mit einer Pulslänge zwischen 50fs und lps und mit einer Pulsfrequenz von 50 kHz bis 1 MHz und mit einer Wellenlänge zwischen 600 und 2000 nm auf das zu bearbeitende Material einwirken.
2. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 1, wobei die Energie der einzelnen Impulse zwischen 100 nJ und 5 μJ liegt.
3. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserimpulse auf oder in das Material fokussiert werden und die Fokuspunkte in drei Dimensionen geführt werden.
4. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 3, wobei die Fokuspunkte so geführt werden, dass eine im wesentlichen zusammenhängende Schnittfläche in dem Material erzeugt wird.
5. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 4, wobei eine zweite Schnittfläche in dem Material erzeugt wird, welche zusammen mit der ersten Schnittfläche einen im wesentlichen linsenförmigen Materialteil umschließt.
6. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 5, wobei weitere Schnittflächen in dem abgetrennten Materialteil erzeugt werden.
7. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 4 oder 5, wobei mindestens ein Schnitt zwischen der Materialoberfläche und dem abgetrennten Materialteil erzeugt wird.
8. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 5 oder 6 in Verbindung mit Anspruch 7, wobei das mindestens eine Materialteil durch den mindestens einen Schnitt aus dem Material extrahiert wird.
9. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der zeitliche Abstand der Laserimpulse in Abhängigkeit vom Ort des Fokuspunktes variiert wird.
10. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 3 oder 9, wobei die Geschwindigkeit mit der die Fokuspunkte gefuhrt werden in Abhängigkeit vom Ort der Fokuspunkte variiert wird.
11. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material, insbesondere organischem Gewebe, mit einem gepulsten Laser wobei der Laser eine Pulslänge zwischen 50fs und lps und mit einer Pulsfrequenz von 50 kHz bis 1 MHz aufweist.
12. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 11, wobei die Energie der einzelnen Laserimpulse zwischen 100 nJ und 5 μJ liegt
13. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 11 oder 12, wobei weiterhin Strahleinrichtungen zur Strahlformung und/ oder Strahlführung und/oder Strahlablenkung und/oder Strahlfokussierung vorgesehen sind.
14. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 1 Iwobei die Strahleinrichtungen programmierbar sind.
15. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei weiterhin Haltevorrichtungen zur Positionierung und/ oder Fixierung des zu bearbeitenden Materials vorgesehen sind.
16. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach einem der Ansprüche
11 bis 15, wobei durch die Strahleinrichtungen ein Arbeitsstrahl der Strahlquelle in geometrisch vorbestimmbaren Formen in zeitlich vorbestimmbarem Verlauf auf oder in das Material applizierbar ist
17. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 16, wobei der gepulste Arbeitsstrahl durch die Strahlablenkungseinrichtung auf das Material applizierbar ist und währenddessen die Repetitionsrate modifizierbar ist.
18. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der Laser ein Faserlaser ist.
19. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der Laser ein Scheibenlaser ist.
20. Vorrichtung zum präzisen Bearbeiten von Material nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei der Laser eine Kombination von Faserlaseroszillator und Scheibenlaserverstärker ist.
21. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 7, wobei die Länge des Schnittes zwischen der Materialoberfläche und dem Materialteil entlang der Materialoberfläche deutlich kleiner als der Umfang des Materialteils ist.
22. Verfahren zum präzisen Bearbeiten von Material nach Anspruch 8, wobei das Materialteil in kleine Fragmente zerteilt wird und die Extraktion dieser Fragmente mittels einer Saug-/Spüleinrichtung durchgeführt wird.
23. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19 zur refraktiven Chirurgie.
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