專利名稱：重復率根據掃描速度可調的高功率飛秒激光器的制作方法
技術領域：
本專利文獻涉及飛秒激光器，包括可調節重復率高功率飛秒激光器。
背景技術：
在許多當今不斷更具挑戰性的激光應用中，持續存在對更短脈沖且每個脈沖具有高能的需要。這些特征允許激光應用的更好控制以及更大的工作速度。該領域發展中的重要階段是輸出飛秒激光脈沖的激光系統的出現和成熟。這些飛秒激光器能被用于各種各樣的應用，包括許多不同類型的眼科手術，其中這些超短脈沖可以提供具有良好控制的組織修飾。
發明內容
在本文中提供了構造和操作飛秒脈沖激光器的設計和技術，包括具有啁啾脈沖放大的激光系統的例子和實現，其中一些具有少量的光學元件，一些具有低故障頻率，其他一些具有適當小的物理延伸區(extent)，另一些則能夠允許重復率的改變但無需系統進行大的重新調節，而一些對于熱透鏡效應具有降低的敏感度。例如，激光引擎的一些例子包括生成和輸出飛秒種子脈沖束的振蕩器，展寬種子脈沖持續時間的展寬器-壓縮器，以及從展寬器-壓縮器接收展寬的種子脈沖、放大所選的展寬的種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖并且輸出放大的展寬脈沖的激光束的放大器，其中展寬器-壓縮器接收放大的展寬脈沖的激光束，壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，并且輸出脈沖持續時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束，并且放大器包括降低放大的展寬脈沖的色散的色散補償器。在一些例子中，振蕩器是二極管泵浦光纖振蕩器，并且輸出變換限制(transform-limited)的種子脈沖。在一些例子中，振蕩器生成種子脈沖持續時間小于1000飛秒的光束。在一些實現中，振蕩器輸出種子脈沖重復率在IO-1OOMHz或20-50MHZ范圍內的光束。在一些實現中，展寬器-壓縮器包括啁啾體布拉格光柵。在一些實現中，展寬器-壓縮器包括光熱折射玻璃。在一些實現中，展寬器-壓縮器展寬飛秒種子脈沖的持續時間達10倍以上。在一些實現中，展寬器-壓縮器將飛秒種子脈沖的持續時間展寬至1000-200000飛秒的展寬持續時間。在一些實現中，激光引擎不包含可調整的展寬器-壓縮器。在一些實現中，激光引擎包括位于振蕩器和展寬器-壓縮器之間的偏振器和λ /4片，其使展寬的種子脈沖束重定向為朝向放大器。在一些實現中，激光引擎包括法拉第隔離器，其接收來自展寬器-壓縮器的展寬種子脈沖束，朝向放大器輸出該展寬種子脈沖束，接收來自放大器的放大的展寬脈沖激光束，朝向展寬器-壓縮器的壓縮器端口輸出放大的展寬脈沖激光束，并將振蕩器與放大的展寬脈沖激光束相隔離。在一些實現中，放大器包括光學元件，而色散補償器引入與放大器的光學元件引入的色散的符號相反的色散。在一些實現中，由色散補償器引入的色散與由放大器中除色散補償器以外的光學元件在一次往返內引入的色散基本上幅度相等且符號相反。在一些實現中，色散補償器包括啁啾反射鏡、啁啾光纖、啁啾光柵、棱鏡、或者啁啾透射光學元件中的至少一種。在一些實現中，放大器包括放大所選的展寬種子脈沖的幅度的增益材料，定義諧振腔的兩個端鏡，以及使諧振光路在放大器內折疊的兩個折疊反射鏡，其中兩個端鏡和兩個折疊反射鏡中的至少一個是啁啾反射鏡。在一些實現中，啁啾反射鏡將負色散引入到放大的展寬脈沖中。在一些實現中，激光引擎被配置為輸出具有第一重復率的激光束，并隨后利用激光引擎的所有光學元件的基本上相同的設置輸出具有不同的第二重復率的激光束。在一些實現中，第一重復率和第二重復率落入10kHz-2MHz、50kHz_lMHz或100kHz-500kHz 的范圍內。在一些實現中，當未經修改的激光引擎對于第一和第二重復率采用不同的光學元件設置時，激光引擎能夠被修改以利用與第一重復率的情況基本上相同的所有光學元件的設置，來輸出具有第二重復率的激光束。在一些實現中，放大器被配置為在重復率改變時改變放大器中放大的展寬脈沖的往返次數，同時保持放大器的光學設置不變。在一些實現中，放大器具有小于一米的端鏡至端鏡折疊光路。在一些實現中，放大器是腔倒空再生放大器、啁啾脈沖放大器或Q開關放大器。在一些實現中，放大器在端鏡之間的光路中具有可切換的偏振器，其能夠通過在偏振調節狀態和偏振非調節狀態之間切換而選擇展寬的脈沖，其中在偏振調節狀態中，可切換偏振器調節放大的展寬脈沖的偏振，而在偏振非調節狀態中，可切換偏振器基本上不調節放大的展寬脈沖的偏振。在一些實現中，激光引擎可以包括高壓功率開關，其控制可切換偏振器以從偏振非調節狀態切換至偏振調節狀態，其上升時間小于5納秒、4納秒或3納秒。在一些實現中，激光引擎在1-120秒、10-60秒或20_50秒內將飛秒脈沖激光束的
第一重復率改變為第二重復率。在一些實現中，激光引擎在1μ s -1s范圍的改變時間內將飛秒脈沖激光束的第
一重復率改變至第二重復率。在一些實現中，放大器包括至少一個聚焦反射鏡和緊靠聚焦反射鏡的焦點設置的激光晶體。在一些實現中，激光引擎被配置為使得當激光引擎的重復率從第一值改變至第二值且兩值均位于10kHz-2MHz的范圍中時，輸出的激光束直徑改變小于10%或20%，或者輸出的激光束中心移動小于光束直徑的20%或40%。在一些實現中，激光束的飛秒脈沖具有在1-100 μ J/脈沖、10-50 μ J/脈沖、或20-30 μ J/脈沖范圍內的能量。在一些實現中，激光引擎輸出功率大于0.1W、1W或IOW的激光束。在一些實現中，激光引擎是眼科手術系統的一部分。在一些實現中，一種使用激光引擎生成激光束的方法包括如下步驟:使用振蕩器生成持續時間小于1000飛秒的種子脈沖的光束；使用脈沖展寬器展寬種子脈沖的持續時間；使用放大器放大所選的展寬的種子脈沖的幅度以生成放大的展寬脈沖；使用脈沖壓縮器將放大的展寬脈沖的持續時間壓縮至小于1000飛秒；輸出第一重復率處于10kHz-2MHz范圍內且脈沖持續時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束；將重復率從第一重復率改變至處于10kHz-2MHz范圍內的第二重復率，而基本上不改變激光引擎的光學設置；以及輸出具有第二重復率以及小于1000飛秒的脈沖持續時間的飛秒脈沖激光束。在一些實現中，放大步驟包括利用放大器中的色散補償器來降低由放大器的光學部件引起的放大的展寬脈沖的色散。在一些實現中，降低色散的步驟包括由放大器中的至少一個啁啾反射鏡引入補償色散，其中，對于每次往返，補償色散與放大器中除色散補償器之外的所有光學元件所引起的色散基本上幅度相等且符號相反。在一些實現中，改變重復率的步驟包括改變在放大器中的往返次數，同時保持放大器的光學設置基本上不變。在一些實現中，展寬步驟和壓縮步驟由同一展寬器-壓縮器執行。在一些實現中，在已經完成輸出具有第一重復率的激光束之后，在1-120秒、10-60秒或20-50秒內輸出具有第二重復率的激光束。在一些實現中，在1μ s -1s范圍內的改變時間內將重復率從第一重復率改變至
第二重復率。在一些實現中，一種激光引擎包括:生成脈沖持續時間小于1000飛秒的脈沖光束的振蕩器；展寬光束脈沖的持續時間的展寬器-壓縮器；以及放大經展寬的光脈沖的幅度以生成放大的展寬脈沖的放大器，其中展寬器-壓縮器壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，并輸出激光脈沖束；并且激光引擎可操作以輸出第一重復率在10kHz-2MHz范圍內的激光脈沖束，并且隨后利用激光引擎的所有光學部件的基本上相同的設置輸出第二重復率在10kHz-2MHz范圍內的激光脈沖束，其中對于第一和第二重復率，激光脈沖的持續時間小于1000飛秒。在一些實施例中，放大器包括色散補償器，其至少部分地補償由放大器的光學元件引入的色散。在一些實現中，放大器包括在放大器的端鏡之間的可切換偏振器，其在可切換偏振器調節放大的展寬脈沖的偏振的狀態和可切換偏振器不調節放大的展寬脈沖的偏振的狀態之間切換，其上升時間小于5納秒、4納秒或3納秒。在一些實現中，放大器包括至少一個聚焦反射鏡以及位于聚焦反射鏡的焦點附近的增益晶體。在一些實現中，激光引擎在小于60秒、I秒或10μ s的時間內在第一重復率和第二重復率之間進行切換。在一些實現中，激光引擎包括:輸出飛秒種子脈沖的振蕩器；展寬種子脈沖持續時間的展寬器；將展寬的種子脈沖放大成放大的展寬脈沖的放大器，放大器包括色散補償器以補償由放大器的光學元件引起的放大的展寬脈沖的色散；以及壓縮器，該壓縮器接收放大的展寬脈沖，壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，并輸出飛秒脈沖激光束。在一些實現中，可變重復率激光引擎包括Q開關腔倒空再生放大器；該放大器包括兩個端鏡，其中激光引擎輸出飛秒激光脈沖；而端鏡之間的光路長度小于2米。在一些實現中，端鏡之間的光路的長度小于I米。在一些實現中，激光引擎包括生成種子脈沖以傳送至放大器的振蕩器，其中從振蕩器中生成種子脈沖光子之處到激光引擎輸出激光脈沖之處的總自由空間光路長度小于500米、300米或150米。 在一些實現中，放大器的腔的所有邊緣尺寸小于I米或0.5米，其中放大器的腔容納放大器的所有光學元件。在一些實現中，放大器的占地面積小于Im2或0.5m2。在一些實現中，激光引擎包括展寬器-壓縮器，該展寬器-壓縮器包括啁啾體布拉格光柵。在一些實施例中，放大器包括色散補償器，其補償由放大器的光學元件引入的色散。在一些實現中，放大器包括:放大激光脈沖的幅度的激光晶體；以及在放大器內折疊諧振光路的兩個折疊反射鏡，其中兩個端鏡和兩個折疊反射鏡中的至少一個是啁啾反射鏡。在一些實現中，激光引擎被配置為以激光引擎的所有光學元件的基本上相同的設置輸出具有處于重復率范圍內的第一重復率的激光束，并在隨后輸出具有處于該重復率范圍內的第二重復率的激光束。在一些實現中，第一重復率和第二重復率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz-500kHz 的范圍中。在一些實現中，激光引擎被配置為使得可在小于60秒、I秒或10μ s的時間內將第
一重復率改變至第二重復率。在一些實現中，放大器包括位于端鏡之間的可切換偏振器，其在小于5ns、4ns或3ns的時間內在可切換偏振器調節放大脈沖的偏振的狀態與可切換偏振器基本上不調節放大脈沖的偏振的狀態之間進行切換。在一些實現中，放大器包括至少一個聚焦端鏡和緊靠聚焦端鏡的焦點設置的激光晶體。在一些實現中，激光引擎包括:生成并輸出飛秒種子脈沖光束的振蕩器；展寬種子脈沖的持續時間的展寬器-壓縮器；以及從展寬器-壓縮器接收展寬的種子脈沖、放大所選的展寬種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖并且輸出放大的展寬脈沖的激光束的放大器；其中展寬器-壓縮器接收放大的展寬脈沖的激光束，壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，并且輸出脈沖持續時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束；其中從振蕩器中生成種子脈沖光子之處到激光引擎輸出激光脈沖之處的光路長度小于500米。在一些實現中，光路長度小于300米。在一些實現中，可變重復率激光引擎包括:生成和輸出飛秒種子脈沖光束的振蕩器；展寬種子脈沖持續時間的展寬器-壓縮器；以及放大所選的展寬的種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖的啁啾脈沖放大器；其中該放大器包括切換時間小于5ns的可切換偏振器；展寬器-壓縮器壓縮放大的展寬脈沖的持續時間至飛秒值；并且激光引擎占據小于Im2的面積。在一些實現中，激光引擎是手術激光系統的一部分，手術激光系統具有激光引擎以及位于手術激光系統的頂板上的成像系統。在一些實現中，可變重復率激光引擎包括:生成和輸出飛秒種子脈沖光束的振蕩器，展寬種子脈沖的持續時間的集成的展寬器-壓縮器，以及放大所選的展寬的種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖的Q開關腔倒空再生放大器；其中展寬器-壓縮器壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，以輸出飛秒激光脈沖，并且激光引擎的光學元件數量小于75。在一些實現中，激光引擎的光學元件數量小于50。在一些實現中，激光引擎除振蕩器之外的部分中的光學元件數量小于50。在一些實現中，激光引擎除振蕩器之外的部分中的光學元件數量小于35。在一些實現中，光學元件是下列之一:反射鏡、透鏡、平行板、偏振器、隔離器、任何可切換光學元件、折射元件、透射元件、或反射元件。在一些實現中，光學元件使光從空氣中進入并且出射至空氣中。在一些實現中，集成的展寬器-壓縮器包括啁啾體布拉格光柵。在一些實施例中，放大器包括色散補償器，其補償由放大器的光學元件引入的色散。在一些實現中，放大器包括限定諧振腔的兩個端鏡，以及在放大器中折疊諧振光路的兩個折疊反射鏡，其中兩個端鏡和兩個折疊反射鏡中的至少一個是啁啾反射鏡。在一些實現中，激光引擎被配置為以激光引擎的所有光學元件的基本上相同的設置輸出第一重復率在重復率范圍內的激光束且隨后輸出第二重復率在該重復率范圍內的激光束，其中第一和第二重復率在10kHZ-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz_500kHz的范圍內。在一些實現中，激光引擎被配置為使得第一重復率可在小于I秒的時間內改變至第二重復率。在一些實現中，放大器包括位于端鏡之間的可切換偏振器，其可在小于5ns、4ns或3ns的時間內在可切換偏振器調節放大的展寬脈沖的偏振的狀態與可切換偏振器基本上不調節放大的展寬脈沖的偏振的狀態之間進行切換。在一些實現中，放大器包括至少一個聚焦反射鏡和緊靠聚焦反射鏡的焦點設置的激光晶體。在一些實現中，激光引擎包括:生成和輸出飛秒種子脈沖光束的振蕩器；展寬種子脈沖的持續時間的展寬器-壓縮器；以及從展寬器-壓縮器接收展寬的種子脈沖、放大所選的展寬的種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖并且輸出放大的展寬脈沖的放大器；其中展寬器-壓縮器接收放大的展寬脈沖，壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，并且輸出脈沖持續時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束，其中激光引擎中除振蕩器之外的部分中的光學元件的數量小于50。在一些實現中，激光引擎的光學元件數量小于75。在一些實現中，一種使用激光系統進行掃描的方法包括如下步驟:使用激光引擎生成具有可變重復率的激光脈沖；使用掃描激光傳遞系統將激光脈沖聚焦至靶區域中的焦斑；使用掃描激光傳遞系統在靶區域中以掃描速度掃描焦斑；改變掃描速度；以及使用重復率控制器根據改變的掃描速度調節重復率。在一些實現中，生成步驟包括:由振蕩器生成飛秒種子脈沖；由展寬器-壓縮器展寬種子脈沖；由放大器將所選的展寬的種子脈沖放大成放大的展寬脈沖；以及由展寬器-壓縮器將放大的展寬脈沖壓縮成飛秒激光脈沖。在一些實現中，該方法包括調節重復率以將靶區域中由激光生成的泡的密度近似維持在選定值附近。在一些實現中，泡的密度是線密度、面積密度或體積密度。在一些實現中，調節重復率的步驟包括與掃描速度成比例地調節重復率。在一些實現中，調節重復率的步驟包括在I微秒-1秒的時間范圍內將重復率從第一值調節為第二值。在一些實現中，掃描焦斑的步驟包括沿著最小加速路徑掃描焦斑。在一些實現中，該方法包括沿著之字形路徑對焦斑進行XY掃描，以及當靠近路徑的折回部分時減慢重復率。在一些實現中，該方法包括沿著螺旋形掃描激光束，并且當掃描靠近螺旋形的中心時減慢重復率。在一些實現中，調節重復率包括:通過如下二者之一而由重復率控制器接收關于改變的掃描速度的信息:感測正在改變的掃描速度，以及從處理器或存儲器獲得關于正在改變的掃描速度的電子信息；以及，根據接收到的關于已改變的掃描速度的信息調節重復率。在一些實現中，可變重復率激光掃描系統包括:生成和輸出飛秒種子脈沖光束的振蕩器；展寬種子脈沖的持續時間、從放大器接收放大的展寬脈沖、壓縮放大的展寬脈沖的持續時間、以及輸出具有重復率的飛秒脈沖激光束的展寬器-壓縮器；從展寬器-壓縮器接收展寬的種子脈沖、放大所選的展寬的種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖并且向展寬器-壓縮器輸出放大的展寬脈沖的放大器；以及以可變掃描速度在靶區域中掃描激光束的焦斑以生成光致破裂斑的掃描光學器件；其中激光掃描系統改變重復率以創建具有預定密度分布的光致破裂斑。在一些實現中，放大器包括降低放大的展寬脈沖的色散的色散補償器。在一些實現中，放大器包括可切換偏振器，其旋轉放大器中的展寬脈沖的偏振面，其中可切換偏振器的上升時間小于5ns、4ns或3ns。在一些實現中，激光掃描系統包括控制電子器件，其向可切換偏振器施加控制信號以使得可切換偏振器以小于5ns、4ns或3ns的上升時間進行切換。在一些實現中，一種使用激光引擎進行掃描的方法包括如下步驟:生成具有重復率的飛秒激光脈沖；將激光脈沖聚焦在靶區域中的焦斑以生成光致破裂斑；在靶區域中以掃描速度掃描焦斑，以及在掃描期間調節重復率以創建具有密度分布的光致破裂斑。在一些實現中，調節步驟包括創建具有在靶區域中基本上保持均勻的線斑密度、面積斑密度或體積斑密度的光致破裂斑。在一些實現中，調節步驟包括根據掃描速度的變化調節重復率。
在一些實現中，調節步驟包括與掃描速度成比例地調節重復率。在一些實現中，調節重復率的步驟包括在I微秒-1秒的時間范圍內將重復率從第一值調節為第二值。在一些實現中，生成步驟包括:由振蕩器生成飛秒種子脈沖；由展寬器-壓縮器展寬種子脈沖；由放大器將所選的展寬的種子脈沖放大成放大的展寬脈沖；以及由展寬器-壓縮器將放大的展寬脈沖壓縮成飛秒激光脈沖。在一些實現中，掃描焦斑的步驟包括沿著最小加速路徑掃描焦斑。在一些實現中，該方法包括沿著之字形路徑掃描焦斑，以及當靠近路徑的折回部分時減慢重復率。在一些實現中，該方法包括沿著螺旋形掃描激光束，并且根據掃描靠近螺旋形的中心而減慢重復率。在一些實現中，該方法包括沿著線的端部或線的轉角掃描激光束；以及根據掃描靠近該線的端部或該線的轉角而減慢重復率。在一些實現中，該方法包括接收存儲的或感測的關于掃描速度的信息，并且根據接收到的關于掃描速度的信息調節重復率。在一些實現中，該方法包括接收感測的或成像的關于靶區域的信息，并且根據接收到的關于靶區域的信息調節重復率。在一些實現中，激光引擎能夠包括輸出飛秒種子光脈沖的振蕩器，以及放大種子光脈沖以產生放大的光脈沖的放大器。該放大器包括耦合以接收和循環種子光脈沖的光腔，以及耦合至光腔以控制接收到的種子光脈沖的光耦合到光腔中并且控制光腔內的光耦合出去以作為放大器的輸出光的光學開關設備。光學開關設備被配置為控制并調節在光腔內耦合的光的往返次數，并且調節放大器產生的放大的光脈沖的脈沖重復率。放大器還包括光腔內的用于將種子光脈沖放大成放大的光脈沖的光學增益介質，以及光腔內的用于補償由放大器引起的放大的光脈沖的色散的色散補償器。激光引擎包括放大器外部的一個或多個光學元件，以在將每個種子光脈沖耦合進放大器之前展寬種子光脈沖的持續時間，并且壓縮由放大器輸出的放大的光脈沖的持續時間以產生放大的光脈沖。該激光引擎能被配置為沒有位于放大器外部的用于補償放大器引起的放大的光學脈沖的色散的色散補償設備。在另一些實施例中，一種用于操作激光引擎以產生飛秒光脈沖的方法可包括:展寬飛秒種子光脈沖以產生展寬的種子光脈沖，其中每個脈沖具有減小的光功率；以及將展寬的種子光脈沖耦合進入光學放大器的光腔內以放大每個展寬的種子光脈沖的光功率，從而產生放大的展寬光脈沖。在光學放大器內，使用光學補償器向每個光脈沖提供色散補償，其中光學補償器被構建為引入色散，該引入的色散與除了色散補償器引起的色散之外的、在放大器的光腔內的一次光往返中由放大器引起的色散的符號相反且幅度基本相等。該方法包括操作耦合至光腔的光學開關設備以控制將展寬的種子光脈沖的光耦合到光腔內以及將放大的展寬光脈沖的光耦合出光腔；壓縮離開光腔的放大的展寬光脈沖的脈沖持續時間以產生壓縮的放大光脈沖作為激光引擎的輸出；并且操作光學開關設備以控制并調節光腔內的光往返次數，由此控制并調節壓縮的放大光脈沖的脈沖重復率，而不使用位于放大器之外的色散補償設備來補償由放大器引起的色散。
圖1A-B例示了高功率飛秒激光引擎I的兩個實施例。圖2更詳細地例示了高功率飛秒激光引擎的一個實施例。圖3A例示了對激光脈沖進行啁啾的概念。圖3B例示了展寬器200’和壓縮器400的例子。圖3C例示了集成的展寬器-壓縮器200的實現。圖4例示了放大器300的實施例。圖5A-B例示了激光腔的泵浦-增益-倒空循環。圖6A-D例示了具有恒定和可變重復率的掃描手術圖案。圖7A-B例示了有關在放大器300中的激光晶體310的兩個不同溫度下的熱透鏡效應的設計挑戰。圖7C-D例示了具有降低的熱透鏡效應的放大器300的兩個實現。圖8例示了光束光功率作為工作溫度的函數的關系曲線。
具體實施例方式在早期的飛秒激光器中，極短的脈沖長度導致了這些脈沖的極高功率。然而，該高功率可能損傷激光器的增益介質。該問題通過啁啾脈沖放大(CPA)而得以解決。在該技術中，生成飛秒種子脈沖，并在隨后將種子脈沖的長度展寬10-1000倍而至皮秒范圍，因而大幅降低脈沖功率。這些展寬的脈沖能夠使用增益介質被安全地放大，而不引起損害。放大之后進行壓縮，將放大后的脈沖的長度壓縮回飛秒。目前，已經將該CPA方法引入大量應用中。然而，CPA激光器也具有缺點。典型地，這些激光器具有大量光學元件，并且因此非常復雜。這些因素使得故障頻率非常高，并且減少了激光器能被可靠地開關的次數。同樣地，CPA激光器非常大的尺寸使得將它們集成在醫學設備內變得非常具有挑戰性，因為它們典型地被用于外科套房或手術室的有限空間內。而且，如果不同的手術程序需要改變脈沖的重復率，那么該改變需要執行耗時的大量光學元件的重新調節。此外，熱透鏡效應大大影響了大部分CPA激光器的光學性能，使得它們對于激光器的工作功率非常敏感。該敏感性是對重復率改變的又一障礙。本文所述的用于構造和操作飛秒脈沖激光器的激光器設計和技術還可以用于解決其他飛秒脈沖激光器中的各種技術問題。圖1A例示了啁啾脈沖放大(CPA)或者腔倒空再生放大器(⑶RA)激光引擎1，其包括振蕩器100、展寬器-壓縮器200和光學放大器300。振蕩器100能夠生成并輸出飛秒種子脈沖的光束。展寬器-壓縮器200能夠展寬這些種子脈沖的持續時間。放大器300能夠接收來自展寬器-壓縮器200的展寬的種子脈沖，放大展寬的脈沖的幅度，并且輸出放大的展寬脈沖的激光束。這些放大的展寬脈沖能夠光學地耦合回到展寬器-壓縮器200中，后者能夠壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，并且輸出飛秒脈沖的激光束。圖1B例示了另一 CPA激光引擎I’的例子，其中光學振蕩器100’和光脈沖展寬器200’下游的光學放大器300’能夠將放大的展寬脈沖光學地耦合至單獨的壓縮器400，后者能夠壓縮放大的展寬脈沖并且輸出飛秒脈沖的激光束。激光引擎I和I’的描述包括許多控制功能和方法步驟。這些功能和步驟可以受控于一個或多個控制器、處理器和其他計算機控制器。這些控制器、處理器和計算機控制器可以利用彼此交互的先進軟件。為了清楚陳述，這些處理器、控制器及其相應軟件未在本專利文件的附圖中示出，但是在一些實現中旨在作為激光引擎I和I’的描述的一部分。雖然將根據眼科應用(諸如白內障手術、晶狀體切開術或角膜手術程序)描述本申請中的若干例子，但能夠在相當寬范圍的應用中使用激光引擎I的各實現，所述應用包括各種各樣的眼科手術程序，諸如視網膜和角膜手術，以及皮膚病和牙科應用、不同的外科應用、以及使用激光光致破裂或一些其他激光協助的處理而成形材料件的各種材料加工應用。如上所述，一些啁啾脈沖放大CPA/⑶RA激光引擎具有各種缺點。激光引擎I的實施例能夠被配置為通過采用一些或所有下列設計原理以及其他設計考慮而提供針對這些問題的解決方案:(I)許多激光器具有大量光學元件，諸如一百個或更多，這使得它們的設計復雜和昂貴。在本文中，激光引擎I的實施例可以具有總共少至50個光學元件，并且在振蕩器100外不多于35個光學兀件。(2)具有大量光學元件以及相應復雜性的激光器可能具有高故障頻率。在一些CPA/⑶RA激光器中，故障概率可能在激光器“循環”(即開關30-40次)之后變得相當高。這類系統在30-40次開關循環之后可能需要預防性維護，或者需要更為經常地進行該維護，以防止在激光器的常規工作期間發生實際故障。在本文中，由于大量減少的光學元件數量以及新穎的色散控制方法，對于預期的常規工作，激光引擎I的實施例可以循環100、120或更多次，因而大幅降低需要維修的頻率并且增加了總體可靠性。(3) 一些CPA/⑶RA的大物理延伸區和相應的長的往返持續時間將轉換成長的充能(recharge)時間，如后面所述的，因而限制了其重復率，以及其用于空間受限的手術設備中的可用性。本文中，激光引擎I的實施例能夠具有緊湊的諧振腔，其端鏡至端鏡光路在一些實施例中能夠小于I米，在其他實施例中則能小于兩米。緊湊性也是有助于激光引擎I的能夠高達300、500或者甚至IOOOkHz的高重復率的一個因素。上述緊湊性能夠轉換成測得的從生成光子的點到出射點并且包括腔內所有往返的總光路，其可以不考慮這些激光器的高重復率而低至150米。(4) 一些CPA/⑶RA激光器被精細調整而以特定重復率工作。該調整可以包括由壓縮器200/400補償展寬器200和放大器300在特定重復率下的色散。然而，如果一個應用要求改變重復率，展寬器和放大器在該新重復率下會引起不同的色散，從而擾亂CPA/CDRA激光器的精細調整的色散補償。為了補償該改變的色散，典型地，展寬器200和壓縮器200/400的光學元件需要通過耗時的程序來重新調節。該重新調節使得技術上不便于在眼科手術程序的時標上改變這些CPA/⑶RA激光器的重復率。因而，大部分商業眼科CPA激光器不提供可變重復率的功能，并且在手術過程中都不提供可改變的重復率。
本文中，激光引擎I的實施例可包括色散控制器或色散補償器，其能夠減少或甚至最小化放大器300所引起的激光束的色散。色散的這一最小化允許改變重復率，而無需耗時地重新調節激光引擎I的光學元件。因而，包含色散控制器使得可以在對時間敏感的手術過程中改變重復率。一個例子是對于白內障手術使用第一重復率，而對于晶狀體切開術或角膜手術程序使用第二重復率。正如所周知的，在這些手術中，時間因素是非常關鍵的。(5)在一些情況下，在手術程序中，當激光束具有固定的重復率時，切割圖案可被用來以不均勻的密度布置激光斑。例子包括在掃描柵格或掃描圖案的轉折點周圍減慢掃描速度，或者以縮窄或增寬的螺旋來減慢掃描速度或掃描圖案。在本文中，激光引擎I的實施例可被配置為具有基本上連續可調節的重復率，并且與正在改變的掃描速度近似同步地調節重復率，以補償掃描速度的變化，從而允許以近似恒定的密度或者以預定的密度分布形成激光斑。(6)此外，熱透鏡效應負面地影響一些CPA/⑶RA激光器的光學性能，并且使得它們對于激光束的功率和重復率的改變非期望地敏感。本文中，激光引擎I的實施例能夠利用熱透鏡效應補償技術，使得這些實施例對于所應用的激光束的功率和重復率的改變相當不敏感。圖2詳細地例示了激光引擎I的一種特定實現。振蕩器100可以是各種各樣的光源，其能為激光引擎I生成并輸出種子脈沖。例子包括二極管泵浦的光纖振蕩器。振蕩器可以包括單個二極管，例如在808nm波長工作的GaAs 二極管，或者各種各樣的其他二極管。光纖振蕩器顯著小于基于自由空間光束傳播的振蕩器。在手術應用中，手術室的擁擠度是緊迫的約束，因此減小激光引擎的空間延伸區是很有價值的設計特征。在一些例子中，振蕩器輸出高質量種子脈沖。如下詳細所述，若干因素能有助于實現高脈沖質量。(i)在一些實施例中，二極管可包括頻率穩定條，諸如二極管內的體布拉格光柵。這種光柵可以提供具有低噪聲和高脈沖至脈沖穩定性的脈沖。光纖可以由摻雜有Nd或Yb的玻璃形成。(ii)振蕩器100可包括半導體可飽和吸收鏡，或SESAM。利用一個或多個SESAM改進了所生成的脈沖的模式的相干性，由此得到基本上鎖模的工作。具有上述設計原理的振蕩器能夠輸出基本上變換限制的種子脈沖，例如，具有高斯形狀。在一些例子中，還可以生成平頂脈沖。這些脈沖持續時間可以小于1000飛秒(fs)。在一些實現中，脈沖持續時間可處于50-1000飛秒范圍內，在一些其他實施例中則處于100-500飛秒范圍內。該種子脈沖頻率或重復率可處于IO-1OOMHz的范圍內，在其他實施例中則處于20-50MHZ的范圍內。然而將種子脈沖頻率降至10或20MHz以下會產生一系列設計挑戰。出于該理由，大部分振蕩器以高于20MHz的頻率工作。該種子脈沖的光束功率可處于IO-1OOOmW的范圍內，在其他實施例中則處于100-200mff的范圍內。出于許多定時考慮，振蕩器100可用作主時鐘。展寬器-壓縮器200可通過對于脈沖的不同頻率成分引入不同的延遲時間來展寬種子脈沖。簡言之，展寬器-壓縮器能夠引入色散或啁啾。
圖3A詳細例示了這一啁啾。展寬器-壓縮器200可以接收短脈沖，其頻率組成或頻譜在脈沖的大部分持續時間上近似均勻或“白色”。換句話說，在脈沖開始處，不同頻率成分的幅度近似均勻，并且在脈沖的持續間隔內保持如此。展寬器-壓縮器200可以通過對這種“白色”脈沖的紅色、綠色和藍色成分引入不同的延遲時間而展寬脈沖長度。因而，由展寬器-壓縮器200輸出的脈沖的頻率組成或頻譜可變為與時間相關。根據典型慣例，前沿部分以紅色頻率為主而后沿部分以藍色頻率為主的脈沖被稱為具有正色散或啁啾。本說明書涉及時域中的啁啾，S卩，高和低頻率成分的相對延遲。空間啁啾(即光束內高低頻率成分的空間分離)則提出了各種附加的設計挑戰，并且不在展寬器200’或展寬器-壓縮器200的期望功能中。展寬器-壓縮器200或展寬器200’可以通過增強脈沖前沿部分中的紅色成分并增強脈沖后沿部分中的藍色成分而將正啁啾引入初始白色種子脈沖中。類似地，也可以由展寬器-壓縮器200或展寬器200’來對非白色脈沖進行啁啾。展寬器-壓縮器200可以將飛秒種子脈沖的持續時間從50-1000飛秒的范圍展寬至1000-200000飛秒或者1-200皮秒或者甚至高達500ps的展寬的持續時間。展寬器-壓縮器200能夠將飛秒種子脈沖的持續時間展寬10倍以上。在一些情況下，展寬因子可以大于102、103、104或105。這些展寬因子各自為放大器300引入不同的設計規則。圖3B例示了圖1B中所示類型的激光引擎I’能夠利用展寬器200’和分開的壓縮器400。展寬器200’可以包括第一光柵201、透鏡202、第二光柵203和反射鏡204。當短脈沖211進入展寬器200’時，第一光柵201可以將不同頻率成分折射到不同方向。在離開第一光柵201后，發散的光線可以傳播至透鏡202，并被重定向至第二光柵203。一些實施例可以使用兩個透鏡代替透鏡202。由于第二光柵203與第一光柵201呈一定角度并且不同頻率的光線在各發散方向上傳播，因此不同的頻率成分行進不同距離，并且需要不同的時間實現這一行進。例如，在圖3B的展寬器200’中，頻率在頻譜藍色區域中的成分的行進距離比紅色區域中的成分更長，因此相對于入射短脈沖的紅色成分具有延遲。此處和全文中，以說明性和相對方式使用術語“藍色”和“紅色”。它們分別指的是脈沖頻譜中具有較短和較長波長的成分。在特定實現中，激光平均波長可以是1000-1 lOOnm，并且脈沖的帶寬能夠處于2-50nm的范圍中，在一些情況下則處于5-20nm的范圍中。在該例子中，脈沖的整個頻譜位于紅外區域中。在該例子中，術語“藍色”和“紅色”指的是在脈沖帶寬內分別具有較短和較長波長的紅外光譜部分。第二光柵203的功能包括啁啾的局部控制，即藍色成分相對于紅色成分的延遲，以及將光束恢復成基本上平行的光束，以使其適于由反射鏡204反射。反射鏡204反射頻率分開的平行光線，這些光線于是折回它們的光路通過第二光柵203、透鏡202和第一光柵201。到脈沖離開第一光柵201時，脈沖的藍色成分行進的距離顯著較長，并且因而落后于紅色成分。該延遲對于輸出的脈沖具有至少三個效果:(i )脈沖長度變得顯著更長，(ii )不同的頻率成分的幅度在時間上相對于彼此移位，將紅色成分移至脈沖的前沿，而藍色成分則移至后沿，或者反之，(iii)脈沖的總能量在更長的脈沖長度上分布，降低了輸出脈沖的光功率。在一些情況下，脈沖持續時間可被展寬100、1000或更多倍，功率可相應地降低至百分之一、千分之一甚至更小。總而言之，展寬器-壓縮器200或展寬器200’能夠展寬脈沖、引入正啁啾并且由此大幅降低脈沖功率。如前述，降低脈沖的峰值功率是CPA/CDRA激光器的有利方面，因為隨后的放大器300的腔光學元件不會暴露至過高功率的脈沖，并由此避免因光束而遭受損傷。圖3B還例示了壓縮器400的例子，其可包括第三光柵205、第四光柵207和反射鏡208。一些例子在這些光柵之間不具有透鏡，而其他例子則可具有一個或兩個透鏡。類似于展寬器200’的第一光柵201，第三光柵205再次將脈沖頻譜的不同成分定向至不同方向。類似于第二光柵203，第四光柵207同樣通過其朝向來局部控制藍色和紅色成分的相對延遲。然而，由于第四光柵207現在被定向為與第二光柵203相反，因此現在藍色成分的光路更短，引起負啁啾。該負色散允許展寬的脈沖的藍色成分趕上紅色成分，將放大的展寬脈沖的總持續時間從數百皮秒縮短至數百飛秒。分開的展寬器200’和壓縮器400的設計是圖1B的激光引擎I’的實施例。圖3B還例示了具有分開的展寬器200’和壓縮器400的圖1B的設計的兩個敏感方面。(i)首先，展寬器200’、放大器300和壓縮器400需要相對于彼此精細地調整，使得壓縮器400能夠以高精確性撤銷由展寬器200’引起的展寬以及隨后由放大器300引起的色散。因而，設置透鏡202的位置以及第一至第四光柵201-207的朝向可能需要尤其高的精確性，以補償放大的展寬脈沖的色散，并且將其壓縮回飛秒脈沖。而且當然地，高精確性調節對于干擾非常敏感:溫度、往返次數和機械應力的小改變都能破壞該精確性調節，由此需要維護和重新校準具有圖1B結構的激光引擎I’。(ii)在一些復雜或多步驟程序中，可能期望改變重復率。然而,重復率的這種改變典型地伴隨有往返次數的改變，以優化輸出的脈沖。依次地，往返次數的改變往往導致熱透鏡效應以及放大器300引起的混合色散的改變。因而，重復率和往返次數的改變會擾亂展寬、色散和壓縮的經仔細校準的平衡。為了抵消這些改變，如圖3B的箭頭所示，可以通過改變透鏡202的位置、光柵201、203,205和207中的一些的位置或朝向、反射鏡204和208的位置，或者通過移動一個或多個反射鏡而改變光束入射到透鏡202上的位置，而重新校準激光引擎I’的一些實現。無需言明，這些改變典型地需要謹慎并且往往反復的機械調節和精確性校準，所有這些都是耗時的介入。重新校準的緩慢可能向期望脈沖重復率及時改變的應用提出了問題。這在時間是關鍵性因素的應用中(例如，在患者控制眼睛移動的能力可能低至90秒的眼科手術應用期間)會特別成問題。鑒于所有這些理由，大部分激光引擎不提供可改變的重復率的功能。此外，由于在激光引擎I'中，展寬器200’與壓縮器400分開，并且兩者均包括多個光柵和透鏡，因此圖1B中類型的激光引擎I'的展寬器和壓縮器的空間延伸區典型地非常占用空間。為了減少展寬器200’和壓縮器400的空間占地面積并且減少校準次數，在激光引擎I’的一些實現中，展寬器200’和壓縮器400能夠共享一個或多個光學元件。在一些情況下，它們能夠共享光柵，諸如第一光柵201和第三光柵205可以是同一個。在一些多次折疊的例子中，展寬器200’的兩個光柵可以是同一個物理光柵，在不同的通過期間，透鏡和反射鏡引導同一光柵上的來自不同方向的波束。在一些多次折疊的例子中，展寬器200的兩個光柵以及壓縮器400的兩個光柵的所有功能可以由單個共享的光柵執行。圖3C例示了圖1A實施例的展寬器-壓縮器200的例子，其提供了對這些挑戰的魯棒的解決方法。圖3C的展寬器-壓縮器200集成了展寬和壓縮功能，并且因而其可在圖1A的激光引擎I的實施例中采用。如圖3C中示例所實施的該展寬器-壓縮器200是啁啾體布拉格光柵(CVBG)。該CVBG例如可以是在光熱折射(PTR)玻璃中的疊層，各個層具有合適的折射率以及隨著層位置改變的光柵周期。在這種設計中，對于脈沖的不同頻譜成分，布拉格諧振條件出現在不同的位置。于是，不同的頻譜成分在不同的位置處被反射，由此在脈沖中獲得不同的時間延遲。如圖3C中的例子所示，當短“白色”脈沖211進入展寬器-壓縮器200時，紅色頻率成分從具有較寬的層間隔或光柵周期的近區域折射，因為其波長更長并且滿足這些近區域中的布拉格反射條件。相反地，具有較短波長的藍色頻率成分從光柵的更遠區域返回。由于藍色成分經過更長的光路，因此它們相對于紅色成分獲得延遲。于是，輸入的短白色脈沖211由該CVBG展寬器-壓縮器200展寬成更長的展寬的脈沖212。在該特定示例中，由于藍色成分相對于紅色成分延遲，因此展寬的脈沖212演變出正啁啾。其他實施方式則可以具有產生負啁啾的CVBG，相對于藍色光譜成分延遲紅色光譜成分。該CVBG展寬器-壓縮器200還能夠以高精確性壓縮放大的展寬脈沖213，而無需任何麻煩的精細調整，因為展寬的脈沖在由放大器300放大之后從相對端或壓縮器端口注入同一 CVBG展寬器-壓縮器200中。當展寬的脈沖從相對端進入CVBG展寬器-壓縮器200中時，其紅色成分的延遲程度與藍色成分在展寬步驟中的延遲程度相同，因此脈沖的原始短長度得以恢復。因而，該展寬器-壓縮器200能夠非常有效地補償在展寬期間引入的色散，并且輸出適當壓縮的放大脈沖214。與具有分開的展寬器200’和壓縮器400的激光引擎I’的特定方面相比，(i)激光引擎I對移動的光學元件的精確對齊并非高度敏感，因為其沒有移動的光學元件，并因此表現出對機械擾動或工作溫度改變的顯著魯棒性，以及(ii)由于放大器300的新穎設計不會引起與往返次數相關的附加色散，如參考公式(I)- (2)和圖5A-B進一步所述，因此當重復率改變時，激光引擎I不需要其光學元件和設置的敏感的重新校準和重新對齊。這些屬性允許在其中快速或及時改變重復率非常重要的應用中使用激光引擎I。在與上述不同的其他設計中，放大器300可能引入附加色散。在這些設計中，展寬器-壓縮器200的集成結構可以補充有重新調節功能，因為壓縮器需要不僅壓縮展寬器的色散，還需壓縮放大器300的附加色散。該附加的任務可能需要實施與壓縮器功能相關的可調整模塊。返回圖2，激光引擎I還可包括有效的偏振分束器150。分束器150可以包括位于振蕩器100和展寬器-壓縮器200之間的偏振器和λ/4片。在其他實施例中，分束器150可以是薄膜偏振器。該組合150能使得種子脈沖從振蕩器100通過以到達展寬器-壓縮器200，而將從展寬器-壓縮器200返回的展寬脈沖重定向到放大器300，因為在兩次通過之后，λ/4片將脈沖光束的偏振面旋轉了 90度。偏振器在對于種子脈沖的偏振方向呈現透射性的同時，對于第二次穿過λ /4片后的展寬脈沖的經90度旋轉的偏振面呈現反射性。
在一些實施例中，激光引擎I可包括位于分束器150和放大器300之間的光路中的法拉第隔離器500。法拉第隔離器500的功能可以包括將振蕩器100與放大的光束相隔離，從而防止激光束的高功率對振蕩器100的損害。這類法拉第隔離器500能夠接收來自分束器150的展寬的種子脈沖，將展寬的種子脈沖朝向放大器300傳送，接收來自放大器300的放大的展寬脈沖的激光束，并且通過偏振器550和560向展寬器-壓縮器200輸出放大的展寬脈沖的激光束。法拉第隔離器500在其中放大器300通過接收脈沖的同一光路輸出放大的脈沖的實施例中會是有用的，因為簡單的重定向光學器件可能會由于放大的脈沖常常具有數百或者甚至數千倍于種子脈沖的功率或強度而不適用于隔離功能。即使簡單的重定向光學器件僅允許這些放大脈沖的一部分通過，這些透射的脈沖仍然強到足以損害振蕩器100。在一些實施例中，法拉第隔離器500可被配置為允許來自放大器300的激光束的小于1/10000的部分通過而朝向振蕩器100。在衰減方面也能得到相同的隔離功能:法拉第隔離器能夠以例如40dB或者在一些實施方式中以50dB來衰減放大的激光束。法拉第隔離器或依賴于偏振的隔離器可以包括三個部分:垂直偏振的輸入偏振器、法拉第旋轉器、以及45度偏振的輸出偏振器或分析器。前向行進的光如果不是已在例如垂直方向上偏振，則其被輸入偏振器使得在垂直方向上偏振。(此處，偏振面指的是電場矢量所在的平面。而且，“垂直”僅建立了常規或參考平面。在各種實施例中，實際偏振面可被定向到其他特定方向。)法拉第旋轉器將光束的偏振面旋轉約45度，使其與分析器的偏振面對齊，所述分析器隨后則使光透過而不施以附加的偏振面旋轉。后向行進的光(諸如從放大器300返回的放大脈沖)在從分析器出射之后變得相對于參考垂直平面以45度偏振。法拉第旋轉器再次將偏振旋轉約45度。因而，法拉第旋轉器輸出的朝向輸入偏振器的光為水平偏振。由于輸入偏振器是垂直偏振的，因此水平偏振的光將由輸入偏振器近乎完全地反射，而非將其透射至振蕩器100。因而，法拉第隔離器500能夠高效地保護振蕩器100免于高能放大激光脈沖。法拉第旋轉器典型地通過生成指向光軸方向的磁場而實現其功能。一些法拉第旋轉器包括永磁體以實現該功能。法拉第旋轉器中使用的光學材料典型地具有高維爾德常數、低吸收系數、低非線性折射率和高損傷閾值。同樣地，為了防止自聚焦和其他熱相關效應，光路典型地較短。700-1100納米范圍的兩種最常用材料是摻鋱的硼硅酸鹽玻璃和鋱鎵石榴石晶體(TGG)。對于放大器300并不經由與脈沖進入相同的光路輸出放大脈沖的激光引擎I或I’的實施例，可能不需要采用法拉第隔離器500。圖2和4例示了從法拉第隔離器500透射的光可以進入放大器300。放大器300可以包括放大展寬的種子脈沖的激光晶體或者增益介質310，由此在端鏡321和322之間形成往返。一些放大器300可以包括折疊光路(或者“z腔”)，其使用折疊反射鏡重定向激光束，以縮短諧振腔的空間延伸區。圖4中的放大器300具有四個反射鏡:限定諧振腔的兩個端鏡321和322，以及兩個折疊反射鏡323和324。在一些例子中，光路甚至可以原路折疊，呈現為交叉圖案。雖然更多折疊反射鏡的使用能夠通過將光路折疊在更緊湊的空間中而更進一步縮減放大器300的尺寸，但是額外的反射鏡增加了未對準的可能性和價格。
除了激光晶體310和反射鏡321-324之外，放大器300還可包括可切換偏振器330，其控制品質因數Q并由此控制放大器300的放大功能，以及控制用作脈沖在腔內的輸入/輸出端口的薄膜偏振器340。該薄膜偏振器340是偏振選擇器件的一個具體實例，其反射具有第一預定偏振的光，同時透射具有正交于第一預定偏振的第二偏振的光。可切換偏振器330可以是偏振器件，其在當其不旋轉通過其的光的偏振時的第一工作狀態和當其響應于施加于其上的控制信號而旋轉光的偏振時的第二工作狀態之間切換。薄膜偏振器340和可切換偏振器330的組合能被用于在來自法拉第旋轉器500的脈沖稱合入放大器300時以及當在放大器300內放大的脈沖從放大器耦合出來時進行控制，如下文所述。圖4中的薄膜偏振器340和可切換偏振器330的該組合是用于放大器300的諧振腔的光學開關的一個例子。其他設計也可以用于該光學開關。下文將更詳細地描述放大器300的操作和結構。更具體地，將示出通常通過改變放大脈沖在端鏡321和322之間的往返次數而實現的重復率改變。剛剛所述的光學開關的功能是通過在脈沖耦合進入或離開諧振腔時進行控制而控制這些往返的次數。放大器300中的光學元件會在這些往返的每一次期間引入一定的色散量。因而，與重復率改變相關的放大器300中往返次數的改變會改變放大器300輸出的放大脈沖的累積色散。即便調節壓縮器400以針對特定次數的往返而補償色散，由往返次數的改變引起的色散改變擾亂了圖1B的激光引擎I’的展寬器200’、放大器300和壓縮器400的展寬、色散性放大和壓縮的敏感平衡，需要冗長的重新校準。即使對于具有圖1A的集成展寬器-壓縮器200的激光引擎I的更有創造性的結構，在往返次數改變時也可能需要使用要調節的補償元件。該方面限制了這些激光引擎的實用性。為了拓寬它們的實用性，一些激光引擎可以包括色散控制器或補償器作為放大器300的一部分。色散控制器的功能是引入與在往返期間放大器300的光學元件引入的色散符號相反且基本上幅度相等 的色散。作為該色散補償或控制的結果，在放大器300的諧振腔中的往返期間，脈沖幾乎沒有色散或完全沒有色散。因而，往返次數的改變僅微量改變或完全不改變放大的脈沖的色散。因而，由于在往返期間沒有累積要補償的色散，使得能夠在基本上不對壓縮器400或展寬器-壓縮器200的光學設置進行調節、重新對準或校準的情況下改變激光脈沖的重復率。因此，能在圖1B的激光引擎I’中實施色散受控的放大器300，使得壓縮器400免于在重復率改變之后進行耗時的重新對準的任務。而且，該色散受控的放大器300允許在圖1A的激光引擎I中使用集成的展寬器-壓縮器200，而無需可調節的補償功能。例如，如果激光晶體310在激光脈沖在諧振腔內的往返期間引入正色散，色散控制器則能夠向放大的展寬脈沖引入具有同樣幅度的負色散，以抑制、最小化或消除激光脈沖的色散。一種量化色散的有用方法是“群延遲色散”，或⑶D，通常定義為:GBD = ^^4^.L(I)
d rx r其中λ是光波長，c是光速，η(λ)是依賴于波長的折射率，而L是腔內光路長度。光學元件310、330和340、反射鏡321-324以及放大器300中可能存在的任意其他光學元件的GDD例如能夠通過測量或者根據設計推斷而確定。知道GDD后，色散控制器就能腔內實施與所確定的放大器300的光學元件的GDD近似相等但符號相反的GDD。如此設計的腔在脈沖的往返期間幾乎不產生或完全不產生色散，由此消除了所述的問題并且拓寬了激光引擎I或I’的實用性。在示例中，在典型的CPA激光引擎I’中，500飛秒的種子脈沖可由展寬器200’展寬200皮秒，得到展寬的脈沖長度200.5ps。可以調節和校準相應的壓縮器400以將展寬的脈沖壓縮200ps，得到理想約為500fs的壓縮脈沖長度。考慮到非理想性，在現實情況下，壓縮脈沖長度可能在500-800fs的范圍內。然而，在展寬脈沖在放大器300的諧振腔內往返期間，展寬脈沖的長度可能由于放大器300的各光學元件的色散(表示為腔的GDD)而提升。該GDD的典型值可以從數百fs2變化至幾十萬fs2。在一些情況下，該⑶D可以在5000fs2-20000fs2的范圍內。由于典型情況下展寬器200和補償器400抵消彼此對脈沖長度的效果，所以由激光引擎I輸出的脈沖長度At(out)經由下列關系式與由振蕩器100生成的種子脈沖的長度At(seed)以及GDD相關:
權利要求
1.一種用激光系統進行掃描的方法，該方法包括以下步驟:用激光引擎生成具有可變重復率的激光脈沖；用掃描激光傳遞系統將激光脈沖聚焦至靶區域中的焦斑；用掃描激光傳遞系統在靶區域中以掃描速度掃描焦斑；改變掃描速度；以及用重復率控制器根據改變的掃描速度調節重復率。
2.如權利要求1所述的方法，所述生成步驟包括:由振蕩器生成飛秒種子脈沖；由展寬器-壓縮器展寬種子脈沖；由放大器將所選的展寬的種子脈沖放大成放大的展寬脈沖；以及由展寬器-壓縮器將放大的展寬脈沖壓縮成飛秒激光脈沖。
3.如權利要求1所述的方法，包括:調節重復率以將靶區域中由激光生成的泡的密度近似維持在選定值附近。
4.如權利要求3所述的方法，其中:泡的密度是線密度、面積密度或 體積密度。
5.如權利要求3所述的方法，所述調節重復率的步驟包括:與掃描速度成比例地調節重復率。
6.如權利要求1所述的方法，所述調節重復率的步驟包括:在I微秒到I秒的時間范圍內將重復率從第一值調節為第二值。
7.如權利要求1所述的方法，所述掃描焦斑的步驟包括:沿著最小加速路徑掃描焦斑。
8.如權利要求1所述的方法，包括:沿著之字形路徑對焦斑進行XY掃描；以及當靠近路徑的折回部分時減慢重復率。
9.如權利要求1所述的方法，包括:沿著螺旋形掃描激光束；以及當掃描靠近螺旋形的中心時減慢重復率。
10.如權利要求1所述的方法，所述調節重復率包括:通過以下之一由重復率控制器接收關于改變的掃描速度的信息:感測正在改變的掃描速度，和從處理器或存儲器獲得關于正在改變的掃描速度的電子信息；以及根據接收到的關于已改變的掃描速度的信息調節重復率。
11.一種可變重復率激光掃描系統，包括:振蕩器，該振蕩器生成和輸出飛秒種子脈沖光束；展寬器-壓縮器，該展寬器-壓縮器:展寬種子脈沖的持續時間，從放大器接收放大的展寬脈沖，壓縮放大的展寬脈沖的持續時間，以及輸出具有重復率的飛秒脈沖激光束；放大器，該放大器: 從展寬器-壓縮器接收展寬的種子脈沖， 放大所選的展寬的種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖，以及 向展寬器-壓縮器輸出放大的展寬脈沖；以及 掃描光學器件，該掃描光學器件以可變掃描速度在靶區域中掃描激光束的焦斑以生成光致破裂斑；其中 激光掃描系統改變重復率以創建具有預定密度分布的光致破裂斑。
12.如權利要求11所述的激光掃描系統，所述放大器包括: 色散補償器，該色散補償器降低放大的展寬脈沖的色散。
13.如權利要求11所述的激光掃描系統，所述放大器包括: 可切換偏振器，該可切換偏振器旋轉放大器中的展寬脈沖的偏振面，其中 該可切換偏振器的上升時間小于5ns、4ns或3ns。
14.如權利要求13所述的激光掃描系統,所述激光掃描系統包括: 控制電子器件，該控制電子器件向可切換偏振器施加控制信號以使得可切換偏振器以小于5ns、4ns或3ns的上升時間進行切換。
15.一種使用激光引擎進行掃描的方法，該方法包括以下步驟: 生成具有重復率的飛秒激光脈沖；` 將激光脈沖聚焦到靶區域中的焦斑以生成光致破裂斑； 在靶區域中以掃描速度掃描焦斑；以及 在掃描期間調節重復率以創建具有密度分布的光致破裂斑。
16.如權利要求15所述的方法，所述調節步驟包括: 創建具有在靶區域中基本上保持均勻的線斑密度、面積斑密度或體積斑密度的光致破裂斑。
17.如權利要求15所述的方法，所述調節步驟包括: 根據掃描速度的變化調節重復率。
18.如權利要求15所述的方法，所述調節步驟包括: 與掃描速度近似成比例地調節重復率。
19.如權利要求15所述的方法，所述調節重復率的步驟包括: 在I微秒到I秒的時間范圍內將重復率從第一值調節為第二值。
20.如權利要求15所述的方法，所述生成步驟包括: 由振蕩器生成飛秒種子脈沖； 由展寬器-壓縮器展寬所述種子脈沖； 由放大器將所選的展寬的種子脈沖放大成放大的展寬脈沖；以及 由展寬器-壓縮器將放大的展寬脈沖壓縮成飛秒激光脈沖。
21.如權利要求15所述的方法，所述掃描焦斑的步驟包括: 沿著最小加速路徑掃描焦斑。
22.如權利要求15所述的方法，包括: 沿著之字形路徑掃描焦斑；以及 當靠近路徑的折回部分時減慢重復率。
23.如權利要求15所述的方法，包括:沿著螺旋形掃描激光束；以及根據掃描靠近螺旋形的中心而減慢重復率。
24.如權利要求15所述的方法，包括:沿著線的端部或線的轉角掃描激光束；以及根據掃描靠近線的端部或線的轉角而減慢重復率。
25.如權利要求15所述的方法,包括:接收存儲的或感測的關于掃描速度的信息；以及根據接收到的關于掃描速度的信息調節重復率。
26.如權利要求15所述的方法,包括:接收感測的或成像的關于靶區域的信息；以及根據接收到的關于靶 區域的信息調節重復率。
全文摘要
提供了用于構造和操作飛秒脈沖激光器的設計和技術。激光引擎的一個例子包括生成和輸出飛秒種子脈沖光束的振蕩器；展寬種子脈沖的持續時間的展寬器-壓縮器；以及接收展寬種子脈沖、放大所選的展寬種子脈沖的幅度以創建放大的展寬脈沖、并且輸出放大的展寬脈沖激光束以返回至展寬器-壓縮器的放大器，展寬器-壓縮器壓縮返回的激光束的持續時間并輸出飛秒脈沖激光束。放大器包括色散控制器，其補償放大的展寬脈沖的色散，使得激光器的重復率在手術程序之間或者根據掃描速度可調。激光引擎可以是緊湊的，其總光路小于500米，并且具有小數量的光學元件，例如少于50個。
文檔編號H01S3/02GK103119805SQ201180010855
公開日2013年5月22日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年2月24日
發明者M·卡瓦維蒂斯 申請人:愛爾康手術激光股份有限公司