DE4429193A1

DE4429193A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer querschnittshomogenisierten Laserstrahlung und Verwendung dieser Strahlung

Info

Publication number: DE4429193A1
Application number: DE4429193A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Fischer; Maximilian Dipl Ing Reindl; Joern Dipl Ing Sander; Klaus Dipl Phys Dr Rer Vogler
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 1994-08-18
Filing date: 1994-08-18
Publication date: 1996-02-22
Also published as: WO1996006374A1; ATE235703T1; DE59510610D1; EP0776492A1; US5835647A; EP0776492B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung ei ner querschnittshomogenisierten Laserstrahlung. Ferner be trifft die Erfindung eine Verwendung dieser Strahlung.

Zur Photoablation von Gewebe, beispielsweise im Bereich der Hornhaut des Auges, ist es bekannt, Excimerlaser zu verwenden, deren rechteckiges Strahlprofil durch verschie dene zum Teil recht aufwendige Maßnahmen homogenisiert werden kann, beispielsweise durch Streuplatten und nachge schaltete Blenden, durch die Verwendung abrasiver Blenden, durch Blendenwechselvorrichtungen für sukzessive Laserpul se oder durch Scannerverfahren mit veränderten Blendenöff nungen. Alle diese Maßnahmen sind apparativ außerordent lich aufwendig, eine ausreichende Homogenisierung des Strahlquerschnittes ist trotzdem nicht in allen Fällen zu erreichen.

Es ist auch bekannt, daß Photoablation an Gewebe, insbe sondere an der Hornhaut, durch Festkörperlaser erreicht werden kann, beispielsweise durch einen Er : YAG-Laser (Theo Seiler und Josef Wollensak, in "Lasers and Light in Oph thalmology, Band 5, Nr. 4, Seiten 199 bis 203, 1993, Kugeler Publications, Amsterdam / New York). Dabei wird davon ausgegangen, daß ein solcher Laser eine räumlich homogene Strahlung im Grundmode TEM_oo ausstrahlt.

Tatsächlich ist dies jedoch keineswegs selbstverständlich, da ein Festkörperlaser in diesem Bereich ein Gemisch von Moden abstrahlt, so daß für den besonders geeigneten Ba sismode TEM_oo nur ein Teil der abgestrahlten Energie zur Verfügung steht. Abgesehen davon, daß sich dadurch eine unerwünschte räumliche Verteilung der Laserstrahlung er gibt, reichen dadurch auch die für die Hornhautablation notwendigen Energien im Basismode nicht aus.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart auszugestalten, daß mit ihr mit relativ geringem apparativem Aufwand eine modenho mogenisierte und räumlich homogenisierte Strahlung erzeugt werden kann, die besonders für die Anwendung in der Photo ablation der Hornhaut geeignet ist.

Eine solche Vorrichtung ist ausgehend von der eingangs be schriebenen Vorrichtung gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) einen gepulsten Festkörperlaser mit einer Emission in einem Wellenlängenbereich zwischen 2 und 3 µm,
b) eine Pulsenergie zwischen 100 µJ und 1 J,
c) eine Übertragungsfaser aus einem für die Wellenlänge durchlässigen Material mit einer Länge von mindestens 0,2 m und einem Durchmesser zwischen 50 und 1000 µm,
d) ein an die Faser anschließenden Endstück mit planen, senkrecht zur Längsrichtung angeordneten Endflächen aus einem im Wellenlängenbereich zwischen 2 µm und 3 µm transparenten Material mit einer Länge zwischen 4 und 50 mm. Das Endstück kann beispielsweise aus Quarz, Saphir oder YAG bestehen.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die Strahlung eines Festkörperlasers, dem eine solche Übertra gungsfaser einer Mindestlänge nachgeschaltet wird, in die ser Übertragungsfaser modenhomogenisiert wird.

Allerdings erfolgt eine räumlich homogenisierte radialsym metrische Abstrahlung mit glocken- oder gaußförmiger In tensitätsverteilung durch eine solche Übertragungsfaser nur dann, wenn diese eine planparallele Endfläche auf weist. Dies ist bei den herkömmlicherweise verwendbaren Materialien sehr schwierig zu realisieren, häufig ergeben sich bei der Herstellung dieser Endflächen Störungen der Oberfläche, die bei Beaufschlagung mit Strahlung hoher Energie zu Schäden führen.

Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß die Kombination einer solchen Übertragungsfaser, die keine exakt planparallele Endfläche aufweist, mit einem Endstück mit planen Endflächen aus Quarz oder Saphir, geeignet ist, diesen Nachteil auszugleichen. In dem Endstück erfolgt nämlich eine nochmalige räumliche Homogenisierung mit ei nem zusätzlichen Ausgleich von Unsymmetrien des Strahlpro fils, das heißt Auswirkungen eines ungenau geformten Fa serendes werden korrigiert, und es gelingt auf diese Wei se, eine divergente, rotationssymmetrische Abstrahlung mit gaußförmiger Verteilung zu erzielen.

Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Übertragungsfaser an ihrem Ende gebrochen ist. Eine solche Bruchfläche weist keine Mikrostörungen auf, die eine Zerstörung bei Beaufschlagung mit Strahlung hervorrufen könnten, andererseits ist die abgegebene Strahlung jedoch nicht räumlich homogenisiert.

Durch diese Kombination einer Faser und eines Endstückes ergibt sich in der Faser also eine Modenhomogenisierung und im Endstück eine räumliche Homogenisierung, insgesamt erhält man auf diese Weise eine Strahlung mit einem rota tionssymmetrischen Profil, wobei dieses Profil durch ver schiedene Parameter noch geändert werden kann, beispiels weise durch die Variation der Länge der Übertragungsfaser, des Einkoppelwinkels und der Einkoppelrichtung der Strah lung beim Eintritt in die Übertragungsfaser, durch die Fa serbiegung oder durch die numerische Apertur der Faser. Damit gelingt es, die vom Laser abgestrahlten Modengemi sche in vollem Umfange auszunützen zur Erzeugung eines ho mogenisierten, radialsymmetrischen Strahlprofils, bei spielsweise eines gauß′schen Strahlprofils, eines parabo lischen Strahlprofils oder eines ringförmigen Strahlpro fils. In jedem Fall weist diese radialsymmetrische Vertei lung einen glatten Intensitätsverlauf auf, und es gibt keine drastische Verringerung der Ausgangsenergie des La sers durch Erzwingen des Basismodes TEM_oo, wie dies bei anderen Laseranordnungen unvermeidbar ist.

Die größere Gesamtenergie ermöglicht die Verwendung größe rer Strahldurchmesser und erleichtert die Variation des Strahldurchmessers. Dadurch wird diese Strahlung besonders geeignet für die Photoablation der Hornhaut, beispielswei se für die photoablative, refraktive Keratektomie zur Be handlung der Myopie.

Der Festkörperlaser kann beispielsweise einer der folgen den Laser sein:
Er : YLF
Er : YAP
Er : YSGG
Er : YAG
Ho : YAG
Cr : Er : YSGG.

Die Übertragungsfaser kann aus ZrF₄ bestehen, aus einem Saphireinkristall, aus Quarz oder anderen im Wellenlängen bereich von 2 µm bis 3 µm transparenten Fasern (zum Bei spiel Silberhalogenidfasern oder Chalcogenidfasern).

Es ist günstig, wenn das Endstück aus einem Quarzstab besteht.

Möglich wäre auch die Verwendung einer Quarzfaser mit Stu fenprofil oder mit Gradientenprofil.

Das Endstück kann gebildet werden durch eine Saphirfaser mit polierten Endflächen.

Es ist günstig, wenn der Abstand zwischen Übertragungsfa ser und Endstück zwischen 0 und 20 mm liegt.

Die Länge der Laserpulse des Lasers kann zwischen 50 µs und 3 ms liegen. Die Vorrichtung ist jedoch auch für Q-switch- Impulse mit Pulslängen von zum Beispiel 10 ns bis 1 µs geeignet.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer moden- und querschnittshomogenisierten Laserstrahlung.

Diese Vorrichtung umfaßt einen Festkörperlaser 1 an sich bekannter Bauart, der daher nicht näher erläutert ist. Es kann sich dabei beispielsweise um einen der folgenden La ser handeln:
Er : YLF
Er : YAP
Er : YSGG
Er : YAG
Ho : YAG
CR : Er : YSGG
Ho : YAG
oder um ähnliche im nahen Infrarot emittierende Kristalle handeln, wie zum Beispiel
Cr : Tm : Er : YAG
Er : GGG.

Die aus diesem austretende Strahlung tritt in eine Über tragungsfaser 2 ein, dabei handelt es sich um eine Faser einer Länge von mindestens 0,2 m mit einem Außendurchmes ser zwischen 50 und 1000 µm. Die Übertragungsfaser 2 be steht beispielsweise aus ZrF₄ oder einem anderen Material, das für die abgegebene Wellenlänge des Festkörperlasers 1 durchlässig ist. Diese Wellenlänge liegt bei den angegebe nen Substanzen zwischen 2 und 3 µm.

Am freien Ende 3 endet die Übertragungsfaser 2 in einer Bruchfläche 4, an diese schließt sich mit einem Abstand zwischen 0 und 20 mm ein Endstück 5 an, beispielsweise ein Quarzstab mit einer Länge zwischen 5 und 50 mm.

Das freie Ende 3 der Übertragungsfaser 2 und das Endstück 5 sind gemeinsam in einer Hülse 6 aus Metall gehalten, beispielsweise mit Hilfe eines Klebstoffes 7.

Die Stirnseiten 8 des Endstückes 5 sind plan ausgeführt, beispielsweise durch Polieren, sie stehen senkrecht auf der Längsachse des Endstückes 5.

Die von dieser Vorrichtung erzeugte Laserstrahlung wird divergent abgegeben und weist eine rotationssymmetrische Strahlungsverteilung auf, die modenhomogenisiert ist. Bei spielsweise kann die Intensitätsverteilung über den Quer schnitt, die in der Zeichnung anhand eines Beispieles an gegeben ist, eine gauß′sche Verteilung sein, eine Super gauß′sche, eine parabolische oder auch eine ringförmige. Dies hängt unter anderem von der Länge der Übertragungsfa ser, vom Eintrittswinkel in die Übertragungsfaser und auch von der Biegung der Übertragungsfaser ab.

So ist es beispielsweise möglich, bei azentrischem Ein tritt der Strahlung in die Übertragungsfaser eine Ringver teilung zu erzeugen, durch eine Biegung der Übertragungs faser lädt sich eine asymmetrische Ausstrahlung erzielen, beispielsweise in Form einer halbmondförmigen Verteilung.

Üblicherweise wird die Einführung der Strahlung zentrisch erfolgen, so daß dann auch eine homogenisierte Verteilung mit Rotationssymmetrie zu erwarten ist.

Die auf diese Weise erzeugte Strahlung ist besonders ge eignet zur Photoablation der Cornea, insbesondere zur Kor rektur der Myopie. In den Randbereichen, die unterhalb ei ner bestimmten Schwellenergie liegen, erfolgt keine Abla tion, diese Ablation setzt erst dort ein, wo die Energie der Strahlung einen bestimmten Schwellwert übersteigt. Durch den geglätteten Verlauf über den Querschnitt erhält man somit eine genau vorhersagbare Verteilung der Strah lung und kann diese Verteilung durch Mehrfachbelichtung so berücksichtigen, daß insgesamt eine im wesentlichen gleichmäßige beziehungsweise dem gewünschten Profil ent sprechende Ablation erreicht wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer querschnittshomo genisierten Laserstrahlung, insbesondere zur Abtra gung der Hornhaut eines Auges,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) einen gepulsten Festkörperlaser (1) mit einer Emission in einem Wellenlängenbereich zwischen 2 und 3 µm,
b) eine Pulsenergie zwischen 100 µJ und 1 J,
c) eine Übertragungsfaser (2) aus einem für die Wellenlänge durchlässigen Material mit einer Länge von mindestens 0,2 m und einem Durchmes ser zwischen 50 und 1000 µm,
d) ein an die Übertragungsfaser (2) anschließendes Endstück (5) mit planen, senkrecht zur Längs richtung angeordneten Endflächen (8) aus einem im Wellenlängenbereich zwischen 2 µm und 3 µm transparenten Material mit einer Länge zwischen 4 und 50 mm.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfaser (2) an ihrem Ende (3) ge brochen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Festkörperlaser (1) einen mit Er: oder Ho: dotierten Kristall umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) ein Er : YLF-Laser ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) ein Er : YAP-Laser ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) ein Cr : Er : YSGG-Laser ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) ein Er : YAG-Laser ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (1) ein Ho : YAG-Laser ist.

9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungs faser (2) aus ZrF₄ besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfaser (2) aus einem Saphireinkristall besteht.

11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (5) aus einem Quarzstab besteht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß das Endstück (5) aus einer Quarzfaser mit Stufenprofil besteht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß das Endstück (5) aus einer Quarzfaser mit Gradientenprofil besteht.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß das Endstück (5) aus einer Saphirfaser oder einem anderen zwischen 2 µm und 3 µm transparenten Kristall mit polierten Endflächen besteht.

15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwi schen Übertragungsfaser (2) und Endstück (5) zwi schen 0 und 20 mm liegt.

16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Laserpulse zwischen 50 µs und 3 ms liegt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß die Laserpulse Q-switch- Impulse mit einer Länge zwischen 10 ns und 1 µs sind.

18. Verwendung der Strahlung der Vorrichtung der Ansprü che 1 bis 17 zur Abtragung von Hornhautgewebe des Auges.