專利名稱：具有可調(diào)節(jié)重復(fù)率的高功率飛秒激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利文獻涉及飛秒激光器，包括可調(diào)節(jié)重復(fù)率高功率飛秒激光器。
背景技術(shù)：
在許多當(dāng)今不斷更具挑戰(zhàn)性的激光應(yīng)用中，持續(xù)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(yīng)用的更好控制以及更大的工作速度。該領(lǐng)域發(fā)展中的重要階段是輸出飛秒激光脈沖的激光系統(tǒng)的出現(xiàn)和成熟。這些飛秒激光器能被用于各種各樣的應(yīng)用，包括許多不同類型的眼科手術(shù)，其中這些超短脈沖可以提供具有良好控制的組織修飾。

發(fā)明內(nèi)容
在本文中提供了構(gòu)造和操作飛秒脈沖激光器的設(shè)計和技術(shù)，包括具有啁啾脈沖放大的激光系統(tǒng)的例子和實現(xiàn)，其中一些具有少量的光學(xué)元件，一些具有低故障頻率，其他一些具有適當(dāng)小的物理延伸區(qū)(extent)，另一些則能夠允許重復(fù)率的改變但無需系統(tǒng)進行大的重新調(diào)節(jié)，而一些對于熱透鏡效應(yīng)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(xù)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(chuàng)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(xù)時間，并且輸出脈沖持續(xù)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(xù)時間小于1000飛秒的光束。在一些實現(xiàn)中，振蕩器輸出種子脈沖重復(fù)率在IO-IOOMHz或20-50MHZ范圍內(nèi)的光束。在一些實現(xiàn)中，展寬器-壓縮器包括啁啾體布拉格光柵。在一些實現(xiàn)中，展寬器-壓縮器包括光熱折射玻璃。在一些實現(xiàn)中，展寬器-壓縮器展寬飛秒種子脈沖的持續(xù)時間達10倍以上。在一些實現(xiàn)中，展寬器-壓縮器將飛秒種子脈沖的持續(xù)時間展寬至1000-200000飛秒的展寬持續(xù)時間。在一些實現(xiàn)中，激光引擎不包含可調(diào)整的展寬器-壓縮器。在一些實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)中，放大器包括光學(xué)元件，而色散補償器引入與放大器的光學(xué)元件引入的色散的符號相反的色散。在一些實現(xiàn)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(xué)元件在一次往返內(nèi)引入的色散基本上幅度相等且符號相反。在一些實現(xiàn)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(xué)元件中的至少一種。在一些實現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)中，激光引擎被配置為輸出具有第一重復(fù)率的激光束，并隨后利用激光引擎的所有光學(xué)元件的基本上相同的設(shè)置輸出具有不同的第二重復(fù)率的激光束。在一些實現(xiàn)中，第一重復(fù)率和第二重復(fù)率落入10kHz-2MHz、50kHz_lMHz或100kHz-500kHz 的范圍內(nèi)。在一些實現(xiàn)中，當(dāng)未經(jīng)修改的激光引擎對于第一和第二重復(fù)率采用不同的光學(xué)元件設(shè)置時，激光引擎能夠被修改以利用與第一重復(fù)率的情況基本上相同的所有光學(xué)元件的設(shè)置，來輸出具有第二重復(fù)率的激光束。在一些實現(xiàn)中，放大器被配置為在重復(fù)率改變時改變放大器中放大的展寬脈沖的往返次數(shù)，同時保持放大器的光學(xué)設(shè)置不變。在一些實現(xiàn)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(xiàn)中，放大器是腔倒空再生放大器、啁啾脈沖放大器或Q開關(guān)放大器。在一些實現(xiàn)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(diào)節(jié)狀態(tài)和偏振非調(diào)節(jié)狀態(tài)之間切換而選擇展寬的脈沖，其中在偏振調(diào)節(jié)狀態(tài)中，可切換偏振器調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振，而在偏振非調(diào)節(jié)狀態(tài)中，可切換偏振器基本上不調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振。在一些實現(xiàn)中，激光引擎可以包括高壓功率開關(guān)，其控制可切換偏振器以從偏振非調(diào)節(jié)狀態(tài)切換至偏振調(diào)節(jié)狀態(tài)，其上升時間小于5納秒、4納秒或3納秒。在一些實現(xiàn)中，激光引擎在1-120秒、10-60秒或20_50秒內(nèi)將飛秒脈沖激光束的
第一重復(fù)率改變?yōu)榈诙貜?fù)率。在一些實現(xiàn)中，激光引擎在1μ s - Is范圍的改變時間內(nèi)將飛秒脈沖激光束的第
一重復(fù)率改變至第二重復(fù)率。在一些實現(xiàn)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(shè)置的激光晶體。在一些實現(xiàn)中，激光引擎被配置為使得當(dāng)激光引擎的重復(fù)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(xiàn)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(nèi)的能量。在一些實現(xiàn)中，激光引擎輸出功率大于O. 1W、1W或IOW的激光束。在一些實現(xiàn)中，激光引擎是眼科手術(shù)系統(tǒng)的一部分。在一些實現(xiàn)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(xù)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(xù)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(xù)時間壓縮至小于1000飛秒；輸出第一重復(fù)率處于10kHz-2MHz范圍內(nèi)且脈沖持續(xù)時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束；將重復(fù)率從第一重復(fù)率改變至處于10kHz-2MHz范圍內(nèi)的第二重復(fù)率，而基本上不改變激光引擎的光學(xué)設(shè)置；以及輸出具有第二重復(fù)率以及小于1000飛秒的脈沖持續(xù)時間的飛秒脈沖激光束。在一些實現(xiàn)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(xué)部件引起的放大的展寬脈沖的色散。 在一些實現(xiàn)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(xué)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(xiàn)中，改變重復(fù)率的步驟包括改變在放大器中的往返次數(shù)，同時保持放大器的光學(xué)設(shè)置基本上不變。在一些實現(xiàn)中，展寬步驟和壓縮步驟由同一展寬器-壓縮器執(zhí)行。在一些實現(xiàn)中，在已經(jīng)完成輸出具有第一重復(fù)率的激光束之后，在1-120秒、10-60秒或20-50秒內(nèi)輸出具有第二重復(fù)率的激光束。在一些實現(xiàn)中，在1μ s - Is范圍內(nèi)的改變時間內(nèi)將重復(fù)率從第一重復(fù)率改變至
第二重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，一種激光引擎包括生成脈沖持續(xù)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(xù)時間的展寬器-壓縮器；以及放大經(jīng)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(xù)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(fù)率在10kHz-2MHz范圍內(nèi)的激光脈沖束，并且隨后利用激光引擎的所有光學(xué)部件的基本上相同的設(shè)置輸出第二重復(fù)率在10kHz-2MHz范圍內(nèi)的激光脈沖束，其中對于第一和第二重復(fù)率，激光脈沖的持續(xù)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(xué)元件引入的色散。在一些實現(xiàn)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(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的狀態(tài)和可切換偏振器不調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的狀態(tài)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(xiàn)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(xiàn)中，激光引擎在小于60秒、I秒或10μ s的時間內(nèi)在第一重復(fù)率和第二重復(fù)率之間進行切換。在一些實現(xiàn)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(xù)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(xué)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(xù)時間，并輸出飛秒脈沖激光束。在一些實現(xiàn)中，可變重復(fù)率激光引擎包括Q開關(guān)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(xiàn)中，端鏡之間的光路的長度小于I米。在一些實現(xiàn)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(xiàn)中，放大器的腔的所有邊緣尺寸小于I米或O. 5米，其中放大器的腔容納放大器的所有光學(xué)元件。
在一些實現(xiàn)中，放大器的占地面積小于Im2或O. 5m2。在一些實現(xiàn)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(xué)元件引入的色散。在一些實現(xiàn)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(nèi)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(xiàn)中，激光引擎被配置為以激光引擎的所有光學(xué)元件的基本上相同的設(shè)置輸出具有處于重復(fù)率范圍內(nèi)的第一重復(fù)率的激光束，并在隨后輸出具有處于該重復(fù)率范圍內(nèi)的第二重復(fù)率的激光束。在一些實現(xiàn)中，第一重復(fù)率和第二重復(fù)率在10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz-500kHz 的范圍中。在一些實現(xiàn)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(nèi)將第
一重復(fù)率改變至第二重復(fù)率。在一些實現(xiàn)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(nèi)在可切換偏振器調(diào)節(jié)放大脈沖的偏振的狀態(tài)與可切換偏振器基本上不調(diào)節(jié)放大脈沖的偏振的狀態(tài)之間進行切換。在一些實現(xiàn)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(shè)置的激光晶體。在一些實現(xiàn)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(xù)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(chuàng)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(xù)時間，并且輸出脈沖持續(xù)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(xiàn)中，光路長度小于300米。在一些實現(xiàn)中，可變重復(fù)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(xù)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(chuàng)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(xù)時間至飛秒值；并且激光引擎占據(jù)小于Im2的面積。在一些實現(xiàn)中，激光引擎是手術(shù)激光系統(tǒng)的一部分，手術(shù)激光系統(tǒng)具有激光引擎以及位于手術(shù)激光系統(tǒng)的頂板上的成像系統(tǒng)。在一些實現(xiàn)中，可變重復(fù)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(xù)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(chuàng)建放大的展寬脈沖的Q開關(guān)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(xù)時間，以輸出飛秒激光脈沖，并且激光引擎的光學(xué)元件數(shù)量小于75。在一些實現(xiàn)中，激光引擎的光學(xué)元件數(shù)量小于50。在一些實現(xiàn)中，激光引擎除振蕩器之外的部分中的光學(xué)元件數(shù)量小于50。在一些實現(xiàn)中，激光引擎除振蕩器之外的部分中的光學(xué)元件數(shù)量小于35。在一些實現(xiàn)中，光學(xué)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(xué)元件、折射元件、透射元件、或反射元件。在一些實現(xiàn)中，光學(xué)元件使光從空氣中進入并且出射至空氣中。在一些實現(xiàn)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(xué)元件引入的色散。在一些實現(xiàn)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(xiàn)中，激光引擎被配置為以激光引擎的所有光學(xué)元件的基本上相同的設(shè)置輸出第一重復(fù)率在重復(fù)率范圍內(nèi)的激光束且隨后輸出第二重復(fù)率在該重復(fù)率范圍內(nèi)的激光束，其中第一和第二重復(fù)率在10kHZ-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz_500kHz的范圍內(nèi)。在一些實現(xiàn)中，激光引擎被配置為使得第一重復(fù)率可在小于I秒的時間內(nèi)改變至第二重復(fù)率。在一些實現(xiàn)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(nèi)在可切換偏振器調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的狀態(tài)與可切換偏振器基本上不調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的狀態(tài)之間進行切換。在一些實現(xiàn)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(shè)置的 激光晶體。在一些實現(xiàn)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(xù)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(chuàng)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(xù)時間，并且輸出脈沖持續(xù)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(xué)元件的數(shù)量小于50。在一些實現(xiàn)中，激光引擎的光學(xué)元件數(shù)量小于75。在一些實現(xiàn)中，一種使用激光系統(tǒng)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(fù)率的激光脈沖；使用掃描激光傳遞系統(tǒng)將激光脈沖聚焦至靶區(qū)域中的焦斑；使用掃描激光傳遞系統(tǒng)在靶區(qū)域中以掃描速度掃描焦斑；改變掃描速度；以及使用重復(fù)率控制器根據(jù)改變的掃描速度調(diào)節(jié)重復(fù)率。在一些實現(xiàn)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(xiàn)中，該方法包括調(diào)節(jié)重復(fù)率以將靶區(qū)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(xiàn)中，泡的密度是線密度、面積密度或體積密度。
在一些實現(xiàn)中，調(diào)節(jié)重復(fù)率的步驟包括與掃描速度成比例地調(diào)節(jié)重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，調(diào)節(jié)重復(fù)率的步驟包括在I微秒-I秒的時間范圍內(nèi)將重復(fù)率從第一值調(diào)節(jié)為第二值。在一些實現(xiàn)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(xiàn)中，該方法包括沿著之字形路徑對焦斑進行XY掃描，以及當(dāng)靠近路徑的折回部分時減慢重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，該方法包括沿著螺旋形掃描激光束，并且當(dāng)掃描靠近螺旋形的中心時減慢重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，調(diào)節(jié)重復(fù)率包括通過如下二者之一而由重復(fù)率控制器接收關(guān)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(guān)于正在改變的掃描速度的電子信息；以及，根據(jù)接收到的關(guān)于已改變的掃描速度的信息調(diào)節(jié)重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，可變重復(fù)率激光掃描系統(tǒng)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(xù)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(xù)時間、以及輸出具有重復(fù)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(chuàng)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(qū)域中掃描激光束的焦斑以生成光致破裂斑的掃描光學(xué)器件；其中激光掃描系統(tǒng)改變重復(fù)率以創(chuàng)建具有預(yù)定密度分布的光致破裂斑。在一些實現(xiàn)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(xiàn)中，放大器包括可切換偏振器，其旋轉(zhuǎn)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(xiàn)中，激光掃描系統(tǒng)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(xiàn)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(fù)率的飛秒激光脈沖；將激光脈沖聚焦在靶區(qū)域中的焦斑以生成光致破裂斑；在靶區(qū)域中以掃描速度掃描焦斑，以及在掃描期間調(diào)節(jié)重復(fù)率以創(chuàng)建具有密度分布的光致破裂斑。在一些實現(xiàn)中，調(diào)節(jié)步驟包括創(chuàng)建具有在靶區(qū)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(xiàn)中，調(diào)節(jié)步驟包括根據(jù)掃描速度的變化調(diào)節(jié)重復(fù)率。
在一些實現(xiàn)中，調(diào)節(jié)步驟包括與掃描速度成比例地調(diào)節(jié)重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，調(diào)節(jié)重復(fù)率的步驟包括在I微秒-I秒的時間范圍內(nèi)將重復(fù)率從第一值調(diào)節(jié)為第二值。在一些實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)中，該方法包括沿著之字形路徑掃描焦斑，以及當(dāng)靠近路徑的折回部分時減慢重復(fù)率。
在一些實現(xiàn)中，該方法包括沿著螺旋形掃描激光束，并且根據(jù)掃描靠近螺旋形的中心而減慢重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，該方法包括沿著線的端部或線的轉(zhuǎn)角掃描激光束；以及根據(jù)掃描靠近該線的端部或該線的轉(zhuǎn)角而減慢重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，該方法包括接收存儲的或感測的關(guān)于掃描速度的信息，并且根據(jù)接收到的關(guān)于掃描速度的信息調(diào)節(jié)重復(fù)率。在一些實現(xiàn)中，該方法包括接收感測的或成像的關(guān)于靶區(qū)域的信息，并且根據(jù)接收到的關(guān)于靶區(qū)域的信息調(diào)節(jié)重復(fù)率。在一些實現(xiàn)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(chǎn)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(huán)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(nèi)的光耦合出去以作為放大器的輸出光的光學(xué)開關(guān)設(shè)備。光學(xué)開關(guān)設(shè)備被配置為控制并調(diào)節(jié)在光腔內(nèi)耦合的光的往返次數(shù)，并且調(diào)節(jié)放大器產(chǎn)生的放大的光脈沖的脈沖重復(fù)率。放大器還包括光腔內(nèi)的用于將種子光脈沖放大成放大的光脈沖的光學(xué)增益介質(zhì)，以及光腔內(nèi)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(xué)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(xù)時間，并且壓縮由放大器輸出的放大的光脈沖的持續(xù)時間以產(chǎn)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(xué)脈沖的色散的色散補償設(shè)備。在另一些實施例中，一種用于操作激光引擎以產(chǎn)生飛秒光脈沖的方法可包括展寬飛秒種子光脈沖以產(chǎn)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(xué)放大器的光腔內(nèi)以放大每個展寬的種子光脈沖的光功率，從而產(chǎn)生放大的展寬光脈沖。在光學(xué)放大器內(nèi)，使用光學(xué)補償器向每個光脈沖提供色散補償，其中光學(xué)補償器被構(gòu)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(nèi)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(xué)開關(guān)設(shè)備以控制將展寬的種子光脈沖的光耦合到光腔內(nèi)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(xù)時間以產(chǎn)生壓縮的放大光脈沖作為激光引擎的輸出；并且操作光學(xué)開關(guān)設(shè)備以控制并調(diào)節(jié)光腔內(nèi)的光往返次數(shù)，由此控制并調(diào)節(jié)壓縮的放大光脈沖的脈沖重復(fù)率，而不使用位于放大器之外的色散補償設(shè)備來補償由放大器引起的色散。


圖IA-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(xiàn)。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(huán)。
圖6A-D例示了具有恒定和可變重復(fù)率的掃描手術(shù)圖案。圖7A-B例示了有關(guān)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(yīng)的設(shè)計挑戰(zhàn)。圖7C-D例示了具有降低的熱透鏡效應(yīng)的放大器300的兩個實現(xiàn)。圖8例示了光束光功率作為工作溫度的函數(shù)的關(guān)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(dǎo)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(zhì)。該問題通過啁啾脈沖放大(CPA)而得以解決。在該技術(shù)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(zhì)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(jīng)將該CPA方法引入大量應(yīng)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(xué)元件，并且因此非常復(fù)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(guān)的次數(shù)。同樣地，CPA激光器非常大的尺寸使得將它們集成在醫(yī)學(xué)設(shè)備內(nèi)變得非常具有挑戰(zhàn)性，因為它們典型地被用于外科套房或手術(shù)室的有限空間內(nèi)。而且，如果不同的手術(shù)程序需要改變脈沖的重復(fù)率，那么該改變需要執(zhí)行耗時的大量光學(xué)元件的重新調(diào)節(jié)。此外，熱透鏡效應(yīng)大大影響了大部分CPA激光器的光學(xué)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(fù)率改變的又一障礙。本文所述的用于構(gòu)造和操作飛秒脈沖激光器的激光器設(shè)計和技術(shù)還可以用于解決其他飛秒脈沖激光器中的各種技術(shù)問題。圖IA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(xué)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(xù)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(xué)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(xù)時間，并且輸出飛秒脈沖的激光束。圖IB例示了另一 CPA激光引擎I’的例子，其中光學(xué)振蕩器100’和光脈沖展寬器200’下游的光學(xué)放大器300’能夠?qū)⒎糯蟮恼箤捗}沖光學(xué)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(yīng)軟件未在本專利文件的附圖中示出，但是在一些實現(xiàn)中旨在作為激光引擎I和I’的描述的一部分。雖然將根據(jù)眼科應(yīng)用(諸如白內(nèi)障手術(shù)、晶狀體切開術(shù)或角膜手術(shù)程序)描述本申請中的若干例子，但能夠在相當(dāng)寬范圍的應(yīng)用中使用激光引擎I的各實現(xiàn)，所述應(yīng)用包括各種各樣的眼科手術(shù)程序，諸如視網(wǎng)膜和角膜手術(shù)，以及皮膚病和牙科應(yīng)用、不同的外科應(yīng)用、以及使用激光光致破裂或一些其他激光協(xié)助的處理而成形材料件的各種材料加工應(yīng)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(shè)計原理以及其他設(shè)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(xué)元件，諸如一百個或更多，這使得它們的設(shè)計復(fù)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(xué)元件，并且在振蕩器100外不多于35個光學(xué)兀件。(2)具有大量光學(xué)元件以及相應(yīng)復(fù)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(huán)”(即開關(guān)30-40次)之后變得相當(dāng)高。這類系統(tǒng)在30-40次開關(guān)循環(huán)之后可能需要預(yù)防性維護，或者需要更為經(jīng)常地進行該維護，以防止在激光器的常規(guī)工作期間發(fā)生實際故障。在本文中，由于大量減少的光學(xué)元件數(shù)量以及新穎的色散控制方法，對于預(yù)期的常規(guī)工作，激光引擎I的實施例可以循環(huán)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(qū)和相應(yīng)的長的往返持續(xù)時間將轉(zhuǎn)換成長的充能(recharge)時間，如后面所述的，因而限制了其重復(fù)率，以及其用于空間受限的手術(shù)設(shè)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(fù)率的一個因素。上述緊湊性能夠轉(zhuǎn)換成測得的從生成光子的點到出射點并且包括腔內(nèi)所有往返的總光路，其可以不考慮這些激光器的高重復(fù)率而低至150米。(4) 一些CPA/⑶RA激光器被精細調(diào)整而以特定重復(fù)率工作。該調(diào)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(fù)率下的色散。然而，如果一個應(yīng)用要求改變重復(fù)率，展寬器和放大器在該新重復(fù)率下會引起不同的色散，從而擾亂CPA/CDRA激光器的精細調(diào)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(xué)元件需要通過耗時的程序來重新調(diào)節(jié)。該重新調(diào)節(jié)使得技術(shù)上不便于在眼科手術(shù)程序的時標(biāo)上改變這些CPA/⑶RA激光器的重復(fù)率。因而，大部分商業(yè)眼科CPA激光器不提供可變重復(fù)率的功能，并且在手術(shù)過程中都不提供可改變的重復(fù)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(fù)率，而無需耗時地重新調(diào)節(jié)激光引擎I的光學(xué)元件。因而，包含色散控制器使得可以在對時間敏感的手術(shù)過程中改變重復(fù)率。一個例子是對于白內(nèi)障手術(shù)使用第一重復(fù)率，而對于晶狀體切開術(shù)或角膜手術(shù)程序使用第二重復(fù)率。正如所周知的，在這些手術(shù)中，時間因素是非常關(guān)鍵的。(5)在一些情況下，在手術(shù)程序中，當(dāng)激光束具有固定的重復(fù)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(zhuǎn)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(xù)可調(diào)節(jié)的重復(fù)率，并且與正在改變的掃描速度近似同步地調(diào)節(jié)重復(fù)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(yù)定的密度分布形成激光斑。(6)此外，熱透鏡效應(yīng)負面地影響一些CPA/⑶RA激光器的光學(xué)性能，并且使得它 用熱透鏡效應(yīng)補償技術(shù)，使得這些實施例對于所應(yīng)用的激光束的功率和重復(fù)率的改變相當(dāng)不敏感。圖2詳細地例示了激光引擎I的一種特定實現(xiàn)。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(shù)應(yīng)用中，手術(shù)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(qū)是很有價值的設(shè)計特征。在一些例子中，振蕩器輸出高質(zhì)量種子脈沖。如下詳細所述，若干因素能有助于實現(xiàn)高脈沖質(zhì)量。(i)在一些實施例中，二極管可包括頻率穩(wěn)定條，諸如二極管內(nèi)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(wěn)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(dǎo)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(shè)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(xù)時間可以小于1000飛秒(fs)。在一些實現(xiàn)中，脈沖持續(xù)時間可處于50-1000飛秒范圍內(nèi)，在一些其他實施例中則處于100-500飛秒范圍內(nèi)。該種子脈沖頻率或重復(fù)率可處于IO-IOOMHz的范圍內(nèi)，在其他實施例中則處于20-50MHZ的范圍內(nèi)。然而將種子脈沖頻率降至10或20MHz以下會產(chǎn)生一系列設(shè)計挑戰(zhàn)。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-IOOOmW的范圍內(nèi)，在其他實施例中則處于100-200mff的范圍內(nèi)。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(xù)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(xù)間隔內(nèi)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?yōu)榕c時間相關(guān)。根據(jù)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?？臻g啁啾(即光束內(nèi)高低頻率成分的空間分離)則提出了各種附加的設(shè)計挑戰(zhàn)，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(xù)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(xù)時間。展寬器-壓縮器200能夠?qū)w秒種子脈沖的持續(xù)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(shè)計規(guī)則。圖3B例示了圖IB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(dāng)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(fā)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(fā)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(xiàn)這一行進。例如，在圖3B的展寬器200’中，頻率在頻譜藍色區(qū)域中的成分的行進距離比紅色區(qū)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(shù)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(xiàn)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(qū)域中。在該例子中，術(shù)語“藍色”和“紅色”指的是在脈沖帶寬內(nèi)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(fù)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(xù)時間可被展寬100、1000或更多倍，功率可相應(yīng)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(xué)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(xiàn)在被定向為與第二光柵203相反，因此現(xiàn)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(xù)時間從數(shù)百皮秒縮短至數(shù)百飛秒。分開的展寬器200’和壓縮器400的設(shè)計是圖IB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IB的設(shè)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(diào)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(shè)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(dāng)然地，高精確性調(diào)節(jié)對于干擾非常敏感溫度、往返次數(shù)和機械應(yīng)力的小改變都能破壞該精確性調(diào)節(jié)，由此需要維護和重新校準(zhǔn)具有圖IB結(jié)構(gòu)的激光引擎I’。(ii)在一些復(fù)雜或多步驟程序中，可能期望改變重復(fù)率。然而,重復(fù)率的這種改變典型地伴隨有往返次數(shù)的改變，以優(yōu)化輸出的脈沖。依次地，往返次數(shù)的改變往往導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)以及放大器300引起的混合色散的改變。因而，重復(fù)率和往返次數(shù)的改變會擾亂展寬、色散和壓縮的經(jīng)仔細校準(zhǔn)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(zhǔn)激光引擎I’的一些實現(xiàn)。無需言明，這些改變典型地需要謹(jǐn)慎并且往往反復(fù)的機械調(diào)節(jié)和精確性校準(zhǔn)，所有這些都是耗時的介入。重新校準(zhǔn)的緩慢可能向期望脈沖重復(fù)率及時改變的應(yīng)用提出了問題。這在時間是關(guān)鍵性因素的應(yīng)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(shù)應(yīng)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(fù)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IB中類型的激光引擎I’的展寬器和壓縮器的空間延伸區(qū)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(zhǔn)次數(shù)，在激光引擎I’的一些實現(xiàn)中，展寬器200’和壓縮器400能夠共享一個或多個光學(xué)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(dǎo)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(zhí)行。圖3C例示了圖IA實施例的展寬器-壓縮器200的例子，其提供了對這些挑戰(zhàn)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IA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(shè)計中，對于脈沖的不同頻譜成分，布拉格諧振條件出現(xiàn)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(dāng)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(qū)域折射，因為其波長更長并且滿足這些近區(qū) 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(qū)域返回。由于藍色成分經(jīng)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(chǎn)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(diào)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(dāng)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(fù)。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(dāng)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(xué)元件的精確對齊并非高度敏感，因為其沒有移動的光學(xué)元件，并因此表現(xiàn)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(shè)計不會引起與往返次數(shù)相關(guān)的附加色散，如參考公式(I)- (2)和圖5A-B進一步所述，因此當(dāng)重復(fù)率改變時，激光引擎I不需要其光學(xué)元件和設(shè)置的敏感的重新校準(zhǔn)和重新對齊。這些屬性允許在其中快速或及時改變重復(fù)率非常重要的應(yīng)用中使用激光引擎I。在與上述不同的其他設(shè)計中，放大器300可能引入附加色散。在這些設(shè)計中，展寬器-壓縮器200的集成結(jié)構(gòu)可以補充有重新調(diào)節(jié)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(wù)可能需要實施與壓縮器功能相關(guān)的可調(diào)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(zhuǎn)了 90度。偏振器在對于種子脈沖的偏振方向呈現(xiàn)透射性的同時，對于第二次穿過λ /4片后的展寬脈沖的經(jīng)90度旋轉(zhuǎn)的偏振面呈現(xiàn)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(xué)器件可能會由于放大的脈沖常常具有數(shù)百或者甚至數(shù)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(xué)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(zhuǎn)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(guī)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(zhuǎn)器將光束的偏振面旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)器再次將偏振旋轉(zhuǎn)約45度。因而，法拉第旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器典型地通過生成指向光軸方向的磁場而實現(xiàn)其功能。一些法拉第旋轉(zhuǎn)器包括永磁體以實現(xiàn)該功能。法拉第旋轉(zhuǎn)器中使用的光學(xué)材料典型地具有高維爾德常數(shù)、低吸收系數(shù)、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(guān)效應(yīng)，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(jīng)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(zhì)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(qū)。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(xiàn)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(zhǔn)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(zhì)因數(shù)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(nèi)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(yù)定偏振的光，同時透射具有正交于第一預(yù)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(dāng)其不旋轉(zhuǎn)通過其的光的偏振時的第一工作狀態(tài)和當(dāng)其響應(yīng)于施加于其上的控制信號而旋轉(zhuǎn)光的偏振時的第二工作狀態(tài)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(zhuǎn)器500的脈沖稱合入放大器300時以及當(dāng)在放大器300內(nèi)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(xué)開關(guān)的一個例子。其他設(shè)計也可以用于該光學(xué)開關(guān)。下文將更詳細地描述放大器300的操作和結(jié)構(gòu)。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(shù)而實現(xiàn)的重復(fù)率改變。剛剛所述的光學(xué)開關(guān)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(shù)。

放大器300中的光學(xué)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(fù)率改變相關(guān)的放大器300中往返次數(shù)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(diào)節(jié)壓縮器400以針對特定次數(shù)的往返而補償色散，由往返次數(shù)的改變引起的色散改變擾亂了圖IB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(zhǔn)。即使對于具有圖IA的集成展寬器-壓縮器200的激光引擎I的更有創(chuàng)造性的結(jié)構(gòu)，在往返次數(shù)改變時也可能需要使用要調(diào)節(jié)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(xué)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(jié)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(shù)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?shù)纳ⅲ沟媚軌蛟诨旧喜粚嚎s器400或展寬器-壓縮器200的光學(xué)設(shè)置進行調(diào)節(jié)、重新對準(zhǔn)或校準(zhǔn)的情況下改變激光脈沖的重復(fù)率。因此，能在圖IB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(fù)率改變之后進行耗時的重新對準(zhǔn)的任務(wù)。而且，該色散受控的放大器300允許在圖IA的激光引擎I中使用集成的展寬器-壓縮器200，而無需可調(diào)節(jié)的補償功能。例如，如果激光晶體310在激光脈沖在諧振腔內(nèi)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GDD = .....擎 L(I)
iT d c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(nèi)光路長度。光學(xué)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(xué)元件的GDD例如能夠通過測量或者根據(jù)設(shè)計推斷而確定。知道GDD后，色散控制器就能腔內(nèi)實施與所確定的放大器300的光學(xué)元件的GDD近似相等但符號相反的GDD。如此設(shè)計的腔在脈沖的往返期間幾乎不產(chǎn)生或完全不產(chǎn)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(diào)節(jié)和校準(zhǔn)相應(yīng)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?？紤]到非理想性，在現(xiàn)實情況下，壓縮脈沖長度可能在500-800fs的范圍內(nèi)。然而，在展寬脈沖在放大器300的諧振腔內(nèi)往返期間，展寬脈沖的長度可能由于放大器300的各光學(xué)元件的色散(表示為腔的GDD)而提升。該GDD的典型值可以從數(shù)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(nèi)。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(jīng)由下列關(guān)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(guān)
JA/(seed)4 + (4In2 xGD/))'I( GDf) VAt (out) = —-= Ll(Need)Jl + 7.69Λ'" χ -7
hi (seed)γ\ At (seed)~ J其中N是腔內(nèi)往返次數(shù)。因而，例如，在單次往返期間，⑶D為7000fs2的放大器的光學(xué)元件可將At (seed) =200fs的種子脈沖的長度增加小小的22fs至Δ t (out) =222fs。然而，在反復(fù)的往返過程中，該看似小的色散以復(fù)利形式增加。在N=IO次往返之后，輸出脈沖的長度增加約790fs至Λ t (out) =990fs,在N=30次往返之后，增加約2700fs=2. 7ps至Δ t (out) =2920fs=2. 9ps,而在 100 次往返之后，增加約 9. 5ps 至 Δ t (out) =9. 7ps。顯然，對于不具有色散受控放大器300的情況，脈沖長度的高達約50倍的大幅惡化使得激光從飛秒激光轉(zhuǎn)變成皮秒激光。而且，即使校準(zhǔn)壓縮器200或400以補償由特定往返次數(shù)引起的附加色散，例如相應(yīng)于N=IOO次往返的9. 5ps色散，但當(dāng)應(yīng)用要求將往返次數(shù)從N=IOO改變至例如N=IlO時，放大器300將引起另外的Ips色散，再次導(dǎo)致皮秒而非飛秒的壓縮脈沖長度。相反地，激光引擎I或I’的實施例可以具有位于放大器300內(nèi)的色散控制器，以補償由諧振腔的光學(xué)元件引起的GDD。該色散控制器可以補償由放大器中的光學(xué)元件引起的每次往返的少量fs色散。因而，放大器300可以接收200ps脈沖長度的展寬脈沖，并且近似獨立于放大器工作的往返次數(shù)而發(fā)射基本上同為200ps脈沖長度的放大脈沖，無論往返次數(shù)為50、100、200還是500。因而，對于寬范圍的往返次數(shù)N，并且因而對于寬范圍的重復(fù)率，激光引擎I的展寬器-壓縮器200或者激光引擎I’的壓縮器400可以將脈沖長度壓縮回飛秒范圍，而無需像放大器300內(nèi)缺乏本發(fā)明的色散控制或補償?shù)钠渌す庀到y(tǒng)那樣進行耗時的重新調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)。放大器300內(nèi)的色散控制器位于放大器300的內(nèi)部光路中，并且因而自動補償GDD/色散，而無需重新調(diào)節(jié)光學(xué)放大器300外的光學(xué)元件。使用放大器300內(nèi)的色散控制器的恰當(dāng)設(shè)計，能夠消除對光學(xué)放大器外部的可調(diào)節(jié)色散元件(諸如圖3B中的色散補償光柵)進行重新調(diào)節(jié)以改變脈沖重復(fù)率的需要。上述設(shè)計考慮所允許的是，激光引擎I或I’可以產(chǎn)生脈沖持續(xù)時間小于1000飛秒、重復(fù)率在10kHz-2MHz范圍內(nèi)的激光束，且激光引擎除振蕩器100之外的所有光學(xué)元件具有基本上相同的設(shè)置。其他實施例可以按50kHz-lMHz范圍內(nèi)的重復(fù)率工作，另一些實施例則按100kHz-500kHz的范圍工作。因而，在這些激光引擎中，重復(fù)率可以從第一值變化至第二值，而無需改變激光引擎除振蕩器100之外的光學(xué)元件的設(shè)置。可能存在有這樣的激光引擎，其中重復(fù)率從其第一值至第二值的改變伴隨有光學(xué)元件設(shè)置的改變。然而，這些激光引擎中的一些可基于其放大器內(nèi)部的色散補償或控制而可修改，使得經(jīng)修改的激光引擎也能操作以使用不經(jīng)修改的設(shè)置輸出具有第二重復(fù)率的激光束。在激光引擎I的各種實現(xiàn)中，重復(fù)率可以從第一值變化至第二值，其中第二重復(fù)率與第一重復(fù)率至少有10%、50%、100%或200%的不同。在其中諧振腔采用光纖的一些設(shè)計中，在不重新調(diào)整和調(diào)節(jié)隨后的壓縮器400的 情況下調(diào)節(jié)重復(fù)率也是可能的。然而，這些光纖激光器(i)對脈沖能量具有嚴(yán)格限制，以及
(ii)通常不具有色散控制器。它們典型地僅產(chǎn)生能量低于每脈沖10微焦(μ J)的脈沖，以避免損害光纖腔的危險。如下文所述，對于許多眼科和手術(shù)應(yīng)用，這一每脈沖能量可能不足，因為這些應(yīng)用可能需要在靶上為20 μ J/脈沖或更大，考慮到各種損耗，轉(zhuǎn)換成激光器輸出為30 μ J/脈沖或更大。另一個不同點是在光纖激光器中，當(dāng)激光器的重復(fù)率改變時，光束的發(fā)散會由于熱負荷的變化而不可避免地改變。相反地，放大器300典型地包含色散控制器或補償器，并且光在自由空間中傳播，從而激光引擎I或I’的一些示例可操作以輸出能量在1-100 μ J/脈沖的范圍內(nèi)的激光束，另一些實施例輸出的能量在10-50 μ J/脈沖的范圍內(nèi)，而又一些實施例輸出的能量在20-30 μ J/脈沖的范圍內(nèi)。一些激光引擎I或I’可以配置為使得重復(fù)率的改變伴隨有激光引擎I的光學(xué)元件的調(diào)節(jié)。然而，由于存在色散控制器，甚至在這些實施例中，激光引擎I或I’可以是可修改的，以便在重復(fù)率改變時采用基本上相同的光學(xué)元件設(shè)置。上述各例能夠以許多不同方式實施。在一些實施例中，光學(xué)放大器內(nèi)的色散控制器或補償器可以包括一個或多個啁啾反射鏡、啁啾光纖、各種啁啾光柵、啁啾透射光學(xué)兀件、棱鏡、和能夠改變?nèi)肷涔馍⒌钠渌鈱W(xué)元件。一般地，啁啾光學(xué)元件可具有光學(xué)性質(zhì)已調(diào)制的多個層。在各例子中，層的厚度及其折射率的變化可被設(shè)計為對不同波長的光施以不同的控制。一個例子中，已經(jīng)關(guān)于展寬器-壓縮器200描述了啁啾體布拉格光柵(CVBG)。其他例子中，諸如啁啾反射鏡可以包括電介質(zhì)材料的多個層，其中每一單個電介質(zhì)層或?qū)拥亩潭询B能夠反射特定波長的狹窄鄰域。啁啾反射鏡可通過形成厚度適于反射波長在第一波長附近的光的、具有5-10個電介質(zhì)層的第一堆疊來構(gòu)造。隨后，可以在第一堆疊上形成具有5-10個電介質(zhì)層的第二堆疊，其具有不同的厚度和/或折射率以反射波長在第二波長附近的光，依此類推。當(dāng)在適當(dāng)數(shù)量的堆疊中形成有足夠數(shù)量的層時，啁啾反射鏡能夠反射波長成分在所選波長帶內(nèi)的光，同時透射具有其他波長的光。放大器中的色散控制功能可通過使得反射鏡321-324中的一個或多個具有啁啾而被執(zhí)行。在圖4中，所有四個鏡均具有啁啾。其他設(shè)計可以僅使得一個或兩個反射鏡具有啁啾。另一些可以采用一個或多個啁啾光學(xué)元件。作為色散控制器的可能實現(xiàn)方式，這些一個或多個啁啾反射鏡可以控制、補償、最小化或者甚至消除由光學(xué)元件310、330和340以及反射鏡321-324在放大的展寬激光脈沖在放大器300的諧振腔內(nèi)的往返期間引起的色散。例子包括Nd = YAG和Yb = YAG晶體。其他實施方式可以使用Nd或Yb摻雜的玻璃。另一些是Yb = X(WO4)2形式的Yb:鎢酸鹽，或者是Yb = X2O3形式的Yb:倍半氧化物。在這些情況下，X可以是Y、Lu、Gd或其他合適的元素。Nd或Yb的摻雜水平可以在O. 1-100%范圍內(nèi)?？梢赃x擇激光晶體的空間摻雜分布以確保發(fā)射高質(zhì)量的單模激光脈沖。一些摻雜分布可與具有有限聚焦能力(由大于泵浦光的常規(guī)M2因子來表示)的泵浦光源相兼容。泵浦源可以是側(cè)泵浦或端泵浦布置。泵浦光源可以包含多個光纖耦合的二極管，諸如2-10個 二極管，各自的發(fā)射功率為1-10W。泵浦二極管可以以基本上連續(xù)波(CW)工作模式或者以類似的高頻脈沖模式而工作。它們可被布置為不同的空間陣列、條或其他形式。來自各二極管的光可通過共享的光柵被引導(dǎo)，該光柵可以將非常小百分比的光返回二極管，因而相位鎖定它們的光。圖5A-B與圖4組合地例示了腔倒空再生放大器⑶RA 300的操作。操作的原理通常稱為“Q開關(guān)”，指的是諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q的切換。在“充能(recharge)”或“泵浦”階段，薄膜偏振器340反射入射光以通過可切換偏振器330。可切換偏振器330可以是快門、斬光盤、自旋棱鏡或反射鏡、聲光器件、電光器件(諸如泡克爾斯盒或克爾盒)、或者可切換的λ/4波片。在無偏壓或低壓狀態(tài)下，隨著脈沖兩次經(jīng)過端鏡322，可切換偏振器330可將偏振面旋轉(zhuǎn)90度。在充能或泵浦階段，法拉第隔離器500將脈沖透射至薄膜偏振器340上，后者將脈沖重定向通過可切換偏振器330。從端鏡322返回后，脈沖第二次穿過可切換偏振器330。隨后，脈沖在腔內(nèi)進行一次往返，從而再在其路徑上兩次通過可切換偏振器330到達和離開端鏡322。在一次往返之后，四次通過可切換偏振器330使得脈沖的偏振面旋轉(zhuǎn)180度。因而，它們基本上無放大地由薄膜偏振器340反射離開腔。在該同一充能或泵浦階段，放大器300也抑制腔內(nèi)由泵浦二極管生成的光的激射(Iasing)作用因為由可切換偏振器330對偏振面的90度的兩次通過旋轉(zhuǎn)使得諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q很低，從而使得腔不適于激射作用。圖5Α例示了在該充能/泵浦階段，激光晶體310吸收來自側(cè)泵浦或端泵浦布置中的上述泵浦二極管或泵浦激光二極管的光。泵浦增加了激射原子或復(fù)合子的受激能級的粒子數(shù)以創(chuàng)建粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，實質(zhì)上吸收并存儲泵浦能量或“增益”。圖5Β例示了在該充能/泵浦階段，放大器300中未生成和發(fā)射放大的激光脈沖。所丟棄的未放大脈沖當(dāng)然由放大器300發(fā)射。圖5Α-Β例示了泵浦/充能階段可以根據(jù)預(yù)定定時操作而結(jié)束或者可以由跟蹤激光晶體310中的能量存儲的感測電子器件來引起。在任一情況下，在時間t (充能)之后，控制和驅(qū)動器電子器件可以向可切換偏振器330施加高電壓，以停止90度的偏振面旋轉(zhuǎn)。其他類型的可切換偏振器330可以由不同手段切換。該改變將腔的品質(zhì)因數(shù)Q切換至足夠高的值以使得腔適于激射作用。放大器300的單脈沖實施例可在單脈沖正執(zhí)行其腔內(nèi)往返的同時切換可切換偏振器330。當(dāng)在可切換偏振器330已被切換之后，單脈沖在其往返結(jié)束時返回可切換偏振器300時，脈沖的偏振面不再旋轉(zhuǎn)，并且因此脈沖不由薄膜偏振器340反射離開腔。與在泵浦階段被丟棄不同，對于長度為t (增益)的增益階段，脈沖能夠被俘獲在腔內(nèi)以進行更多次的往返。在圖5B中，為清楚起見，已經(jīng)放大了 t(增益)的時間刻度。圖5A-B例示了在增益階段，在腔內(nèi)泵浦或存儲的能量(或增益)經(jīng)由被稱為誘導(dǎo)發(fā)射的過程而從激光晶體310傳遞至進行往返的脈沖，以開始激射作用。因此，如圖5A中所示，腔內(nèi)能量降低，而激射脈沖中的能量在增益過程中增大，如圖5B中所示。在圖5B中，t (增益)間隔中的峰表示激射脈沖通過腔內(nèi)特定點時的能量，而實線上升曲線是表示在滑動往返周期上平均的能量增益的包絡(luò)。應(yīng)當(dāng)注意到，在腔內(nèi)俘獲單個輸入脈沖的實施方式可在其往返期間將激光晶體 310中存儲的幾乎所有能量傳遞給單個激射脈沖。相反地，一些實現(xiàn)可以允許多個脈沖進入腔內(nèi)。然而，在這些例子中，得到的激光束可能具有較低的每脈沖能量，于是每脈沖能量降低到低于對于相關(guān)類型的光致破裂為慣常且有益的水平。在泵浦到腔內(nèi)的能量于足夠次數(shù)的往返期間高效傳遞給激射脈沖之后，控制器-驅(qū)動器電子器件可以停止將高壓應(yīng)用于可切換偏振器330，使其恢復(fù)旋轉(zhuǎn)激射脈沖的偏振面。由于偏振旋轉(zhuǎn)的重新啟動，放大的激光脈沖于是在下一往返結(jié)束時(標(biāo)注為t(倒空)的時刻)由薄膜偏振器340反射出腔外。放大的激光脈沖的倒空可以由不同的方式被控制。在一些情況下，可以根據(jù)設(shè)計計算和計算機方法來設(shè)置在多少次往返之后執(zhí)行倒空。在其他情況下，在先校準(zhǔn)可被用于設(shè)置往返次數(shù)。在另一些情況下，可以將各種各樣的傳感器耦合至諧振腔的光路中。該一個或多個傳感器可以感測放大的激射脈沖的能量何時到達預(yù)定值，并由此向控制器發(fā)送控制信號以使腔倒空。使放大的激光脈沖反射離開腔并且將其向壓縮器400發(fā)送，由此完成泵浦-增益-倒空循環(huán)。一旦完成了脈沖倒空，腔返回其低Q狀態(tài)，重啟新的泵浦-增益-倒空循環(huán)。在一些設(shè)計中，脈沖注入端口和脈沖倒空端口可以不同。在圖4中，這兩個端口都可在薄膜偏振器340中實現(xiàn)。在一些實現(xiàn)中，激射脈沖執(zhí)行50-500次往返，在其他實例中，在腔內(nèi)進行100-200次往返，以使得將能量從激光晶體310的泵浦狀態(tài)傳遞給激射脈沖。如前所討論的，振蕩器100可以創(chuàng)建頻率在10-200MHZ范圍內(nèi)的種子脈沖串，在一些情況下，該頻率在20_50MHz范圍內(nèi)。在一些實現(xiàn)中，激光引擎I或I’輸出重復(fù)率在10kHz-2MHz或50kHz_lMHZ或100kHz-500kHz范圍內(nèi)的激光脈沖串。因而，可切換偏振器330通過僅僅俘獲每第5個-每第20000個種子脈沖進行放大來對輸入的種子脈沖串進行抽選。這些俘獲序列的定時可以通過使用振蕩器100作為主時鐘而得以控制。重復(fù)率是激光引擎的主要特性。如果(I)重復(fù)率能在一頻率范圍內(nèi)改變,并且(2)該范圍的上限很高，則可以實現(xiàn)更多樣的功能。例如，最佳地以第一重復(fù)率執(zhí)行白內(nèi)障手術(shù)程序，而第二重復(fù)率可能更適于角膜手術(shù)程序。如果激光引擎能被調(diào)節(jié)以在第一和第二重復(fù)率處均可工作，那么可以對于這兩個功能使用單個激光引擎。因而，接下來將回顧各種設(shè)計考慮，其能夠使得激光引擎I和r中的重復(fù)率可變且范圍上限很高。如參考圖3B-C和圖4所述，放大器300中的色散控制器(諸如對于反射鏡321-324的任一個，啁啾反射鏡)的使用可以補償在腔內(nèi)往返期間由放大器的光學(xué)元件引起的激射脈沖的色散。該設(shè)計特征允許改變激光引擎I或I’的重復(fù)率，而無需改變展寬器200和壓縮器200/400的光學(xué)元件(諸如光柵201、203、205和207、透鏡202以及反射鏡204和208)的校準(zhǔn)、對齊或設(shè)置。代替修改光學(xué)設(shè)置，重復(fù)率改變可以通過施加電控制信號以修改激光引擎I的定時和操作而實現(xiàn)。例如，重復(fù)率可以通過施加信號以縮短重復(fù)時間t (重復(fù))=t (充能/泵浦)+t (增益)而增加。通常，t (重復(fù))的縮短通過減少t (泵浦)和t (增益)兩者來實現(xiàn)。例如，通過增加泵浦二極管/激光器的泵浦強度，可以縮短泵浦時間t (泵浦)。例如通過減少激射脈沖的往返次數(shù)，可以縮短增益時間t (增益)。 例如通過增加每次往返的能量增益，可以在盡管往返較少的情況下仍保持激光脈沖的能量。圖5B例示了激射脈沖的能量在增益階段期間隨著脈沖逐次往返地通過腔內(nèi)的所選參考點而增加。相繼的通過的能量比值通常由(“小信號”)增益因子g表征。增益因子g對于存儲在激光晶體310的受激或泵浦能級中的總能量是敏感的。存儲的能量越多，g因子越大。因此，施加控制信號以增加存儲在增益介質(zhì)310的泵浦能級中的能量，可以使得激射脈沖以較少的往返達到相同的能量，因而增加重復(fù)率。重復(fù)率范圍的上限也可以以多種方式增加。在具有較大增益因子g的實施例中，需要較少的往返來實現(xiàn)相同的放大。因而，一些實現(xiàn)通過采用具有較高增益因子g的激光晶體310而實現(xiàn)重復(fù)率的聞上限。同樣地，由于增益因子g對于存儲在激光晶體310的受激或泵浦能級中的總能量敏感，因此使用更多能量來泵浦受激能級是實現(xiàn)較短t (增益)進而實現(xiàn)較高重復(fù)率的另一種方式?？刂浦貜?fù)率的另一個因子是一次往返所需的時間。激射脈沖以時間間隔2L/c通 過參考點，其中L是腔內(nèi)的光路長度，而c是光速。因而，在一些實施例中，可減小光路的長度L以縮短往返時間。在這些實現(xiàn)中，相同次數(shù)的往返以及因而相同能量的傳遞所需的時間t (增益)更短，由此以另一方式增加了重復(fù)率。實施一個或多個上述設(shè)計原理，激光引擎I或I’的實施例能夠以高達500kHz、IMHz或者在一些情況下2MHz的重復(fù)率工作。此外，在這些實現(xiàn)中，t (增益)的縮短允許使用總重復(fù)時間t (重復(fù))中的更大一部分來支持泵浦和倒空循環(huán)的更有利的占空比。占空比的常用定義是低Q時段的長度除以總時段長度。使用該定義，在例如具有400kHz重復(fù)率的實現(xiàn)中，將t (增益)從I微秒減少至O. 5微秒將使得占空比從O. 6增至O. 75，即25%的可觀增加。返回至縮短光路長度L的設(shè)計原理，應(yīng)當(dāng)注意到，尤其可基于可切換偏振器330能夠多快地切換以在腔內(nèi)俘獲脈沖來控制L。在I米光路的腔中，一次往返的時間是2L/c=6. 6ns。再計及脈沖的有限空間延伸區(qū)，單個脈沖的實施方式因而具有切換時間小于5ns，或小于4ns,或甚至小于3ns的可切換偏振器330。
在一些放大器中，可切換偏振器330可以是泡克爾斯盒。泡克爾斯盒通常施加強電場以旋轉(zhuǎn)入射光束的偏振。偏振的旋轉(zhuǎn)與電場的第一功率成比例，并且因而可以非常強。泡克爾斯效應(yīng)在缺乏反對稱性的晶體中發(fā)生，諸如鈮酸鋰、砷化鎵或其他非中心對稱材料。通過有時施加數(shù)千伏電壓，能夠以極短的上升時間將泡克爾斯盒從偏振旋轉(zhuǎn)狀態(tài)切換至偏振非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。上升時間的一種衡量是“5-95時間”，即偏振面的旋轉(zhuǎn)從最大/飽和值的5%上升至其95%所需的時間。在一些實現(xiàn)中，上升時間可以小于5ns，在其他實現(xiàn)中小于4ns，在另一些實現(xiàn)中小于3ns。事實上，在一些實現(xiàn)中，上升時間并非由泡克爾斯盒本身的動力學(xué)限制，而是由切換電子元件的動力學(xué)限制。一些實現(xiàn)可以使用創(chuàng)新的控制和驅(qū)動器電路以使能該快速的功率切換過程。如上所述，縮短泡克爾斯盒的切換時間是縮短t (增益)從而允許更快重復(fù)率的有效方法。而且，這些更快的泡克爾斯盒還允許減少光路的長度，進而減小腔的尺寸。此外，可以使得激光引擎I的實現(xiàn)具有比某些現(xiàn)有激光器更少的光學(xué)元件。這部分歸因于色散控制器或補償器的應(yīng)用，避免了在壓縮器中設(shè)置可調(diào)節(jié)光學(xué)元件的需要，并 且還歸因于集成的展寬器-壓縮器結(jié)構(gòu)200。雖然一些激光器可能包含上百或更多的光學(xué)元件，但在激光引擎I的一些實現(xiàn)中，光學(xué)元件的數(shù)量可以少于75。在另一些實施例中，小于50。在一些實現(xiàn)中，在除了振蕩器之外的部分中的光學(xué)元件的數(shù)量可以小于50。在其他實施例中，小于35。本文中，術(shù)語“光學(xué)元件”指的是影響光束的光學(xué)性質(zhì)的任何元件。實例包括反射鏡、透鏡、平行板、偏振器、隔離器、任意可切換光學(xué)元件、折射元件、透射元件和反射元件。光學(xué)元件由光從空氣中進入處或者光離開進入空氣處的表面所限定。因而，如果諸如物鏡的一個功能塊包含數(shù)個透鏡，即使當(dāng)物鏡移動時各個透鏡一起剛性移動，該功能模塊也并非一個“光學(xué)元件”。這是因為在物鏡的各透鏡之間，雖然間距較短但光確實有在空氣中傳播。即使兩個透鏡彼此接觸且在其中心不具有氣隙，偏心光束仍然在進入另一透鏡之前從一個透鏡出射進入空氣，于是仍被計數(shù)為兩個光學(xué)元件。應(yīng)當(dāng)注意到，激光器的示意性描述通常示出了比激光器的實際功能所需更少數(shù)量的光學(xué)元件。典型地，當(dāng)示出單個透鏡時，其功能無法由實際的單個透鏡所執(zhí)行，而只能由仔細設(shè)計的透鏡組件執(zhí)行。因而，這種示意性描述典型地僅旨在例示，而如果按字面意思實施將是不可實行的。具有快速泡克爾斯盒、快速切換電子元件和少量光學(xué)元件的激光引擎I的一些實施方式可以在腔內(nèi)具有短于2米的光路，而在其他實施方式中光路可以短于I米。相應(yīng)地，激光引擎從振蕩器100中生成光子開始并且包括放大器300的腔內(nèi)的所有往返的總光路可以小于500米或300米或甚至150米?，F(xiàn)有的飛秒激光器具有500米或更長的總光路以及3-4米或更長的腔端鏡至端鏡距離，因為不采用本文所述的創(chuàng)新方法是很難將光路縮短到低于這些值的。有助于減小激光引擎I的尺寸的創(chuàng)新子系統(tǒng)和特征的列表包括(i)基于光纖的振蕩器100，代替自由空間振蕩器；(ii)集成的展寬器-壓縮器200，可能基于單個啁啾體布拉格光柵，其在重復(fù)率改變時不必調(diào)節(jié)光學(xué)元件；(iii)色散補償放大器300，消除在改變重復(fù)率時對展寬器-壓縮器200中的可調(diào)節(jié)光學(xué)元件的需要；(iv)非?？烨袚Q的泡克爾斯盒；(V)非?？斓目刂齐娮悠骷淠軌蛟诎ㄇХ秶呐菘藸査购械母邏合?，以快速的上升時間操作；以及(Vi)需要較少容納空間的少量光學(xué)元件。實施這些特征的組合或全部的激光引擎可以支持小于500米、在一些實現(xiàn)中小于300米、而在一些實現(xiàn)中小于150米的總自由空間光路。同樣地，具有一些或所有上述相關(guān)特征的放大器300可以具有小于2米、在一些情況下小于I米的端鏡至端鏡光路長度。在許多實現(xiàn)中，光路多次折疊，因而諧振腔的物理延伸區(qū)可能顯著地短于光路長度。短且折疊的光路可以轉(zhuǎn)換成放大器300的小的總延伸區(qū)。在一些情況下，放大器300的邊緣尺寸均未超過I米，在其他情況下，不超過O. 5米。相應(yīng)地，整個激光引擎I的占地面積，即其覆蓋激光系統(tǒng)臺面的面積，可以小于lm2，在其他實現(xiàn)中小于O. 5m2，在另一些實現(xiàn)中小于O. 25m2，并且可能小于O. lm2。這些面積或占地面積各自能夠?qū)е嘛@著的新優(yōu)點。由于使用了一個或多個上述設(shè)計原理和部件，放大器300和激光引擎I可以具有非常小的空間延伸區(qū)。同樣地，空間延伸區(qū)可以合理地將放大器300和激光引擎I與不采用這些設(shè)計原理和部件的其他激光器區(qū)分開。另一考慮也應(yīng)當(dāng)提及對那些位于激光系統(tǒng)的頂板上并由此可通過簡單地移除蓋而無需將系統(tǒng)模塊移入或移出激光系統(tǒng)的機架就可到達的子系統(tǒng)的維護，是關(guān)鍵性地更為簡單的。這樣做可能危及在精密性設(shè)備典型地不可用于恢復(fù)對齊的用戶環(huán)境(諸如醫(yī)院)中，系統(tǒng)模塊的敏感的對齊。因而，雖然將手術(shù)激光系統(tǒng)的各種部件彼此上下堆疊可能看起來是減少其占地面積的另一種方法，但是這樣做會對激光系統(tǒng)的維護引入了過高的挑戰(zhàn)。因而，減小激光引擎I的尺寸允許將也需訪問以進行維護的其他子系統(tǒng)設(shè)置在激 光系統(tǒng)的頂板上。這種附加子系統(tǒng)可以在質(zhì)量方面引入新功能，因而關(guān)鍵性地改善了整個激光系統(tǒng)的實用性。這種附加子系統(tǒng)可以包括成像系統(tǒng)以引導(dǎo)眼科手術(shù)。概言之，上述特征可以獨立或組合實施以構(gòu)造物理緊湊的激光系統(tǒng)。出于至少下列理由，這種小空間延伸區(qū)可以是有價值的優(yōu)點(i)眼科手術(shù)激光系統(tǒng)通常配置在其中空間和通路高度寶貴的非常擁擠的手術(shù)室中，因此偏好具有小占地面積的激光系統(tǒng)；(ii)如果大部分或所有其光學(xué)部件安裝在激光系統(tǒng)機架的頂板上，那么激光引擎的可維護性從質(zhì)量上而言更優(yōu)；以及(iii)小激光引擎允許將附加系統(tǒng)配置在頂板上，向整個激光系統(tǒng)增加關(guān)鍵性的新功能，諸如引導(dǎo)眼科手術(shù)的成像系統(tǒng)。返回追蹤放大的展寬激光脈沖的路徑，圖2例示了一旦由放大器300發(fā)射，放大的脈沖就可以向前返回法拉第隔離器500。法拉第隔離器500的功能之一可以是以近100%的效率重定向放大的脈沖遠離振蕩器，因而防止由放大的脈沖對振蕩器100造成損傷。在一些情況下，經(jīng)由偏振器550和560而將放大的脈沖引導(dǎo)至展寬器-壓縮器200的壓縮器端口。如上所述，展寬器-壓縮器200可以重新壓縮放大的脈沖，并且發(fā)射具有飛秒脈沖的脈沖激光束。利用上述各種解決方案的激光引擎I的實現(xiàn)可以輸出脈沖持續(xù)時間在1-1000飛秒(fs)范圍內(nèi)，在一些情況下為50-500fs范圍內(nèi)，在另一些情況下為100-300fs范圍內(nèi)的激光束。這些飛秒脈沖可以到達極高能量，例如在1-100微焦/脈沖的范圍內(nèi)，在其他實現(xiàn)中，在10-50微焦/脈沖的范圍內(nèi)，在另一些實現(xiàn)中，在20-30微焦/脈沖的范圍內(nèi)。這些脈沖能量可以使得對于脈沖能量小于1、10或20微焦/脈沖的激光不可用的應(yīng)用變得有用，因為在眼內(nèi)存在有呈現(xiàn)出閾值性態(tài)的若干不同的激光-組織交互。存在有其中低于I微焦/脈沖能量的激光脈沖無法引起手術(shù)期望的組織修改的手術(shù)程序。在其他手術(shù)程序中，該閾值可以是10或20微焦/脈沖。例如，白內(nèi)障手術(shù)需要將激光引導(dǎo)至靶組織深處，諸如10_的深度。該需求限制了數(shù)值孔徑，因而需要更高的每脈沖能量值以形成光致破裂。在一些情況下，10-15微焦/脈沖的能量可能足夠。為了避免在最大能量值下操作，可能期望具有20微焦/脈沖的設(shè)備。由于這些數(shù)值是靶上能量，為了計及沿著光路的損耗，激光系統(tǒng)可以包括輸出25-30微焦/脈沖的激光器。例如，在白內(nèi)障手術(shù)應(yīng)用中，切割硬度為I、2、3或4的白內(nèi)障可能需要高于相應(yīng)閾值的激光脈沖能量。例如，在某些情況下，脈沖能量高于10-15微焦/脈沖的激光可以切割硬度I的白內(nèi)障，脈沖能量高于10-20微焦/脈沖的激光可以切割硬度2的白內(nèi)障，脈沖能量高于20微焦/脈沖的激光可以切割硬度3的白內(nèi)障，脈沖能量高于30-50微焦/脈沖的激光可以切割硬度4的白內(nèi)障。這些閾值能量可能受若干因素影響，包括脈沖長度、重復(fù) 率、整個靶區(qū)域內(nèi)的激光斑的位置、和患者年齡。激光脈沖的效應(yīng)在各類靶組織內(nèi)是其參數(shù)的高度非線性函數(shù)。因而，具有相同能量/脈沖但是脈沖持續(xù)時間不同的激光會在手術(shù)靶中得到不同的結(jié)果。例如，具有特定能量/脈沖值的皮秒脈沖可能在眼科組織中生成膨脹不受控制的泡，然而具有類似能量/脈沖的飛秒脈沖則可創(chuàng)建保持受控的泡。因此，上述能量/脈沖值能夠由發(fā)射飛秒脈沖、即長度小于I皮秒的脈沖的激光引擎生成。激光束的強度也可以根據(jù)其功率而量化。例如，具有50kHz重復(fù)率的20微焦/脈沖激光具有IW功率。以功率表示，上述閾值可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)重復(fù)率下的O. 1W、1W和IOW的閾值功率。因而，能夠發(fā)射功率超過這些閾值的激光束的激光引擎提供了不同的功能。例如，食品藥品管理局以醫(yī)用激光器的功率對其進行分類。3B類激光器由于其效應(yīng)已被廣泛研究而通常用于眼科程序中。輸出功率小于O. 5W功率的光束的激光器屬于3B類。因而，功率小于O. 5W的激光器提供了與具有較高功率的激光器大不相同的應(yīng)用。圖6A-D例示了利用其高速改變重復(fù)率的能力的激光引擎I的功能。在各種應(yīng)用中，手術(shù)激光束引起焦點處的光致破裂，其中破裂區(qū)域最終膨脹成泡。隨著激光系統(tǒng)的掃描光學(xué)器件以掃描速度掃描焦斑，生成一串泡。這串泡能夠以可控方式形成線或表面。大量的泡降低了靶組織沿著這些線或表面的機械完整性，使得可以沿著這些線或表面而容易地分離靶組織。實際上，掃描的激光束沿著這些線和表面“切割”靶組織。在一些代表性情況下，泡的直徑可以是數(shù)微米(μ )，間隔距離為10-50 μ的量級或更大。手術(shù)激光系統(tǒng)典型地每重復(fù)時間(重復(fù)率的倒數(shù))創(chuàng)建一個泡。因而，只要激光系統(tǒng)的掃描速度恒定，泡基本上等距離地間隔開。泡在由激光脈沖創(chuàng)建之后膨脹。在各種情況下，這一膨脹可能變得不受控制。這種不受控制的泡膨脹會強烈散射靶區(qū)域內(nèi)的后續(xù)激光脈沖，嚴(yán)重破壞了眼科手術(shù)的精確性和控制。彼此過于靠近的泡的形成是這種不受控制的膨脹的一個誘因，因為這會使得泡接合。其他可能的處理包括泡的膨脹可能干擾后續(xù)形成的泡的形成，在它們之間形成串?dāng)_，再一次導(dǎo)致泡的不受控膨脹。因而，在掃描期間維持預(yù)定的泡間隔是高度優(yōu)先考慮的，以維持眼科手術(shù)激光系統(tǒng)對泡膨脹的控制。
然而，焦斑的掃描通常涉及移動部件，諸如反射鏡和電流計。對于極短的重復(fù)時間，甚至這些移動部件的最小慣性和機械延遲也可能影響泡密度。例如，當(dāng)沿著一些手術(shù)圖案掃描時，掃描速度可能在轉(zhuǎn)折點或拐角處減慢，可能使得激光斑和泡的密度增加。在其他情況下，即使泡的線密度保持恒定，僅僅是手術(shù)圖案的幾何形狀也會引起泡面積密度的增加。圖6A示出了當(dāng)固定重復(fù)率激光器正掃描通過之字形手術(shù)掃描圖案以在靶組織中創(chuàng)建分離的片的示例。然而，隨著靠近轉(zhuǎn)向點或折回點，掃描儀在重復(fù)率維持恒定的同時減緩，由此引起增加的泡線密度進而增加的泡面積密度，如圖所示。這種增加的泡密度可能導(dǎo)致嚴(yán)重的控制問題，如上所述。在一些現(xiàn)有激光系統(tǒng)中，該技術(shù)問題通過包括諸如光束阻擋器的附加元件來解決，所述元件在靠近這類轉(zhuǎn)折點時中斷激光束以防止形成高泡密度區(qū)域。然而，包括這種光束阻擋器意味著在激光系統(tǒng)中增加附加元件，其操作要被控制并且要與掃描本身同步。所有這些附加意味著進一步的挑戰(zhàn)和增加的復(fù)雜性。
類似的問題即使掃描僅僅是到達掃描圖案中的線的一端的情況下也會出現(xiàn)，再次減緩了掃描速度并且引起泡的線密度的增加。圖6B示出了可以通過沿著“加速-最小化”掃描圖案來避免這種銳利轉(zhuǎn)向點。力口速-最小化圖案的一個例子是螺旋形，其不具有銳利的折回。然而，即便螺旋形圖案也只是減少加速，而不是消除加速。因而，掃描速度在這些系統(tǒng)中仍然變化，并且因而固定的重復(fù)率仍然需要被選擇為使得泡密度即便在圖案的最低速度部分處也不增加至超過閾值。然而，該設(shè)計原理意味著對于該圖案的大部分，掃描速度低于系統(tǒng)為了獲得實現(xiàn)切割或分離功能所需的泡密度而可支持的速度。同樣，如果使用較高的掃描速度，那么泡間隔會變得較小，導(dǎo)致形成泡之間的干擾或串?dāng)_。所有這些影響增加了不可控或非確定性泡膨脹的危險。激光引擎I的實現(xiàn)能被設(shè)計以提供該上下文中的有用功能。一般而言獨特的設(shè)計，具體而言放大器300的色散控制器，使得可以與改變掃描速度基本上同步地改變重復(fù)率。在一些激光引擎中，重復(fù)率能夠以IOys-Is范圍內(nèi)、在一些特定情況下為Iys-Is的范圍內(nèi)的改變時間改變。因而，一些實現(xiàn)可以包括控制電子器件，其根據(jù)所設(shè)計或測得的掃描速度沿著手術(shù)圖案的減緩而降低激光引擎I的重復(fù)率，以在靶區(qū)域中維持近似恒定的泡密度。這種近似恒定的泡密度例如可以通過與變化的掃描速度成比例地改變重復(fù)率來實現(xiàn)。使用該功能，激光引擎I或I’可以能夠形成具有近似均勻的線或面積泡密度或間隔的泡，并且因而防止或抵消不受控的泡膨脹。圖6C例示了具有與圖6A中相同之字形的掃描手術(shù)圖案，其中隨著掃描移動至折回點周圍，重復(fù)率降低，從而生成在泡之間具有基本均勻的線間隔的切口。圖6D例示了螺旋形手術(shù)圖案，其重復(fù)率隨著螺旋形收斂至中心而降低，若無此降低則泡會變得彼此過于靠近。該實施例因而同樣能夠創(chuàng)建基本均勻的面積泡密度。當(dāng)然，重復(fù)率的快速可變性還允許泡創(chuàng)建不僅具有恒定的密度，也可具有預(yù)定的密度分布。例如，眼睛的核心越靠中心越硬。因而，在一些實現(xiàn)中，泡密度可以隨著掃描穿過眼核中心而增加，而在中心之后減小。大量不同的密度分布可以具有不同的醫(yī)學(xué)優(yōu)點和益處。密度分布也可以不基于預(yù)定的基礎(chǔ)來調(diào)節(jié)，而是響應(yīng)于靶區(qū)域的成像或感測而調(diào)節(jié)。圖7A-D例示了另一設(shè)計特征，其有助于激光引擎與掃描基本上同步地改變重復(fù)率,或者至少在眼科手術(shù)的時標(biāo)內(nèi)(例如在60-120秒內(nèi))如此。圖7A-B例示了被稱為熱透鏡效應(yīng)的現(xiàn)象以及其對激光器設(shè)計的影響。當(dāng)由泵浦二極管泵浦激光晶體310并且通過放大激光脈沖而傳遞其能量時，激光晶體的溫度T上升。溫度T通常不均勻地上升典型地溫度在泵浦中心區(qū)域最高，可能在光軸處或周圍達到峰值，并且隨著徑向距離的增加而減小。該不均勻溫度上升具有至少兩個效應(yīng)(i)由于折射率η隨著溫度增加η=η(Τ)，其在激光晶體310的中心區(qū)域呈現(xiàn)最大值；以及(ii)增加的溫度使得激光晶體310的中心區(qū)域比其周圍區(qū)域更廣泛的熱膨脹，因此凸起而由較冷的外部區(qū)域固定。這兩個效應(yīng)均趨向于聚焦入射的平行光線。該現(xiàn)象被稱為熱透鏡效應(yīng)。該熱透鏡效應(yīng)通過使得用透鏡310’來符號化激光晶體而表示。該熱透鏡可以通過若干屈光度而呈現(xiàn)折射，并且因而其能夠大幅改變激光引擎的性能。 圖7A例示了激光引擎的設(shè)計典型地涉及確定激光晶體在由工作重復(fù)率和光束功率所確定的工作溫度T=Top處的熱透鏡效應(yīng)的折射效應(yīng)，以及經(jīng)由激光引擎的其他光學(xué)元件引入對于該熱透鏡效應(yīng)的折射補償。一個例子是引入附加透鏡312，其可以在光束熱透鏡310’將平行光束聚焦之后將會聚光束恢復(fù)成平行光束。圖7B例示了這種折射補償適于特定工作溫度T=Top,進而僅適于特定重復(fù)率和光束功率。的確，如果應(yīng)用需要改變重復(fù)率或功率，則改變的重復(fù)率和/或改變的功率將激光晶體310的溫度T從T=Top改變至T=Top’。溫度的這一變化改變了該溫度下的熱透鏡的聚焦(從虛線表示的會聚光束變成實線表示的會聚光束)，將在T=Top處平行的光束轉(zhuǎn)變成在T=Top^處發(fā)散的光束，因而具有較差的會聚性質(zhì)。圖7Β還例示了能夠通過調(diào)節(jié)折射補償來恢復(fù)會聚性質(zhì)。改變折射補償?shù)湫偷匦枰{(diào)節(jié)激光引擎的一個或多個光學(xué)元件，諸如移動透鏡、旋轉(zhuǎn)光柵或者相對于光軸移動光束。圖7Β例示了沿著光軸調(diào)節(jié)補償透鏡312，如箭頭所示。類似于前述色散補償，該經(jīng)由機械調(diào)節(jié)的折射補償也是緩慢的并且需要精細的調(diào)整和校準(zhǔn)。因而，大部分激光器完全回避該挑戰(zhàn)，并且不允許改變重復(fù)率。甚至在那些提供可改變重復(fù)率的激光器中，由于調(diào)節(jié)補償光學(xué)元件的緩慢，該重復(fù)率不能與激光引擎的掃描接近同步地改變，甚至在眼科手術(shù)時間內(nèi)也不能。圖7C-D例示了采用各種設(shè)計原理以最小化熱透鏡效應(yīng)的激光引擎I的實現(xiàn)。如果大部分或所有光線傳播通過或者非?？拷摕嵬哥R310’的中心，則熱透鏡310’的折射能得到相當(dāng)程度的降低，因為在中心穿過透鏡的光線在幾何光學(xué)近似的水平上不發(fā)生折射。在波動光學(xué)水平上并且當(dāng)包括透鏡的有限延伸區(qū)時，這些中心光線發(fā)生折射，但僅僅是很小的角度。圖7C例示了光線能通過例如下列方式被壓縮以入射到透鏡中心(i)使用具有聚焦效果的端鏡322的實施例；(ii)將熱透鏡效應(yīng)激光晶體310/310’非常靠近聚焦端鏡322的焦點放置，從而來自聚焦端鏡322的大部分光線入射到熱透鏡效應(yīng)激光晶體310/310’的中心；以及(iii)將另一端鏡321也非?？拷劢苟绥R322的焦點放置，并且因而非?？拷哥R效應(yīng)晶體310，以確保光束反射回其自身，而非變得發(fā)散。在這些設(shè)計中，在重復(fù)率或光束功率改變，因而將激光晶體310的溫度從T=Top改變至T=Top’時，不存在重新調(diào)節(jié)激光引擎I的任何機械或光學(xué)元件的迫切需要，因為激光晶體310的折射影響已被最小化。因而，可以改變折射率或光束功率，而無需折射補償器的任何對應(yīng)調(diào)節(jié)。參考圖4，在各個實施例中，任何一個或多個端鏡和折疊反射鏡321-324可以具有所述的聚焦效果。該實施例的設(shè)計參數(shù)包括端鏡312和透鏡效應(yīng)晶體310的距離dl、透鏡效應(yīng)晶體310和聚焦端鏡322的距離d2、以及其他參數(shù)，諸如孔徑、透鏡效應(yīng)晶體310的厚度以及聚焦端鏡322的半徑，這些設(shè)計參數(shù)能被優(yōu)化以進一步最小化已減小的熱透鏡效應(yīng)。圖7D例示了相關(guān)設(shè)計。在該實施例中，端鏡321和322均為聚焦類型。該實例進一步減小了熱透鏡效應(yīng)，因為激光晶體310能夠以較高的精確度被設(shè)置在兩個端鏡的共享焦點處。同樣地，可以對其他參數(shù)執(zhí)行附加設(shè)計優(yōu)化。圖8例示了抑制激光引擎I中的熱透鏡效應(yīng)的量化表征。水平軸示出了晶體中心的工作溫度T1^=Top與環(huán)境溫度Tiw之比。垂直軸示出了由激光引擎I發(fā)射的激光束的光功率。該圖示出了，即使激光操作將激光引擎加熱得高于環(huán)境溫度10-50%，光功率也僅改 變百分之幾，在T工作/T =150%時到達約10%。因為由圖7C和圖7D的設(shè)計有效地最小化了激光晶體310的熱透鏡效應(yīng)的折射影響，所以激光晶體310的光功率在如此寬范圍的工作溫度上改變?nèi)绱酥?。以上的詳細描述提供了能被用于實現(xiàn)改變重復(fù)率而無需調(diào)節(jié)振蕩器100以外的光學(xué)元件的設(shè)計原理和例子，包括(i)在放大器300內(nèi)使用色散補償；(ii)使用集成的展寬器-壓縮器200 ;以及(iii)使用最小化熱透鏡效應(yīng)的腔結(jié)構(gòu)，以及上述的其他設(shè)計考慮。使用一個或多個上述或類似設(shè)計特征的激光引擎可以允許在改變時間內(nèi)在重復(fù)率范圍內(nèi)改變重復(fù)率，僅引起有限的激光束修改。本文中，重復(fù)率范圍可以是10kHz-2MHz或50kHz - IMHz或100kHz_500kHz，這些范圍各自提供了特定的功能。改變時間可以是多步驟眼科手術(shù)的時標(biāo)，取決于手術(shù)類型，諸如在1-120秒或10-60秒或20-50秒的范圍內(nèi)。具有這些范圍內(nèi)的改變時間的激光引擎可以支持重復(fù)率從第一手術(shù)程序所需的重復(fù)率至第二手術(shù)程序所需的重復(fù)率的改變。在其他情況下，諸如參考圖6A-D所述的實施例中，改變時間可以是由激光系統(tǒng)的掃描速度設(shè)置的時標(biāo)，例如是重復(fù)時間的倍數(shù)，其中倍數(shù)可以位于1-10000或100-1000的范圍內(nèi)。由于重復(fù)時間在IOkHz為約100微秒(100 μ S)，而在IMHz約為I μ S，因此這些“掃描改變時間”或“掃描同步改變時間”可以在I μ S-Is的范圍內(nèi)。在一些實現(xiàn)中，通過響應(yīng)于掃描速度的改變而改變重復(fù)率使得掃描速度與重復(fù)率之比基本上維持恒定，維持了泡的線密度。重復(fù)率的改變可能在有限程度上修改激光束。該修改能夠以各種方式捕獲，包括
(i)光束直徑改變小于10%或20% ;或者(ii)光束中心移動小于光束直徑的20%或40%。此處可以以不同方式定義光束直徑，諸如光束強度跌至光束中心強度50%的直徑。也可以使用其他定義。一個例子是激光引擎I，其可以發(fā)射重復(fù)率為IOOkHz且焦斑處光束直徑為3微米的激光束，其中通過在15秒的改變時間內(nèi)僅調(diào)節(jié)振蕩器100而可以將激光束的重復(fù)率改變至150kHz，并且盡管有此相當(dāng)大的改變，光束僅被有限程度地修改焦斑直徑僅改變15%至3. 45微米，而其中心相對于光軸僅移動光束直徑的30%，即O. 9微米。可以使用這種激光引擎以IOOkHz重復(fù)率執(zhí)行白內(nèi)障手術(shù)，其重復(fù)率在15秒內(nèi)改變至150kHz，并且可以又以150kHz的重復(fù)率執(zhí)行隨后的角膜手術(shù)程序，整個手術(shù)程序所花時間不超過100或120秒，同時維持非常好的光束質(zhì)量。在另一例子中，激光引擎I可以發(fā)射重復(fù)率為IOOkHz且光束直徑為4微米的激光束。當(dāng)掃描靠近手術(shù)圖案的銳利折回處(其中掃描速度減緩至常規(guī)掃描速度的一半)時，重復(fù)率可相應(yīng)地逐漸減慢至其值的一半，即從IOOkHz至50kHz，以維持生成的泡或斑的接近恒定的線密度。如果該減緩例如在IOOkHz重復(fù)率下的10個重復(fù)周期內(nèi)執(zhí)行，那么改變重復(fù)率的總時間為約100 μ S。重復(fù)率能夠以若干步驟改變或逐漸改變，最終結(jié)果是與激光束的掃描時標(biāo)的改變接近同步地改變重復(fù)率，在約100 μ s內(nèi)從IOOkHz至50kHz。激光引擎I的設(shè)計使得可以在這一相當(dāng)快的時間內(nèi)改變重復(fù)率，同時維持高激光束質(zhì)量。在一例子中，激光束直徑在IOOkHz可以是4微米，隨著重復(fù)率降至50kHz，其可以僅改變10%至3. 6微米，而激光束的中心向離開光軸的方向移動僅光束直徑的20%，即O. 8微米。 表達激光引擎I如何能夠維持高光束質(zhì)量同時改變重復(fù)率的再一種方法是根據(jù)熟知的gl_g2穩(wěn)定性平面。激光引擎I的實現(xiàn)可以在重復(fù)率的寬范圍內(nèi)(例如在10kHz-2MHz或10kHz-500kHz或50kHz-200kHz范圍內(nèi))將光束參數(shù)gl和g2維持在雙曲線穩(wěn)定性區(qū)域內(nèi)。從另一個優(yōu)點而言，光學(xué)元件的小數(shù)量可能是激光引擎I的實現(xiàn)的關(guān)鍵且區(qū)別性特征。飛秒激光器一般是切割邊緣器件，對于環(huán)境影響、與指令不同的使用、以及甚至簡單的磨損(諸如自加熱效應(yīng))非常敏感并且很容易對偏。因而，飛秒激光器的光學(xué)元件可能需要在規(guī)律的短時間間隔中進行精細調(diào)整、重新調(diào)節(jié)和維護。典型的飛秒激光器可以包括上百個或更多的光學(xué)元件，并且這些光學(xué)元件中任一元件的故障就會引起整個激光器的故障。一些典型的激光器可能在30-60個“循環(huán)”(即開關(guān)激光引擎)之后這樣頻繁地發(fā)生故障。為了防止在手術(shù)中發(fā)生故障，一些激光系統(tǒng)的操作者不得不計劃帶有所有附屬成本以及停機時間的規(guī)律且昂貴的維護巡修，并且仍然存在發(fā)生具有破壞性后果的現(xiàn)場故障的聞風(fēng)險。相反地，激光引擎I的實施例可以開關(guān)循環(huán)多于120次，而無需重新調(diào)節(jié)激光引擎I的任何光學(xué)元件。對于一些實施例，循環(huán)次數(shù)可以多于180，或者甚至240。在手術(shù)操作中，為了最小化與加熱和冷卻激光晶體310相關(guān)的問題，通常在早上一次打開激光器且僅在晚上關(guān)閉，即手術(shù)激光器通常一天循環(huán)一次。在一個簡單的估計中，如果每周使用激光器五次，于是每個月近似20次，那么在I. 5個月之后的30次循環(huán)可能轉(zhuǎn)化成高故障機率，三個月的60次循環(huán)更是如此。相反地，激光引擎I的一些實現(xiàn)可以循環(huán)多于120次，轉(zhuǎn)化成6個月的低故障概率。其他實現(xiàn)可以循環(huán)180或240次，轉(zhuǎn)化為9個月或全年的低故障概率。因而，激光引擎I的實施例可由預(yù)防性維護計劃操作，后者向用戶和服務(wù)提供者施加低得多的負擔(dān)。同樣地，如此低頻率的維護計劃允許可能的不同類型的維護，諸如替換激光系統(tǒng)的整個部分。在一些情況下，整個激光引擎I可以在現(xiàn)場用新近維護過的激光引擎來簡單替換，并且激光引擎I的維護可以在服務(wù)提供者基地的高技術(shù)環(huán)境中進行，而非在手術(shù)操作者的較低技術(shù)環(huán)境中進行。雖然本文包含各種特例，但是這些例子不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明的范圍或其聲明范圍的限制，而只是對本發(fā)明具體實施例的特定特征的描述。在本文中多個實施例的上下文中描述的某些特征也可以在單個實施例中組合實現(xiàn)。相反地，在單個實施例的上下文中描述的各個特征可以在多個單獨的實施例中或在任何合適的子組合中實現(xiàn)。此外，雖然各特征在上文被描述為以特定組合起作用，并且最初是這么聲明的，但是所聲明組合中的一個或多個特征在某些情況下可從該組合中去除，并且所聲明的組合可以得到子組合或子組合的變體。
公開了成像引導(dǎo)的激光手術(shù)技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)的多個實現(xiàn)。然而，基于所述內(nèi)容，可以對所述實現(xiàn)以及其他實現(xiàn)進行變化和改善。
權(quán)利要求
1.ー種激光引擎，包括 生成和輸出飛秒種子脈沖束的振蕩器； 展寬種子脈沖的持續(xù)時間的展寬器-壓縮器；以及 放大器，用于接收來自展寬器-壓縮器的展寬種子脈沖，放大所選的展寬種子脈沖的幅度以創(chuàng)建放大的展寬脈沖，以及輸出放大的展寬脈沖激光束； 其中 所述展寬器-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(xù)時間，以及輸出脈沖持續(xù)時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束；并且所述放大器包括降低放大的展寬脈沖的色散的色散補償器。
2.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 振蕩器是ニ極管泵浦光纖振蕩器。
3.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 振蕩器輸出變換限制的種子脈沖。
4.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 振蕩器生成種子脈沖持續(xù)時間小于1000飛秒的光束。
5.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 振蕩器輸出種子脈沖重復(fù)率在10-100MHZ或20-50MHZ范圍內(nèi)的光束。
6.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 展寬器-壓縮器包括啁啾體布拉格光柵。
7.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 展寬器-壓縮器包括光熱折射玻璃。
8.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 展寬器-壓縮器展寬飛秒種子脈沖的持續(xù)時間達10倍以上。
9.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 展寬器-壓縮器將飛秒種子脈沖的持續(xù)時間展寬至1000-200000飛秒的展寬持續(xù)時間。
10.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 激光引擎不包含可調(diào)整的展寬器-壓縮器。
11.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，包括 位于振蕩器和展寬器-壓縮器之間的偏振器和\ /4片，其使展寬種子脈沖束重定向為朝向放大器。
12.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，包括 法拉第隔離器，用于接收來自展寬器-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-壓縮器的壓縮器端ロ輸出放大的展寬脈沖激光束，以及使振蕩器與放大的展寬脈沖激光束隔離。
13.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 放大器包括光學(xué)元件，并且 色散補償器引入與放大器的光學(xué)元件引入的色散符號相反的色散。
14.如權(quán)利要求13所述的激光引擎，其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(xué)元件在一次往返內(nèi)引入的色散基本上幅度相等且符號相反。
15.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中色散補償器包括 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(xué)元件中的至少ー種。
16.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，該放大器包括 放大所選的展寬種子脈沖的幅度的增益材料； 限定諧振腔的兩個端鏡；以及 使諧振光路在放大器內(nèi)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ー個為啁啾反射鏡。
17.如權(quán)利要求16所述的激光引擎，其中 啁啾反射鏡將負色散引入到放大的展寬脈沖中。
18.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 激光引擎被配置為輸出具有第一重復(fù)率的激光束井隨后利用激光引擎的所有光學(xué)元件的基本上相同的設(shè)置，輸出具有不同的第二重復(fù)率的激光束。
19.如權(quán)利要求18所述的激光引擎，其中 第一重復(fù)率和第二重復(fù)率落入10kHz-2MHz、50kHz-lMHz或100kHz_500kHz的范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求18所述的激光引擎，其中 當(dāng)未經(jīng)修改的激光引擎對于第一和第二重復(fù)率采用不同的光學(xué)元件設(shè)置時，激光引擎能夠被修改以利用與第一重復(fù)率的情況基本上相同的所有光學(xué)元件的設(shè)置，來輸出具有第二重復(fù)率的激光束。
21.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 放大器被配置為在重復(fù)率改變時改變放大的展寬脈沖的往返次數(shù)，同時保持放大器的光學(xué)設(shè)置不變。
22.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 放大器具有小于ー米的端鏡至端鏡折疊光路。
23.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中放大器是下列之一 腔倒空再生放大器、啁啾脈沖放大器或Q開關(guān)放大器。
24.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，該放大器包括 在兩個端鏡之間的光路中的可切換偏振器，其能夠通過在如下兩種狀態(tài)之間切換而選擇展寬脈沖 其中可切換偏振器調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的偏振調(diào)節(jié)狀態(tài)；以及 其中可切換偏振器基本上不調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的偏振非調(diào)節(jié)狀態(tài)。
25.如權(quán)利要求24所述的激光引擎，包括 包括高壓功率開關(guān)，其控制可切換偏振器以從偏振非調(diào)節(jié)狀態(tài)切換至偏振調(diào)節(jié)狀態(tài)，其上升時間小于5納秒、4納秒或3納秒。
26.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 激光引擎在1-120秒、10-60秒或20-50秒內(nèi)將飛秒脈沖激光束的第一重復(fù)率改變?yōu)榈诙貜?fù)率。
27.如權(quán)利要求I所述的激光引擎,其中激光引擎在I y S - Is范圍的改變時間內(nèi)將飛秒脈沖激光束的第一重復(fù)率改變至第二重復(fù)率。
28.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中放大器包括 至少ー個聚焦反射鏡；以及 緊靠聚焦反射鏡的焦點設(shè)置的激光晶體。
29.如權(quán)利要求28所述的激光引擎，其中 激光引擎被配置為使得當(dāng)激光引擎的重復(fù)率從第一值改變至第二值且兩值均位于10kHz-2MHz的范圍中時，則 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%。
30.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 激光束的飛秒脈沖具有如下范圍內(nèi)的能量 I-IOOuJ/ 脈沖、10-50 u J/ 脈沖或 20-30 u J/ 脈沖。
31.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 激光引擎輸出功率大于0. 1W、1W或IOW的激光束。
32.如權(quán)利要求I所述的激光引擎，其中 激光引擎是眼科手術(shù)系統(tǒng)的一部分。
33.ー種使用激光引擎生成激光束的方法，該方法包括如下步驟 使用振蕩器生成持續(xù)時間小于1000飛秒的種子脈沖束； 使用脈沖展寬器展寬種子脈沖的持續(xù)時間； 使用放大器放大所選的展寬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(xù)時間壓縮至小于1000飛秒； 輸出第一重復(fù)率處于10kHz-2MHz范圍內(nèi)且脈沖持續(xù)時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束； 將重復(fù)率從第一重復(fù)率改變至處于10kHz-2MHz范圍內(nèi)的第二重復(fù)率，而基本上不改變激光引擎的光學(xué)設(shè)置；以及 輸出具有第二重復(fù)率且脈沖持續(xù)時間小于1000飛秒的飛秒脈沖激光束。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中放大步驟包括 利用放大器中的色散補償器來降低由放大器的光學(xué)部件引起的放大的展寬脈沖的色散。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中降低色散的步驟包括 由放大器中的至少ー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(xué)元件所引起的色散基本上幅度相等且符號相反。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，改變重復(fù)率的步驟包括 改變放大器中的往返次數(shù)。
37.如權(quán)利要求33所述的方法，其中 展寬步驟和壓縮步驟由同一展寬器-壓縮器執(zhí)行。
38.如權(quán)利要求33所述的方法，包括在已經(jīng)完成輸出具有第一重復(fù)率的激光束之后，在1-120秒、10-60秒或20-50秒內(nèi)輸出具有第二重復(fù)率的激光束。
39.如權(quán)利要求33所述的方法，包括 在Iii s - Is范圍內(nèi)的改變時間內(nèi)將重復(fù)率從第一重復(fù)率改變至第二重復(fù)率。
40.ー種激光引擎，包括 生成脈沖持續(xù)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(xù)時間的展寬器-壓縮器；以及 放大經(jīng)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(xù)時間，并且輸出激光脈沖束；以及激光引擎可操作以輸出第一重復(fù)率在10kHz-2MHz范圍內(nèi)的激光脈沖束，且其后利用激光引擎的所有光學(xué)部件的基本上相同的設(shè)置輸出第二重復(fù)率在10kHz-2MHz范圍內(nèi)的激光脈沖束，對于第一和第二重復(fù)率，輸出的激光脈沖持續(xù)時間小于1000飛秒。
41.如權(quán)利要求40所述的激光引擎，該放大器包括 色散補償器，其至少部分補償由放大器的光學(xué)元件引入的色散。
42.如權(quán)利要求40所述的激光引擎，該放大器包括 位于放大器的端鏡之間的可切換偏振器，其使用小于5納秒、4納秒或3納秒的上升時間在如下兩狀態(tài)之間切換 其中可切換偏振器調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的狀態(tài)；以及 其中可切換偏振器不調(diào)節(jié)放大的展寬脈沖的偏振的狀態(tài)。
43.如權(quán)利要求40所述的激光引擎，該放大器包括 至少ー個聚焦反射鏡；以及 位于聚焦反射鏡的焦點附近的增益晶體。
44.如權(quán)利要求40所述的激光引擎，其中 激光引擎在小于60秒、I秒或IOii s的時間內(nèi)在第一重復(fù)率和第二重復(fù)率之間切換。
45.ー種激光引擎，包括 輸出飛秒種子脈沖的振蕩器； 展寬種子脈沖的持續(xù)時間的展寬器； 放大器，用于將展寬的種子脈沖放大成放大的展寬脈沖，并且包括色散補償器，以補償由放大器的光學(xué)元件引起的放大的展寬脈沖的色散；以及 壓縮器，用于接收放大的展寬脈沖，壓縮放大的展寬脈沖的持續(xù)時間，以及輸出飛秒脈沖激光束。
46.ー種激光引擎，包括 輸出飛秒種子光脈沖的振蕩器； 放大種子光脈沖以產(chǎn)生放大的光脈沖的放大器，其包括 耦合以接收和循環(huán)種子光脈沖的光腔， 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(nèi)的光耦合出去以作為放大器的輸出光的光學(xué)開關(guān)設(shè)備，該光學(xué)開關(guān)設(shè)備被配置為控制并調(diào)節(jié)在光腔內(nèi)耦合的光的往返次數(shù)，并且調(diào)節(jié)放大器產(chǎn)生的放大的光脈沖的脈沖重復(fù)率，光腔內(nèi)的用于將種子光脈沖放大成放大的光脈沖的光學(xué)増益介質(zhì)，以及光腔內(nèi)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；以及放大器外部的ー個或多個光學(xué)元件，用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(xù)時間，并且壓縮由放大器輸出的放大的光脈沖的持續(xù)時間以產(chǎn)生放大的光脈沖。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中該激光引擎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(xué)脈沖的色散的色散補償設(shè)備。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中光學(xué)開關(guān)設(shè)備是控制光的光偏振的偏振設(shè)備。
49.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中放大器內(nèi)的色散補償器被構(gòu)建為引入與放大器所引起的色散符號相反的色散。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的激光引擎，其中放大器內(nèi)的色散補償器被構(gòu)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(nèi)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。
51.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中色散補償器包括一個或多個啁啾布拉格光柵。
52.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中色散補償器包括一個或多個啁啾反射鏡。
53.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中色散補償器包括ー個或多個啁啾光纖段。
54.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中色散補償器包括ー個或多個棱鏡。
55.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中色散補償器包括一個或多個啁啾透射光學(xué)元件。
56.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中在將每個種子光脈沖耦合進放大器之前展寬種子光脈沖并且壓縮由放大器輸出的放大的光脈沖的放大器外部的ー個或多個光學(xué)元件包括 脈沖展寬器，其在每個種子光脈沖耦合進至放大器之前展寬種子光脈沖的脈沖持續(xù)時間，使得展寬的種子光脈沖由放大器放大；以及 與脈沖展寬器分開的脈沖壓縮器，其壓縮由放大器輸出的放大的光脈沖的脈沖持續(xù)時間作為激光引擎的輸出。
57.根據(jù)權(quán)利要求46所述的激光引擎，其中在將每個種子光脈沖耦合進放大器之前展寬種子光脈沖并且壓縮由放大器輸出的放大的光脈沖的放大器外部的ー個或多個光學(xué)元件包括 集成的脈沖展寬器-壓縮器裝置，其在每個種子光脈沖耦合進至放大器之前展寬種子光脈沖的脈沖持續(xù)時間以使得展寬的種子光脈沖由放大器放大，并且壓縮放大器輸出的放大的光脈沖的脈沖持續(xù)時間作為激光引擎的輸出。
58.一種用于操作激光引擎以產(chǎn)生飛秒光脈沖的方法，包括 展寬飛秒種子光脈沖以產(chǎn)生展寬的種子光脈沖，其中每個脈沖具有減小的光功率；將展寬的種子光脈沖耦合進入光學(xué)放大器的光腔內(nèi)以放大每個展寬的種子光脈沖的光功率，從而產(chǎn)生放大的展寬光脈沖； 在光學(xué)放大器內(nèi)，使用光學(xué)補償器向每個光脈沖提供色散補償，其中光學(xué)補償器被構(gòu)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(nèi)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； 操作耦合至光腔的光學(xué)開關(guān)設(shè)備以控制將展寬的種子光脈沖的光耦合到光腔內(nèi)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(xù)時間以產(chǎn)生壓縮的放大光脈沖作為激光引擎的輸出；以及 操作光學(xué)開關(guān)設(shè)備以控制并調(diào)節(jié)光腔內(nèi)的光往返次數(shù)，由此控制并調(diào)節(jié)壓縮的放大光脈沖的脈沖重復(fù)率，而不使用位于放大器之外的色散補償設(shè)備來補償由放大器引起的色散。
全文摘要
本文提供了用于構(gòu)造和操作飛秒脈沖激光器的設(shè)計和技術(shù)。激光引擎的一個例子包括生成和輸出飛秒種子脈沖束的振蕩器；展寬種子脈沖的持續(xù)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(chuàng)建放大的展寬脈沖并且輸出放大的展寬脈沖激光束返回至展寬器-壓縮器的放大器，展寬器-壓縮器壓縮返回的激光束的持續(xù)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(fù)率在手術(shù)程序之間或者根據(jù)掃描速度可調(diào)。激光引擎可以是緊湊的，其總光路小于500米，并且具有少量的光學(xué)元件，例如少于50個。
文檔編號H01S3/10GK102771020SQ201180010879
公開日2012年11月7日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者M·卡拉維蒂斯 申請人:愛爾康手術(shù)激光股份有限公司