專利名稱：利用激光器處理材料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種借助激光器進行材料處理或加工的方法和裝置。其處理材料的方式為，激光(或激光脈沖)經(jīng)由光學系統(tǒng)射到材料上，由材料重放的光，反射或散射回來的光，經(jīng)由此光學系統(tǒng)射到檢測裝置上。檢測裝置后接一用于控制激光器的鑒別電路。
在已知的方法中，激光的工作方式(“膽結(jié)石脈沖激光破碎的光學研究”，應用物理B，Springer出版198773～78頁)是激光器的輸出信號直接經(jīng)由一個激光光學系統(tǒng)和一個光波導到達尿和膽結(jié)石上，以使結(jié)石碎化。在激光光學系統(tǒng)中設置一個半反射鏡，該半反射鏡可使被結(jié)石反射或散射回的光或結(jié)石重放出的光的一部分經(jīng)光波導返回到檢測器1，檢測器1后面裝有一頻譜分析器型的鑒別電路。
以上述方式導入光波導，很難避免損傷結(jié)石周圍的組織。目視控制或借助X射線方法的控制也不能避免激光能量作用在結(jié)石周圍的組織上。
本發(fā)明的目的就是要提供一種本文開頭部分所述的方法及裝置，這種方法及裝置對所要求的區(qū)域或材料進行處理或加工可自動達到低損傷度。因此，例如對人體內(nèi)尿結(jié)石和膽結(jié)石的破碎，能確保不損失結(jié)石周圍的組織。
上述本發(fā)明的目的是如下來實現(xiàn)的，通過鑒別入射到檢測裝置上光的時間函數(shù)曲線來控制激光器和/或處于輸出光路中的光學開關。
根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置，被處理材料的加工可達到精確的可控，尤其是在破碎人體內(nèi)結(jié)石時(例如，尿結(jié)石和膽結(jié)石)更顯得必要。激光器要如此來控制，使其脈沖輻射得以保護組織，亦即輻射時對結(jié)石有選擇性。所施加能量的控制可通過改變功率密度，改變脈沖寬度或同時控制上述兩參數(shù)而實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在觸發(fā)激光脈沖之后，在予定的時間之內(nèi)，檢測裝置的輸出信號未超過予定的閾值時，激光脈沖在達到其最大能量之前即被中止。在本實施例中，按著本發(fā)明的發(fā)現(xiàn)應考慮以下情況，當激光脈沖觸到硬材料時，檢測器的輸出訊號在極短的時間內(nèi)呈現(xiàn)出極高的值;當激光脈沖觸到人體組織或軟材料時，在激光脈沖觸發(fā)后所說的輸出信號的升高在一個相當長的時間后也不會發(fā)生。如果光脈沖觸發(fā)后在一予定的時間內(nèi)輸出信號的升高還不發(fā)生，這就說明激光脈沖觸到了比較軟的材料，并且在激光脈沖到達其最大值之前例如通過關閉光學開關加以終止。
根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置也適于處理其他材料，例如在集成電路制作中加工半導體材料上精細限定的區(qū)域。
本發(fā)明的方法和裝置還可在血管成形術(shù)中應用。
在本發(fā)明方法和裝置中激光器及跟隨激光器工作的光學開關按下述的實施例進行控制。開始時，僅發(fā)射測量脈沖，保持這些脈沖能量低到尚不發(fā)生介質(zhì)擊穿。對入射到檢測器上的光的時間函數(shù)進行測定。如果測定結(jié)果表示，存在需要處理或加工的材料，則激光能量就增加以確保僅在要處理的材料處(例如，結(jié)石處)產(chǎn)生介質(zhì)擊穿。
隨后便可針對每一個加工脈沖，作入射到檢測器上的光的時間函數(shù)曲線分析。當脈沖打到并非需要處理的周圍材料上時，上述的時間函數(shù)曲線明顯改變。當檢測到這種情況時，激光能量便被降到較低值。
另外，可在每個高能量加工脈沖之后產(chǎn)生一個測量脈沖。所說的測量脈沖用以確定需要加工的材料是否已被激光脈沖擊穿。在各種情況下，均可確保需加工材料周圍的材料不受損害。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實施例，在裝置的輸出信號的時間曲線表明激光脈沖沒有落在需加工的材料上時，可利用一個光學開關，在能量未達到其最大值之前終止激光脈沖，以使不需加工的材料免遭損害。
除光學檢測外，還可檢測和評價伴隨介質(zhì)擊穿而產(chǎn)生的聲信號(例如，為了記錄的目的，通過聲信號確定所用的加工脈沖數(shù))。
下面將結(jié)合有關的實施例及附圖詳述本發(fā)明。


圖1為實現(xiàn)本方法的裝置的一個實例。
圖2～6，表示入射到檢測裝置上的光時間函數(shù)軌跡或曲線的實例。
圖7，表示圖5和圖6的曲線的理想化實例。
圖8，表示鑒別電路的第一實施例。
圖9，表示鑒別電路的第二實施例。
圖10，是進一步解決本發(fā)明基本思想的圖表。
圖11，表示根據(jù)圖10原理用于檢測的裝置的實施例。
在圖1所示的本發(fā)明裝置的實施例中，包括激光器1，激光器1經(jīng)高速光學開關2向激光光學系統(tǒng)3提供輸出脈沖，從激光光學系統(tǒng)輸出的脈沖經(jīng)光纖或光波導6到達需處理或加工的材料M。圖示的實施例中的激光光學系統(tǒng)3中包括半反射鏡4和將激光脈沖聚焦在光波導6上的第一透鏡5。所需加工的材料M重發(fā)的散射或反射回的光經(jīng)光波導6、透鏡5、半反射鏡4到達另一透鏡7，透鏡7將這些返回的光聚焦在檢測裝置上。檢測裝置的輸出信號輸入到一鑒別電路(將參照圖8和圖9詳述鑒別電路)，輸出信號經(jīng)邏輯電路10通過輸出線12控制光學開關2。如圖所示，也可通過邏輯電路10的另一根輸出線11控制激光器1本身而省去光學開關2。
當一個高能激光脈沖觸到需加工的材料M時，緊靠M的介質(zhì)即發(fā)生擊穿，從而對被加工的材料施加一個沖擊波。
被加工的材料例如，人體內(nèi)的結(jié)石，尿結(jié)石或膽結(jié)石被夾在周圍的組織中，在這種情況下，沖擊波使結(jié)石破碎。由于等離子體的高溫引起等離子體沸騰效應并引起壓力，在靶區(qū)激起分裂、沖擊或破碎。但在許多情況下特別是在破碎人體結(jié)石的情況下，必須保證由光波導6端部引出的激光脈沖僅打在要被加工的材料M上，而不能打到周圍的組織上，以免周圍組織遭受損傷。
檢測裝置8與鑒別電路9一起允許以極快的速度判定位于光波導6端部的材料是所要加工的材料還是不能經(jīng)受激光脈沖至少是不能經(jīng)受全功率激光脈沖的材料。
為上述目的，鑒別電路應鑒別出輸入檢測裝置光信號時間函數(shù)的瞬時變化。這一鑒別方式所基于的基本思想將結(jié)合圖2～6在下文詳細描述。
在圖2～6的每幅圖中，上部表示激光脈沖，下部表示檢測裝置的輸出信號。橫座標表示時間變化，縱座標表示相應的脈沖幅度。
圖2-4所示為發(fā)射低功率激光脈沖的情況，下文稱其為測量脈沖。
圖2所示為光波導的輸出端與水相接的情況。由圖可知此時檢測裝置的輸出信號幾乎處于噪聲區(qū)。
圖3所示為光波導6的輸出端處在距人體組織一厘米的情況。由圖可知，此時檢測裝置8輸出信號的幅度明顯大于圖2中檢測裝置輸出信號的幅度。
圖4所示為光波導6的輸出端位于需處理和破碎的人體結(jié)石前一厘米處。比較圖2-4，可清楚地看到，當發(fā)射的測量脈沖接近人體結(jié)石時檢測裝置輸出信號的幅度明顯增高，由此即可判定光波導的端部已被置于所說的人體結(jié)石的鄰近處。
從圖5和圖6可看出在加工脈沖的發(fā)射方面，上述情況在一定程度上是可逆的。圖5所示的激光脈沖能量如此之高，該脈沖可使光波導端部產(chǎn)生電擊穿。此時，當激光脈沖打到人體結(jié)石時，檢測裝置8的輸出光相對平緩的升高A(如圖5所示)，然后出現(xiàn)一個較高的尖峰B。但是，如果電擊穿發(fā)生在人體組織中，則立刻出現(xiàn)一相當高的單個尖峰C(如圖6所示)。
圖7a和7b表示檢測器輸出信號的時間函數(shù)曲線的理想形式。圖7a相對于圖5。圖7b相對于圖6。由圖7a可知，當在結(jié)石處發(fā)生介質(zhì)擊穿時，檢測器輸出信號先有一較平穩(wěn)的升高A，然后是一陡然的尖峰B。由圖7b可知，當介質(zhì)擊穿發(fā)生在人體組織處時，檢測裝置輸出信號僅為一雎齔寮夥錍。
基于激光入射到圖1中檢測裝置上所引起的時間函數(shù)曲線的情況可設計出低功耗鑒別電路。該鑒別電路可清楚的鑒別出光波導的輸出端是指向要被加工材料的本身還是指向其周圍的材料。
圖8和圖9是表示鑒別電路的兩個實施例。
在二個實施例中，檢測器8后面連接信號放大器20，放大器20的輸出信號輸入到第一閾值檢測器21和第二閾值檢測器22。
兩實施例中的閾值檢測器具有J和N兩個輸出端。當閾值檢測器各自的閾值被超出時，閾值檢測器21和22的J端有信號輸出。在其他情況下，閾值檢測器的N端有信號輸出。
另外，圖8和圖9兩實施例中的第二閾值檢測器22的閾值高于第一閾值檢測器21的閾值。
第一閾值檢測器21的輸出端N或J始終與顯示器26和27(其工作方式待述)相連。顯示器26、27用來進行監(jiān)視操作或?qū)ξ挥诠獠▽?輸出端的組織進行鑒別。
第二閾值檢測器22的J輸出端與顯示器28相連，顯示器28也是提供光波導6的輸出端接近要被加工材料(例如，結(jié)石)的情況。
在圖8的實施例中，閾值檢測器22的J端輸出可啟動一個開關25(開關25可是一電子開關)。開關25可將信號放大器20的輸出信號通到曲線形狀鑒別器23的輸入端。鑒別器23可鑒別檢測裝置8輸出信號時間函數(shù)的變化。閉合開關25，曲線形狀鑒別器23經(jīng)輸出線20a發(fā)送一信號給激光器控制電路24，電路24即驅(qū)動激光器1發(fā)射一加工脈沖。當鑒別器23判定時間函數(shù)的形狀為圖7a或圖5所示的需加工的材料，鑒別器23則經(jīng)控制器電路24連續(xù)地控制激光器使激光器發(fā)出的加工脈沖具有足夠擊穿介質(zhì)的功率。高功率加工脈沖一直連續(xù)發(fā)射到曲線形狀鑒別器探測到圖6或圖7b的曲線形狀為止。隨后鑒別器23經(jīng)另一輸出線23b驅(qū)動激光器使其功率立即下降。也可啟動光學開關2迅速中斷激光器輸出脈沖至光導的通道，從而使出現(xiàn)在光波導輸出端的激光器輸出脈沖減少。對較短的激光脈沖光學開關不能利用時，其后續(xù)激光脈沖是通過降低其功率密度而減少的(測量脈沖)。曲線形狀鑒別器23的第二輸出端23b上的輸出信號可用來使開關25復位到開的狀態(tài)。這時只有用來搜索，另外需被加工材料的低功率激光脈沖發(fā)射。需被加工的材料根據(jù)上述的方式被檢測到后，開關25隨即閉合，加工程序重新開始。
圖9中的實施例用于一種方法特別合適。在該方法中，低功率測量脈沖與高功率加工脈沖總是相繼彼此交替發(fā)射。但是只有當測量脈沖判定光波導6的輸出端處是需要加工的材料時加工脈沖才被觸發(fā)。
為此，將第二閾值檢測器22的J輸出端與第一觸發(fā)電路40相連。觸發(fā)電路40可驅(qū)動激光器控制電路24使激光器發(fā)射加工脈沖。
當閾值探測器22的N端輸出信號時，該信號會經(jīng)第二觸發(fā)電路41使激光器發(fā)射低功率的測量脈沖。
當然，第一觸發(fā)電路40也可連接圖8中用以鑒別曲線形狀的曲線形狀鑒別器23。
所說的曲線形狀鑒別器可完成付里葉變換，并且該鑒別器可由一快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個含有比較器的移位寄存器組成。對于這種曲線形狀鑒別器的具體構(gòu)成是本領域?qū)＜宜熘摹?br> 在激光光學系統(tǒng)旁邊的光波導6的輸出端或在另一個適當?shù)奈恢蒙峡稍O置一聲學檢測器(未畫出)用以檢測伴隨介質(zhì)擊穿而產(chǎn)生的聲信號并準備將之用于進一步的檢測。
比較圖5和圖6可知，在圖5所表明的為激光脈沖觸發(fā)后，立即打到較硬的材料上(激光脈沖表示在該圖的上半部)，則在A點存在輸出信號的上升。相比之下，在圖6中當激光脈沖觸到較軟的材料時，檢測裝置輸出信號的上升較遲。為清楚起見，將圖5和圖6的曲線一起繪制在圖10中。由圖10可明顯看出，當激光脈沖觸到結(jié)石時檢測裝置輸出信號僅在激光脈沖觸發(fā)后100～150毫微秒開始上升，而當激光脈沖觸到軟組織時，檢測裝置輸出信號要在激光脈沖觸發(fā)后約500毫微秒才開始上升。在這一瞬間內(nèi)激光脈沖尚達不到其最大功率，因此，按照圖1和11可借助高速光學開關2經(jīng)線11和/或線12，在激光脈沖達到其最大能量之前阻止激光脈沖從光波導6的輸出端射出。
對于本發(fā)明圖10所示曲線的檢測可用較簡便的方式來實現(xiàn)，即由圖11中的包括一定時器(按上文的情況應約為200毫微秒)的比較器9′構(gòu)成的鑒別電路來實現(xiàn)。當激光脈沖觸發(fā)后定時器對檢測裝置輸出信號取樣以判定檢測裝置輸出信號是否已達到或超出了予定的閾值。如果未達到閾值則比較器9′發(fā)出一信號到控制電路10′(通過控制電路10′切斷激光器1和/或切斷高速光學開關2)以使得送入光波導的激光脈沖在到達其最大能量之前被中斷。
于是，利用圖11所示的裝置結(jié)構(gòu)的簡單實例，即可提供十分有效的激光脈沖，并且當激光脈沖打到不需加工的材料時又會可靠地將之中斷。
附圖11.激光器2.高速光學開關8.檢測器裝置9.信號處理電路10.高速邏輯電路附圖2沒有擊穿的水附圖3沒有擊穿的組織距沒有擊穿的組織1cm附圖4距沒有擊穿的結(jié)石1cm附圖9見圖1和/或2附圖10激光脈沖45mJ(毫焦)激光功率檢測器裝置結(jié)石組織時間(微秒)附圖11結(jié)石附圖8見圖權(quán)利要求
1.一種借助激光器處理材料的方法，激光經(jīng)激光光學系統(tǒng)射到材料上，由材料重放的光、反射或散射回來的光經(jīng)激光光學系統(tǒng)射到檢測裝置上，檢測裝置后接一用于控制激光器的鑒別電路，其特征在于，通過鑒別入射到檢測裝置上的光的時間函數(shù)曲線來控制激光器和/或一個處于激光器輸出光路中的光學開關。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于在激光光學系統(tǒng)與被加工材料未處在要求的相應位置時，激光器在降低功率下工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所說的方法，其特征在于通過鑒別檢測器輸出信號的時間函數(shù)曲線確定所要求的相應位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任一項所說的方法，其特征在于在激光光學系統(tǒng)與被加工的材料處于要求的相應位置之后，激光器先發(fā)出一低功率測量脈沖以檢測處于激光光學系統(tǒng)前面的材料的性質(zhì)和/或狀態(tài)，然后根據(jù)對被加工材料和/或材料狀態(tài)的檢測激光器為加工材料發(fā)出一增加了功率的激光脈沖，隨后激光器再發(fā)射一測量脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于如果在施加到被加工材料上的激光脈沖觸發(fā)后的予定時間內(nèi)檢測不到檢測裝置輸出信號的予定測量值，則施加到被加工材料上的激光齔灞恢卸稀
6.根據(jù)權(quán)利要求5所說的方法，其特征在于予定測量值是一處于閾值之上的檢測裝置輸出信號的振幅。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要所說的方法，當被加工的材料是夾在人體組織內(nèi)的結(jié)石時(尤其是尿結(jié)石或膽結(jié)石)，其特征在于通過測量射到檢測裝置上的光的時間函數(shù)曲線來判定激光光學系統(tǒng)是否對準結(jié)石。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所說的方法，其特征在于測量脈沖投射在結(jié)石上散射回的光大于投射在裹夾結(jié)石的組織上散射回的光，同時工作脈沖投射在結(jié)石上散射回的光在檢測器裝置上產(chǎn)生的時間函數(shù)不同于投射在裹夾結(jié)石的組織上散射回的光在控制器裝置上產(chǎn)生的時間函數(shù)，上述指標用于控制激光器和/或光學開關。
9.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所說的方法，其特征在于參照激光脈沖的時間函數(shù)曲線鑒別射到檢測器上的光的時間函數(shù)曲線。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所說的方法，其特征在于在施加到被加工的材料上的激光脈沖觸發(fā)后的一個予定時間內(nèi)如果檢測裝置輸出信號不超出一予定的閾值，則該激光脈沖被終止。
11.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所說的方法，其特征在于還可采集和鑒測因介質(zhì)擊穿而產(chǎn)生的聲信號。
12.一種借助激光器處理材料的裝置，激光器后接激光光學系統(tǒng)，激光光學系統(tǒng)將激光脈沖送到被加工的材料上并且將由被加工材料重放的、反射或散射回的光導向檢測裝置，檢測裝置后接控制激光器的鑒別電路，其特征在于鑒別電路9鑒別射到檢測裝置8上的光的時間函數(shù)曲線并根據(jù)該時間函數(shù)曲線控制激光器1和/或介于激光器1與激光光學系統(tǒng)3之間的光學開關2。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所說的裝置，其特征在于激光光學系統(tǒng)3包括一個半反射鏡4，半反射鏡4將由激光脈沖作用于材料M所重發(fā)、散射或反射回的光反射到檢測裝置8。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所說的裝置，其特征在于激光光學系統(tǒng)包括一個第一光波導和一個第二光波導，第一光波導將輸出脈沖送到需被加工的材料上，與第一光波導大體平行的第二光波導將被材料重放的、反射或散射回的光送到檢測裝置8。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一權(quán)利要求所說的裝置，其特征在于檢測電路9包括一個第一和第二閾值檢測器21、22，檢測器21、22的輸入端與檢測裝置8的輸出端相連，第二閾值檢測器22的閾值Us2大于第一閾值檢測器21的閾值Us1，第二閾值檢測器22超過其閾值Us2的輸出信號控制激光器1和/或控制光學開關2(圖8、9)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所說的裝置，其特征在于第二閾值檢測器22超過其閾值Us2的輸出信號控制開關裝置25，開關裝置25將檢測裝置5、8的輸出端與曲線形狀鑒別器23的輸入端連通，曲線形狀鑒別器23可鑒別檢測裝置8的輸出信號的時間函數(shù)曲線，并根據(jù)鑒別結(jié)果驅(qū)動一個激光器控制電路24用以控制激光器發(fā)射一個較大或較小功率的激光脈沖和/或控制光學開關2的透光性。
17.根據(jù)權(quán)利15所說的裝置，其特征在于第二閾值檢測器22超過其閾值Us2的輸出信號連接到第一觸發(fā)電路40的輸入端，第一觸發(fā)電路40經(jīng)激光器控制電路24使激光器發(fā)射一個加工脈沖，而第二閾值檢測器22未超過其閾值的輸出信號連接到第二觸發(fā)電路41并經(jīng)激光器控制電路24使激光器發(fā)射一個測量脈沖。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-14腥我蝗ɡ笏檔淖爸茫涮卣髟謨詡鸕緶 ′包括一個比較器，在一個激光脈沖觸發(fā)后一予定時間內(nèi)如檢測裝置8的輸出信號未達到閾值則比較器發(fā)出一輸出信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所說的裝置，其特征在于比較器的輸出信號控制激光器1和/或一個位于激光器光路中的光學鎖定池2。
20.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所說的裝置，其特征在于檢測裝置8包括多種檢測器以適應被材料M重發(fā)的散射或反射回的不同頻率范圍的光。
全文摘要
一種借助激光器進行材料加工的方法和裝置。加工時，激光經(jīng)激光學系統(tǒng)射到材料上，然后被材料散射或反射回激光光學系統(tǒng)并經(jīng)該系統(tǒng)射到一個檢測裝置上。檢測裝置后接一控制激光器的鑒別電路。通過鑒別入射到檢測裝置上的光的時間函數(shù)曲線來控制激光器和/或一個處于激光器輸出光路中的光學開關。
文檔編號B23K26/00GK1032306SQ8810564
公開日1989年4月12日 申請日期1988年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月3日
發(fā)明者威廉·米爾, 拉爾夫·恩格爾哈德 申請人:泰萊姆特電氣公司