专利名称：利用激光器处理材料的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种借助激光器进行材料处理或加工的方法和装置。其处理材料的方式为，激光(或激光脉冲)经由光学系统射到材料上，由材料重放的光，反射或散射回来的光，经由此光学系统射到检测装置上。检测装置后接一用于控制激光器的鉴别电路。
在已知的方法中，激光的工作方式(“胆结石脉冲激光破碎的光学研究”，应用物理B，Springer出版198773～78页)是激光器的输出信号直接经由一个激光光学系统和一个光波导到达尿和胆结石上，以使结石碎化。在激光光学系统中设置一个半反射镜，该半反射镜可使被结石反射或散射回的光或结石重放出的光的一部分经光波导返回到检测器1，检测器1后面装有一频谱分析器型的鉴别电路。
以上述方式导入光波导，很难避免损伤结石周围的组织。目视控制或借助X射线方法的控制也不能避免激光能量作用在结石周围的组织上。
本发明的目的就是要提供一种本文开头部分所述的方法及装置，这种方法及装置对所要求的区域或材料进行处理或加工可自动达到低损伤度。因此，例如对人体内尿结石和胆结石的破碎，能确保不损失结石周围的组织。
上述本发明的目的是如下来实现的，通过鉴别入射到检测装置上光的时间函数曲线来控制激光器和/或处于输出光路中的光学开关。
根据本发明的方法和装置，被处理材料的加工可达到精确的可控，尤其是在破碎人体内结石时(例如，尿结石和胆结石)更显得必要。激光器要如此来控制，使其脉冲辐射得以保护组织，亦即辐射时对结石有选择性。所施加能量的控制可通过改变功率密度，改变脉冲宽度或同时控制上述两参数而实现。
根据本发明的另一个实施例，在触发激光脉冲之后，在予定的时间之内，检测装置的输出信号未超过予定的阈值时，激光脉冲在达到其最大能量之前即被中止。在本实施例中，按着本发明的发现应考虑以下情况，当激光脉冲触到硬材料时，检测器的输出讯号在极短的时间内呈现出极高的值;当激光脉冲触到人体组织或软材料时，在激光脉冲触发后所说的输出信号的升高在一个相当长的时间后也不会发生。如果光脉冲触发后在一予定的时间内输出信号的升高还不发生，这就说明激光脉冲触到了比较软的材料，并且在激光脉冲到达其最大值之前例如通过关闭光学开关加以终止。
根据本发明的方法和装置也适于处理其他材料，例如在集成电路制作中加工半导体材料上精细限定的区域。
本发明的方法和装置还可在血管成形术中应用。
在本发明方法和装置中激光器及跟随激光器工作的光学开关按下述的实施例进行控制。开始时，仅发射测量脉冲，保持这些脉冲能量低到尚不发生介质击穿。对入射到检测器上的光的时间函数进行测定。如果测定结果表示，存在需要处理或加工的材料，则激光能量就增加以确保仅在要处理的材料处(例如，结石处)产生介质击穿。
随后便可针对每一个加工脉冲，作入射到检测器上的光的时间函数曲线分析。当脉冲打到并非需要处理的周围材料上时，上述的时间函数曲线明显改变。当检测到这种情况时，激光能量便被降到较低值。
另外，可在每个高能量加工脉冲之后产生一个测量脉冲。所说的测量脉冲用以确定需要加工的材料是否已被激光脉冲击穿。在各种情况下，均可确保需加工材料周围的材料不受损害。
根据本发明的最佳实施例，在装置的输出信号的时间曲线表明激光脉冲没有落在需加工的材料上时，可利用一个光学开关，在能量未达到其最大值之前终止激光脉冲，以使不需加工的材料免遭损害。
除光学检测外，还可检测和评价伴随介质击穿而产生的声信号(例如，为了记录的目的，通过声信号确定所用的加工脉冲数)。
下面将结合有关的实施例及附图详述本发明。
图1为实现本方法的装置的一个实例。
图2～6，表示入射到检测装置上的光时间函数轨迹或曲线的实例。
图7，表示图5和图6的曲线的理想化实例。
图8，表示鉴别电路的第一实施例。
图9，表示鉴别电路的第二实施例。
图10，是进一步解决本发明基本思想的图表。
图11，表示根据图10原理用于检测的装置的实施例。
在图1所示的本发明装置的实施例中，包括激光器1，激光器1经高速光学开关2向激光光学系统3提供输出脉冲，从激光光学系统输出的脉冲经光纤或光波导6到达需处理或加工的材料M。图示的实施例中的激光光学系统3中包括半反射镜4和将激光脉冲聚焦在光波导6上的第一透镜5。所需加工的材料M重发的散射或反射回的光经光波导6、透镜5、半反射镜4到达另一透镜7，透镜7将这些返回的光聚焦在检测装置上。检测装置的输出信号输入到一鉴别电路(将参照图8和图9详述鉴别电路)，输出信号经逻辑电路10通过输出线12控制光学开关2。如图所示，也可通过逻辑电路10的另一根输出线11控制激光器1本身而省去光学开关2。
当一个高能激光脉冲触到需加工的材料M时，紧靠M的介质即发生击穿，从而对被加工的材料施加一个冲击波。
被加工的材料例如，人体内的结石，尿结石或胆结石被夹在周围的组织中，在这种情况下，冲击波使结石破碎。由于等离子体的高温引起等离子体沸腾效应并引起压力，在靶区激起分裂、冲击或破碎。但在许多情况下特别是在破碎人体结石的情况下，必须保证由光波导6端部引出的激光脉冲仅打在要被加工的材料M上，而不能打到周围的组织上，以免周围组织遭受损伤。
检测装置8与鉴别电路9一起允许以极快的速度判定位于光波导6端部的材料是所要加工的材料还是不能经受激光脉冲至少是不能经受全功率激光脉冲的材料。
为上述目的，鉴别电路应鉴别出输入检测装置光信号时间函数的瞬时变化。这一鉴别方式所基于的基本思想将结合图2～6在下文详细描述。
在图2～6的每幅图中，上部表示激光脉冲，下部表示检测装置的输出信号。横座标表示时间变化，纵座标表示相应的脉冲幅度。
图2-4所示为发射低功率激光脉冲的情况，下文称其为测量脉冲。
图2所示为光波导的输出端与水相接的情况。由图可知此时检测装置的输出信号几乎处于噪声区。
图3所示为光波导6的输出端处在距人体组织一厘米的情况。由图可知，此时检测装置8输出信号的幅度明显大于图2中检测装置输出信号的幅度。
图4所示为光波导6的输出端位于需处理和破碎的人体结石前一厘米处。比较图2-4，可清楚地看到，当发射的测量脉冲接近人体结石时检测装置输出信号的幅度明显增高，由此即可判定光波导的端部已被置于所说的人体结石的邻近处。
从图5和图6可看出在加工脉冲的发射方面，上述情况在一定程度上是可逆的。图5所示的激光脉冲能量如此之高，该脉冲可使光波导端部产生电击穿。此时，当激光脉冲打到人体结石时，检测装置8的输出光相对平缓的升高A(如图5所示)，然后出现一个较高的尖峰B。但是，如果电击穿发生在人体组织中，则立刻出现一相当高的单个尖峰C(如图6所示)。
图7a和7b表示检测器输出信号的时间函数曲线的理想形式。图7a相对于图5。图7b相对于图6。由图7a可知，当在结石处发生介质击穿时，检测器输出信号先有一较平稳的升高A，然后是一陡然的尖峰B。由图7b可知，当介质击穿发生在人体组织处时，检测装置输出信号仅为一雎龀寮夥錍。
基于激光入射到图1中检测装置上所引起的时间函数曲线的情况可设计出低功耗鉴别电路。该鉴别电路可清楚的鉴别出光波导的输出端是指向要被加工材料的本身还是指向其周围的材料。
图8和图9是表示鉴别电路的两个实施例。
在二个实施例中，检测器8后面连接信号放大器20，放大器20的输出信号输入到第一阈值检测器21和第二阈值检测器22。
两实施例中的阈值检测器具有J和N两个输出端。当阈值检测器各自的阈值被超出时，阈值检测器21和22的J端有信号输出。在其他情况下，阈值检测器的N端有信号输出。
另外，图8和图9两实施例中的第二阈值检测器22的阈值高于第一阈值检测器21的阈值。
第一阈值检测器21的输出端N或J始终与显示器26和27(其工作方式待述)相连。显示器26、27用来进行监视操作或对位于光波导6输出端的组织进行鉴别。
第二阈值检测器22的J输出端与显示器28相连，显示器28也是提供光波导6的输出端接近要被加工材料(例如，结石)的情况。
在图8的实施例中，阈值检测器22的J端输出可启动一个开关25(开关25可是一电子开关)。开关25可将信号放大器20的输出信号通到曲线形状鉴别器23的输入端。鉴别器23可鉴别检测装置8输出信号时间函数的变化。闭合开关25，曲线形状鉴别器23经输出线20a发送一信号给激光器控制电路24，电路24即驱动激光器1发射一加工脉冲。当鉴别器23判定时间函数的形状为图7a或图5所示的需加工的材料，鉴别器23则经控制器电路24连续地控制激光器使激光器发出的加工脉冲具有足够击穿介质的功率。高功率加工脉冲一直连续发射到曲线形状鉴别器探测到图6或图7b的曲线形状为止。随后鉴别器23经另一输出线23b驱动激光器使其功率立即下降。也可启动光学开关2迅速中断激光器输出脉冲至光导的通道，从而使出现在光波导输出端的激光器输出脉冲减少。对较短的激光脉冲光学开关不能利用时，其后续激光脉冲是通过降低其功率密度而减少的(测量脉冲)。曲线形状鉴别器23的第二输出端23b上的输出信号可用来使开关25复位到开的状态。这时只有用来搜索，另外需被加工材料的低功率激光脉冲发射。需被加工的材料根据上述的方式被检测到后，开关25随即闭合，加工程序重新开始。
图9中的实施例用于一种方法特别合适。在该方法中，低功率测量脉冲与高功率加工脉冲总是相继彼此交替发射。但是只有当测量脉冲判定光波导6的输出端处是需要加工的材料时加工脉冲才被触发。
为此，将第二阈值检测器22的J输出端与第一触发电路40相连。触发电路40可驱动激光器控制电路24使激光器发射加工脉冲。
当阈值探测器22的N端输出信号时，该信号会经第二触发电路41使激光器发射低功率的测量脉冲。
当然，第一触发电路40也可连接图8中用以鉴别曲线形状的曲线形状鉴别器23。
所说的曲线形状鉴别器可完成付里叶变换，并且该鉴别器可由一快速模数转换器和一个含有比较器的移位寄存器组成。对于这种曲线形状鉴别器的具体构成是本领域专家所熟知的。
在激光光学系统旁边的光波导6的输出端或在另一个适当的位置上可设置一声学检测器(未画出)用以检测伴随介质击穿而产生的声信号并准备将之用于进一步的检测。
比较图5和图6可知，在图5所表明的为激光脉冲触发后，立即打到较硬的材料上(激光脉冲表示在该图的上半部)，则在A点存在输出信号的上升。相比之下，在图6中当激光脉冲触到较软的材料时，检测装置输出信号的上升较迟。为清楚起见，将图5和图6的曲线一起绘制在图10中。由图10可明显看出，当激光脉冲触到结石时检测装置输出信号仅在激光脉冲触发后100～150毫微秒开始上升，而当激光脉冲触到软组织时，检测装置输出信号要在激光脉冲触发后约500毫微秒才开始上升。在这一瞬间内激光脉冲尚达不到其最大功率，因此，按照图1和11可借助高速光学开关2经线11和/或线12，在激光脉冲达到其最大能量之前阻止激光脉冲从光波导6的输出端射出。
对于本发明图10所示曲线的检测可用较简便的方式来实现，即由图11中的包括一定时器(按上文的情况应约为200毫微秒)的比较器9′构成的鉴别电路来实现。当激光脉冲触发后定时器对检测装置输出信号取样以判定检测装置输出信号是否已达到或超出了予定的阈值。如果未达到阈值则比较器9′发出一信号到控制电路10′(通过控制电路10′切断激光器1和/或切断高速光学开关2)以使得送入光波导的激光脉冲在到达其最大能量之前被中断。
于是，利用图11所示的装置结构的简单实例，即可提供十分有效的激光脉冲，并且当激光脉冲打到不需加工的材料时又会可靠地将之中断。
附图11.激光器2.高速光学开关8.检测器装置9.信号处理电路10.高速逻辑电路附图2没有击穿的水附图3没有击穿的组织距没有击穿的组织1cm附图4距没有击穿的结石1cm附图9见图1和/或2附图10激光脉冲45mJ(毫焦)激光功率检测器装置结石组织时间(微秒)附图11结石附图8见图权利要求
1.一种借助激光器处理材料的方法，激光经激光光学系统射到材料上，由材料重放的光、反射或散射回来的光经激光光学系统射到检测装置上，检测装置后接一用于控制激光器的鉴别电路，其特征在于，通过鉴别入射到检测装置上的光的时间函数曲线来控制激光器和/或一个处于激光器输出光路中的光学开关。
2.根据权利要求1所说的方法，其特征在于在激光光学系统与被加工材料未处在要求的相应位置时，激光器在降低功率下工作。
3.根据权利要求2所说的方法，其特征在于通过鉴别检测器输出信号的时间函数曲线确定所要求的相应位置。
4.根据权利要求1到3的任一项所说的方法，其特征在于在激光光学系统与被加工的材料处于要求的相应位置之后，激光器先发出一低功率测量脉冲以检测处于激光光学系统前面的材料的性质和/或状态，然后根据对被加工材料和/或材料状态的检测激光器为加工材料发出一增加了功率的激光脉冲，随后激光器再发射一测量脉冲。
5.根据权利要求1所说的方法，其特征在于如果在施加到被加工材料上的激光脉冲触发后的予定时间内检测不到检测装置输出信号的予定测量值，则施加到被加工材料上的激光龀灞恢卸稀
6.根据权利要求5所说的方法，其特征在于予定测量值是一处于阈值之上的检测装置输出信号的振幅。
7.根据上述任一权利要所说的方法，当被加工的材料是夹在人体组织内的结石时(尤其是尿结石或胆结石)，其特征在于通过测量射到检测装置上的光的时间函数曲线来判定激光光学系统是否对准结石。
8.根据权利要求7所说的方法，其特征在于测量脉冲投射在结石上散射回的光大于投射在裹夹结石的组织上散射回的光，同时工作脉冲投射在结石上散射回的光在检测器装置上产生的时间函数不同于投射在裹夹结石的组织上散射回的光在控制器装置上产生的时间函数，上述指标用于控制激光器和/或光学开关。
9.根据上述任一权利要求所说的方法，其特征在于参照激光脉冲的时间函数曲线鉴别射到检测器上的光的时间函数曲线。
10.根据权利要求9所说的方法，其特征在于在施加到被加工的材料上的激光脉冲触发后的一个予定时间内如果检测装置输出信号不超出一予定的阈值，则该激光脉冲被终止。
11.根据上述任一权利要求所说的方法，其特征在于还可采集和鉴测因介质击穿而产生的声信号。
12.一种借助激光器处理材料的装置，激光器后接激光光学系统，激光光学系统将激光脉冲送到被加工的材料上并且将由被加工材料重放的、反射或散射回的光导向检测装置，检测装置后接控制激光器的鉴别电路，其特征在于鉴别电路9鉴别射到检测装置8上的光的时间函数曲线并根据该时间函数曲线控制激光器1和/或介于激光器1与激光光学系统3之间的光学开关2。
13.根据权利要求12所说的装置，其特征在于激光光学系统3包括一个半反射镜4，半反射镜4将由激光脉冲作用于材料M所重发、散射或反射回的光反射到检测装置8。
14.根据权利要求12所说的装置，其特征在于激光光学系统包括一个第一光波导和一个第二光波导，第一光波导将输出脉冲送到需被加工的材料上，与第一光波导大体平行的第二光波导将被材料重放的、反射或散射回的光送到检测装置8。
15.根据权利要求12-14中任一权利要求所说的装置，其特征在于检测电路9包括一个第一和第二阈值检测器21、22，检测器21、22的输入端与检测装置8的输出端相连，第二阈值检测器22的阈值Us2大于第一阈值检测器21的阈值Us1，第二阈值检测器22超过其阈值Us2的输出信号控制激光器1和/或控制光学开关2(图8、9)。
16.根据权利要求15所说的装置，其特征在于第二阈值检测器22超过其阈值Us2的输出信号控制开关装置25，开关装置25将检测装置5、8的输出端与曲线形状鉴别器23的输入端连通，曲线形状鉴别器23可鉴别检测装置8的输出信号的时间函数曲线，并根据鉴别结果驱动一个激光器控制电路24用以控制激光器发射一个较大或较小功率的激光脉冲和/或控制光学开关2的透光性。
17.根据权利15所说的装置，其特征在于第二阈值检测器22超过其阈值Us2的输出信号连接到第一触发电路40的输入端，第一触发电路40经激光器控制电路24使激光器发射一个加工脉冲，而第二阈值检测器22未超过其阈值的输出信号连接到第二触发电路41并经激光器控制电路24使激光器发射一个测量脉冲。
18.根据权利要求12-14腥我蝗ɡ笏档淖爸茫涮卣髟谟诩鸬缏 ′包括一个比较器，在一个激光脉冲触发后一予定时间内如检测装置8的输出信号未达到阈值则比较器发出一输出信号。
19.根据权利要求18所说的装置，其特征在于比较器的输出信号控制激光器1和/或一个位于激光器光路中的光学锁定池2。
20.根据上述任一权利要求所说的装置，其特征在于检测装置8包括多种检测器以适应被材料M重发的散射或反射回的不同频率范围的光。
全文摘要
一种借助激光器进行材料加工的方法和装置。加工时，激光经激光学系统射到材料上，然后被材料散射或反射回激光光学系统并经该系统射到一个检测装置上。检测装置后接一控制激光器的鉴别电路。通过鉴别入射到检测装置上的光的时间函数曲线来控制激光器和/或一个处于激光器输出光路中的光学开关。
文档编号B23K26/00GK1032306SQ8810564
公开日1989年4月12日 申请日期1988年9月30日 优先权日1987年10月3日
发明者威廉·米尔, 拉尔夫·恩格尔哈德 申请人:泰莱姆特电气公司