01

引言

全球约有22亿人患有某种视力障碍，例如未矫正的屈光不正（如近视和散光）、白内障、青光眼和糖尿病视网膜病变。当面临视力丧失的风险时，通常需要手术干预来改善患有白内障和青光眼等疾病患者的视力。激光光学技术推动了眼科手术系统的进步，使其能够无痛治疗眼部疾病并改善患者的生活质量。

激光可以诱导视网膜组织发生光热和光化学变化，从而改变导致特定视力障碍的生理结构。根据波长、脉冲强度和脉冲持续时间选择不同的激光，以实现不同的治疗效果。由于超快激光具有极高精度特性，当与合适的光学元件结合使用时，激光束可以进行控制和聚焦，从而确保在眼科手术设备中安全有效地使用。

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02

矫正屈光不正

屈光不正是一种非常常见的眼部疾病，患者无法将图像正确聚焦在眼球后部的视网膜或焦点上，如图1所示。常见的屈光不正类型包括近视、远视和散光，眼睛的光学透明结构允许从紫外线 (UV) 到近红外 (NIR) 波长的激光束以非侵入性的方式改变眼部组织。最常见的矫正视力的激光眼科手术是激光辅助原位角膜磨镶术，通常称为LASIK，其使用准分子激光重塑眼角膜，以矫正常见的屈光不正。准分子激光是一种脉冲气体激光器，它通过激光腔内F2或ArF等气体分子的受激辐射发射紫外光。准分子激光能够消融数微厚的角膜层，从而重塑角膜并矫正屈光不正。

图1. 常见的屈光不正。从左上到右下以此为：正常视力、远视、近视、散光。

图2展示了LASIK手术设备的光路，该设备利用准分子激光器和超快激光器来矫正屈光不正。对于超快激光器，LASIK设备通常使用脉冲宽度在100-800 fs 之间、波长为1064 nm的光纤耦合光源。超快光束首先穿过透射光栅，对展宽后的脉冲进行压缩，以确保峰值功率的维持。然后光束被反射到扩束器中，再通过透镜聚焦到患者眼部形成角膜瓣。角膜瓣形成后，准分子激光首先通过反射镜反射，经过均化器（可以是平顶激光光束整形器）进入患者眼部。均化器会对光束进行调整，使其在穿过光束整形组件之前保持一致的光强度。然后使用二向色滤光片将紫外准分子光束反射到聚焦透镜，以烧蚀角膜。

图2. LASIK光路，该系统包含飞秒激光和准分子激光两个核心部分。

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03

治疗白内障

白内障导致的视力受损是由于蛋白质团块或变色的色素沉积在眼晶状体中，从而减少了光线到达视网膜的传输，如图3所示 。白内障可以通过外科激光手术有效治疗，该手术用人工晶状体(IOL)替换混浊的晶状体。为了更换晶状体，必须将现有的晶状体破碎并移除，以便为IOL植入物腾出空间。晶状体破碎可以通过超快激光完成，该激光可以精确控制输出功率和光束传输，从而安全地破碎混浊的晶状体。

图3. 白内障症状。

白内障手术设备中常用的超快激光器是固态激光器，例如掺钕钇铝石榴石、掺铒钇铝石榴石或钛宝石激光器。为了精确控制超快激光脉冲的功率，激光器需要与精确、快速偏转、聚焦的光学元件相结合，这些光学元件由使用光学相干断层扫描的成像系统引导。图4展示了使用钛宝石飞秒激光的白内障手术设备的光路。超快激光器的典型脉冲长度为100 fs至1000 fs，潜在波长为800nm、1030nm或1064nm（具体取决于光源）。光束穿过包含非球面元件的扫描透镜系统，以减少球面像差并保持光束质量。激光经振镜偏转后，穿过分束器，部分光线被引导至 OCT 系统进行光束定位。非球面透镜用于聚焦光束，以便晶状体碎裂。与LASIK 激光视力矫正手术相比，白内障手术的激光聚焦光斑直径更大，以提供足够的光致碎裂效果。

图4. 白内障激光手术装置光路。

另一种可以用类似系统治疗的眼部疾病是青光眼。青光眼是一种退行性疾病，它通过视网膜神经节的损失来损害视神经。随着神经节细胞受损，与视神经的联系被切断，视力会逐渐丧失。选择性激光小梁成形术 (SLT) 是治疗青光眼的首选方法；SLT 使用 532nm倍频Nd:YAG激光器发射纳秒脉冲，以拓宽小梁网中的引流通道，从而缓解眼压。SLT系统光路的一个显著变化是使用非线性晶体从1064nm激光源产生 532nm的激光。与仅使用532nm光源相比，这种方法更受欢迎，因为它可以稳定每个激光脉冲的能量，从而确保对邻近视网膜组织的损伤最小。

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04

治疗糖尿病视网膜病变

激光眼科手术也用于治疗糖尿病视网膜病变。这种疾病由高血糖水平引起，高血糖会对视网膜中的血管造成损害。视网膜损伤由血管肿胀或渗漏引起，并可能因此导致视力丧失，如图5所示。激光光凝是治疗糖尿病视网膜病变的一线疗法，旨在抑制异常新生血管的形成，并使任何渗漏的血管萎缩。可见光或近红外波段的气体激光器、二极管激光器、染料激光器和YAG激光器均可用于激光光凝治疗。与LASIK和白内障手术激光不同，超快激光通常不用于光凝治疗。纳秒脉冲激光或占空比在10-100毫秒范围内的调制连续波激光通常是理想的选择，因为它们可以在诱导血管凝固的同时，避免对邻近组织造成永久性损伤。在激光光凝系统中，通常使用准直透镜和柱面透镜来传输和整形光束，以便将其聚焦到视网膜上。激光光凝也可以与玻璃体切除术联合使用，后者是一种清除因血管渗漏而变得浑浊的玻璃体液的手术治疗。

图5. 糖尿病视网膜病变症状。

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05

总结

超快激光之所以能在眼科手术中获得广泛应用，核心在于其独特的相互作用机制，这些激光将能量压缩在飞秒或皮秒量级时间内释放，从而产生极高的峰值功率。高的瞬时能量密度足以在激光焦点处诱发组织的非线性吸收过程，即使是角膜、晶状体等眼内透明结构，也能在焦点精确吸收能量，而焦点之外的区域不受影响。

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