飞秒激光技术简介
1. 啁啾脉冲放大技术（CPA）
自1960年第一台红宝石激光器问世以来，缩短激光脉冲、提高脉冲峰值功率便成为激光器设计和制作的重要发展方向。1985年，法国激光物理学家杰哈•莫罗(Gerard Mourou)及其学生唐娜•斯特里克兰(Donna Stricklan) 提出了啁啾（音“zhōu jiū”）脉冲放大（CPA）理论，为飞秒激光器的发展奠定了理论基础。
在啁啾脉冲放大技术出现之前，通过调Q（Q-switching）和锁模（Mode-locking）等超快激光技术已经可以将激光脉冲从毫秒（ms）量级提高到纳秒（ns）、皮秒（ps）量级。但是，直接放大激光脉冲的能量，以进一步提高峰值功率遇到了难以逾越的瓶颈。
因为直接放大过程中，激光脉冲的超高峰值功率密度极易损坏放大器中增益介质和其他光学元器件。其次，进行直接放大的激光脉冲时长太短，不利于充分吸收增益介质中的全部能量。
啁啾脉冲放大的原理如下图所示，整个系统大致分为振荡器、展宽器、放大器和压缩器。其关键是：
图1 啁啾脉冲放大技术（CPA）原理
① 在脉冲进入放大器之前，先利用展宽器对振荡器输出的超短飞秒（皮秒）脉冲引入一定的色散，将脉冲宽度在时域上展宽至百皮秒甚至纳秒量级，从而极大降低了峰值功率；
② 展宽后将激光脉冲在放大器中进行放大，这样既降低了相关元件损伤的风险，还有利于高效吸收增益介质储存能量；
③ 等获得较高的能量以后，再通过压缩器补偿色散，将脉冲宽度压缩回飞秒（皮秒）量级。
“啁啾”是形容鸟鸣的声音，仔细听的话会发现鸟鸣的声音频率会随时间变化，先低后高。被放大之前的脉冲经过展宽后，由于不同频率成分传输速度不一样，导致脉冲的瞬时频率也会随着时间变化。因此，这项技术被命名为啁啾脉冲放大技术。
2. 飞秒激光的特点
通过啁啾脉冲放大技术获得的飞秒激光有3大特点：
① 脉冲持续时间非常短，只有几个飞秒，1飞秒为一千万亿分之一秒。
② 具有非常高的瞬时功率，最大脉冲峰值功率可达到太瓦甚至拍瓦量级。
③ 可以聚焦到比头发直径还要小的空间区域，实现非常高的功率密度。
3. 飞秒激光在眼科治疗中的应用
飞秒激光的上述3个特点使得其非常适合于生物组织的超精密切割，尤其是对于像切削角膜这种精准度要求极高的任务，使用飞秒激光可以保证切割平面平整光滑，这一点也决定了术后患者的视力情况。
对于飞秒激光与角膜组织间的相互作用机制进一步研究发现，其属于一种光致分解作用。
飞秒激光可以在非常短的时间里聚焦于组织内狭小的空间，产生巨大的能量，使组织电离，物质在飞秒激光的作用下瞬间变成等离子体，最终使得组织通过光裂解爆破产生微小气泡，紧密相连的激光脉冲不断作用于生物组织，产生数以万计的小气泡，这些小气泡连在一起，达到及其精密的组织切割效应。
飞秒激光用于眼科治疗的专利申请态势分析
1. 申请趋势
经初步检索，共检索到飞秒激光用于眼科治疗的专利申请共3260件，年申请趋势如下图所示。
图2 飞秒激光用于眼科治疗的专利申请趋势图
随着啁啾脉冲放大技术的出现，在上世纪90年代已经出现了将飞秒激光用于眼科治疗的专利申请，主要申请人包括美国的密歇根大学以及IMRA公司。
从2000年开始至2005年期间，专利申请量逐渐上升，新加入的申请人包括来自德国的Carl Zeiss、来自美国的Intralase，且这一期间内飞秒激光在眼科治疗中的应用主要集中在屈光矫正这一领域。
进入2006年之后，飞秒激光用于眼科治疗的相关技术进入快速发展阶段，年专利申请量不断增长，2015年达到峰值316件，并且不断有新的申请主体加入，例如来自瑞士的Ziemer，来自德国的Wavelight。
在这一时期内，Carl Ziess持续发力，保持了快速增长的专利申请趋势。值得注意的是，wavelight公司作为一家致力于准分子激光用于屈光矫正手术的德国公司，分别于2000年、2003年、2004年推出世界上首台用于屈光治疗的200Hz、400Hz和500Hz准分子激光系统，同时也在积极地探索飞秒激光在屈光矫正领域的应用技术。
另外，2006年左右开始，逐渐出现飞秒激光用于白内障手术的研究和专利申请，经过十多年的发展，来自美国的OptiMedica corporation、Technolas perfect Vision、LenSX、LensAR等公司均已生产出飞秒激光辅助的白内障相关设备，用于白内障的治疗。
2. 申请地域分布
图3 飞秒激光用于眼科治疗的专利申请地域分布图
从地域分布来看，美国的专利申请量居于首位，申请总量超过了一千件，属于第一梯队。亚洲地区中国、日本、韩国的申请量分别位列第2~4位，每个国家均分布有二三百件专利申请。除此之外，德国、俄罗斯、印度等国家，也是飞秒激光眼科治疗领域各申请人重点关注的市场区域。
3. 重点申请人
图4 飞秒激光用于眼科治疗领域的申请人分布图
从申请量来看，Carl Zeiss的申请数量最多；
紧随其后的申请人为Wavelight，其申请量几乎与Carl Zeiss持平；
来自美国的AMO Development公司申请量排名第三位。
对申请文献进行分析发现，排名前三的申请人主要集中在飞秒激光对于屈光矫正的研究，排名第四至七位的申请人Optimedica corp、Alcon Lensx、Technolas perfect Vision以及Lensar则专注于飞秒激光在治疗白内障手术中的应用。
飞秒激光屈光矫正技术浅析
激光用于屈光矫正的原理是，通过“磨削”眼角膜的弧度，进而调整角膜的屈光度以达到矫正视力的目的。通俗来讲就是把角膜当成一种透明材料，通过加工制作成了一副镜片。
目前，激光用于屈光矫正的技术经历了准分子激光、半飞秒激光以及全飞秒激光三个过程，其各自原理、优势以及重要的竞争者如下表所示。
表1 各种激光屈光矫正技术的原理、优势及重要竞争者
在通过准分子激光进行屈光矫正领域，来自美国的VISX和来自德国的Wavelight都处于该领域的领导者地位。
在飞秒激光制作角膜瓣领域，1997 年美国密歇根大学眼科中心和超快光学研究中心研制成功可用于医学的飞秒激光机 IntraLase，同年6 月 30 日，IntraLase飞秒激光机用于角膜瓣制作，这也是全球范围内首次将飞秒激光用于角膜瓣的制作手术。2003年IntraLase飞秒激光机落户于密歇根大学眼科中心，标志着飞秒激光技术正式进入眼科临床。2004年该技术全球率先获得了美国FDA的批准。
在IntraLase飞秒激光机发展的同时，世界上的其他著名医疗设备公司也在研发自己的飞秒激光机，比如Ziemer公司的FEMTO LDV飞秒激光机、Carl Zeiss公司的VisuMAX飞秒激光机。2007年，全球最大的眼科用品制造商美国AMO公司全资收购了VISX和Intralase，成为其旗下屈光手术的全球主打品牌。
而Wavelight作为准分子激光领域的领导者，也开始研究使用飞秒激光替代板层刀的机械切割方式，来制作角膜瓣，其于2015年推出的鹰视FS200飞秒激光仅需6秒左右即可完成角膜瓣制瓣。
2009年，Carl Ziess推出“全飞秒”激光系统，整个手术过程只需要一台激光飞秒设备，操作上变得更为简化，手术切口更小，角膜瓣也不需要切开，“全飞秒”激光手术是目前全球范围内最为新型的屈光矫正技术。
不过，与传统“半飞秒”对比，“全飞秒”的缺点也十分明显，具体表现在以下几个方面：
① 全飞秒光区范围狭窄，常规为6.0mm，最大光区也只有6.5mm，正是由于这个原因，全飞秒的治疗范围相应受到极大束缚，一般只能用来治疗800-1000度的近视，也无法治疗远视；
② 为了实现“无瓣”，全飞秒需要在角膜上打两层激光，将会导致损失较多的角膜组织。
根据以上分析可以看出，从上世纪90年代开始至今，短短二十多年的时间，飞秒激光技术在眼科治疗中已得到了广泛的应用，但也存在诸多问题。研究人员正在积极寻找各项改进技术，飞秒激光用于眼科治疗的技术仍然有待不断地发展和完善。
作者简介
许洁
数据与咨询事业部检索分析师
具有3年专利实质审查经验，审查发明专利约300件，尤其擅长光电领域的检索分析工作
曾就职于广州奥凯信息咨询有限公司，专注于专利检索分析业务，具有多个不同领域专利分析项目的具体执行经验，包括高价值专利培育、知识产权分析评议、企业专利微导航、专利挖掘等项目
熟练掌握各专利数据库，可提供查新检索、无效检索、FTO检索等，以及针对具体技术领域或竞争对手的专利分析等服务
曾服务的客户包括中科院医工所、正业科技、中山大学、陕西科技大学等
搜索chofn2013，关注超凡知识产权，了解更多行业资讯、热点新闻，更有细分领域知识产权干货分析等精彩内容。
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