【前沿】飞秒激光在视觉矫正领域的潜在应用
自十三世纪中期中期人类首次使用眼镜进行视力矫正以来，科学家们一直在寻找更好的方法来矫正人类的视力。而随着激光的发明，人们很快认识到激光技术有可能成为视力矫正的有效手段。
超短脉冲激光的产生和进步大大促进了激光微加工和非线性光学的发展。极短的激光脉冲和材料相互作用的时间很短，这种独特的冷加工过程避免了材料表面的热融化现象，消除了长脉冲激光加工中热效应带来的诸多负面影响。
此外，飞秒激光在透明材料内发生的多光子吸收过程经过专门的设计和控制，能够精确的用于材料局部折射率改性，这种手段已经成为人类视觉矫正的潜在手段。
早期应用
早在1999年，人们已经能够将脉冲能量在2-4微焦的飞秒激光聚焦到角膜基质区来对角膜瓣进行微加工。飞秒激光在角膜上产生切口后，通常的处理方法有两种：
1. 制作角膜瓣，掀开角膜瓣，用准分子激光进行组织汽化，切削角膜基质，这个过程称为激光辅助原位角膜磨镶术（laser-assisted in situ keratomileusis, LASIK）。
2. 还有一种方法是不制作角膜瓣，直接在在角膜中上加工出透镜状结构，通过小切口取出透镜，这种方法被称为(Small incision lenticule extraction, SMILE)。
图1. LASIK手术过程
飞秒激光屈光手术由于其高精度和可控性在眼科医学领域被迅速采用推广，成为借助传统的机械刀片的Lasik手术之后，目前最为先进的屈光手术方式。
值得注意的是，尽管LASIK手术取得了巨大成功，但迄今为止，只有大约2%的屈光不正患者实际进行了LASIK手术。显然人们对于去除性质的矫正手段仍持保守态度，更加“微”创，不涉及组织切割的矫正手段具有巨大的潜在市场。
飞秒激光在进行工业微加工时通常使用远高于材料损伤阈值的峰值功率将材料进行气化，从而达到塑型加工的目的。而如果将飞秒激光的峰值功率控制在材料损伤阈值以下某值时，特别是针对透明材料，能够引起局部折射率的变化。实验证明，只需纳焦耳量级的飞秒激光即可实现这一效果。
因此基于这种材料改性过程，微创甚至无创视觉矫正研究在基础研究领域获得了不错的进展。
隐形眼镜
隐形眼镜的制造厂商一直在寻求以更加经济的手段生产通用性更强、功能更强大的产品。这些厂商不得不长期保持20000种以上的不同镜片库存（不同曲率、像散和柱镜轴的组合）以满足不同人群的需求，即便如此为了生产适合用户的隐形眼镜，厂商仍需要定制的特殊工具和较长的定制周期。
而引入飞秒激光材料改性的手段，能够在水凝胶（hydrogels, 用来生产隐形眼镜的材料）内“加工”出相位截断的菲涅尔型折射率矫正结构。这种方法的优势在于无需特殊的定制工具就能够生产出适合用户的高质量隐形眼镜，屈光度范围可以达到-9.5 to +5D。
图2. 利用飞秒激光加工出菲涅尔透镜的隐形眼镜照片（放置在玻璃材料的人工角膜上）
研究发现，这种改性效应几乎是永久性的，在5年尺度内仍可以保持高质量的屈光效果，见图3。
图3. 飞秒激光在水凝胶内的改性过程经过5年依然保持几乎同样的效果
人工晶状体
随着年龄的增长，人类的晶状体由于长期的化学和物理变化，在很多情况下导致视力模糊。这种病症通常被称为白内障。
目前发达的医疗手段能够通过外科手术移除旧的混浊晶状体并用新的聚合物晶状体替换它，白内障患者能够快速有效的获得视力恢复。这种方法虽然有效，但常见的光学矫正误差可能高达±0.5D，这可能是由于晶状体在嵌塞时的位置偏差、晶状体后囊收缩或者仅仅是由于手术误操作。
上述的飞秒激光在水凝胶内的光学相移效果同样可以应用于人工晶状体的设计和加工。研究发现，飞秒激光能够在晶状体内引起水的规律移动，从而获得相移结构。目前实验已经成功在体外人工晶状体中实现该操作，同时在植入兔眼的人工晶状体中也获得了很好的结果，相信不远的将来该技术就可以应用于人眼矫正手术中。
图4. (a)人工晶状体中的结构刻画; (b)测量矫正后的波阵面得到的结果符合预期
角膜定向直写
有了在人工晶状体中的经验，研究人员同时也计划利用飞秒激光在人眼晶状体中直接生成菲涅尔型透镜结构。最初的实验是在猫眼中得到的，该实验需要像LASIK手术一样对角膜进行预处理，利用飞秒激光进行直写后，猫眼中出现肉眼可见的薄气泡层，标明了菲涅耳透镜的写入位置（如图5），该气泡层在10到20分钟内消散，同时留下清晰的折射率结构。通过测量反射波前的诱导折射校正，研究人员发现该方法矫正效果在活猫中超过18个月依然是稳定有效的。
图5. 利用405nm, 80MHz的飞秒激光在猫眼中写入菲涅尔透镜结构。
(a)直写后猫眼立即可见一薄层气泡层，在10至20分钟后清除;
（b）在气泡清除后，眼睛显示出清晰的屈光结构，这种屈光矫正在活猫体内稳定至少18个月
进一步研究该直写机理发现，在飞秒激光束激发组织后，角膜基质中的胶原纤维与细胞外基质混合，在具有较高折射率的致密区域形成了新的结构。显然，活体很难将角膜结构恢复到原来的形式，因此，这种改变是稳定的。可喜的是研究人员在人体尸体组织实验中得到了同样有效的结果，下一步将开发设备用于人体临床测试。
参考文献：
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