自十三世紀(jì)中期中期人類首次使用眼鏡進(jìn)行視力矯正以來，科學(xué)家們一直在尋找更好的方法來矯正人類的視力。而隨著激光的發(fā)明，人們很快認(rèn)識到激光技術(shù)有可能成為視力矯正的有效手段。

超短脈沖激光的產(chǎn)生和進(jìn)步大大促進(jìn)了激光微加工和非線性光學(xué)的發(fā)展。極短的激光脈沖和材料相互作用的時間很短，這種獨特的冷加工過程避免了材料表面的熱融化現(xiàn)象，消除了長脈沖激光加工中熱效應(yīng)帶來的諸多負(fù)面影響。

此外，飛秒激光在透明材料內(nèi)發(fā)生的多光子吸收過程經(jīng)過專門的設(shè)計和控制，能夠精確的用于材料局部折射率改性，這種手段已經(jīng)成為人類視覺矯正的潛在手段。

早期應(yīng)用

早在1999年，人們已經(jīng)能夠?qū)⒚}沖能量在2-4微焦的飛秒激光聚焦到角膜基質(zhì)區(qū)來對角膜瓣進(jìn)行微加工。飛秒激光在角膜上產(chǎn)生切口后，通常的處理方法有兩種：

1. 制作角膜瓣，掀開角膜瓣，用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行組織汽化，切削角膜基質(zhì)，這個過程稱為激光輔助原位角膜磨鑲術(shù)（laser-assisted in situ keratomileusis, LASIK）。

2. 還有一種方法是不制作角膜瓣，直接在在角膜中上加工出透鏡狀結(jié)構(gòu)，通過小切口取出透鏡，這種方法被稱為(Small incision lenticule extraction, SMILE)。

圖1. LASIK手術(shù)過程

飛秒激光屈光手術(shù)由于其高精度和可控性在眼科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被迅速采用推廣，成為借助傳統(tǒng)的機(jī)械刀片的Lasik手術(shù)之后，目前最為先進(jìn)的屈光手術(shù)方式。

值得注意的是，盡管LASIK手術(shù)取得了巨大成功，但迄今為止，只有大約2%的屈光不正患者實際進(jìn)行了LASIK手術(shù)。顯然人們對于去除性質(zhì)的矯正手段仍持保守態(tài)度，更加“微”創(chuàng)，不涉及組織切割的矯正手段具有巨大的潛在市場。

飛秒激光在進(jìn)行工業(yè)微加工時通常使用遠(yuǎn)高于材料損傷閾值的峰值功率將材料進(jìn)行氣化，從而達(dá)到塑型加工的目的。而如果將飛秒激光的峰值功率控制在材料損傷閾值以下某值時，特別是針對透明材料，能夠引起局部折射率的變化。實驗證明，只需納焦耳量級的飛秒激光即可實現(xiàn)這一效果。

因此基于這種材料改性過程，微創(chuàng)甚至無創(chuàng)視覺矯正研究在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得了不錯的進(jìn)展。

隱形眼鏡

隱形眼鏡的制造廠商一直在尋求以更加經(jīng)濟(jì)的手段生產(chǎn)通用性更強(qiáng)、功能更強(qiáng)大的產(chǎn)品。這些廠商不得不長期保持20000種以上的不同鏡片庫存（不同曲率、像散和柱鏡軸的組合）以滿足不同人群的需求，即便如此為了生產(chǎn)適合用戶的隱形眼鏡，廠商仍需要定制的特殊工具和較長的定制周期。

而引入飛秒激光材料改性的手段，能夠在水凝膠（hydrogels, 用來生產(chǎn)隱形眼鏡的材料）內(nèi)“加工”出相位截斷的菲涅爾型折射率矯正結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)勢在于無需特殊的定制工具就能夠生產(chǎn)出適合用戶的高質(zhì)量隱形眼鏡，屈光度范圍可以達(dá)到-9.5 to +5D。

圖2. 利用飛秒激光加工出菲涅爾透鏡的隱形眼鏡照片（放置在玻璃材料的人工角膜上）

研究發(fā)現(xiàn)，這種改性效應(yīng)幾乎是永久性的，在5年尺度內(nèi)仍可以保持高質(zhì)量的屈光效果，見圖3。

圖3. 飛秒激光在水凝膠內(nèi)的改性過程經(jīng)過5年依然保持幾乎同樣的效果

人工晶狀體

隨著年齡的增長，人類的晶狀體由于長期的化學(xué)和物理變化，在很多情況下導(dǎo)致視力模糊。這種病癥通常被稱為白內(nèi)障。

目前發(fā)達(dá)的醫(yī)療手段能夠通過外科手術(shù)移除舊的混濁晶狀體并用新的聚合物晶狀體替換它，白內(nèi)障患者能夠快速有效的獲得視力恢復(fù)。這種方法雖然有效，但常見的光學(xué)矯正誤差可能高達(dá)±0.5D，這可能是由于晶狀體在嵌塞時的位置偏差、晶狀體后囊收縮或者僅僅是由于手術(shù)誤操作。

上述的飛秒激光在水凝膠內(nèi)的光學(xué)相移效果同樣可以應(yīng)用于人工晶狀體的設(shè)計和加工。研究發(fā)現(xiàn)，飛秒激光能夠在晶狀體內(nèi)引起水的規(guī)律移動，從而獲得相移結(jié)構(gòu)。目前實驗已經(jīng)成功在體外人工晶狀體中實現(xiàn)該操作，同時在植入兔眼的人工晶狀體中也獲得了很好的結(jié)果，相信不遠(yuǎn)的將來該技術(shù)就可以應(yīng)用于人眼矯正手術(shù)中。

圖4. (a)人工晶狀體中的結(jié)構(gòu)刻畫; (b)測量矯正后的波陣面得到的結(jié)果符合預(yù)期

角膜定向直寫

有了在人工晶狀體中的經(jīng)驗，研究人員同時也計劃利用飛秒激光在人眼晶狀體中直接生成菲涅爾型透鏡結(jié)構(gòu)。最初的實驗是在貓眼中得到的，該實驗需要像LASIK手術(shù)一樣對角膜進(jìn)行預(yù)處理，利用飛秒激光進(jìn)行直寫后，貓眼中出現(xiàn)肉眼可見的薄氣泡層，標(biāo)明了菲涅耳透鏡的寫入位置（如圖5），該氣泡層在10到20分鐘內(nèi)消散，同時留下清晰的折射率結(jié)構(gòu)。通過測量反射波前的誘導(dǎo)折射校正，研究人員發(fā)現(xiàn)該方法矯正效果在活貓中超過18個月依然是穩(wěn)定有效的。

圖5. 利用405nm, 80MHz的飛秒激光在貓眼中寫入菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)。

(a)直寫后貓眼立即可見一薄層氣泡層，在10至20分鐘后清除;

（b）在氣泡清除后，眼睛顯示出清晰的屈光結(jié)構(gòu)，這種屈光矯正在活貓體內(nèi)穩(wěn)定至少18個月

進(jìn)一步研究該直寫機(jī)理發(fā)現(xiàn)，在飛秒激光束激發(fā)組織后，角膜基質(zhì)中的膠原纖維與細(xì)胞外基質(zhì)混合，在具有較高折射率的致密區(qū)域形成了新的結(jié)構(gòu)。顯然，活體很難將角膜結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來的形式，因此，這種改變是穩(wěn)定的?？上驳氖茄芯咳藛T在人體尸體組織實驗中得到了同樣有效的結(jié)果，下一步將開發(fā)設(shè)備用于人體臨床測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-54/issue-03/features/nonlinear-optics-femtosecond-lasers-and-nonlinear-optics-new-approaches-solve-old-problems-in-ophthalmology.html

[2] T. Juhasz et al., IEEE J. Select Topics Quantum Electron., 5, 4, 902–910 (1999).

[3] G. A. Gandara-Montano et al., J. Vis., 17, 7, 38 (Jun. 2017).

[4] G. A. Gandara-Montano et al., Opt. Mater. Express, 7, 9, 3162–3180 (2017).