DE4105719A1

DE4105719A1 - Vorrichtung zur uebertragung medizinisch wirksamer laserstrahlung sowie verfahren zur uebertragung von laserstrahlung

Info

Publication number: DE4105719A1
Application number: DE4105719A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Reimer; Maximilian Dipl Ing Reindl
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 1991-02-23
Filing date: 1991-02-23
Publication date: 1992-09-03

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von medizinisch wirksamer Laserstrahlung, insbesondere im mittleren IR-Bereich und in gepulster Form, mit einer Lichtleitfaser, in die Laserstrahlung über optische Mittel eingekoppelt wird und in der die eingekoppelte Strahlung unter Ausnutzung der Totalreflexion an der Faserwand ge führt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Über tragung von Laserstrahlung mit den im Oberbegriff des Pa tentanspruches 11 angegebenen Merkmalen.

Insbesondere im medizinischen Bereich wird zunehmend La serstrahlung verwendet, um im Gewebe zu schneiden, zu ko agulieren oder um Zahnsubstanz zu entfernen. Dabei haben sich als besonders wertvoll Laser erwiesen, die Laser strahlung im mittleren IR-Bereich aussenden, beispielswei se bei einer Wellenlänge von 2,94 µm. Diese Laser werden häufig als Pulslaser betrieben mit Pulsdauern in der Grö ßenordnung von 100 ns bis 20 ms und mit Pulsenergien, die größer sind als 200 mJ. Um die gewünschte Laserstrahlung an den Applikationsort zu bringen, werden unter anderem Lichtleitfasern verwendet, in denen die Laserstrahlung un ter Ausnützung der Totalreflexion im wesentlichen verlust frei geführt werden kann.

Es hat sich herausgestellt, daß sich bei der Einkopplung der aus einem Laser austretenden Laserstrahlung in die Lichtleitfaser Schwierigkeiten ergeben. Oft geht ein Teil der zur Verfügung stehenden Laserleistung bei diesem Einkoppelvorgang verloren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrich tung und ein gattungsgemäßes Verfahren so zu verbessern, daß die Einkopplung der zur Verfügung stehenden Laser strahlung möglichst verlustfrei erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs be schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die optischen Mittel die Laserstrahlung vor der Eintrittsflä che der Lichtleitfaser fokussieren und sie unter einem Öffnungswinkel in die Faser einkoppeln, der der numeri schen Apertur der Faser entspricht oder geringfügig darun ter liegt.

Im Gegensatz zu den üblichen Einkoppelmethoden, bei denen für gepulste Laser besser langbrennweitige Linsen verwendet werden, wird also das Strahlungs bündel im Eintrittsbereich divergent gestaltet, wobei der Öffnungswinkel soweit wie möglich dem Apertur winkel der Faser entspricht. Dieser ergibt sich daraus, daß bei Eintritt der Strahlung unter diesem Aperturwinkel die auf die Innenwand der Faser treffende Strahlung noch totalreflektiert wird, wird die Strahlung unter einem grö ßeren Winkel in die Eintrittsfläche eingekoppelt, ist die Bedingung für Totalreflexion an der Innenwand nicht mehr erfüllt, die Strahlung tritt dann durch die Wand aus der Lichtleitfaser aus. Es hat sich herausgestellt, daß eine optimale Homogenisierung der in die Lichtleitfaser einge führten Strahlung gerade dann erreichbar ist, wenn die Strahlung nicht parallel oder fast parallel in die Faser eingeführt wird, sondern wenn ein divergentes Strahlungs bündel verwendet wird, dessen Öffnungswinkel möglichst na he an dem Aperturwinkel liegt, vorzugsweise innerhalb ei nes Bereiches von 10%.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die optischen Mittel die Strahlung so weit vor der Eintrittsfläche in die Lichtleitfaser fokussieren, daß maximal 75%, vorzugsweise maximal 50%, der Eintrittsfläche von der divergierenden Strahlung getroffen werden. Überraschenderweise ist es nicht günstig, wenn die Eintrittsfläche vollständig von der Laserstrahlung beaufschlagt wird, da sich dann im Randbereich der Eintrittsfläche Verluste ergeben können. Diese Randverluste können auch zur Zerstörung der Faser führen. Es ist gemäß der Erfindung vorteilhafter, nur den zentralen Bereich der Eintrittsfläche mit der Laser strahlung zu beaufschlagen, das heißt den Brennpunkt der Strahlung so zu positionieren, daß das divergente Strah lungsbündel nur auf etwa 50 bis 75% der Eintrittsfläche auftrifft.

Eine solche Anordnung hat auch den Vorteil, daß die Strah lung nicht im Inneren der Lichtleitfaser fokussiert wird; eine solche Fokussierung im Inneren der Lichtleitfaser könnte wegen der hohen Leistungsdichte zu Zerstörungen führen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der die Laserstrahlung erzeugende Laser im Multimode betrieben wird oder wenn der die Laserstrahlung erzeugende Laser in der Laser-Pumpkam mer einen diffus reflektierenden Reflektor aufweist. In beiden Fällen führen die geschilderten Maßnahmen dazu, daß die Energieverteilung über den Strahlungsquerschnitt im wesentlichen konstant ist, im Gegensatz zu einer Laser strahlung, die von einem in einem bestimmten Mode arbei tenden Laser erzeugt wird und bei welcher die Pumpstrah lung auf dem Laserkristall fokussiert wird. Unter einem "diffus reflektierenden" Reflektor ist dabei jeder Reflek tor zu verstehen, dessen reflektierende Fläche aufgrund der Oberflächenstruktur und Zusammensetzung annähernd einem Lambert-Strahler gleicht, bei dem also die Vertei lung der Strahlung dem Cosinusgesetz von Lambert folgt.

Die Verwendung einer solcher Strahlung mit homogener Ener gieverteilung über den Strahlungsquerschnitt führt dazu, daß auch in der Lichtleitfaser die Strahlung den Quer schnitt homogen ausfüllt, so daß Energiekonzentrationen im Querschnitt vermieden werden können, die unter Umständen zu einer Beschädigung des Fasermaterials führen könnten. Es ist dadurch möglich, höhere Leistungen über die Licht leitfasern zu übertragen.

Es hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft herausge stellt, wenn die Lichtleitfaser von einem hülsenförmigen Gehäuse umgeben ist, welches ein Eintrittsfenster für die Laserstrahlung aufweist. Dadurch wird die Lichtleitfaser von der Umgebung geschützt, dies ist insbesondere bei em pfindlichen Lichtleitfasermaterialien wie ZrF₄ notwendig, um Alterungsprozesse zu vermeiden.

Vorteilhafterweise liegt der Brennpunkt der Laserstrahlung dabei zwischen dem Eintrittsfenster und der Eintrittsflä che der Lichtleitfaser.

Es ist dabei auch günstig, wenn das Gehäuse das Faserende im Abstand umgibt und erst im Abstand von der Eintritts fläche am Umfang der Lichtleitfaser anliegt. Dadurch wird vermieden, daß Verunreinigungen aus dem Gehäusematerial auf die Eintrittsfläche gelangen können.

Schließlich ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß eine die Lichtleitfaser umgebende Schutz schicht im Faserendbereich mindestens bis zur Anlage des Gehäuses am Umfang der Lichtleitfaser entfernt ist. Da durch wird vermieden, daß Material aus dieser üblicherwei se als "Coating" bezeichneten Schutzschicht auf die Ein trittsfläche der Lichtleitfaser oder auf das Eintrittsfen ster des Gehäuses gelangt.

Bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird die vorstehend beschriebene Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 11 gelöst.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen dieses Verfahrens erge ben sich aus den Patentansprüchen 12 bis 17.

Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläu terung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht ei ner Lichtleitfaser im Einkoppelbereich der Laserstrahlung und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Einkoppelbe reich einer Lichtleitfaser, die von einem Schutzgehäuse umgeben ist.

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung zur Erzeu gung und Übertragung von Laserstrahlung kann für verschie denste Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise für die Materialbearbeitung. Besonders geeignet ist die genannte Vorrichtung jedoch für die Übertragung von Laserstrahlung, die im medizinischen Bereich eingesetzt wird. Anhand einer solchen Vorrichtung wird diese im folgenden näher erläu tert.

In einem Lasergerät 1 an sich bekannter Bauart wird die gewünschte Laserstrahlung erzeugt, beispielsweise eine La serstrahlung im mittleren IR-Bereich. Beispielsweise kann ein Er:YAG-Laser verwendet werden, der Strahlungsimpulse bei einer Wellenlänge von 2,94 µm und einer Pulsbreite zwischen 100 ns und 20 ms erzeugt, wobei die Pulsenergie größer ist als 200 mJ.

Das Lasergerät wird in an sich bekannter Weise entweder im Multimode betrieben oder es wird ein Reflektor in der Pumpkammer verwendet, der die von einer Pumplichtquelle stammende Pumpstrahlung diffus reflektiert. Durch diese an sich bekannten Maßnahmen kann erreicht werden, daß die Energiedichte über den Querschnitt des austretenden Strahlenbündels 2 im wesentlichen homogen ist.

Diese parallele Laserstrahlung des Strahlenbündels 2 wird durch eine fokussierende Linse 3, die beispielsweise eine Brennweite von 25 mm haben kann, in einem Brennpunkt 4 fo kussiert. Das nunmehr divergente Strahlenbündel fällt dar aufhin auf die Eintrittsfläche 5 einer Lichtleitfaser 6, wobei die Eintrittsfläche 5 senkrecht auf der optischen Achse des Strahlenbündels 2 steht.

Der Abstand der Eintrittsfläche 5 vom Brennpunkt 4 ist da bei so gewählt, daß nur maximal etwa 75% der Eintrittsflä che 5 von der Laserstrahlung beaufschlagt werden, der An teil kann auch bei 50% liegen. Wesentlich ist lediglich, daß nicht die gesamte Eintrittsfläche 5 von der Laser strahlung beaufschlagt wird, da im Randbereich der Ein trittsfläche sonst Verluste auftreten können.

Die Lichtleitfaser 6 umfaßt einen Kern 7, der von einem dünnen Mantel 8 umgeben ist. Der Kern besteht aus einem Material mit einem Brechungsindex n_K, der größer ist als der Brechungsindex n_M des für den Mantel benutzten Materi als. Dadurch kann an der Grenzfläche zwischen Kern 7 und Mantel 8 Totalreflexion eintreten.

Der Winkel, unter dem Totalreflexion eintritt, hängt vom Verhältnis der Brechungszahlen des Kernmaterials und des Mantelmaterials in an sich bekannter Weise ab, je nach Wahl dieser Substanzen ergibt sich ein maximaler Einfalls winkel der Strahlung, unter dem noch Totalreflexion er folgt, überschreitet der Winkel zwischen Einfallsstrahl und Mantelfläche diesen Maximalwinkel, tritt die Strahlung durch die Grenzfläche 9 in den Mantel 8 aus. Dies führt dazu, daß divergente, in das Strahlenbündel eingekoppelte Strahlung nur dann totalreflektiert wird, wenn der Öff nungswinkel, unter dem die Strahlung eintrifft, unterhalb eines bestimmten Winkels ist, der durch die numerische Apertur gegeben wird und als Aperturwinkel einer bestimm ten Faser bezeichnet wird. Dieser Aperturwinkel α ergibt sich aus der Beziehung

sin α=n_K ²-n_M ², wobei
n_K Brechungsindex des Kernmaterials
n_M Brechungsindex des Mantelmaterials

bedeuten.

Der Öffnungswinkel 10 des auf die Eintrittsfläche 5 ge richteten Laserstrahlenbündels 2 wird nun so gewählt, daß er dem Aperturwinkel entspricht oder nur geringfügig dar unter liegt, beispielsweise in der Größenordnung von 10%. Dadurch wird einerseits gewährleistet, daß die gesamte Strahlung total an der Grenzfläche 9 reflektiert wird, an dererseits ergibt sich auf diese Weise eine besonders gute Homogenisierung der Strahlungsverteilung im Kern 7.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird die Lichtleitfaser 6, die noch von einer um den Mantel 8 gelegten Schutz schicht 11 (Coating) umgeben ist, in ihrem Endbereich von einem hülsenförmigen Gehäuse 12 konzentrisch umgeben, wel ches stirnseitig mittels eines im Abstand von der Ein trittsfläche 5 angeordneten Eintrittsfensters 13 ver schlossen ist. Das Gehäuse 12 liegt in seinem mittleren Bereich mittels eines schulterförmigen Vorsprungs 14 an der Lichtleitfaser 6 an und fixiert diese, wobei die Schutzschicht 11 in diesem Bereich und bis zum Faserende entfernt ist. Das Faserende ragt über den Vorsprung 14 in Richtung auf das Eintrittsfenster 13 hervor und wird in diesem von der Schutzschicht 11 befreiten Bereich vom Ge häuse 12 im Abstand umgeben.

Das Gehäuse 12 kann sich in Faserrichtung in einem weite ren Schutzmantel fortsetzen, der die Faser insgesamt um gibt und somit gegen Einflüsse der Umgebung schützt.

Der Abstand des Eintrittsfensters 13 von der Eintrittsflä che 5 ist so groß gewählt, daß der Brennpunkt 4 zwischen der Eintrittsfläche 5 und dem Eintrittsfenster 13 angeord net ist. Das Eintrittsfenster 13 besteht aus einem für die Laserstrahlung durchlässigen Material, beispielsweise aus Quarz, selbstverständlich wird auch die Lichtleitfaser aus einem die Laserstrahlung möglichst wenig dämpfenden Mate rial bestehen, im dargestellten Ausführungsbeispiel bei spielsweise aus ZrF₄.

Claims

1. Vorrichtung zur Übertragung von medizinisch wirksamer Laserstrahlung, insbesondere im mittleren IR-Bereich und in gepulster Form, mit einer Lichtleitfaser, in die Laserstrahlung über optische Mittel eingekoppelt wird und in der die eingekoppelte Strahlung unter Ausnutzung der Totalreflexion an der Faserwand ge führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel (3) die Laserstrahlung vor der Eintrittsfläche (5) der Lichtleitfaser (6) fokussieren und sie unter einem Öffnungswinkel (10) in die Lichtleitfaser (6) einkop peln, der der numerischen Apertur der Lichtleitfaser (6) entspricht oder geringfügig darunter liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (10) des Strahlenbündels (2) maximal 10% unter dem sich aus der numerischen Aper tur ergebenden maximalen Öffnungswinkel liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Mittel (3) die Laser strahlung so weit vor der Eintrittsfläche (5) in die Lichtleitfaser (6) fokussieren, daß maximal 75% der Eintrittsfläche (5) von der divergierenden Strahlung getroffen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel (3) die Laserstrahlung so weit vor der Eintrittsfläche (5) in die Lichtleitfa ser (6) fokussieren, daß maximal 50% der Eintritts fläche (5) von der divergierenden Strahlung getroffen wird.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Laserstrahlung erzeugende Laser (1) im Multimode betrieben ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Laserstrahlung erzeugende Laser (1) in der Laserpumpkammer einen diffus reflek tierenden Reflektor aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (6) von einem hülsenförmigen Gehäuse (12) umgeben ist, welches ein Eintrittsfenster (13) für die Laserstrah lung aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt (4) der Laserstrahlung zwischen dem Eintrittsfenster (13) und der Eintrittsfläche (5) der Lichtleitfaser (6) liegt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) das Faser ende im Abstand umgibt und erst im Abstand von der Eintrittsfläche (5) am Umfang der Lichtleitfaser (6) anliegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Lichtleitfaser (6) umgebende Schutz schicht (11) im Faserendbereich mindestens bis zur Anlage des Gehäuses (12) am Umfang der Lichtleitfaser (6) entfernt ist.

11. Verfahren zur Übertragung von Laserstrahlung, insbe sondere im mittleren IR-Bereich und in gepulster Form, über eine Lichtleitfaser, bei dem man die La serstrahlung über optische Mittel in eine Lichtleit faser einkoppelt und in dieser unter Ausnutzung der Totalreflexion an der Faserwand führt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Laserstrahlung vor der Eintrittsfläche der Lichtleitfaser fokussiert und sie unter einem Öffnungswinkel in die Faser ein koppelt, der der numerischen Apertur der Faser ent spricht oder geringfügig darunter liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des Strahlenbündels maximal 10% unter dem sich aus der numerischen Apertur erge benden maximalen Öffnungswinkel liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Strahlung so weit vor der Ein trittsfläche in die Lichtleitfaser fokussiert, daß maximal 75% der Eintrittsfläche von der divergieren den Strahlung getroffen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strahlung so weit vor der Eintrittsfläche in die Lichtleitfaser fokussiert, daß maximal 50% der Eintrittsfläche von der divergierenden Strahlung ge troffen wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Laserstrahlung mit gleichmäßger Energieverteilung über den Strahlenquer schnitt verwendet.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die Strahlung eines im Multimode betriebenen Lasers verwendet.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Laser mit einem diffus reflektierenden Reflektor in der Laserpumpkammer verwendet.