DE4429193A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer querschnittshomogenisierten Laserstrahlung und Verwendung dieser Strahlung - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung einer querschnittshomogenisierten Laserstrahlung und Verwendung dieser StrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung ei
ner querschnittshomogenisierten Laserstrahlung. Ferner be
trifft die Erfindung eine Verwendung dieser Strahlung.
Zur Photoablation von Gewebe, beispielsweise im Bereich
der Hornhaut des Auges, ist es bekannt, Excimerlaser zu
verwenden, deren rechteckiges Strahlprofil durch verschie
dene zum Teil recht aufwendige Maßnahmen homogenisiert
werden kann, beispielsweise durch Streuplatten und nachge
schaltete Blenden, durch die Verwendung abrasiver Blenden,
durch Blendenwechselvorrichtungen für sukzessive Laserpul
se oder durch Scannerverfahren mit veränderten Blendenöff
nungen. Alle diese Maßnahmen sind apparativ außerordent
lich aufwendig, eine ausreichende Homogenisierung des
Strahlquerschnittes ist trotzdem nicht in allen Fällen zu
erreichen.
Es ist auch bekannt, daß Photoablation an Gewebe, insbe
sondere an der Hornhaut, durch Festkörperlaser erreicht
werden kann, beispielsweise durch einen Er : YAG-Laser (Theo
Seiler und Josef Wollensak, in "Lasers and Light in Oph
thalmology, Band 5, Nr. 4, Seiten 199 bis 203, 1993,
Kugeler Publications, Amsterdam / New York). Dabei wird
davon ausgegangen, daß ein solcher Laser eine räumlich
homogene Strahlung im Grundmode TEMoo ausstrahlt.
Tatsächlich ist dies jedoch keineswegs selbstverständlich,
da ein Festkörperlaser in diesem Bereich ein Gemisch von
Moden abstrahlt, so daß für den besonders geeigneten Ba
sismode TEMoo nur ein Teil der abgestrahlten Energie zur
Verfügung steht. Abgesehen davon, daß sich dadurch eine
unerwünschte räumliche Verteilung der Laserstrahlung er
gibt, reichen dadurch auch die für die Hornhautablation
notwendigen Energien im Basismode nicht aus.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der
eingangs beschriebenen Art derart auszugestalten, daß mit
ihr mit relativ geringem apparativem Aufwand eine modenho
mogenisierte und räumlich homogenisierte Strahlung erzeugt
werden kann, die besonders für die Anwendung in der Photo
ablation der Hornhaut geeignet ist.
Eine solche Vorrichtung ist ausgehend von der eingangs be
schriebenen Vorrichtung gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- a) einen gepulsten Festkörperlaser mit einer Emission in einem Wellenlängenbereich zwischen 2 und 3 µm,
- b) eine Pulsenergie zwischen 100 µJ und 1 J,
- c) eine Übertragungsfaser aus einem für die Wellenlänge durchlässigen Material mit einer Länge von mindestens 0,2 m und einem Durchmesser zwischen 50 und 1000 µm,
- d) ein an die Faser anschließenden Endstück mit planen, senkrecht zur Längsrichtung angeordneten Endflächen aus einem im Wellenlängenbereich zwischen 2 µm und 3 µm transparenten Material mit einer Länge zwischen 4 und 50 mm. Das Endstück kann beispielsweise aus Quarz, Saphir oder YAG bestehen.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß die
Strahlung eines Festkörperlasers, dem eine solche Übertra
gungsfaser einer Mindestlänge nachgeschaltet wird, in die
ser Übertragungsfaser modenhomogenisiert wird.
Allerdings erfolgt eine räumlich homogenisierte radialsym
metrische Abstrahlung mit glocken- oder gaußförmiger In
tensitätsverteilung durch eine solche Übertragungsfaser
nur dann, wenn diese eine planparallele Endfläche auf
weist. Dies ist bei den herkömmlicherweise verwendbaren
Materialien sehr schwierig zu realisieren, häufig ergeben
sich bei der Herstellung dieser Endflächen Störungen der
Oberfläche, die bei Beaufschlagung mit Strahlung hoher
Energie zu Schäden führen.
Es hat sich nun überraschenderweise herausgestellt, daß
die Kombination einer solchen Übertragungsfaser, die keine
exakt planparallele Endfläche aufweist, mit einem Endstück
mit planen Endflächen aus Quarz oder Saphir, geeignet ist,
diesen Nachteil auszugleichen. In dem Endstück erfolgt
nämlich eine nochmalige räumliche Homogenisierung mit ei
nem zusätzlichen Ausgleich von Unsymmetrien des Strahlpro
fils, das heißt Auswirkungen eines ungenau geformten Fa
serendes werden korrigiert, und es gelingt auf diese Wei
se, eine divergente, rotationssymmetrische Abstrahlung mit
gaußförmiger Verteilung zu erzielen.
Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform die Übertragungsfaser an ihrem
Ende gebrochen ist. Eine solche Bruchfläche weist keine
Mikrostörungen auf, die eine Zerstörung bei Beaufschlagung
mit Strahlung hervorrufen könnten, andererseits ist die
abgegebene Strahlung jedoch nicht räumlich homogenisiert.
Durch diese Kombination einer Faser und eines Endstückes
ergibt sich in der Faser also eine Modenhomogenisierung
und im Endstück eine räumliche Homogenisierung, insgesamt
erhält man auf diese Weise eine Strahlung mit einem rota
tionssymmetrischen Profil, wobei dieses Profil durch ver
schiedene Parameter noch geändert werden kann, beispiels
weise durch die Variation der Länge der Übertragungsfaser,
des Einkoppelwinkels und der Einkoppelrichtung der Strah
lung beim Eintritt in die Übertragungsfaser, durch die Fa
serbiegung oder durch die numerische Apertur der Faser.
Damit gelingt es, die vom Laser abgestrahlten Modengemi
sche in vollem Umfange auszunützen zur Erzeugung eines ho
mogenisierten, radialsymmetrischen Strahlprofils, bei
spielsweise eines gauß′schen Strahlprofils, eines parabo
lischen Strahlprofils oder eines ringförmigen Strahlpro
fils. In jedem Fall weist diese radialsymmetrische Vertei
lung einen glatten Intensitätsverlauf auf, und es gibt
keine drastische Verringerung der Ausgangsenergie des La
sers durch Erzwingen des Basismodes TEMoo, wie dies bei
anderen Laseranordnungen unvermeidbar ist.
Die größere Gesamtenergie ermöglicht die Verwendung größe
rer Strahldurchmesser und erleichtert die Variation des
Strahldurchmessers. Dadurch wird diese Strahlung besonders
geeignet für die Photoablation der Hornhaut, beispielswei
se für die photoablative, refraktive Keratektomie zur Be
handlung der Myopie.
Der Festkörperlaser kann beispielsweise einer der folgen
den Laser sein:
Er : YLF
Er : YAP
Er : YSGG
Er : YAG
Ho : YAG
Cr : Er : YSGG.
Er : YLF
Er : YAP
Er : YSGG
Er : YAG
Ho : YAG
Cr : Er : YSGG.
Die Übertragungsfaser kann aus ZrF₄ bestehen, aus einem
Saphireinkristall, aus Quarz oder anderen im Wellenlängen
bereich von 2 µm bis 3 µm transparenten Fasern (zum Bei
spiel Silberhalogenidfasern oder Chalcogenidfasern).
Es ist günstig, wenn das Endstück aus einem Quarzstab
besteht.
Möglich wäre auch die Verwendung einer Quarzfaser mit Stu
fenprofil oder mit Gradientenprofil.
Das Endstück kann gebildet werden durch eine Saphirfaser
mit polierten Endflächen.
Es ist günstig, wenn der Abstand zwischen Übertragungsfa
ser und Endstück zwischen 0 und 20 mm liegt.
Die Länge der Laserpulse des Lasers kann zwischen 50 µs
und 3 ms liegen. Die Vorrichtung ist jedoch auch für Q-switch-
Impulse mit Pulslängen von zum Beispiel 10 ns bis 1
µs geeignet.
Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh
rungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der
Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt
schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer moden- und
querschnittshomogenisierten Laserstrahlung.
Diese Vorrichtung umfaßt einen Festkörperlaser 1 an sich
bekannter Bauart, der daher nicht näher erläutert ist. Es
kann sich dabei beispielsweise um einen der folgenden La
ser handeln:
Er : YLF
Er : YAP
Er : YSGG
Er : YAG
Ho : YAG
CR : Er : YSGG
Ho : YAG
oder um ähnliche im nahen Infrarot emittierende Kristalle handeln, wie zum Beispiel
Cr : Tm : Er : YAG
Er : GGG.
Er : YLF
Er : YAP
Er : YSGG
Er : YAG
Ho : YAG
CR : Er : YSGG
Ho : YAG
oder um ähnliche im nahen Infrarot emittierende Kristalle handeln, wie zum Beispiel
Cr : Tm : Er : YAG
Er : GGG.
Die aus diesem austretende Strahlung tritt in eine Über
tragungsfaser 2 ein, dabei handelt es sich um eine Faser
einer Länge von mindestens 0,2 m mit einem Außendurchmes
ser zwischen 50 und 1000 µm. Die Übertragungsfaser 2 be
steht beispielsweise aus ZrF₄ oder einem anderen Material,
das für die abgegebene Wellenlänge des Festkörperlasers 1
durchlässig ist. Diese Wellenlänge liegt bei den angegebe
nen Substanzen zwischen 2 und 3 µm.
Am freien Ende 3 endet die Übertragungsfaser 2 in einer
Bruchfläche 4, an diese schließt sich mit einem Abstand
zwischen 0 und 20 mm ein Endstück 5 an, beispielsweise ein
Quarzstab mit einer Länge zwischen 5 und 50 mm.
Das freie Ende 3 der Übertragungsfaser 2 und das Endstück
5 sind gemeinsam in einer Hülse 6 aus Metall gehalten,
beispielsweise mit Hilfe eines Klebstoffes 7.
Die Stirnseiten 8 des Endstückes 5 sind plan ausgeführt,
beispielsweise durch Polieren, sie stehen senkrecht auf
der Längsachse des Endstückes 5.
Die von dieser Vorrichtung erzeugte Laserstrahlung wird
divergent abgegeben und weist eine rotationssymmetrische
Strahlungsverteilung auf, die modenhomogenisiert ist. Bei
spielsweise kann die Intensitätsverteilung über den Quer
schnitt, die in der Zeichnung anhand eines Beispieles an
gegeben ist, eine gauß′sche Verteilung sein, eine Super
gauß′sche, eine parabolische oder auch eine ringförmige.
Dies hängt unter anderem von der Länge der Übertragungsfa
ser, vom Eintrittswinkel in die Übertragungsfaser und auch
von der Biegung der Übertragungsfaser ab.
So ist es beispielsweise möglich, bei azentrischem Ein
tritt der Strahlung in die Übertragungsfaser eine Ringver
teilung zu erzeugen, durch eine Biegung der Übertragungs
faser lädt sich eine asymmetrische Ausstrahlung erzielen,
beispielsweise in Form einer halbmondförmigen Verteilung.
Üblicherweise wird die Einführung der Strahlung zentrisch
erfolgen, so daß dann auch eine homogenisierte Verteilung
mit Rotationssymmetrie zu erwarten ist.
Die auf diese Weise erzeugte Strahlung ist besonders ge
eignet zur Photoablation der Cornea, insbesondere zur Kor
rektur der Myopie. In den Randbereichen, die unterhalb ei
ner bestimmten Schwellenergie liegen, erfolgt keine Abla
tion, diese Ablation setzt erst dort ein, wo die Energie
der Strahlung einen bestimmten Schwellwert übersteigt.
Durch den geglätteten Verlauf über den Querschnitt erhält
man somit eine genau vorhersagbare Verteilung der Strah
lung und kann diese Verteilung durch Mehrfachbelichtung so
berücksichtigen, daß insgesamt eine im wesentlichen
gleichmäßige beziehungsweise dem gewünschten Profil ent
sprechende Ablation erreicht wird.
Claims (18)
1. Vorrichtung zur Erzeugung einer querschnittshomo
genisierten Laserstrahlung, insbesondere zur Abtra
gung der Hornhaut eines Auges,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) einen gepulsten Festkörperlaser (1) mit einer Emission in einem Wellenlängenbereich zwischen 2 und 3 µm,
- b) eine Pulsenergie zwischen 100 µJ und 1 J,
- c) eine Übertragungsfaser (2) aus einem für die Wellenlänge durchlässigen Material mit einer Länge von mindestens 0,2 m und einem Durchmes ser zwischen 50 und 1000 µm,
- d) ein an die Übertragungsfaser (2) anschließendes Endstück (5) mit planen, senkrecht zur Längs richtung angeordneten Endflächen (8) aus einem im Wellenlängenbereich zwischen 2 µm und 3 µm transparenten Material mit einer Länge zwischen 4 und 50 mm.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übertragungsfaser (2) an ihrem Ende (3) ge
brochen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Festkörperlaser (1) einen mit Er:
oder Ho: dotierten Kristall umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Festkörperlaser (1) ein Er : YLF-Laser ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Festkörperlaser (1) ein Er : YAP-Laser ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Festkörperlaser (1) ein Cr : Er : YSGG-Laser ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Festkörperlaser (1) ein Er : YAG-Laser ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Festkörperlaser (1) ein Ho : YAG-Laser ist.
9. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
chen, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungs
faser (2) aus ZrF₄ besteht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfaser (2)
aus einem Saphireinkristall besteht.
11. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (5)
aus einem Quarzstab besteht.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß das Endstück (5) aus einer
Quarzfaser mit Stufenprofil besteht.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß das Endstück (5) aus einer
Quarzfaser mit Gradientenprofil besteht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet, daß das Endstück (5) aus einer
Saphirfaser oder einem anderen zwischen 2 µm und 3
µm transparenten Kristall mit polierten Endflächen
besteht.
15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwi
schen Übertragungsfaser (2) und Endstück (5) zwi
schen 0 und 20 mm liegt.
16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der
Laserpulse zwischen 50 µs und 3 ms liegt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß die Laserpulse Q-switch-
Impulse mit einer Länge zwischen 10 ns und 1 µs sind.
18. Verwendung der Strahlung der Vorrichtung der Ansprü
che 1 bis 17 zur Abtragung von Hornhautgewebe des
Auges.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: FISCHER, MANFRED, DIPL.-ING. (FH), 78532 TUTTLINGEN, DE REINDL, MAXIMILIAN, DIPL.-ING. (FH), 90562 HEROLDSBERG, DE SANDER, JOERN, DIPL.-ING. (FH), 33602 BIELEFELD, DE VOGLER, KLAUS, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., 90542 ECKENTAL, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: AESCULAP AG & CO. KG, 78532 TUTTLINGEN, DE |
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Owner name: AESCULAP-MEDITEC GMBH, 07745 JENA, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ASCLEPION-MEDITEC AG, 07745 JENA, DE |
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8130 | Withdrawal |