DE19907422B4 - Einrichtung zur Einkopplung von Laserstrahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Einkopplung von Laserstrahlen, die über ein Lichtleiterfaserbündel in die Einkoppeleinheit übertragen und dort von einem kegelstumpfförmigen Optikkonus eingefangen werden. Der Neigungswinkel des Optikkonus entspricht dem Öffnungswinkel der eingestrahlten Laserstrahlen, die dann durch ein plankonvexes Linsenpaar in einen Konvergenzstrahl abgebildet werden, der über einen zweiten Optikkonus in einem Brennpunkt mündet und in eine Lichtleiterfaser eingekoppelt wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Einkopplung einer mit einem Lichtleiterbündel übertragenen Laserstrahlung.
• Da für den Anwendungsfall medizinische Applikation an biologischen Geweben die erforderliche Laserleistung aus mehreren Laserdioden zu gewinnen ist und Laserstrahlungen häufig keine gleichförmige Intensitätsverteilung über ihren Strahlenquerschnitt aufweisen, ist es zwischen der Laserlichtquelle und der Eintrittsfläche des Ausgangs-Lichtleiters erforderlich, für eine hocheffiziente Strahlqualität an der Applikationsstelle die aus den Dioden mit einem bestimmten Öffnungswinkel austretende Laserstrahlung und ihre Streustrahlung aufzufangen, zu bündeln und schließlich für eine Weiterleitung zu fokussieren.
• Eine Einrichtung zur Einkopplung von Laserstrahlung für medizinische Applikation ist zwar als ein aus Ober- und Unterteil bestehendes, zylindrisches Handstück gemäß der DE 4209926 A1 bekannt, jedoch weist diese Einrichtung keine Vorkehrungen für die Schaffung einer hocheffizienten Strahlqualität bei ausreichend großer Laserleistung auf. Die Lasereinstrahlung erfolgt zunächst nur über eine Monofaser, dessen Laserstrahlung über eine getaperte Faser in zwei konzentrisch angeordnete Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Die Einzelelemente der Einkopplungseinrichtung, nämlich das plankonvexe, mit ihren ebenen Flächen zueinander angeordnete Linsenpaar mit beidseitig angeordneten Linsenkammern sind in einem Führungszylinder und zu der Laserstrahleinführungsöffnung fest zueinander angeordnet. Die beiden Linsenkammern sind zur Bildung von Optikkonussen aus teils konischen und teils zylindrischen Wandungsteilen gebildet. Sie sind somit nicht an den Verlauf der Laserstrahlung angepasst und auf diesen auch nicht einjustierbar.
• Auch aus der DE3833992A1 ist eine Einrichtung bekannt, bei der eine Laserlichtquelle ein Lichtbündel in einen trichterförmigen Optikkonus hineinstrahlt, wobei dann diese Strahlen am Ende des Optikkonus mit einer kleinen Öffnung durch eine Fokussierlinse an der Stirnfläche einer Lichtleiterfaser fokussiert wird. Zur Abschaltung der Eingangsstrahlen dient u.a eine in den Strahlengang des Lichtbündels einfahrbare Blende. Bei diesem bekannten Stand der Technik ist für fie Einbeziehung eines möglichst großen Teils der Streustrahlung die Geometrie des Optikkonus weder an den Abstrahlwinkel der Lichtquelle noch an den Konvergenzstrahl hinter der Fokussierlinse angepasst. Ferner sind keine Mittel angegeben, mit denen sich die Einkoppelelemente justieren ließen, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Die einfahrbare Blende arbeitet offenbar nach dem Hubprinzip, das einen relativ hohen Strom benötigt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, mit der eine optimale Einkopplung von Laserstrahlen eines Lichtleiterbündels in eine Lichtleiterfaser möglich ist. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Um für den oben angegebenen Anwendungsfall wirtschaftlich eine ausreichende Laserleistung an den Applikationspunkt heranzuführen, ist eine Addition von Strahlenemissionen mehrerer Einzeldioden erforderlich. Das für die Übertragung der Strahlen geeignete Lichtleiterbündel lässt sich mittels einer Steckverbindung zuverlässig in der Strahlenachse positionieren. Für die Erfassung der Laserstrahlen, die mit einem bestimmten Öffnungswinkel und mit bestimmten Streustrahlanteilen in die Einrichtung eintreten, eignet sich ein Optikkonus, dessen Geometrie an den Öffnungswinkel des Laserstrahls angepasst ist. Dasselbe gilt für die Erfassung und Weiterleitung des Konvergenzstrahles mit seiner Streuung.
• Durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtleiterfaser ausgangsseitig für eine exakte Positionierung in der Strahlenachse mittels einer Steckverbindung an das Einkoppelsystem angeschlossen. Durch diese lösbare Verbindung kann das Applikationsteil mit der Lichtleiterfaser nach Gebrauch leicht von der Einrichtung gelöst bzw. mühelos ausgetauscht werden. Der vor dieser Steckverbindung angebrachte Verriegelungskontakt gibt die Einschaltung der Laserlichtquelle frei, wenn die Steckbuchse ausgangsseitig durch den Stecker verschlossen ist. Die Linsenentspiegelung dient der Verminderung der Streustrahlung. Durch die Linsenanordnung gemäß Anspruch 3 lässt sich die Optik genau und zuverlässig in der Halterung positionieren.
• Die im Gehäuseraum angeordneten Sensoren dienen der Überwachung des Strahlenverlaufs in der Einrichtung sowie der Leistungsmessung. Sie erfassen die restlichen Streustrahlungen an der Eingangsseite und Ausgangsseite – durch Unterstützung einer in der Gehäusemitte angebrachte Schaumgummiwand – jeweils getrennt und signalisieren durch Differenzbildung der erfassten Werte ggf. einen Schalt- bzw. Gerätefehler, der zur Aufheizung und Zerstörung des Gerätes führen könnte. Der ausgangsseitig angeordnete Sensor dient außerdem der Messung und Kontrolle der Ausgangsleistung. Die Verwendung eines Shutters zum Verschließen bzw. Öffnen der Strahleneingangsöffnung mit einer Drehankerblende hat gegenüber üblichen Hubmagneten den Vorteil eines geringeren Stromverbrauchs, weil der Drehanker durch keinen Luftspalt – wie beim Hubmagneten – gezogen werden muss. Dadurch kann einer Aufheizung des Gehäuseraumes entgegengewirkt werden. Zur Vereinheitlichung der Wärmeausdehnung sind sämtliche Teile der Einrichtung aus Aluminium hergestellt.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die 1 zeigt eine Seitenansicht der Einrichtung quer zur Strahlrichtung und 2 die Einrichtung in Strahlrichtung.
• In den Figuren ist mit 1 das Gehäuse der Einkoppeleinheit bezeichnet, in deren Wandungen axial die Steckbuchse 2 für den Eingang der Laserstrahlen sowie die Steckbuchse 3 für den Ausgang der Laserstrahlen angeordnet sind.
• Auf der Grundfläche des Gehäuses 1 ist die Grundplatte 4 abgefedert mit Schrauben vertikal justiert und fixiert und mit seitlich aufragenden Backen 5 versehen, zwischen denen ein Vierkant 6 mit einer Bohrung horizontal justierbar und ebenfalls mit Schrauben fixierbar ist. Diese Bohrung ist für eine axial verschiebliche Aufnahme des zylindrischen Körpers 7 vorgesehen, mit dem sich der Brennpunkt einstellen läßt. Für die Fixierung des Körpers 7 im Vierkant 6 ist eine Gewindebohrung in der Wandung des Vierkants 6 für die Aufnahme einer Madenschraube vorgesehen. Die Innenwand des Körpers 7 trägt ein Innengewinde, mit dem der erste Optikkonus 8 und der zweite Optikkonus 9 verschraubt ist und mit den Stirnseiten ihrer großen Öffnungen das Linsenpaar 10 passgerecht einschließen. Die Neigungswinkel der Konusse 8 und 9 sind dem Öffnungswinkel der einfallenden Laserstrahlen und der erforderlichen Brennweite ängepasst. Durch die Verstellbarkeit der Einkoppelelemente läßt sich der Fokussierpunkt der Ausgangsstrahlung exakt auf die Stirnseite der in der Steckverbindung 3 fixierten Lichtleiterfaser richten. Dadurch läßt sich die fokussierte Strahlung optimal an den Applikationspunkt über die Lichtleiterfaser übertragen.
• Die plankonvexen Linsenteile des Linsenpaars 10 sind mit ihren flachen Seiten zueinander über einen Zwischenring verbunden. Um zu vermeiden, dass die Laserstrahlen aus der offenen Steckbuchse 3 ins Freie treten, ist ein Verriegelungskontakt 11 vorgesehen. Die Sensoren 12 und 13 erfassen über die restlichen Streustrahlen den Strahlendurchgang in der Einrichtung und ermitteln durch Differenzbildung der Meßwerte eventuelle Unregelmäßigkeiten und veranlassen die Abschaltung der Laserquelle (nicht eingezeichnet) und die Schließung der Öffnung an der Steckbuchse 2, die durch die Drehankerblende 14 eines Elektromagneten 15 erfolgt. Die Öffnung der Steckbuchse 2 durch die Drehankerblende 14 erfolgt gegen die Spannkraft einer Schraubenfeder 16. Die Schaltung des Differenzverstärkers für die Signale der Sensoren 12 und 13 und für den Verriegelungskontakt 11 befindet sich auf einer Schaltungsplatte 17 unter dem Gehäuse 1, deren Verbindungsstifte 18 in das Innere des Gehäuses 1 hineinragen.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Einkopplung von Laserstrahlung, die über ein Lichtleiterbündel mittels einer Steckverbindung (2) in ein Einkoppel-Gehäuse (1) geführt und dort von einem kegelstumpfförmigen, sich erweiternden ersten Optikkonus (8) eingefangen ist, dessen sich erweiternder Neigungswinkel dem Öffnungswinkel der Laserstrahlung am Lichtleiterbündelende entspricht, wobei der erste Optikkonus (8) durch ein plankonvexes Linsenpaar (10) abgeschlossen ist, an das sich ein zweiter Optikkonus (9) mit seinem größeren Querschnitt anschließt, und der Neigungswinkel des zweiten Optikkonus (9) dem durch das Linsenpaar (10) hervorgerufenen Konvergenzstrahl entspricht, der seinem Brennpunkt an der Stirnfläche einer ausgangsseitig vorgesehenen Lichtleitfaser bildet, wobei die aus den Elementen (8, 9, 10) bestehende optische Koppeleinheit in dem Einkoppel-Gehäuse (1) in Bezug auf die von der Steckverbindung (2) in das Einkoppel-Gehäuse (1) geführte Laserstrahlung horizontal, vertikal und axial justierbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die ausgangsseitige Lichtleitfaser durch eine weitere Steckverbindung (3) an die Einrichtung angeschlossen und die weitere Steckverbindung (3) mit einem Anschluß-Verriegelungskontakt (11) versehen ist
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, bei der das Linsenpaar (10) zur Entspiegelung beschichtet und die zugehörigen Linsen mit ihren ebenen Flächen zueinander und durch einen Zwischenring beabstandet angeordnet sind.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei der die Optikkonusse (8 und 9) mit polierten Innenflächen versehen und aus Aluminium hergestellt sind.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, bei der zur Erfassung der Eingangsstrahlung ein erster Sensor (12) in der Nähe der Steckverbindung (2) und zur Erfassung der Ausgangsstrahlung ein zweiter Sensor (13) in der Nähe der weiteren Steckverbindung (3) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei der im Einkoppel-Gehäuse (1) die Öffnung der Steckverbindung (2) durch einen Shutter mit einer durch eine Schraubenfeder (16) vorgespannten, magnetischen Drehankerblende (14) verschiebbar ist, wobei in der Schließstel lung die Drehankerblende (14) mit ihrer Ankerachse zwischen den Polen eines Elektromagneten schräg zu den Magnetfeldlinien steht.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei der zur Halterung und Justierung der Einrichtung die Optikkonusse (8 und 9) und das Linsenpaar (10) in einem zylindrischen Körper (7) mit Innengewinde verschraubt sind, der in die Bohrung eines Vierkants (6) axial verschieblich und durch eine Madenschraube fixierbar eingesetzt ist, wobei der Vierkant (6) zwischen den von einer Grundplatte (4) seitlich aufragenden Backen mit Spiel in der horizontalen Ebene justierbar und fixierbar ist und bei der die Grundplatte (4) auf der Gehäusegrundpaltte durch Schraubverbindungen in der vertikalen Ebene justier- und fixierbar ist.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei der das Einkoppel-Gehäuse (1) aus einem Rechteckprofil mit seitlichen Abdeckwänden gebildet ist, die mit dem Rechteckprofil abgedichtet verschraubt sind und bei der sämtliche Gehäuse- und Halterungsteile aus Aluminium bestehen.
9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei der unter der Gehäusegrundplatte eine Leiterplatte (17) zur Aufnahme einer Schaltungseinheit befestigt ist, die die vom Shutter, vom Anschluß-Verriegelungskontakt (11) und von den Sensoren (12 und 13) kommenden Signale verarbeitet.