DE4200587C1 - Light wave applicator for cutting and coagulating biological tissue - applies laser beam via flexible optical fibre having non-constant refractive index profile along its cross=section - Google Patents
Light wave applicator for cutting and coagulating biological tissue - applies laser beam via flexible optical fibre having non-constant refractive index profile along its cross=sectionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtwellenapplikator, der ohne schwere operative Eingriffe eine Laserbehandlung im menschlichen Körper ermöglicht. Dabei wird zum Schneiden von Gewebe eine möglichst hohe Lichtintensität am Zielort gefordert, um einen hohen Schneideffekt zu erreichen. Zu diesem Zweck sind Lichtleitfasern mit kleinen Numerischen Aperturen vorteilhaft, da der Lichtstrahl dann mit kleinem Öffnungswinkel austritt und bei einer vorgewählten Entfernung von der zu behandelnden Stelle einen kleinen Laserfleck mit einer hohen Lichtleistungsdichte erzeugt. Dagegen ist eine Lichtleitfaser mit höherer Numerischer Apertur zum Koagulieren des Gewebes vorteilhafter. Der Lichtstrahl tritt dabei mit großem Öffnungswinkel aus und erzeugt in der vorgewählten Entfernung an der zu behandelnden Stelle eine großen Lichtfleck mit einer dementsprechend niedrigen Lichtleistungsdichte.The invention relates to a light wave applicator, the one without serious surgical intervention Laser treatment in the human body enables. This is one of the best ways to cut tissue high light intensity at the destination required to achieve a high cutting effect. To this end are optical fibers with small numerical values Apertures are advantageous because the light beam is then with small opening angle emerges and at a preselected distance from the to be treated Make a small laser spot with a high one Luminous power density generated. Against is one Optical fiber with higher numerical aperture for Coagulate the tissue more advantageously. The Light beam occurs with a large opening angle off and generated at the selected distance a large spot of light on the area to be treated with a correspondingly low one Light power density.
Zur Durchführung einer derartigen Laserbehandlung wird in der DE 38 33 992 A1 eine Lichtleiter-Bestrahlungseinrichtung für Laserschneiden und Koagulieren gezeigt, bei der in einer einzigen Faser zwei Laserlichtbündel schräg eingekoppelt werden, wobei das erste Lichtbündel am distalen Faserende axial und das zweite Lichtbündel zirkumferenziell abgestrahlt wird. Nachteilig bei der Einrichtung nach dem Stand der Technik ist es, daß eine aufwendig geteilte Fokussieroptik verwendet wird und zur Durchführung der einzelnen operativen Verfahren eine aufwendige Umschalttechnik erforderlich ist.To carry out such a laser treatment is in DE 38 33 992 A1 Optical fiber irradiation device for Laser cutting and coagulation are shown at the in a single fiber two laser light beams at an angle be coupled in, the first light beam on distal fiber end axially and the second light beam is broadcast circumferentially. A disadvantage of the device according to the prior art is that uses an elaborately divided focusing optics will and to carry out the individual operational Process a complex switching technology is required.
Weiterhin sind im Stand der Technik, so zum Beispiel in der DE 39 12 400 C1, eine optische Stufenindexfaser zur Übertragung von Laserlichtstrahlung mit hoher Leistung beschrieben, welche ein im Kern treppenförmig abgestuftes Profil besitzt, wobei die Strahlung im Kernbereich eingekoppelt wird. Die Faser ist geeignet, bei kleinen Biegeradien die Strahlung vollständig, d. h. ohne Abstrahlungsverluste, nach außen zu übertragen in der Art, daß bei Überschreiten eines bestimmten Biegeradius die Strahlung vom inneren Kernbereich in einen äußeren Kernbereich überkoppelt und dann sowohl im Kernbereich als auch im Außenbereich weitergeleitet wird. Derartige Überkopplungseffekte sind in der Nachrichtentechnik unerwünscht, da sie zu fehlerhaften Informationsübertragungen führen.Furthermore, the prior art, for example in DE 39 12 400 C1, an optical Step index fiber for the transmission of Laser light radiation with high power described which is a stepped profile in the core owns, the radiation in the core area is coupled. The fiber is suitable for small radii of radiation completely, d. H. without radiation losses, to the outside transferred in such a way that when a the bending radius determined the radiation from the inside Core area into an outer core area coupled over and then both in the core area as well is forwarded outside. Such Coupling effects are in telecommunications undesirable as they are too faulty Carry information transfers.
Es ist vor dem aufgezeigten Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, einen Lichtwellenapplikator für medizinische Zwecke so weiterzuentwickeln, daß sein Einsatz und seine Handhabung zum Schneiden und Koagulieren von biologischem Gewebe schnell und einfach erfolgen kann.Against the background shown, it is the task of the invention, a light wave applicator for to further develop medical purposes so that its Use and its handling for cutting and Coagulate biological tissue quickly and can be done easily.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. This object is achieved according to the invention with those specified in claim 1 Features resolved.
In der Praxis besteht bei der Laserbehandlung der Bedarf, während des Eingriffes bestehende Blutungen durch Koagulieren des Gewebes und der Gefäße zum Stillstand zu bringen. Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch die Verwendung einer Lichtleitfaser mit speziellem Profil, bei der mit einem manipulierenden Teil des Applikators definiert Änderungen derart hervorgerufen werden, daß der Abstrahlwinkel der Laserstrahlung geändert werden kann. Dazu werden Lichtleitfasern mit Profilen verwendet, welche Licht mit unterschiedlichen Aperturen führen können. Insbesondere werden dabei Gradientenindexprofile oder treppenförmige Stufenprofile bevorzugt.In practice, laser treatment consists of Needs bleeding during the procedure by coagulating the tissue and the vessels to Bring to a standstill. This is according to the invention achieved by using an optical fiber with a special profile, with a manipulating part of the applicator defined Changes are caused such that the Beam angle of the laser radiation can be changed can. For this purpose, optical fibers with profiles used which light with different Apertures can lead. In particular, be there Gradient index profiles or stepped Step profiles preferred.
Der Manipulator des faseroptischen Applikators besteht aus einem mechanischen Teil, der eine definierte S-förmige Krümmung in einem Teilberich der Lichtleitfaser hervorruft. Die Krümmungsradien sind hierbei so klein, daß Strahlungsüberkopplungen von einem inneren Kernbereich der Faser in einen äußeren Kernbereich der Faser erfolgen. Ohne besondere Manipulation der Faser wird die Strahlung durch Totalreflexion innerhalb des Kerns weitergeleitet und tritt am distalen Ende der Faser mit der minimalen Numerischen Apertur aus. Wird statt dessen die Faser mittels des Manipulators einer S-förmigen Krümmung unterworfen, so koppelt an der Krümmungsstelle Strahlung vom Kernbereich in den äußeren Kernbereich über, und die Strahlung wird im weiteren Verlauf sowohl im Kernbereich als auch im umgebenden äußeren Bereich geführt. Am distalen Ende tritt dann die Strahlung mit einer maximalen Numerischen Apertur aus. Im ersten Fall wird die Laserstrahlung zum Schneiden, im zweiten Fall zum Koagulieren verwendet. Durch den Einsatz eines Manipulators zur Einleitung des Überkopplungseffektes in einer Lichtleitfaser wurde in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Laserbehandlung im menschlichen Körper vereinfacht wurde, wobei die Bestrahlungseinrichtung selbst wesentlich kostengünstiger herzustellen ist.The manipulator of the fiber optic applicator consists of a mechanical part, the one defined S-shaped curvature in a partial area the optical fiber causes. The radii of curvature are so small that radiation overcoupling from an inner core of the fiber into one outer core area of the fiber. Without The radiation is particularly manipulated by the fiber through total reflection within the core forwarded and occurs at the distal end of the fiber with the minimum numerical aperture. Becomes instead the fiber is manipulated by means of a Subject to S-shaped curvature, so couples to the Radiation point radiation from the core area into the outer core area, and the radiation is in the further course both in the core area and in surrounding outer area. At the distal end then the radiation occurs at a maximum Numerical aperture. In the first case, the Laser radiation for cutting, in the second case for Coagulation used. By using a Manipulator to initiate the Coupling effect was in an optical fiber advantageously achieved that the Laser treatment in the human body simplified was, the radiation device itself is much cheaper to manufacture.
Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist mittels des Manipulators eine Druckkraft zur Krümmung der Faser aufbringbar. Eine be- oder entlastende Druckkraft mittels des Manipulators einzuleiten, bedeutet für den behandelnden Arzt eine leichte Handhabung des Applikators, um im menschlichen Körper an der zu behandelnden Stelle schnell und einfach nach dem Schneidvorgang die sofortige Blutstillungsbehandlung einzuleiten.According to an expedient embodiment of the invention is a compressive force by means of the manipulator Curvature of the fiber can be applied. A loading or relieving pressure force by means of the manipulator To initiate means for the attending doctor easy handling of the applicator in order to human body in the area to be treated quickly and easily after the cutting process initiate immediate hemostasis treatment.
Zweckmäßigerweise ist der Manipulator als federnde Bügelklemme ausgebildet, die die Lichtleitfaser mittels endseitig versetzt angeordneter Klemmstifte einklemmt, wobei ein Klemmstift die Faser über- und der entgegengerichtete Klemmstift die Faser untergreift.The manipulator is expediently a resilient Strap clamp designed the optical fiber by means of clamping pins arranged offset at the ends pinched, with a clamping pin over the fiber and the opposite clamping pin the fiber reaches under.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Bügelklemme am übergreifenden Bereich einen Druckknopf mit einem Stempel auf, der beim Klemmvorgang gegen die Lichtleitfaser preßbar ist, wobei der untergreifende Klemmstift die Lichtleitfaser zwischen dem übergreifenden Klemmstift und dem Stempel einklemmt. Durch diese Klemmanordnung wird die Lichtleitfaser in eine S-förmige Krümmung gedrückt, die zu dem beschriebenen Überkopplungseffekt führt.According to an advantageous embodiment of the Invention has the strap clamp on the overlapping Area a push button with a stamp on it can be pressed against the optical fiber during the clamping process is, the gripping pin below Optical fiber between the overarching Clamp pin and the stamp jammed. Through this The optical fiber is clamped into one S-shaped curvature pressed to that described coupling effect leads.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtleitfaser eine Stufenindexfaser mit einem Kernbereich und einem Mantel, wobei der Glaskern doppelstufige Brechungsindizes aufweist in der Art, daß der Brechungsindex des inneren Kernbereiches größer ist als der Brechungsindex des äußeren Kernbereiches und der Glasmantel einen kleineren Brechungsindex besitzt als der äußere Kernbereich.According to one embodiment of the invention Optical fiber is a step index fiber with a Core area and a cladding, with the glass core has two-stage refractive indices in the way that the refractive index of the inner core area is larger than the refractive index of the outer Core area and the glass jacket a smaller one Refractive index has as the outer core area.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Lichtleitfaser eine Stufenindexfaser mit einem Glaskern und einem Mantel aus einem Kunststoffcoating, wobei der Glaskern einen höheren Brechungsindex besitzt als der Kunststoffmantel und das Coating aus zwei Coatinglagen besteht, von denen die innere Lage einen Brechungsindex besitzt, welcher niedriger ist als der Brechungsindex der äußeren Lage.According to a development of the invention Optical fiber is a step index fiber with a Glass core and a coat from one Plastic coating, whereby the glass core has a higher Refractive index has as the plastic sheath and the coating consists of two coating layers, one of which the inner layer has a refractive index, which is lower than the refractive index of the outer layer.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtleitfaser eine Stufenindexfaser mit einem Kernbereich, einem Zwischenmantel, einem weiteren Kernbereich und einem Fasermantel, wobei der innere Kernbereich einen kleineren Brechungsindex hat als der äußere Kernbereich und der Zwischenmantel einen kleineren Brechungsindex hat als der innere Kernbereich und der Fasermantel einen Brechungsindex hat, der kleiner ist oder gleich dem Brechungsindex des Zwischenmantels.According to a further embodiment, the Optical fiber is a step index fiber with a Core area, an intermediate jacket, another Core area and a fiber cladding, the inner Core area has a smaller refractive index than the outer core area and the intermediate jacket one has a smaller refractive index than the inner one Core area and the fiber cladding a refractive index that is less than or equal to the refractive index of the intermediate coat.
Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung weist die optische Faser einen Kern und einen Mantel auf, wobei der Kern einen gradientenförmigen Brechzahlverlauf aufweist, der im wesentlichen nach einem r²-Gesetz verläuft, wobei der Kern an der Grenzfläche zum Mantel einen kleineren Brechungsindex besitzt als die Kernmitte.After further appropriate training of Invention has a core and the optical fiber a coat, the core one has gradient-shaped refractive index curve, which in essentially follows an r² law, whereby the core at the interface to the cladding one has a smaller refractive index than the core center.
In Weiterbildung weist die Stufenindexfaser einen Kern und einen Mantel auf, wobei der Kern einen gradientenförmigen Brechzahlverlauf besitzt, der im wesentlichen nach einem r²-Gesetz verläuft, der Kernbereich vom Mantel durch einen Zwischenmantel getrennt ist und der Zwischenmantel einen kleineren Brechungsindex aufweist als der Kernbereich.In further training, the level index fiber has one Core and a coat on, the core one has gradient-shaped refractive index curve, which in essentially runs according to an r² law that Core area from the jacket through an intermediate jacket is separated and the intermediate sheath a smaller one Refractive index has as the core area.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be described with reference to the figures schematically illustrated embodiments explained. It shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Applikators gemäß der Erfindung, Fig. 1 is a schematic view of an applicator according to the invention,
Fig. 2 eine geschnittene Teilansicht eines Manipulators in der entspannten Stellung, Fig. 2 is a partial sectional view of a manipulator in the relaxed position,
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Stufenindexfaser in der entspannten Stellung nach Fig. 2, Fig. 3 is a partially sectioned step index fiber in the relaxed position of FIG. 2,
Fig. 4 eine weitere geschnittene Teilansicht eines Manipulators in der gespannten Stellung, Fig. 4 shows a further partial sectional view of a manipulator in the cocked position,
Fig. 5 eine teilweise geschnittene, S-förmig gekrümmte Stufenindexfaser gemäß Fig. 4, Fig. 5 is a partially sectioned, S-shaped curved step-index fiber according to Fig. 4,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Brechzahlverlaufes entlang des Querschnittes einer Ausführungsform einer Stufenindexfaser, Fig. 6 is a schematic representation of the refractive index curve along the cross-section of an embodiment of a step index fiber,
Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung des Brechzahlverlaufes entlang des Querschnittes einer Stufenindexfaser in einer anderen Ausführungsform. Fig. 7 is a further schematic representation of the refractive index curve along the cross-section of a step index fiber in another embodiment.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtwellenapplikators zum Schneiden und Koagulieren von biologischem Gewebe. Dabei weist der Applikator einen armierten Lichtwellenleiter 1 mit einer flexiblen optischen Stufenindexfaser 2 auf, in die das Licht eines Lasers 3 über eine Fokussiereinrichtung 4 endeitig eingekoppelt wird. Zur Trennung oder zum Wechseln des Lichtwellenleiters 1 ist an dessen Einkopplungsende ein optischer Stecker 5 vorgesehen, der mit der Fokussiereinrichtung 4 verbindbar ist. Fig. 1 shows a schematic representation of a Lichtwellenapplikators for cutting and coagulation of biological tissue. The applicator has an armored optical waveguide 1 with a flexible optical step index fiber 2 , into which the light of a laser 3 is coupled at the end via a focusing device 4 . To disconnect or replace the optical waveguide 1 , an optical plug 5 is provided at its coupling end, which can be connected to the focusing device 4 .
Behandlungsseitig (distal) kann die Stufenindexfaser 2 gezielt an die zu behandelnde Stelle geführt werden, um entsprechend dem Abstrahlwinkel 13 die gewünschte Behandlung im menschlichen Körper vorzunehmen. Zwischen dem Einkopplungsende und dem freien behandlungsseitigen Ende des Lichtwellenleiters 1 ist ein Manipulator 6 angeordnet, der gezielt in einem Teilbereich des Lichtwellenleiters 1 der Stufenindexfaser 2 eine Krümmung 8 verleihen kann, so daß am freien behandlungsseitigen Ende das Laserlicht in einem großen Abstrahlwinkel 13 zur Koagulation von Gewebe oder bei Entkrümmung des Lichtwellenleiters 1 ein kleiner Abstrahlwinkel 13 zur schneidenden Behandlung austritt.On the treatment side (distal), the step index fiber 2 can be guided specifically to the site to be treated in order to carry out the desired treatment in the human body in accordance with the radiation angle 13 . Between the coupling end and the free treatment-side end of the optical waveguide 1 , a manipulator 6 is arranged, which can give a curvature 8 in a partial area of the optical waveguide 1 to the step index fiber 2 , so that at the free treatment-side end the laser light at a large radiation angle 13 for coagulating Tissue or when the optical waveguide 1 is bent, a small radiation angle 13 emerges for the cutting treatment.
Zur Krümmung 8 der Stufenindexfaser 2 (Fig. 4) wird eine Druckkraft über einen Druckknopf 7 am Manipulator 6 auf die Stufenindexfaser 2 ausgeübt, so daß der Überkopplungseffekt in der Stufenindexfaser 2 zur Koagulationsbehandlung entsteht. Bei Entlastung des Druckknopfes 7 (Fig. 2) bildet sich die Krümmung 8 zurück, so daß der Überkopplungseffekt aufgehoben wird und die Bestrahlungseinrichtung zum Schneiden benutzt werden kann. Dies erfolgt durch eine einfache entlastende Handbewegung des behandelnden Arztes am Manipulator 6.For the curvature 8 of the step index fiber 2 ( FIG. 4), a pressure force is exerted on the step index fiber 2 via a push button 7 on the manipulator 6 , so that the overcoupling effect arises in the step index fiber 2 for the coagulation treatment. When the pushbutton 7 ( FIG. 2) is relieved, the curvature 8 recedes, so that the overcoupling effect is eliminated and the irradiation device can be used for cutting. This is done by a simple, relieving hand movement of the treating doctor on manipulator 6 .
Der Manipulator 6 selbst ist als eine federnde Bügelklemme 9 ausgebildet. Die Bügelklemme 9 weist dabei endseitig versetzt angeordnete Klemmstifte 10, 11 auf, die die Stufenindexfaser 2 zangenartig einklemmen. Der Klemmstift 10 übergreift die Stufenindexfaser 2 von oben her, wobei der Klemmstift 11 die Stufenindexfaser von unten her untergreift. Mit dem übergreifenden Bereich der Bügelklemme 9 ist der Druckknopf 7 verbunden, der mit einem Stempel 12 zusammenwirkt.The manipulator 6 itself is designed as a spring clip 9 . The yoke clamp 9 has clamping pins 10, 11 which are offset at the end and which clamp the step index fiber 2 in the manner of pliers. The clamping pin 10 engages over the step index fiber 2 from above, the clamping pin 11 reaching under the step index fiber from below. The pushbutton 7 , which cooperates with a stamp 12 , is connected to the overlapping area of the strap clamp 9 .
Beim Klemmvorgang wird der Stempel 12 von oben her gegen die Stufenindexfaser 2 gepreßt. Die dadurch hervorgerufene S-förmige Krümmung 8 erfolgt dadurch, daß der untergreifende Klemmstift 11 zwischen dem oberhalb angeordneten übergreifenden Klemmstift 10 und dem Stempel 12 eindrückt.During the clamping process, the punch 12 is pressed against the step index fiber 2 from above. The resulting S-shaped curvature 8 takes place in that the lower clamping pin 11 presses in between the upper clamping pin 10 arranged above and the punch 12 .
Fig. 3 zeigt die Stufenindexfaser 2 mit den Brechungsprofilen n₁, n₂ und n₃ ohne den Manipulator 6 in nicht gekrümmtem Zustand. Ohne besondere Manipulation der Stufenindexfaser 2 wird die Strahlung durch Totalreflexion innerhalb des Kernes 14 mit der Brechzahl n₁ weitergeleitet, so daß am distalen Ende der Stufenindexfaser 2 die Strahlung mit der minimalen Numerischen Apertur austritt. Wird statt dessen die Stufenindexfaser 2, wie in Fig. 4 dargestellt, einer S-förmigen Krümmung 8 unterworfen, so koppelt an der Krümmungsstelle 8 die Strahlung vom Kernbereich 14 mit der Brechzahl n₁ in den umgebenden Kernbereich 15 mit der Brechzahl n₂ über und tritt dann am distalen Ende mit der maximalen Numerischen Apertur aus. Fig. 3 shows the step index fiber 2 with the refraction profiles n₁, n₂ and n₃ without the manipulator 6 in the non-curved state. Without special manipulation of the step index fiber 2 , the radiation is passed on by total reflection within the core 14 with the refractive index n 1 , so that the radiation with the minimal numerical aperture emerges at the distal end of the step index fiber 2 . If, instead, the step index fiber 2 , as shown in Fig. 4, is subjected to an S-shaped curvature 8 , the radiation couples from the core region 14 with the refractive index n 1 to the surrounding core region 15 with the refractive index n 2 at the point of curvature 8 and then occurs at the distal end with the maximum numerical aperture.
Aufgrund dieser einfachen Betätigungseinrichtung kann die Stufenindexfaser 2 zum Schneiden, dargestellt in den Fig. 2 und 3, und zum Koagulieren, dargestellt in den Fig. 4 und 5, eingesetzt werden.Because of this simple actuating device, the step index fiber 2 can be used for cutting, shown in FIGS. 2 and 3, and for coagulation, shown in FIGS. 4 and 5.
Die Stufenindexfaser 2 kann dabei verschiedene Ausführungsformen aufweisen. In einer Ausführung mit einem treppenförmigen Brechzahlprofil, dargestellt in Fig. 6, wird der Laserstrahl in den inneren Kernbereich mit der Brechzahl n₁ fokussiert. Dabei muß gelten, daß das Strahlungsprodukt (RL×DL) des Laserstrahls kleiner oder gleich der entsprechenden Größe 2×NA₁×D₁ der Faser ist, wobei NA₁ die Numerische Apertur und D₁ der Durchmesser des inneren Kernbereiches der Faser ist. Das Strahlprodukt ist eine wichtige Kenngröße des Strahls. Für einen zur Achse rotationssymmetrischen Strahl ist es das Produkt aus dem Durchmesser D in Metern mit einem vollen Divergenzwinkel R in rad des Strahls an seiner engsten Stelle (Taille). Die entsprechende Größe bei einer Faser ist das Produkt aus dem Akzeptanzvollwinkel des Faserkerns RF mit dem Durchmesser DK des Faserkerns in Metern. Näherungsweise wird im allgemeinen der Akzeptanzvollwinkel RF der Faser ausgedrückt durch den Wert 2NA, wobei NA die Numerische Apertur der Faser ist und die Beziehung gilt: sin (RF/2)=NA. The step index fiber 2 can have different embodiments. In an embodiment with a stepped refractive index profile, shown in Fig. 6, the laser beam is focused into the inner core area with the refractive index n 1. It must apply that the radiation product (R L × D L ) of the laser beam is less than or equal to the corresponding size 2 × NA₁ × D₁ of the fiber, where NA₁ is the numerical aperture and D₁ is the diameter of the inner core region of the fiber. The beam product is an important parameter of the beam. For a beam that is rotationally symmetrical to the axis, it is the product of the diameter D in meters with a full divergence angle R in rad of the beam at its narrowest point (waist). The corresponding size for a fiber is the product of the full acceptance angle of the fiber core R F with the diameter D K of the fiber core in meters. Approximately, the full acceptance angle R F of the fiber is generally expressed by the value 2NA, where NA is the numerical aperture of the fiber and the relationship applies: sin (R F / 2) = NA.
Die Numerische Apertur wird bestimmt durch die Brechzahldifferenz zwischen der strahlungsleitenden Schicht mit der Brechzahl n₁ und der Nachbarschicht mit der Brechzahl n₂:The numerical aperture is determined by the Refractive index difference between the radiation-guiding Layer with the refractive index n 1 and Neighboring layer with the refractive index n₂:
zu NA₁ = (n₁²-n₂²)1/2.to NA₁ = (n₁²-n₂²) 1/2 .
Hierbei ist vorausgesetzt, daß n₁<n₂ gilt. Aus der Angabe der Numerischen Apertur kann der Fachmann mit der Kenntnis der Faserbestandteile die richtigen Brechzahlen bzw. Brechzahlverhältnisse angeben.It is assumed that n₁ <n₂ applies. From the specification of the numerical aperture, the Specialist with knowledge of the fiber components correct refractive indices or refractive index ratios specify.
Als Beispiel ist in Fig. 6 das Brechzahlprofil einer Faser dargestellt, die einen Kern mit den Brechzahlen n₁ und n₂, mit n₁<n₂ und einen Mantel mit der Brechzahl n₃ besitzt, wobei n₂<n₃ ist. Ein LaserstrahlAs an example, the refractive index profile of a fiber is shown in Fig. 6, which has a core with the refractive indices n₁ and n₂, with n₁ <n₂ and a jacket with the refractive index n₃, where n₂ <n₃. A laser beam
mit (RL×DL) 2NA₁×D₁, wobeiwith (R L × D L ) 2NA₁ × D₁, wherein
NA₁ = (n₁²-n₂²)1/2 NA₁ = (n₁²-n₂²) 1/2
und D₁ der Durchmesser des Kernes A ist, wird in den Kernbereich fokussiert.and D₁ is the diameter of the core A, is in the Core area focused.
Ohne eine Manipulation (Fig. 3) der Faser wird die Strahlung durch Totalreflexion innerhalb des Kernes 14 weitergeleitet und tritt am distalen Ende der Faser mit der minimalen Numerischen Apertur NA₁ aus. Wird statt dessen die Faser z. B. mittels des Manipulators 6 (Fig. 5) einer S-förmigen Krümmung 8 unterworfen, so koppelt an der Krümmungsstelle Strahlung vom Kernbereich 14 in den Kernbereich 15 über, und die Strahlung wird im weiteren Verlauf sowohl im Kernbereich 14 als auch im Kernbereich 15 geführt. Am distalen Ende tritt dann die Strahlung aus mit einer Numerischen AperturWithout manipulation ( Fig. 3) of the fiber, the radiation is transmitted through total reflection within the core 14 and emerges at the distal end of the fiber with the minimum numerical aperture NA 1. Instead, the fiber z. B. by means of the manipulator 6 ( FIG. 5) subjected to an S-shaped curvature 8 , radiation couples from the core area 14 into the core area 15 at the point of curvature, and the radiation is subsequently developed both in the core area 14 and in the core area 15 guided. The radiation then emerges at the distal end with a numerical aperture
NA₃ = (NA₁²+NA₂²)1/2,NA₃ = (NA₁² + NA₂²) 1/2 ,
wobeiin which
NA₂ = (n₂²-n₃²)1/2 NA₂ = (n₂²-n₃²) 1/2
ist. Im ersten Fall (Fig. 3) wird die Laserstrahlung zum Schneiden, im zweiten Fall (Fig. 5) zum Koagulieren verwendet.is. In the first case ( Fig. 3) the laser radiation is used for cutting, in the second case ( Fig. 5) for coagulation.
Nach einer weiteren Ausführungsform kann die gleiche Wirkung erzielt werden, wenn statt eines Doppelkerns 14, 15 ein einfacher Kern mit der Brechzahl n₁ verwendet wird, dafür aber der Faser-Überzug in einer Doppelschicht derart ausgebildet ist, daß die erste Überzugsschicht einen Brechungsindex n₂ besitzt, der kleiner ist als der Brechungsindex n₃ des Fasermantels. Hierbei gilt wieder n₁<n₂<n₃. Die Strahlung wird nach Betätigen des Manipulators 6 sowohl im Faserkern als auch im Fasermantel geführt.According to a further embodiment, the same effect can be achieved if, instead of a double core 14, 15, a simple core with the refractive index n 1 is used, but the fiber covering is designed in a double layer such that the first covering layer has a refractive index n 2, which is smaller than the refractive index n₃ of the fiber cladding. Here again applies n₁ <n₂ <n₃. After actuation of the manipulator 6, the radiation is guided both in the fiber core and in the fiber jacket.
In einer dritten Ausführungsform besteht die Faser, deren Brechzahlprofil in Fig. 7 dargestellt ist, aus einem Kernbereich D mit der Brechzahl n₁, der durch eine Zwischenmantelschicht Z mit der Brechzahl n₂ von einem weiteren Kernbereich E mit der Brechzahl n₃ getrennt ist. An den Kernbereich E schließt sich der Fasermantel G mit der Brechzahl n₄ an. Es gilt die Bedingung n₃<n₁<n₂n₄.In a third embodiment, the fiber, whose refractive index profile is shown in Fig. 7, consists of a core region D with the refractive index n 1, which is separated by an intermediate cladding layer Z with the refractive index n 2 from a further core region E with the refractive index n 3. The fiber cladding G with the refractive index n₄ adjoins the core region E. The condition n₃ <n₁ <n₂n₄ applies.
Die Laserstrahlung wird wiederum in den Kern D mit dem Brechungsindex n₁ eingekoppelt und tritt am distalen Faserende mit der Numerischen AperturThe laser radiation is in turn in the core D. the refractive index coupled n₁ and occurs on distal fiber end with the numerical aperture
NA₁ = (n₁²-n₂²)1/2 NA₁ = (n₁²-n₂²) 1/2
aus. Wird der Manipulator 6 betätigt, so koppelt Laserstrahlung an der Krümmungsstelle 8 über den Zwischenmantel Z in den Kernbereich E mit dem Brechungsindex n₃ über und wird dann sowohl vom Kern D als auch bevorzugt vom Kern E geführt und tritt am distalen Faserende mit der Numerischen Aperturout. If the manipulator 6 is actuated, laser radiation couples at the point of curvature 8 via the intermediate cladding Z into the core region E with the refractive index n 3 and is then guided both by the core D and preferably by the core E and occurs at the distal fiber end with the numerical aperture
NA₃ = (n₃²-n₄²)1/2. NA₃ = (n₃²-n₄²) 1/2.
Nach einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform hat der Kernbereich einer Faser mit einem Mantel einen gradientenförmigen Brechzahlverlauf, der im wesentlichen nach einem r²-Gesetz verläuft, und eine Brechzahl n₁ in der Fasermitte und eine Brechzahl n₂ an der Grenzfläche zum Fasermantel mit n₁<n₂ aufweist. Der Kernbereich der Faser ist so überdimensioniert, daß das Strahlprodukt (RL×D₁) des Lasers relativ klein ist und bei einer r²-Faser gegeben ist durch (NA×DK), wobeiAccording to a further embodiment, not shown, the core region of a fiber with a cladding has a gradient-shaped refractive index profile, which essentially runs according to an r² law, and has a refractive index n 1 in the middle of the fiber and a refractive index n 2 at the interface with the fiber cladding with n 1 <n 2 . The core area of the fiber is oversized so that the beam product (R L × D₁) of the laser is relatively small and for an r² fiber is given by (NA × D K ), whereby
NA = (n₁²-n₂²)1/2 NA = (n₁²-n₂²) 1/2
ist. Die Laserstrahlung wird derartig in die Faser eingekoppelt, daß sich in der Faser die Lasermoden mit ebener Wellenfront ausbreiten, wie dies z. B. bei A.Gerrard, H. M. Burch, Introduction to Matrix Methods in Optics, Kapitel III, 9, beschrieben ist. Die Laserstrahlung breitet sich bei unbetätigtem Manipulator 6 somit nur in einem kleinen Bereich in der Kernmitte aus und tritt am distalen Ende mit kleinerer Numerischer Apertur aus, als es der Beziehungis. The laser radiation is coupled into the fiber in such a way that the laser modes with a flat wavefront spread in the fiber, as is the case, for. B. at A.Gerrard, HM Burch, Introduction to Matrix Methods in Optics, Chapter III, 9. When the manipulator 6 is not actuated, the laser radiation thus only propagates in a small area in the center of the core and emerges at the distal end with a smaller numerical aperture than the relationship
NA = (n₁²-n₂²)1/2 NA = (n₁²-n₂²) 1/2
entspricht.corresponds.
Nach dem Betätigen des Manipulators 6 werden durch die induzierte Faserkrümmung 8 Modenkopplungseffekte derart ausgelöst, daß sich nun die Laserstrahlung längs des gesamten Faserkerns ausbreitet und am distalen Faserende mit der Numerischen AperturAfter the manipulator 6 has been actuated, mode-coupling effects are triggered by the induced fiber curvature 8 in such a way that the laser radiation now propagates along the entire fiber core and at the distal end of the fiber with the numerical aperture
NA = (n₁²-n₂²)1/2 NA = (n₁²-n₂²) 1/2
austritt.exit.
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