DE10115426C2 - Vorrichtung und Verfahrens zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material - Google Patents
Vorrichtung und Verfahrens zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem MaterialInfo
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- DE10115426C2 DE10115426C2 DE2001115426 DE10115426A DE10115426C2 DE 10115426 C2 DE10115426 C2 DE 10115426C2 DE 2001115426 DE2001115426 DE 2001115426 DE 10115426 A DE10115426 A DE 10115426A DE 10115426 C2 DE10115426 C2 DE 10115426C2
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Laser-Ablation von organischem und
anorganischem Material mit einer Laserlichtquelle, einer Erfassungsvorrichtung zum Erfassen
zumindest eines Teils einer Strahlung, die von dem durch die Laser-Ablation hervorgerufenen
Plasma erzeugt wird, und einem bearbeitungsseitigen Endelement mit einem lichtleitenden
Endbereich. Eine solche Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung im medizini
schen, insbesondere zahnmedizinischen Bereich, ist aber auch in vielen anderen Bereichen
einsetzbar.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10 zur Laser-Ablation von organischem und anorga
nischem Material im nicht-medizinischen Bereich.
Ein Abtragen bzw. eine Ablation von organischem und anorganischem Material wird übli
cherweise durch Einwirkung mechanischer Mittel auf das Material erreicht. Insbesondere
werden mechanische Bohrer oder ähnliche Werkzeuge eingesetzt.
Es ist im Stand der Technik jedoch auch bekannt, anstelle der mechanischen Bohrer Laservor
richtungen einzusetzen. Auch im medizinischen Bereich, insbesondere im zahnmedizinischen
Bereich, werden verstärkt Laserbehandlungsgeräte eingesetzt.
Eine Vorrichtung zur Laser-Ablation ist beispielsweise aus der WO 96/34566 A1 bekannt, die ein
System mit einem CO2 Laser umfaßt. Ein weiteres Laserbehandlungsgerät für den Einsatz im
medizinischen oder zahnmedizinischen Bereich ist beispielsweise aus der
DE 100 42 220 A1 bekannt.
Ferner ist es vorteilhaft, den Zustand des zu bearbeitenden Materials vor und/oder während
des Behandelns bzw. Abtragens zu überprüfen. Insbesondere im zahnmedizinischen Bereich
ist es sinnvoll festzustellen, ob der Bereich des zu behandelnden Zahnes kariös ist und insbe
sondere, wann das kariöses Zahnmaterial vollständig abgetragen worden ist, um zu verhin
dern, daß unnötig gesundes Zahnmaterial abgetragen wird.
Eine Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque oder bakteriellen Befall von Zähnen ist bei
spielsweise aus der DE 195 41 686 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird eine Anregungs
strahlung erzeugt und auf den zu untersuchenden Zahn gerichtet, wodurch eine Fluoreszens
strahlung hervorgerufen wird, die von einer Erfassungseinrichtung aufgenommen wird. Eine
Analyse des Fluoreszensspektrums kann über den Zustand des bestrahlten Bereiches Auskunft
geben und die Unterscheidung von gesunden und von kariösen Zahnbereichen sowie die Er
kennung von Karies erleichtern.
Aus der DE 297 05 934 U1 ist ferner eine ähnliche Vorrichtung bekannt, wobei neben der
reinen Diagnosevorrichtung, die in der DE 195 41 686 A1 geschrieben worden ist, auch eine
Behandlungslaserstrahlung erzeugt wird. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Untersu
chung und Analyse des zu behandelnden Bereiches mittels der an dem Zahngewebebereich
erzeugten Fluoreszensstrahlung durchgeführt.
Ein weiteres Verfahren zur Überprüfung des zu behandelnden Materials insbesondere zur
Überprüfung des Gesundheitszustandes eines Zahnbereichs, ist die Differenzreflektometrie.
Bei diesem Verfahren wird, neben dem Behandlungslaser, eine Xenonlampe zur Verfügung
gestellt, die den zu untersuchenden Bereich des Materials bestrahlt, wobei das von dem be
strahlten Bereich reflektierte Licht erfaßt und ausgewertet wird.
Nachteil sämtlicher vorgenannter Verfahren ist es, daß grundsätzlich neben dem Behand
lungslaser ein zweiter Laser oder zumindest eine zweite Lichtquelle erforderlich ist, die erst
die Analyse des zu behandelnden Materials ermöglicht.
Aus der EP 0 604 931 A2 ist ferner eine medizinische Laservorrichtung bekannt, mittels der
Licht einer Laserlichtquelle über eine Lichtübertragungsleitung auf einen Zielbereich gelenkt
wird, wodurch Fluoreszenslicht erzeugt wird, das über eine Bildübertragungsleitung einer
Bildaufnahmeeinheit zugeführt wird.
Es ist ferner vorgeschlagen worden, daß die Strahlung, die von dem durch die Laser-Ablation
hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, zu einer "Online" Analyse, d. h. zu einer gleichzeitig
stattfindenden Analyse des gerade ablatierten oder abgetragenen Materials genutzt wird. Ein
solches Verfahren ist z. B. in "Investigation and Spectral Analysis of the Plasma-Induced
Ablation Mechanism of Dental Hydroxyapatite", M. H. Niemz, Applied Physics B 58, 273-
281 (1994) beschrieben.
Bei einem solchen Verfahren wird ein Lichtleiter in die Nähe des zu behandelnden Bereiches
gebracht, wobei ein Teil der Plasma-Strahlung von dem Lichtleiter an einer Erfassungsvor
richtung, insbesondere ein Spektrometer, weitergeleitet wird. Nachteilig bei einem solchen
Verfahren ist es, daß sich zum einen die Position des Lichtleiters relativ zu dem Behand
lungsbereich und dem Bearbeitungslaserstrahl und damit zu dem erzeugten Plasma ändert,
was zu Schwankungen der Meßergebnisse führen kann, zum anderen daß das Plasma auch je
nach Formgebung des zu bearbeitenden oder zu behandelnden Bereiches gegenüber dem
Lichtleiter teilweise abgeschirmt wird, was insbesondere im zahnmedizinischen Bereich leicht
auftreten kann. Starke Signalschwankungen durch Abschattung, Flanken und Auswandern
sind daher die Folge.
Ein weiteres Problem ist es ferner, gleichzeitig die Behandlungsvorrichtung und den Licht
leiter der Überwachungsvorrichtung gleichzeitig an eine gute Position zu bringen, was insbe
sondere im dentalmedizinischen Bereich von Bedeutung ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Laser-Ablation von
organischem und anorganischem Material mit einer Lichtquelle und einer Erfassungsvorrich
tung zum Erfassen zumindest eines Teils einer Strahlung, die von dem durch die Laser-
Ablation hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, zur Verfügung zu stellen, die die oben be
schriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht oder nur in deutlich geringerem Maße
aufweist. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren für
den nicht-medizinischen Bereich zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Laser-Ablation gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 9 und 11 bis 15 betref
fen besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung zur Laser-Ablation ein bearbeitungsseitiges End
element mit einem lichtleitenden Endbereich, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Laser-Ablation so ausgelegt ist, daß der lichtleitende Endbereich sowohl das von der Laser
lichtquelle erzeugte Laserlicht zur Ablation auf ein zu bearbeitendes Material als auch einen
Teil der erzeugten Plasma-Strahlung zur Erfassungsvorrichtung weiterleitet.
Damit wird erreicht, daß in die Nähe des zu behandelnden Materials, häufig eines Zahnes im
dentalmedizinischen Bereich, lediglich ein Element der Vorrichtung mit einem lichtleitenden
Endbereich gebracht werden muß. Dadurch wird
vermieden, daß neben dem das Laserlicht zur Ablation emittierenden Endbereich der Be
handlungsvorrichtung zusätzlich ein weiteres Element zur Aufnahme der Plasma-Strahlung
eingesetzt werden muß. Ablations-Laserlicht und Plasma-Strahlung werden durch ein und
dasselbe Endelement übertragen und weitergeleitet, wodurch die oben geschilderten Probleme
des Standes der Technik vermieden werden.
Durch die Erfindung wird daher zum einen ein sehr kompaktes Gerät zur Verfügung gestellt,
das auch bei engen räumlichen Gegebenheiten eingesetzt werden kann, wobei eine hohe Ge
nauigkeit der Auswertung der Plasma-Strahlung sichergestellt wird, da diese aus der Richtung
vorgenommen wird, aus der auch der Behandlungslaserstrahl auf das zu behandelnde Material
eingestrahlt wird, was eine optimale Position zur Vermeidung von Abschattungen darstellt.
Da ferner nur eine Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Behandlungslaserstrahls erforderlich
ist und keine zusätzlichen Lichtquellen zur Überwachung des zu behandelnden Bereiches
notwendig sind, wird ferner ein sehr kostengünstiges und effektives Gerät bereitgestellt.
Als lichtleitender Endbereich können sämtliche im Stand der Technik bekannten Mittel und
Vorrichtungen eingesetzt werden, insbesondere lichtleitende Fasern, Hohlleiter oder auch
Hohlräume, in denen der Laserstrahl mittels Spiegelelementen gelenkt wird, wie beispielswei
se bei dem in der oben genannten DE 100 42 220 A1 gezeigten Hand
stück.
Bevorzugt ist die Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserbearbeitungsstrahls so ausgelegt,
daß sie in einem Pulsmodus betreibbar ist. Gepulste Laserstrahlung hat den Vorteil, daß sie
eine sehr hohe Intensität aufweist und zu in der Regel geringen Eindringtiefen und hoher Ab
sorbtion führt, was insbesondere zur Ablation bzw. Abtragung von Material im Vergleich zu
anderen Behandlungsverfahren, wie z. B. im medizinischen Bereich die Koagulation, wichtig
ist.
Pulsdauer und Pulsfolgefrequenz können in der Regel je nach Anwendung in weiten Berei
chen gesteuert werden, es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, eine Laserlichtquelle
einzusetzen, die in einem cw (continuous wave)-Betriebsmodus arbeitet.
Bevorzugte Wellenlängen für das von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht liegen je nach
Anwendungsgebiet zwischen λ = 700 nm und λ = 1100 nm, wobei typischerweise Laserlicht
einer Wellenlänge von λ = 780 nm, λ = 1036 nm oder λ = 1060 nm eingesetzt wird. Die Erfin
dung ist aber nicht auf eine bestimmte Wellenlänge oder einer bestimmte Laserlichtquelle
eingeschränkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laser-
Ablation einen Strahlteiler zum Auskoppeln eines Teils des erzeugten Laserlichts zur Be
handlung (Bearbeitungsstrahl) auf, wodurch ein Referenzstrahl erzeugt wird. Bevorzugt findet
eine Auskopplung von etwa 1% bis etwa 40% des erzeugten Laserstrahls statt, bei einer be
sonders bevorzugten Ausführungsform werden etwa 10% der Intensität des erzeugten Laser
strahls für den Referenzlaserstrahl ausgekoppelt. Der Anteil der ausgekoppelten Leistung
hängt sehr von dem Anwendungsgebiet ab, wobei tendenziell bei höherer Leistung ein ledig
lich geringerer relativer Anteil ausgekoppelt wird.
Der ausgekoppelte Referenzlaserstrahl kann insbesondere an die Erfassungsvorrichtung wei
tergeleitet werden, um mögliche Intensitätsschwankungen des Behandlungslaserstrahls, die
sich bei einem konstanten relativen Anteil der Auskopplung auch in dem Referenzlaserstrahl
widerspiegeln, bei der Auswertung zu berücksichtigen. Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung
zur Laser-Ablation ferner ein frequenzkonvertierendes Element, durch das der ausgekoppelte
Referenzstrahl geleitet wird, wobei die Frequenz des ausgekoppelten Referenzstrahls verän
dert wird. Als frequenzkonvertierendes Element eignet sich insbesondere ein Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall
(KDP-Kristall), der zu einer Frequenzverdoppelung des ihn passieren
den Laserlichts führt.
Durch ein solches frequenzkonvertierendes Element wird beispielsweise ermöglicht, daß der
Referenzstrahl nicht nur direkt zur Erfassungsvorrichtung weitergeleitet wird, sondern zuerst
auf das zu bearbeitende Material gelenkt wird, von dort im wesentlichen auf Grund der geän
derten Frequenz und der damit vollständig unterschiedlichen Wechselwirkung mit dem zu
behandelnden Material im wesentlichen vollständig reflektiert wird und dann an die Erfas
sungsvorrichtung weitergeleitet wird. Dies hat den Vorteil, daß zusätzlich auch die durch die
Geometrie und/oder die Positionierung des Endelementes eventuell hervorgerufene Schwan
kungen der Intensität der Plasma-Strahlung berücksichtigt werden. Dadurch wird eine noch
genauere Überwachung der Ablation und eine dadurch deutlich verbesserte Analyse des gera
de abgetragenen Materials ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ferner eine Vorrichtung zum Einkoppeln zumin
dest eines Teils des Referenzstrahles in den Bearbeitungsstrahl vorgesehen, was insbesondere
bei dem oben beschriebenen Vorgang von Bedeutung ist, bei dem der Referenzstrahl ein fre
quenzkonvertierendes Element durchläuft.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ferner eine Vorrichtung zum Auskop
peln des von dem lichtleitenden Endbereich weitergeleiteten Teils der Plasmastrahlung
und/oder des von dem zu behandelnden Materials reflektierten Referenzstrahles zum Weiter
leiten an die Erfassungsvorrichtung vorgesehen.
Bei solchen Vorrichtungen werden bevorzugt besonders auf die Wellenlänge abgestimmte
Spiegelvorrichtungen eingesetzt, die beispielsweise durchlässig für die Wellenlänge des Refe
renzstrahles aber hoch reflektierend für die Wellenlänge des Bearbeitungs- oder Behand
lungslaserstrahles sind, oder aber auch Spiegelelemente, die für Licht einer bestimmten Wel
lenlänge in der einen Richtung transparent sind, während sie für Licht der gleichen Wellenlänge,
das aus der anderen Richtung auf sie eingestrahlt wird, hoch reflektierend ausgebildet
sind.
Für solche Elemente kann auf ein breites Spektrum kommerziell zur Verfügung stehender
Spiegel und Beschichtungen zurückgegriffen werden.
Als Erfassungsvorrichtung wird bevorzugt ein Spektrometer eingesetzt, wobei besondere
Ausführungsformen ferner eine bevorzugt automatisch arbeitende Analyse-Vorrichtung oder
Auswertevorrichtung umfassen. Das Spektrometer bzw. die Auswertevorrichtungen können
an einem Computer zur automatischen Analyse und Auswertung der Meßdaten weitergeleitet
werden, wobei die Meßdaten im wesentlichen ohne Verzögerung direkt ausgegeben werden
können, sei es mittels optischer oder akustischer Anzeigen und Ausgabeelemente.
Es ist ferner möglich, eine automatische Steuerung vorzusehen, die beispielsweise die Ein
strahlung des Bearbeitungslaserlichts auf das zu bearbeitende Material automatisch unter
bricht, wenn das Spektrometer und die angeschlossene Auswertevorrichtung bestimmte vor
gegebene Meßwerte erzeugt, die beispielsweise im zahnmedizinischen Bereich anzeigen, daß
im wesentlichen gesundes Zahnmaterial abgetragen wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, an Stelle der automatischen Steuerung eine manuelle
Steuerung vorzusehen oder auch Mittel vorzusehen, die eine möglicherweise durch die auto
matische Steuerung hervorgerufene Sperre aufheben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laser-Ablation umfaßt bevorzugt eine Scannervor
richtung, mit der die Feinpositionierung des Bearbeitungsstrahls und/oder des Referenzstrahls
gesteuert werden kann. Die Scannervorrichtung kann bestimmte Abtastmuster automatisch
oder manuell gesteuert abtasten und ermöglicht dadurch zum einen eine Feinjustierung und
zum anderen einen gleichmäßigen, gesteuerten Abtrag zu einem zu behandelnden Bereich.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Laser-Ablation von organischen und anorgani
schen Materialien im nicht-medizinischen Bereich gemäß Anspruch 10. Die Vorteile eines
solchen Verfahrens entsprechen im wesentlichen dem bereits oben geschilderten Vorteilen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren in weiten Bereichen der Technik, ins
besondere bei der Oberflächenbehandlung etc. eingesetzt werden kann.
Insbesondere dadurch, daß im wesentlichen nur der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung der
Erfassungsvorrichtung zugeführt wird, der in einem bevorzugt engem Raumwinkel im we
sentlichen in der gleichen Richtung bzw. anti-parallel zu dem einfallenden Bearbeitungslaser
strahl verläuft, werden zuverlässige und schwankungsarme Messungen erzeugt.
Der Raumwinkel ist im wesentlichen kegelförmig ausgebildet, wobei die Kegelspitze im we
sentlichen dort liegt, wo der Bearbeitungslaserstrahl auf das zu bearbeitende Material trifft,
von wo aus sich der Raumwinkel öffnet. Der kegelförmige Raumwinkel, innerhalb dessen die
abgestrahlte Plasma-Strahlung von dem lichtleitenden Endbereich aufgenommen und zur Er
fassungsvorrichtung weitergeleitet wird, ist bevorzugt symmetrisch zu dem einfallenden Be
arbeitungslaserstrahl ausgebildet.
Es soll angemerkt werden, daß es sich bei dem Raumwinkel selbstverständlich nicht um einen
streng mathematisch definierten Raumwinkel handelt, insbesondere die Kegelspitze ist nicht
punktförmig ausgebildet, sondern umfaßt zumindest eine Fläche, die im wesentlichen dem
Durchmesser des einfallenden Bearbeitungslaserstrahls an dieser Stelle entspricht.
Bevorzugt liegen die Raumwinkel in einem Bereich von 1° bis 20°, insbesondere in einem
Bereich von 5° bis 10°, wobei die Raumwinkel nicht allein durch die Vorrichtung an sich auf
einen einzigen festen Wert festgelegt sein müssen, da sich der Raumwinkel insbesondere bei
spielsweise durch den Abstand der Vorrichtung zur Laser-Ablation, d. h. insbesondere des
Endbereiches der Vorrichtung von dem zu bearbeitenden Material, und auch durch die nume
rische Apertur der eingesetzten optischen Elemente, ändert.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden schematischen Zeichnungen, die besonders
vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, weiter erläutert
werden. Es zeigen:
Fig. 1 Hauptelemente einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,tung zur Laser-Ablation;
Fig. 2 die entsprechenden Hauptelemente einer Vorrichtung zur Laser-Ablation gemäß
dem Stand der Technik; und
Fig. 3 detaillierter einige Elemente einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsge
mäßen Vorrichtung zur Laser-Ablation.
Fig. 2 zeigt schematisch einige Hauptelemente einer Vorrichtung zur Laser-Ablation gemäß
dem Stand der Technik. Dabei wird von einer Laserlichtquelle 210 ein Laserlicht 212 einer
bestimmten Wellenlänge als Bearbeitungsstrahl emittiert. Der Bearbeitungsstrahl 212 durch
läuft eines oder mehrere Zwischenelemente 220, die hier lediglich schematisch als "Black
Box" dargestellt sind, wobei diese insbesondere einen Scanner, Spiegelelemente usw. umfas
sen. Eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik umfaßt ferner ein bearbeitungseitiges
Endelement 222, das den Bearbeitungsstrahl 212 auf das zu behandelnde Material emittiert.
Beim Auftreffen des Bearbeitungsstrahls 212 auf das Material 230 entsteht durch die Ablation
ein Plasma, so daß Plasma-Strahlung 240 erzeugt wird.
Ein Teil der erzeugten Plasma-Strahlung 240 wird von einem Lichtleiter 250, der in die Nähe
des Behandlungsbereiches des Materials 230 gebracht wird, zu einem Spektrometer 260 ge
leitet, mittels dem die spektrale Zusammensetzung der Plasma-Strahlung analysiert wird, wo
durch Rückschlüsse auf den Zustand des zu behandelnden Materials gezogen werden können.
Eine solche Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik weist die bereits im allgemeinen Teil
der Beschreibung geschilderten Nachteile auf.
Fig. 1 dagegen zeigt sehr schematisch die Hauptbestandteile einer Vorrichtung zur Laser-
Ablation gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Laserlichtquelle 110 emittiert einen Bear
beitungsstrahl 112, der über Zwischenelemente 120 und ein bearbeitungsseitiges Endelement
122 auf das zu behandelnde Material 130 emittiert wird.
Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik wird
jedoch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kein zusätzlicher Lichtleiter in die Nähe des
zu behandelnden Bereiches zum Weiterleiten eines Teils der Plasma-Strahlung 140 geführt,
sondern es wird der Teil der Plasma-Strahlung 140, der im wesentlichen in anti-paralleler
Richtung zu dem einfallenden Bearbeitungsstrahl 112 verläuft, durch das bearbeitungseitige
Endelement 122 und die Zwischenelemente 120 im wesentlichen auf dem gleichen Weg zu
rückgeführt, den auch der Behandlungstrahl 112 zurückgelegt hat. Je nach Abstand des En
delementes 122 wird Plasma-Strahlung von dem bearbeitungsseitigen Endelement aufge
nommen, die in einem bestimmten Raumwinkel von dem zu bearbeitenden Material abge
strahlt wird.
Die Plasma-Strahlung 140 wird dann von einem optischen Element 152, das an sich an belie
biger Stelle in den Strahlengang eingesetzt ist, ausgekoppelt und über einen Lichtleiter 154
einer Erfassungseinrichtung, hier einem Spektrometer 160, zugeführt. Das optische Element
152 ist für die Wellenlänge des Behandlungslaserstrahls transparent, so daß zum einen der
Behandlungslaserstrahl 112 von der Laserlichtquelle 110 ungehindert das optische Element
152 zu den Zwischenelementen 120 durchlaufen kann, zum anderen kein eventuell teilweise
reflektiertes Licht dieser Wellenlänge über den Lichtleiter 154 zu dem Spektrometer 160 ge
führt wird, so daß eine Beeinflussung oder Störung der Messung und Auswertung der Plasma-
Strahlung vermieden wird.
Fig. 3 zeigt etwas detaillierter einige Elemente einer zweiten Ausführungsform einer erfin
gunsgemäßen Vorrichtung zur Laser-Ablation.
Eine Laserlichtquelle 310 emittiert einen Bearbeitungsstrahl 312, der in der Fig. 3 oben
rechts in die schematisch dargestellte Anordnung eingestrahlt wird. Ein Strahlteiler 372 kop
pelt einen festen relativen Anteil des eingestrahlten Bearbeitungsstrahls aus, bei der gezeigten
Ausführungsform etwa 10%, wodurch ein Referenzstrahl 314 erzeugt wird. Der Bearbei
tungsstrahl 312, der nun in seiner Intensität auf circa 90% gesenkt worden ist, wird durch ei
nen hochreflektierenden Spiegel (HR-Spiegel) 374 auf einen weiteren HR-Spiegel 382 ge
lenkt, der wiederum den Bearbeitungsstrahl 312 über weitere Zwischenelemente 320, die auch
in dieser Ausführungsform beispielsweise Scanner enthalten, und einen lichtleitenden Endbe
reich 324 des bearbeitungsseitigen Endelements 322 auf das in Fig. 3 nicht gezeigte zu bear
beitende Material gelenkt.
Der durch den Strahlteiler 372 ausgekoppelte Referenzstrahl 314 durchläuft einen Frequenz
konverter 392, der in dieser Ausführungsform ein Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4)
KDP-Kristall ist, der zu einer Frequenzverdoppelung des Referenzstrahles 314 führt. Der fre
quenzverdoppelte Referenzstrahl 316 wird von einer Spiegelvorrichtung 3.86 reflektiert und
auf eine weitere Spiegelvorrichtung 384 gelenkt. Die Spiegelvorrichtung 384 weist ein kleines
Loch bzw. eine schmale Öffnung 385 auf, die der frequenzverdoppelte Referenzstrahl 316
durchläuft, so daß er dahinter auf die Spiegelvorrichtung 382 trifft.
Bei der Spiegelvorrichtung 382 handelt es sich um eine dielektrische Spiegelvorrichtung, die,
wie oben erwähnt, das Licht der Wellenlänge des Bearbeitungsstrahls reflektiert, für Licht der
frequenzverdoppelten Referenzstrahlung jedoch transparent ist, so daß bei der Spiegelvor
richtung 382 der frequenzverdoppelte Referenzstrahl 316 in den Bearbeitungsstrahl 312 ein
gekoppelt wird und gemeinsam über die Zwischenelemente 320 und das bearbeitungsseitige
Endelement 322 auf das hier nicht gezeigte zu behandelnde Material emittiert wird.
Wie oben bereits erläutert entsteht bei der Ablation ein Plasma, dessen Licht spektral breit
bandig von dem zu behandelnden Material 130, 230 abgestrahlt wird (im folgenden Plasma-
Strahlung 340 genannt). Die Plasma-Strahlung 340 durchläuft (parallel zu der reflektierten
frequnzverdoppelten Referenzstrahlung 316) im wesentlichen anti-parallel zu dem einfallen
den Bearbeitungslaserstrahl 312 den lichtleitenden Endbereich 324 das bearbeitungsseitige
Endelement 322, die Zwischenelemente 320 und trifft dann auf die Spiegelvorrichtung 382,
die für die relevanten Wellenlängen der Plasma-Strahlung 340 (wie für die Wellenlänge des
frequenzverdoppelten Referenzlaserstrahls) ebenfalls transparent ist, so daß die Plasma-
Strahlung 340 mit der reflektierten frequenzverdoppelten Referenzlaserstrahlung 316 von der
Spiegelvorrichtung 384, die bezüglich der frequenzverdoppelten Referenzstrahlung 316 und
der Plasma-Strahlung 340 hochreflektiv ist (HR-Spiegel), dem Spektrometer 360 zur Analyse
und Auswertung zugeführt wird.
Auf Grund der dem Spektrometer 360 zugeführten reflektierten frequenzverdoppelten Refe
renzstrahlung 316 kann eine sehr exakte Auswertung und Analyse stattfinden, die sowohl
mögliche Intensitätsschwankungen des Bearbeitungsstrahls 312 als auch mögliche Beinflus
sungen bei der Detektion der am Material erzeugten bzw. reflektierten Strahlung berücksich
tigt.
Die Spiegelvorrichtung 386 ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform ebenfalls eine di
elektrische Spiegelvorrichtung, die für die Wellenlänge des frequenzverdoppelten Referenz
strahles 316 hochreflektiv ist (HR-Spiegel), während sie für nicht frequenzverdoppelte An
teile, die gegebenenfalls durch den Frequenzkonverter 392 nicht konvertiert worden sind,
transparent ist, so daß diese Reststrahlung bei der Spiegelvorrichtung 386 ausgekoppelt wird.
Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß die mit der Öffnung 385 versehene
Spiegelvorrichtung 384 eine sehr preisgünstige und dennoch zuverlässige Lösung darstellt,
wobei die Größe der Öffnung 385 so gewählt ist, daß das von der Spiegelvorrichtung 386
reflektierte Licht direkt die Öffnung 385 durchläuft, während die an dem zu bearbeitenden
Material erzeugte Plasma-Strahlung 340 und die reflektierte frequenzverdoppelte Referenz
strahlung 316 einen größeren Strahldurchmesser aufweist, so daß die Verluste, die aufgrund
der Strahlung, die durch das Loch 385 von der Spiegelvorrichtung 384 nicht in das Spektro
meter 360 geleitet werden, vernachlässigt werden können.
Es ist jedoch auch möglich, anstelle der mit der Öffnung 385 versehenen Spiegelvorrichtung
384 eine Spiegelvorrichtung vorzusehen, die für das Licht der frequenzverdoppelten Refe
renzstrahlung 316 in einer Richtung, nämlich bei Fig. 3 von rechts nach links, durchlässig
ist, während sie in der anderen Richtung, in Fig. 3 von links nach rechts, hochreflektiv ist.,
was z. B. auch durch polarisationssensitive Schichten realisiert werden könnte. Dabei nutzt
man insbesondere den Effekt, daß das Licht, das vom Laser kommt, sehr hoch polarisiert ist,
während die Plasma-Strahlung im wesentlichen nicht polarisiert ist. Eine solche Spiegelvor
richtung erhöht die Genauigkeit der Messergebnisse noch weiter, nimmt aber größere Kosten
in Kauf.
Eine typische Wellenlänge für den Bearbeitungsstrahl 312 liegt bei λ = 780 nm, wodurch ein
frequenzverdoppelter Referenzstrahl 316 mit einer Wellenlänge λ = 390 nm erzeugt wird.
Selbstverständlich können unterschiedliche Laserlichtquellen eingesetzt werden, die insbe
sondere einen Bearbeitungsstrahl mit einer Wellenlänge von λ = 700 nm bis λ = 1100 nm, ins
besondere λ = 1036 nm und λ = 1060 nm erzeugen. Darüber hinaus kann selbstverständlich
auch die harmonische Frequenz des entsprechenden Laserlichtquelle verwendet werden.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material (130), ins
besondere zur Verwendung im zahnmedizinischen Bereich, mit
einer Laserlichtquelle (110, 310)
einer Erfassungsvorrichtung (160, 360) zum Erfassen zumindest eines Teils einer Plasma-Strahlung (140, 340), die von dem durch die Laser-Ablation hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, und
einem bearbeitungsseitigen Endelement (122, 322) mit einem lichtleitenden Endbe reich (324),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Laser-Ablation so ausgelegt ist, daß der lichtleitende Endbereich (324) sowohl das von der Laserlichtquelle (110) erzeugte Laserlicht (112, 312) zur Abla tion auf ein zu bearbeitendes Material (330) als auch zumindest einen Teil der erzeugten Plasma-Strahlung (140, 340) zur Erfassungsvorrichtung (160, 360) weiterleitet, so daß der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung (140, 340) im wesentlichen in anti-paralleler Richtung auf dem gleichen Weg durch den lichtleitenden Endbereich (324) geführt wird, den auch das von der Laserlichtquelle (110) erzeugte Laserlicht (112, 312) durch den lichtleitenden Endbereich (324) zurückgelegt hat.
einer Laserlichtquelle (110, 310)
einer Erfassungsvorrichtung (160, 360) zum Erfassen zumindest eines Teils einer Plasma-Strahlung (140, 340), die von dem durch die Laser-Ablation hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, und
einem bearbeitungsseitigen Endelement (122, 322) mit einem lichtleitenden Endbe reich (324),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Laser-Ablation so ausgelegt ist, daß der lichtleitende Endbereich (324) sowohl das von der Laserlichtquelle (110) erzeugte Laserlicht (112, 312) zur Abla tion auf ein zu bearbeitendes Material (330) als auch zumindest einen Teil der erzeugten Plasma-Strahlung (140, 340) zur Erfassungsvorrichtung (160, 360) weiterleitet, so daß der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung (140, 340) im wesentlichen in anti-paralleler Richtung auf dem gleichen Weg durch den lichtleitenden Endbereich (324) geführt wird, den auch das von der Laserlichtquelle (110) erzeugte Laserlicht (112, 312) durch den lichtleitenden Endbereich (324) zurückgelegt hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (110,
310) im Pulsmodus betreibbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle
(110, 310) so ausgelegt ist, daß sie Licht einer Wellenlänge in einem Bereich λ = 700 mn
bis λ = 1100 emittiert.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner
einen Strahlteiler (372) zum Auskoppeln eines Teils des erzeugten Laserlicht (312) zum
Erzeugen eines Referenzstrahls (314) und eines Bearbeitungsstrahls (312) umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein frequenzkon
vertierendes Element (392) zur Änderung der Frequenz des ausgekoppelten Referenz
strahles (314; 316) umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Vor
richtung zum Einkoppeln zumindest eines Teils des Referenzstrahles (314, 316) in den
Bearbeitungsstrahl (312) umfaßt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner
eine Vorrichtung (382, 384) zum Auskoppeln des von dem lichtleitenden Endbereich
(324) weitergeleiteten Teils der Plasma-Strahlung (340) und/oder des von dem zu bear
beitenden Materials (330) reflektierten Referenzstrahls (316) zum Weiterleiten an die
Erfassungsvorrichtung (360) umfaßt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Erfassungsvorrichtung (360) ein Spektrometer ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
sie ferner eine Scannervorrichtung umfaßt.
10. Verfahren zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material im nicht-
medizinischen Bereich, wobei ein Bearbeitungslaserstrahl (112, 312) erzeugt und bei der
Ablation des Materials (130) durch den Bearbeitungslaserstrahl (112, 312) ein Plasma er
zeugt wird, wobei zumindest ein Teil der durch das Plasma erzeugten Plasma-Strahlung
(140, 340) einer Erfassungsvorrichtung (160, 360) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichet, daß
im wesentlichen der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung (140, 340) zur Erfassungsvor
richtung (160, 360) geleitet wird, der in einen Raumwinkel abgestrahlt wird, in dem auch
der auf das zu bearbeitende Material (130) eingestrahlte Bearbeitungslaserstrahl (112,
312) verläuft, wobei der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung (140, 340) im wesentlichen
in anti-paralleler Richtung auf dem gleichen Weg durch den lichtleitenden Endbereich
(324) geführt wird, den auch der Bearbeitungslaserstrahl (112, 312) durch den lichtleiten
den Endbereich (324) zurückgelegt hat.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumwinkel in einem
Bereich von 1° bis 20°, bevorzugt in einem Bereich von 5° bis 10° liegt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Bear
beitungslaserstrahls (112, 312) zur Erzeugung eines Referenzstrahls (314, 316) ausge
koppelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Referenz
strahls (314, 316) verändert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzveränderte Re
ferenzstrahl (316) wieder in den Bearbeitungsstrahl eingekoppelt wird und zumindest
teilweise von dem zu bearbeitenden Material reflektiert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
ein Teil der Plasma-Strahlung und/oder des von dem zu bearbeitenden Material reflek
tierten Teils des Referenzstrahles mittels eines Spektrometers analysiert wird.
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