DE102014204173A1

DE102014204173A1 - Gerät zur Materialbearbeitung, insbesondere medizinisches Behandlungsgerät, Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem solchen Gerät sowie Vorrichtung zur Übertragung eines Laserpulses

Info

Publication number: DE102014204173A1
Application number: DE102014204173.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Winkler; Hendrik Coldenstrodt-Ronge
Original assignee: Leoni Kabel Holding GmbH
Current assignee: Leoni Kabel GmbH
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät (2) zur Materialbearbeitung, insbesondere ein medizinisches Behandlungsgerät, mit einer Vorrichtung (6) zur Übertragung eines eine Pulsdauer aufweisenden Laserpulses an einen Austrittsort (18), mit einem Lichtwellenleiter (12) und einem diesem nachgeschalteten Kompressor (16), der die Pulsdauer reduziert, sowie ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem solchen Gerät (2). Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (6) zur Übertragung eines eine Pulsdauer aufweisenden Laserpulses an einen Austrittsort (18), mit einem Lichtwellenleiter (12) und einem diesem nachgeschalteten Kompressor (16), der die Pulsdauer reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Materialbearbeitung, insbesondere ein medizinisches Behandlungsgerät sowie ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem solchen Gerät. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Übertragung eines Laserpulses.
In Geräten zur Materialbearbeitung finden insbesondere ultrakurze Laserpulse Verwendung. Unter ultrakurz wird hierbei eine Pulsdauer von kleiner als 10 ps verstanden, insbesondere in der Größenordnung von 100 fs. Solche Laserpulse können eine Pulsspitzenleistung von beispielsweise 100 kW oder deutlich mehr aufweisen, bei einer gleichzeitig moderaten mittleren Leistung, beispielsweise im Bereich von 1 mW bis zu 1 W. Solche Laserpulse sind unter Anderem für Schneid- und Trennverfahren verschiedenster Werkstoffe geeignet. Insbesondere werden hier unter Werkstoffen auch organische Materialien verstanden, beispielsweise Gewebe. Mit anderen Worten: der Begriff Materialbearbeitung umfasst hier auch Schneid- und Trennverfahren des medizinischen Bereiches, insbesondere der Chirurgie und Augenheilkunde.
Solche ultrakurzen Laserpulse werden typischerweise mittels eines modengekoppelten Laseroszillators erzeugt. Dabei sind die Laserpulse und insbesondere deren Pulsdauer durch ein optisches Frequenzspektrum definiert. Durch dieses wird zudem eine minimale Pulsdauer vorgegeben, das sogenannte Fourierlimit. Die Laserpulse müssen dann vom Laseroszillator zum eigentlichen Austrittsort des Gerätes übertragen werden, um schließlich einem Verwendungsort zugeführt zu werden. Dabei müssen die Laserpulse eine bestimmte Strecke überwinden, die eine durch einen Gesamtdispersionswert charakterisierte Gesamtdispersion aufweist, welche sich auf die Pulsdauer auswirkt. Infolgedessen ist die Pulsdauer am Austrittsort des Gerätes und entsprechend auch am Verwendungsort eine andere als die vom Laseroszillator bereitgestellte Pulsdauer.
Eine Übertragung mit insbesondere geringer Dispersion ist beispielsweise mittels einer Freistrahlübertragung möglich, bei der die Laserpulse im Wesentlichen ungehindert und geradeaus über eine Strecke propagieren und lediglich mittels geeigneter Umlenkspiegel an den Austrittsort geführt werden. Aus Sicherheitsgründen, um eine Verschmutzung der Umlenkspiegel zu vermeiden und eine Blockierung der ansonsten frei zugänglichen Strecke zu verhindern, wird diese häufig eingehaust, was wiederum einen erheblichen konstruktiven wie auch kostenintensiven Aufwand zur Folge hat, besonders im Falle von Strecken mit einer Länge von beispielsweise mehreren Metern. Zusätzlich müssen die Umlenkspiegel speziellen Anforderungen genügen, um beispielsweise Strahlparameter des Laseroszillators nicht negativ zu beeinflussen und/oder um nicht durch die Laserpulse beschädigt zu werden, wie dies andererseits bei dem zu bearbeitenden Werkstoff erwünscht ist. Hierdurch erhöhen sich Aufwand und Kosten.
Alternativ ist es möglich, Laserstrahlung über Lichtwellenleiter, insbesondere Glasfasern, effizient zu übertragen. Lichtwellenleiter übertragen Laserstrahlung beispielsweise aufgrund von innerer Totalreflexion derart, dass die Laserstrahlung einer von dem Lichtwellenleiter vorgegebenen Strecke folgt, wodurch diese Art der Übertragung flexibler ist als die Freistrahlübertragung. Auch hierbei ergeben sich jedoch einige Nachteile. Zunächst ist der Lichtwellenleiter aus einem Medium, typischerweise Glas, gefertigt, welches einen deutlich höheren Dispersionswert aufweist, als beispielsweise Luft im Falle der Freistrahlübertragung. Insbesondere bei ultrakurzen Laserpulsen und Lichtwellenleiterlängen von mehreren 10 Zentimetern wird hierdurch der Laserpuls signifikant gestreckt, das heißt, die Pulsdauer erhöht und die Pulsspitzenleistung reduziert. Eine von diesen beiden Parametern stark abhängige Anwendung, wie beispielsweise die Materialbearbeitung, wird hierdurch entsprechend nachteilig beeinflusst. Abhängig von der genauen Lichtwellenleiterlänge und dem Frequenzspektrum können sich die Pulsdauer und die Pulsspitzenleistung bei Propagation durch den Lichtwellenleiter um mehrere Größenordnungen zu Ungunsten der Anwendung ändern.
Desweiteren führt die hohe Pulsspitzenleitung von ultrakurzen Laserpulsen zu nichtlinearen Effekten, insbesondere Selbstphasenmodulation, woraus wiederum eine Beeinträchtigung der Pulsdauer, der Pulsspitzenleistung und letztlich der Anwendung resultieren. Schließlich kann die hohe Pulsspitzenleistung auch zur Zerstörung des Lichtwellenleiters führen, insbesondere da dieser typischerweise einen Durchmesser von wenigen 10 µm bis zu wenigen 100 µm aufweist, wodurch die Laserstrahlung stark konzentriert und hohe Intensitäten erreicht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Gerät zur Materialbearbeitung anzugeben sowie ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem solchen Gerät. Desweiteren soll eine verbesserte Vorrichtung zur Übertragung von insbesondere ultrakurzen Laserpulsen angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierzu ist vorgesehen, dass ein Gerät zur Materialbearbeitung, insbesondere ein medizinisches Behandlungsgerät, eine Vorrichtung zur Übertragung eines Laserpulses, insbesondere mehrerer Laserpulse an einen insbesondere vorgegebenen Austrittsort aufweist. Desweiteren ist ein Lichtwellenleiter und ein dem Lichtwellenleiter nachgeschalteter Kompressor vorgesehen. Desweiteren weisen die Laserpulse eine Pulsdauer auf und der Kompressor reduziert die Pulsdauer. Hierdurch ist insbesondere gewährleistet, dass am Austrittsort ultrakurze Laserpulse verfügbar sind.
Der Kompressor ist insbesondere zur wenigstens teilweisen Kompensation von auf der Strecke zwischen Laseroszillator und Austrittsort vorhandener Dispersion vorgesehen. Darunter wird verstanden, dass der Laserpuls einem Strahlengang durch den Kompressor folgt, und die Pulsdauer an einer ersten Position im Strahlengang nach dem Kompressor geringer ist als an einer zweiten Position im Strahlengang vor dem Kompressor. Hierzu umfasst der Kompressor geeignete Elemente zur Erzeugung von Dispersion mit einem entsprechenden Dispersionswert, beispielsweise eine Prismen- oder Gitteranordnung, geeignet ausgebildete Glasblöcke oder geeignete dispersive Spiegel. Möglich ist auch die Verwendung eines Pulsformers (auch pulse shaper genannt), der beispielsweise als Prismen- oder Gitteranordnung in Kombination mit einem Flüssigkristalldisplay ausgebildet ist.
Zusätzlich umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise ein dispersives Element, das eine Dispersion mit einem Dispersionswert aufweist, wobei der Dispersionswert einstellbar ist. Insbesondere ist der Dispersionswert derart einstellbar, dass die Pulsdauer am Austrittsort im Wesentlichen fourierlimitiert ist. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Pulsdauer in Abhängigkeit sich ändernder Umgebungsbedingungen geeignet einzustellen. Beispielsweise bei einer Änderung des Austrittsortes, einer Translation eines Teils des Lichtwellenleiters, einer Temperaturerhöhung oder allgemein einer Änderung infolgedessen auch der Gesamtdispersionswert der Strecke zwischen Laseroszillator und Austrittsort verändert wird. Solch eine Änderung geschieht dabei vom Anwender entweder beabsichtigt oder auch unbeabsichtigt. Insbesondere zur Reaktion auf unbeabsichtigte Änderungen ist der Dispersionswert geeigneterweise automatisch einstellbar. Alternativ oder auch zusätzlich ist der Dispersionswert geeigneterweise vom Anwender manuell über ein Einstellelement einstellbar, wodurch insbesondere eine anwenderseitige Feineinstellung der Pulsdauer möglich ist. Beispielsweise ist eine längere Pulsdauer als die minimale Pulsdauer einstellbar.
Vorzugsweise weist das dispersive Element wenigstens einen dispersiven Spiegel auf, mittels dessen der Laserpuls eine vorgegebene Anzahl von Reflektionen erfährt. Hierdurch ist insbesondere ein kompakter Aufbau möglich. Weiterhin ist insbesondere auch ein großer Wertebereich für den Dispersionswert zugänglich. Der dispersive Spiegel prägt in an sich bekannter Weise einem von diesem reflektierten Laserpuls eine Dispersion auf. Geeigneterweise ist dabei der Dispersionswert zum Einen durch die konkrete Ausgestaltung des dispersiven Spiegels einstellbar; zum Anderen ist der Dispersionswert vorteilhafterweise auch vom Einfallswinkel bezüglich der Spiegeloberfläche abhängig. Hierdurch ist es insbesondere möglich, bei der Herstellung einen bestimmten Dispersionswert vorzugeben, der schließlich im Betrieb in einem bestimmten Bereich veränderbar ist. Beispielsweise weist der dispersive Spiegel bei senkrechtem Einfall einen Dispersionswert von 1000 fs² auf und ist winkelabhängig in einem Bereich von 1000 fs² bis 1300 fs² einstellbar.
In einer alternativen Ausgestaltung ist das dispersive Element eine Prismen- oder eine Gitteranordnung. In einer solchen Anordnung durchläuft der Laserpuls nacheinander ein erstes und ein zweites Prisma beziehungsweise Gitter, die in einem vorgegebenen Abstand angeordnet sind. Hierbei ist der Dispersionswert insbesondere mittels geeigneter Wahl des Abstandes einstellbar. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist das dispersive Element eine Anzahl von Glaskeilen, die in einer vorgegebenen Stellung relativ zum Strahlengang des Laserpulses angeordnet sind. Insbesondere ist mittels einer Änderung dieser Stellung der Dispersionswert einstellbar. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist das dispersive Element eine Kombination der oben genannten oder diesen ähnlichen Anordnungen und Vorrichtungen. Hierdurch ist der Dispersionswert besonders flexibel einstellbar.
In einer bevorzugten Weiterbildung erfährt der Laserpuls mittels des dispersiven Spiegels eine vorgegebene Anzahl von Reflektionen und der Dispersionswert ist mittels der Anzahl von Reflektionen einstellbar. Hierdurch ist insbesondere ein geeigneter Wertebereich von Dispersionswerten zugänglich. Desweiteren ist dadurch der Dispersionswert auf einfache Weise einstellbar. Durch mehrfache Reflektion auf einem Spiegel sind insbesondere auch große Dispersionswerte kompakt und kostengünstig realisierbar. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das dispersive Element ein Spiegelpaar. Insbesondere sind hierdurch einerseits herstellungsbedingte Schwankungen des Dispersionswertes bezüglich der Wellenlänge reduzierbar. Andererseits ist insbesondere auch die Anzahl an Reflektionen auf einfache Weise einstellbar. Beispielsweise sind die beiden Spiegel einander gegenüberstehend angeordnet und bilden einen Zwischenraum mit zwei offenen Seiten. Der Laserpuls tritt über die eine Seite in die Anordnung ein, erfährt eine Anzahl von Reflektionen und tritt auf der anderen Seite aus. Hierbei ist die Anzahl von Reflektionen und somit der Dispersionswert mittels Drehung oder Verkippung der Anordnung relativ zum Strahlengang des Laserpulses einstellbar. Eine Drehung oder Verkippung ist beispielweise mittels eines Piezoaktuators oder eines Elektromotors realisierbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Messvorrichtung zur Ermittlung eines Signals, das von einem den Laserpuls definierenden Pulsparameter abhängig ist, wobei der Pulsparameter ausgewählt ist aus einer Anzahl von Parametern, umfassend die Pulsdauer und die Pulsspitzenleistung. Typischerweise ist eine Kenntnis der Pulsdauer am Ausgang des Laseroszillators weniger wichtig, als am Austrittsort. Daher ist die Messvorrichtung vorzugsweise nahe dem Austrittsort angeordnet, insbesondere nach dem Kompressor. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Pulsdauer am Austrittsort im Wesentlichen korrekt zu ermitteln. Geeigneterweise umfasst die Messvorrichtung eine Photodiode, die das Signal generiert. Dadurch ist insbesondere ein kompakter und kostengünstiger Aufbau realisierbar.
Vorzugsweise ist dem Laserpuls eine Photonenenergie zugeordnet und die Photodiode ist aus einem Material mit einer Bandlücke gefertigt, wobei die Bandlücke größer ist als die Photonenenergie. Hierdurch ist es insbesondere möglich mittels eines Mehrphotonenabsorptionsprozesses ein Signal zu generieren, das von der Pulsspitzenleistung abhängt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bandlücke höchstens doppelt so groß wie die Photonenenergie und das Signal ist durch Zweiphotonenabsorption generiert. Hierdurch ist eine besonders effiziente Signalerzeugung möglich.
Vorteilhafterweise ist eine Steuerungselektronik vorgesehen, mittels derer der Dispersionswert in Abhängigkeit des Signals automatisch einstellbar ist, wodurch dieser insbesondere auch in Abhängigkeit des ermittelten Pulsparameters automatisch einstellbar ist. Weiterhin ist hierdurch eine automatische Steuerung zur Einstellung, insbesondere Optimierung der Pulsdauer realisierbar. Vorzugsweise ist die Steuerungselektronik mit der Messvorrichtung verbunden. Weiterhin steuert die Steuerungsvorrichtung geeigneterweise einen Aktuator zur Einstellung des Dispersionswertes. Durch eine Kombination der Ermittlung eines von der Pulsdauer abhängigen Signals und der Möglichkeit zur Einstellung der Pulsdauer mittels Steuerung des Dispersionswertes ist insbesondere eine Regelung realisierbar. Diese reagiert automatisch auf Änderungen der Pulsdauer, das heißt Änderungen von Umgebungsbedingungen, wodurch insbesondere unabhängig von diesen Änderungen, Laserpulse mit im Wesentlichen gleicher Pulsdauer am Austrittsort bereitgestellt sind. Vorzugsweise findet eine Anpassung auf einer Zeitskala statt die dem zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Laserpulse entspricht, beispielsweise in der Größenordnung von 10 µs. Geeigneterweise ist der Dispersionswert derart automatisch einstellbar, dass die Pulsbreite am Austrittsort kleiner als 500 fs und größer als 1 fs ist. Dadurch ist insbesondere eine Bereitstellung von ultrakurzen Laserpulsen am Austrittsort gewährleistet.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Vorrichtung einen dem Lichtwellenleiter vorgeschalteten Strecker auf, der die Pulsdauer vergrößert. Der Strecker ist hierbei beispielsweise in ähnlicher Weise wie der Kompressor ausgeführt. Durch Vergrößerung der Pulsdauer vor dem Lichtwellenleiter wird insbesondere die Pulsspitzenleistung und somit ein Einfluss nichtlinearer Effekte im Lichtwellenleiter reduziert. Desweiteren wird insbesondere eine Beschädigung des Lichtwellenleiters vermieden. Zusätzlich ist insbesondere auch die Übertragung höherer mittlerer Leistungen als im ungestreckten Zustand ermöglicht. Dazu ist in einer geeigneten Ausgestaltung vorgesehen, dass der Strecker die Pulsdauer wenigstens um einen Faktor 10 und höchstens um einen Faktor 1000 vergrößert, bevorzugt wenigstens um einen Faktor 50 und höchstens um einen Faktor 200. Hierdurch ist insbesondere der Einfluss nichtlinearer Effekte im Lichtwellenleiter effizient reduziert und gleichzeitig eine einfache Ausführung des Streckers möglich. In einer alternativen, geeigneten Ausgestaltung ist auf einen derartigen Strecker verzichtet. Dies ist insbesondere möglich, falls die in das Gerät eingehenden Laserpulse bereits gestreckt, das heißt nicht fourierlimitiert vorliegen. Dies ist beispielsweise der Fall bei einem ohne zusätzlichen Kompressor betriebenen dispersiven Laseroszillator oder Laserverstärkersystem.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das dispersive Element ein Teil des Kompressors. Alternativ ist das dispersive Element ein Teil des Streckers. Mit anderen Worten: der Dispersionswert der vom Kompressor/Strecker erzeugten Dispersion ist einstellbar. Da hierbei insbesondere auf eine jeweilige Ausgestaltung des dispersiven Elementes und des Kompressors/Streckers als eigenständiges Element der Vorrichtung verzichtet wird, ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau.
In einer geeigneten Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Handstück mit dem Austrittsort auf. Die Position des Austrittsortes ist daher mittels des Handstückes frei positionierbar. Dadurch ist insbesondere ein Werkstück an unterschiedlichen Stellen bearbeitbar, ohne das Werkstück verfahren zu müssen. Das Gerät ist insbesondere für einen medizinischen Einsatz ausgebildet. Hierzu ist unter Anderem insbesondere das Handstück sterilisierbar. Desweiteren ist das Gerät besonders flexibel einsetzbar. Beispielsweise sind während eines chirurgischen Eingriffes auf einfache Weise definierte Schnitte ausführbar. In einer alternativen Ausgestaltung weist die Vorrichtung ein Kopfstück auf, mittels dessen der Austrittsort einstellbar ist. Bevorzugt ist das Kopfstück mittels geeigneter Aktuatoren in einem vorgegebenen Bereich verfahrbar. Hierdurch ist der Austrittsort in einem definierten und insbesondere begrenzten Raumbereich einstellbar, wodurch weiterhin die Sicherheit in der Handhabung verbessert ist. In einer geeigneten Ausführungsform dient die Vorrichtung der Übertragung von ultrakurzen Laserpulsen für einen ophthalmologischen Eingriff, beispielsweise für eine Sehschärfenkorrektur.
Vorteilhafterweise ist in das Handstück zumindest eine, vorzugsweise mehrere Komponenten der Vorrichtung integriert, wodurch sich insbesondere ein kompakter Aufbau ergibt. Komponenten der Vorrichtung sind hierbei beispielsweise das dispersive Element, der Kompressor, die Messvorrichtung, die Steuerungselektronik, eine Energieversorgung oder auch ein Einstellelement zur Einstellung des Dispersionswertes.
In einer geeigneten Weiterbildung ist ein Verteiler vorgesehen, zur Übertragung von Laserpulsen an wenigstens einen weiteren Austrittsort. Dadurch ist insbesondere eine Versorgung von mehreren Arbeitsplätzen durch einen einzigen Laseroszillator ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verteiler als Strahlteiler ausgeführt, wodurch Laserpulse an mehreren Arbeitsplätzen insbesondere gleichzeitig bereitgestellt sind.
Vorteilhafterweise wird ein Gerät in einer der oben genannten Ausgestaltungen zur Materialbearbeitung, insbesondere als medizinisches Behandlungsgerät verwendet. Hierdurch ist insbesondere sichergestellt, dass am Austrittsort des Laserpulses dieser mit einer möglichst geringen Pulsdauer, das heißt mit einer möglichst hohen Pulsspitzenintensität vorliegt, wodurch die Materialbearbeitung besonders effizient durchführbar ist. Die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung ist nicht auf ein Gerät zur Materialbearbeitung beschränkt, sondern kann auch auf andere Anwendungsgebiete übertragen werden, bei denen eine Übertragung von ultrakurzen Laserpulsen über einen Lichtwellenleiter erfolgt.
Den Laserpulsen ist ein Frequenzspektrum zugeordnet, das typischerweise durch den Laseroszillator vorgegeben ist. Zur Verschiebung und/oder Konvertierung des Frequenzspektrums ist in dem Kompressor eine geeignete Konversionsvorrichtung zur Frequenzkonversion vorgesehen. Beispielsweise ist ein nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdopplung vorgesehen, der insbesondere das Frequenzspektrum zu höheren Frequenzen hin verschiebt. Hierdurch ist es insbesondere möglich, das vom Laseroszillator bereitgestellte Frequenzspektrum an die Anwendung anzupassen. Die Vorteile und bevorzugten Weiterbildungen einer solchen Vorrichtung zur Übertragung eines Laserpulses an einen Austrittsort, mit einem Lichtwellenleiter und einem diesem nachgeschalteten Kompressor, der die Pulsdauer reduziert, ergeben sich sinngemäß aus den vorangegangenen Ausführungen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Gerät zur Materialbearbeitung, umfassend einen Laseroszillator und eine Vorrichtung zur Übertragung von Laserpulsen, und
2 in schematischer Darstellung ein Handstück des Gerätes gemäß 1, umfassend einen Kompressor mit einem dispersiven Element, dessen Dispersionswert einstellbar ist.
1 in schematischer Darstellung ein Gerät 2 zur Materialbearbeitung, umfassend einen Laseroszillator 4 und eine Vorrichtung 6 zur Übertragung von mittels des Laseroszillators 4 generierten Laserpulsen. Die Vorrichtung 6 umfasst einen Strecker 8, einen Verteiler 10 und einen Lichtwellenleiter 12 sowie eine Anzahl von Handstücken 14, die hier jeweils einen Kompressor 16 aufweisen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ermöglicht der Verteiler 10 eine Bereitstellung von Laserpulsen an zwei Austrittsorten 18. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die von einem der Austrittsorte 18 bereitgestellten Laserpulse zur (chirurgischen) Behandlung eines Auges 20 verwendet. Der jeweilige Austrittsort 18 ist durch händisches Führen des jeweiligen Handstückes 14 veränderbar. So sind hier insbesondere verschiedene Stellen des Auges 20 bearbeitbar, ohne das Auge 20 bewegen zu müssen. In einer hier nicht dargestellten Ausführung sind die zwei Handstücke 14 in voneinander getrennten Räumen, beispielsweise Operationssälen lokalisiert.
Die Laserpulse folgen einem in diesem Ausführungsbeispiel freien Strahlengang, der hier durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Desweiteren verlassen diese den Laseroszillator 4 in einem durch eine Pulswiederholrate definierten, zeitlichen Abstand, durchlaufen hier einen Freistrahlabschnitt und werden in den Strecker 8 geeignet eingekoppelt. Alternativ und insbesondere im Falle eines als Faserlaser ausgebildeten Laseroszillators 4 sind dieser und der Strecker 8 mittels eines weiteren Lichtwellenleiters verbunden. Innerhalb des Streckers 8 werden die Laserpulse beispielsweise auch in einer Freistrahlkonfiguration geführt, dabei gestreckt und anschließend in einen Lichtwellenleiter 12, der hier insbesondere mit dem Strecker 8 verbunden ist, eingekoppelt. Die Laserpulse weisen hierbei eine geringe Pulsspitzenintensität auf, als vor dem Strecker 8, wodurch ein Einfluss nichtlineare Effekte in dem Lichtwellenleiter 12 verringert und eine Zerstörung desselben verhindert wird.
In einer bevorzugten, alternativen Ausgestaltung ist das Gerät 2 frei von einem Strecker 8, wodurch sich der Aufbau des Gerätes 2 besonders vereinfacht. Dies ist vorteilhafterweise der Fall, wenn der Laseroszillator 4 bereits gechirpte, das heißt nicht fourierlimitierte Pulse emittiert und/oder dem Laseroszillator 4 ein Verstärkersystem nachgeschaltet ist, welches zusätzlich dispersiv ist. Desweiteren ist das Gerät 2 vorteilhaft dadurch vereinfacht, dass die Dispersion des Streckers 8 und des Lichtwellenleiters 12 unabhängig voneinander auswählbar sind. In einer geeigneten Ausgestaltung weisen die Dispersion des Streckers 8 und die Dispersion des Lichtwellenleiters 12 Dispersionswerte mit gleichem Vorzeichen auf, das heißt insbesondere, dass eine Vorkompensation verzichtbar ist. Dadurch stehen insbesondere eine größere Auswahl an Komponenten und Kombinationsmöglichkeiten zur Herstellung des Gerätes 2 zur Verfügung. Hierdurch ist dieses wiederum kosteneffizienter herstellbar.
Beim Passieren des Verteilers 10, der beispielsweise als Strahlteiler in Faseroptik ausgeführt ist, wird der Strahlengang in mehrere, hier zwei Richtungen aufgeteilt. Der Verteiler 10 ist alternativ als Schalter ausgeführt, der alle Laserpulse entweder in die eine oder in die andere Richtung umlenkt. Weiterhin ist eine Ausgestaltung als sogenannter Pulspicker derart möglich, dass beispielsweise jeder zweite Laserpuls in die eine Richtung und alle verbleibenden Laserpulse in die andere Richtung gelenkt werden. Hierdurch ist insbesondere die Pulswiederholrate am Austrittsort 18 einstellbar.
Nachfolgend erreicht der Laserpuls das Handstück 14, welches schematisch in 2 dargestellt ist. Dieses ist mit dem Lichtwellenleiter 12 derart verbunden, dass dieser innerhalb des Handstückes 14 den Laserpuls an eine zur Auskopplung geeignete Stelle führt. Dort ist weiterhin eine geeignete Auskoppeloptik 22 angeordnet. Der Laserpuls wird in Freistrahlkonfiguration in den Kompressor 16 geführt, der hier als zwei dispersive Spiegel 24a, 24b und einen Retroreflektor 24c umfassendes, dispersives Element 24 ausgeführt ist. Beim Durchlaufen des Kompressors 16 erfährt der Laserpuls eine Anzahl von Reflektionen durch die beiden dispersiven Spiegel 24a, 24b, in 2 insbesondere 12 Reflektionen. Über eine geeignete Optik 26 wird der aus dem Kompressor 16 zurückkehrende und nun eine reduzierte Pulsdauer aufweisende Laserpuls weitergeführt. Beispielsweise ist der Retroreflektor 24c derart ausgebildet, dass dieser einen Strahlversatz erzeugt, wodurch der Laserpuls entsprechend versetzt zurückkehrt und mittels der hierbei als einfacher Spiegel ausführbaren Optik 26 umlenkbar ist. Der Laserpuls wird über weitere geeignete Umlenkoptiken 28 durch das Handstück 14 geführt und aus diesem über den Austrittsort 18 ausgekoppelt.
Ein geringer Teil der Leistung, beispielsweise 1 %, wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Strahlteilers 30 auf eine Messvorrichtung 32 geführt. Diese umfasst in der hier gezeigten Ausgestaltung eine Photodiode und ist mit einer Steuerungselektronik 34 verbunden. Diese ist auch mit einem hier nicht gezeigten Aktuator verbunden, mittels dessen die dispersiven Spiegel 24a, 24b um eine Achse senkrecht zur Figurenebene drehbar sind. Die Steuerungselektronik 34 ermittelt mittels der Messvorrichtung 32 ein Signal, das von der Pulsspitzenleistung abhängig ist. Weiterhin steuert die Steuerungselektronik 34 den Aktuator, um den Dispersionswert der Dispersion des Kompressors 16 derart einzustellen, dass die Pulsspitzenleistung möglichst groß ist, das heißt die Pulsdauer möglichst gering ist.
Desweiteren umfasst das Handstück 14 geeigneterweise eine hier nicht dargestellte Energieversorgung, beispielsweise eine Batterie oder eine Solarzelle, zur Versorgung der Steuerungselektronik 34 und/oder der Messvorrichtung 32. Alternativ ist die Energieversorgung anderswo am oder im Gerät angeordnet und mittels einer geeigneten Leitung mit dem Handstück 14 verbunden. Beispielsweise ist die Energieversorgung ein Energieversorgungsnetz, an das auch der Laseroszillator 4 angeschlossen ist und eine zusätzliche Leitung entlang des Lichtwellenleiters 12 versorgt den Aktuator im Handstück 14 mit Energie.
In einem hier nicht gezeigten, jedoch ebenfalls geeigneten Ausführungsbeispiel ist die Steuerungselektronik 34 auf einer dem Kompressor 16 abgewandten Seite des Lichtwellenleiters 12 angeordnet, beispielsweise an dem Strecker 8. Hierdurch ist insbesondere ein kompakter Aufbau des Handstückes 14 möglich. Vorteilhafterweise ist hierbei eine hier nicht dargestellte Signalleitung vorgesehen, zur Übertragung des Signals von der Messvorrichtung 32 zur Steuerungselektronik 34. Die Signalleitung ist beispielsweise drahtlos. Vorzugsweise ist diese als elektrischer Leiter ausgeführt, wodurch insbesondere geltende EMV-Vorschriften erfüllbar sind. Beispielsweise ist die Signalleitung gemeinsam mit dem Lichtwellenleiter 12 in einem diese umfassenden Kabel gemeinsam geführt.
Bezugszeichenliste

2: Gerät
4: Laseroszillator
6: Vorrichtung
8: Strecker
10: Verteiler
12: Lichtwellenleiter
14: Handstück
16: Kompressor
18: Austrittsort
20: Auge
22: Auskoppeloptik
24: dispersives Element
24a: dispersiver Spiegel
24b: dispersiver Spiegel
24c: Retroreflektor
26: Optik
28: Umlenkoptik
30: Strahlteiler
32: Messvorrichtung
34: Steuerungselektronik

Claims

Gerät (2) zur Materialbearbeitung, insbesondere medizinisches Behandlungsgerät, mit einer Vorrichtung (6) zur Übertragung eines eine Pulsdauer aufweisenden Laserpulses an einen Austrittsort (18), mit einem Lichtwellenleiter (12) und einem diesem nachgeschalteten Kompressor (16), der die Pulsdauer reduziert.
Gerät (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) ein dispersives Element (24) umfasst, das eine Dispersion mit einem einstellbaren Dispersionswert aufweist.
Gerät (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (24) wenigstens einen dispersiven Spiegel (24a) aufweist.
Gerät (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserpuls mittels des dispersiven Spiegels (24a) eine vorgegebene Anzahl von Reflektionen erfährt und der Dispersionswert mittels der Anzahl von Reflektionen einstellbar ist.
Gerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Messvorrichtung (32) zur Ermittlung eines Signals umfasst, das von einem den Laserpuls definierenden Pulsparameter abhängig ist, wobei der Pulsparameter ausgewählt ist aus einer Anzahl von Parametern, umfassend Pulsdauer und Pulsspitzenleistung.
Gerät (2) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Steuerungselektronik (34) umfasst, mittels derer der Dispersionswert in Abhängigkeit des Signals automatisch einstellbar ist.
Gerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) einen dem Lichtwellenleiter (12) vorgeschalteten Strecker (8) aufweist, der die Pulsdauer vergrößert.
Gerät (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Strecker (8) die Pulsdauer wenigstens um einen Faktor 10 und höchstens um einen Faktor 1000 vergrößert, bevorzugt wenigstens um einen Faktor 50 und höchstens um einen Faktor 200.
Gerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (24) ein Teil des Kompressors (16) ist.
Gerät (2) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 und nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element (24) ein Teil des Streckers (8) ist.
Gerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein mobiles Handstück (14) mit dem Austrittsort (18) für den Laserpuls aufweist.
Gerät (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in das Handstück (14) zumindest eine, vorzugsweise mehrere Komponenten der Vorrichtung (6) integriert ist.
Gerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Verteiler (10) umfasst zur Übertragung von Laserpulsen an wenigstens einen weiteren Austrittsort (18).
Verfahren zur Materialbearbeitung mit einem Gerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung (6) zur Übertragung eines eine Pulsdauer aufweisenden Laserpulses an einen Austrittsort (18), mit einem Lichtwellenleiter (12) und einem diesem nachgeschalteten Kompressor (16), der die Pulsdauer reduziert.