DE102014222738A1

DE102014222738A1 - Faseroptik, insbesondere Lasersonde, sowie Lasersystem mit einer solchen Faseroptik

Info

Publication number: DE102014222738A1
Application number: DE102014222738.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Winkler
Original assignee: Leoni Kabel Holding GmbH
Current assignee: Weinert Industries Ag De
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: DE102014222738B4

Abstract

Das Lasersystem, insbesondere medizinisches Lasersystem (2) umfasst eine Faseroptik, insbesondere eine Lasersonde (6) welche eine optische Faser (10) und einen optischen Stecker (8) aufweist, mit dem sie an eine Laservorrichtung (4) anschließbar ist. An der optischen Faser (10) ist weiterhin eine permanente Auskoppelstelle (22) ausgebildet, an der im Betrieb ein Teil des sich in der optischen Faser (10) ausbreitenden Lichts (L) ausgekoppelt wird. Dieses aus der Faser (10) ausgekoppelte Licht (A) wird mithilfe einer Messvorrichtung (16) erfasst und ausgewertet. Hierdurch wird zum Einen die Ankopplung der Lasersonde (6) an die Laservorrichtung (4) überprüft, insbesondere im Hinblick auf Koppelverluste aber auch zur Identifikation des Typs der Lasersonde (6). In Abhängigkeit der Identifizierung des Typs der Lasersonde (6) kann eine Leistungsregulierung vorgenommen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Faseroptik, insbesondere eine Lasersonde, welche eine optische Faser und einen optischen Stecker aufweist, mit dem sie an eine Laservorrichtung anschließbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lasersystem mit einer solchen Faseroptik.
Bei der Verwendung von faseroptischen Lasersystemen, bei denen von einer Laservorrichtung ein von dieser generierter Laserstrahl in eine faseroptische Komponente der Faseroptik eingekoppelt und von dieser weitergeleitet wird, ist häufig eine genaue Einstellung und Überwachung der Lichtleistung erforderlich. Insbesondere im medizinischen Bereich, bei dem mittels Lasersonden Eingriffe am menschlichen Körper vorgenommen werden, ist eine genaue Einstellung der Laserleistung für den gewünschten Anwendungsfall erforderlich.
Aus der US 2010/0019125 A1 ist ein Laserkalibrierungssystem beschrieben, welches die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist. Zur Kalibrierung des gesamten Lasersystems ist hierbei vorgesehen, dass in einem Endbereich einer faseroptischen Übertragungsstrecke ein Strahlteiler angeordnet ist, über den ein Teil des Lichts ausgekoppelt und zu einer Messvorrichtung geleitet wird. Mit Hilfe dieser Messeinrichtung wird die Funktionsfähigkeit des gesamten Systems vor dessen Inbetriebnahme überprüft, beispielsweise auch im Hinblick auf eine fehlerhafte Ausrichtung der unterschiedlichen optischen Komponenten, die miteinander gekoppelt sind. Nach dem Kalibriervorgang wird die Messvorrichtung wieder entnommen und die eigentliche medizinische Behandlung, beispielsweise die Behandlung eines menschlichen Auges, wird durchgeführt.
Aus der US 7,005,623 B2 ist ein weiteres Kalibriersystem für ein derartiges Lasersystem beschrieben, bei dem am Ende einer faseroptischen Übertragungsstrecke ein Messelement in Form eines Kalibrierelements angeordnet ist, welches die endseitig aus der faseroptischen Komponente austretende Lichtleistung erfasst. Das Kalibrierelement wird daher endseitig an der faseroptischen Komponente um diese herum angeordnet. Dieses System dient zur Einstellung der korrekten Laserleistung.
Im Hinblick auf sicherheitstechnische Aspekte ist insbesondere bei medizinischen Anwendungen weiterhin wichtig, dass für unterschiedliche medizinische Anwendungen, für die üblicherweise unterschiedliche Typen von Lasersonden verwendet werden, jeweils die für die spezielle Anwendung geeignete Leistung eingestellt wird. Es ist also erforderlich, dass für jeden Typ Lasersonde von der Laservorrichtung eine für diesen Typ vorgegebene Leistung bereitgestellt wird.
Zur Identifizierung eines Sondentyps ist in der US 5,742,718 die Verwendung einer Identifikationskarte nach Art einer Chipkarte beschrieben, welche unmittelbar mit der Faseroptik verbunden ist. Die Identifikationskarte wird zur Überprüfung, ob eine korrekte Faseroptik verwendet ist, in ein Lesegerät eingeführt.
Bei faseroptischen Lasersystemen ist allgemein die Ankopplungsstelle zwischen Faseroptik und Laservorrichtung kritisch. Diese Ankopplung erfolgt über einen optischen Stecker. Sofern hier eine nicht optimale Ausrichtung der Faseroptik bezüglich der Laservorrichtung vorliegt, führt dies zu hohen Koppelverlusten, so dass ein hoher Teil der abgegebenen Laserleistung als Verlustleistung beispielsweise vom Stecker aufgenommen wird. Aufgrund der üblicherweise vergleichsweise hohen Leistungen bei medizinischen Anwendungen, die typischerweise im Bereich von 80 bis 150 Watt liegen, kann dies zu einem deutlichen Aufheizen des Steckers und zu dessen Beschädigung führen. Bei einer fehlerhaften Kopplung kann sich der Stecker, welcher üblicherweise als Metallstecker ausgebildet ist, auf mehrere 100°C erwärmen.
Dieses Problem ist insoweit dadurch verschärft, dass für unterschiedliche insbesondere medizinische Behandlungen die Lasersonden gewechselt und wiederholt angeschlossen werden, es sich daher nicht um eine einmalige Ankopplung der Faseroptik handelt, sondern die Ankopplung mehrfach vorgenommen wird.
Ein weiteres Problem resultiert daraus, dass unterschiedliche Lasersonden-Typen für unterschiedliche Laserleistungen ausgebildet sind, so dass also die Laservorrichtung mit unterschiedlichen Leistungen – je nach Lasersonde – betrieben werden. Hierbei besteht die Gefahr, dass sich ein Fokuspunkt des emittierten Laserlichts nach einer Veränderung der Leistung der Laservorrichtung verschiebt. Auch kann beim Betrieb der Laservorrichtung eine Drift dieses Fokuspunktes auftreten. Dadurch besteht die Gefahr, dass selbst bei mechanisch korrekter Anbindung die Verlustleistung zunimmt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen sicheren und zuverlässigen Betrieb eines derartigen Lasersystems insbesondere für den medizinischen Bereich bei der Verwendung von Lasersonden zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Faseroptik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 insbesondere eine Lasersonde, sowie durch ein Lasersystem mit einer solchen Faseroptik. Die im Hinblick auf die Faseroptik nachfolgend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Lasersystem anzuwenden. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Bei dem Lasersystem handelt es sich vorzugsweise, jedoch nicht zwingend um ein medizinisches Lasersystem, welches die Faseroptik umfasst.
Die Faseroptik weist eine optische Faser sowie einen optischen Stecker auf, mit dem sie im Betrieb an eine Laservorrichtung angeschlossen ist. Bei der Faseroptik handelt es sich insbesondere um eine Lasersonde, welche endseitig einen Sondenkopf aufweist, mit dem eine Laserbearbeitung eines Gegenstandes oder eine medizinische Behandlung durchgeführt wird. Bei der Laservorrichtung handelt es sich üblicherweise um einen gepulsten Laser mit Pulsweiten vorzugsweise im Femtosekunden-Bereich. Die Laserleistung liegt bei medizinischen Anwendungen dabei vorzugsweise im Bereich von beispielsweise 50 Watt bis maximal 500 Watt und vorzugsweise im Bereich von 80 bis 150 Watt und maximal bei 250 Watt.
Um im Betrieb insbesondere den korrekten Anschluss der Faseroptik an der Laservorrichtung überprüfen zu können, ist an der proximalen Seite der Faseroptik, zumindest ein Element einer Messanordnung integriert, mit dessen Hilfe die Energie des in die Faser während des Betriebes eingekoppelten Lichtes erfassbar ist.
Unter proximales Ende der Faseroptik wird hierbei der Endbereich der Faseroptik im Bereich des Steckers verstanden, mit dem die Faseroptik an die Laservorrichtung angeschlossen ist. Am gegenüberliegenden, distalen Ende ist üblicherweise der Sondenkopf beispielsweise für die beabsichtigte medizinische Anwendung angeordnet.
Durch die unmittelbare Integration eines Elements zur Energie- oder Leistungserfassung im Bereich des Steckers wird daher zuverlässig direkt und während des Betriebes eine Überprüfung ermöglicht, ob und inwieweit eine korrekte Einkopplung des Lichts erfolgt. Die Überprüfung erfolgt dabei mit Hilfe der Messanordnung, die Teil des Lasersystems ist. Die Messanordnung weist hierzu eine Messvorrichtung auf, an die die Faseroptik angeschlossen ist und die zur Auswertung des von dem Element bereitgestellten Signals ausgebildet ist und aufgrund dieses Signals auf den Anteil des in die Faser eingekoppelten Lichts zurückschließt.
In zweckdienlicher Ausgestaltung ist das integrierte Element hierbei zur Erfassung einer Verlustenergie oder Verlustleistung ausgebildet. Das eigentliche eingekoppelte Licht steht daher weiterhin für die gewünschte Anwendung zumindest größtenteils zur Verfügung. Dies erlaubt während des Betriebes eine kontinuierliche Überwachung. Die Verlustleistung, die für die Überprüfung herangezogen wird, beträgt dabei vorzugsweise weniger als 10 Promille der in der Faser übertragenen Leistung.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist an der optischen Faser selbst eine permanente Auskoppelstelle ausgebildet, an der im Betrieb ein Teil des sich in der Faser ausbreitenden Lichts ausgekoppelt wird. Es wird daher quasi eine künstliche Störstelle zur Erzeugung einer Verlustleistung geschaffen. Die Auskoppelstelle bildet insoweit das zumindest eine Element der Messanordnung.
Im Vergleich zu den bekannten Kalibriersystemen aus dem Stand der Technik ist durch eine spezielle Behandlung direkt an der Faser eine Auskoppelstelle gebildet, welche permanent wirkt, so dass während des gesamten Betriebs ein Anteil der eingespeisten Laserleistung ausgekoppelt wird. Insofern ist daher die Lasersonde auch für eine permanente dauernde Überprüfung geeignet und nicht nur für eine einmalige Kalibrierung. Dadurch besteht insbesondere auch die Möglichkeit, auf Veränderungen während des Betriebes, beispielsweise durch eine Drift eines Fokalpunktes oder auch durch Veränderungen in der Anschlussmechanik, beispielsweise bedingt durch Vibrationen oder thermische Ausdehnungen, reagieren zu können.
Vorzugsweise wertet die Messvorrichtung unmittelbar das ausgekoppelte Licht aus und überprüft anhand des ausgekoppelten Lichts das Lasersystem. Alternativ ist die Messvorrichtung auch zur mittelbaren Auswertung des ausgekoppelten Lichts ausgebildet. Hierzu wird vorzugsweise eine Erwärmung insbesondere des Steckers infolge des ausgekoppelten Lichts gemessen.
Die Messvorrichtung umfasst dabei insoweit auch eine Auswerteeinheit, welche zur direkten oder auch mittelbaren Überprüfung des ausgekoppelten Lichts ausgebildet ist. Sobald diese Auswerteeinheit einen nicht korrekten Betrieb, beispielsweise infolge eines zu großen Koppelverlustes, ermittelt, wird ein entsprechendes Sicherheitssignal abgegeben. Bei diesem handelt es sich insbesondere um ein Steuersignal für die Laservorrichtung. Gemäß einer ersten Variante wird vor dem Einstellen eines Dauerbetriebs, beispielsweise im Vorfeld oder zu Beginn einer medizinischen Behandlung, eine Messung mit Hilfe der Messvorrichtung durchgeführt. Hierzu wird ein Prüfmodus beispielsweise durch Abgabe eines Test-Lichtimpulses initiiert. Wird eine fehlerhafte Ankopplung detektiert, so wird die Laservorrichtung blockiert und nicht für den Dauerbetrieb freigeschaltet oder nur für eine bestimmte (reduzierte) Leistung freigeschaltet. Ergänzend oder alternativ wird ein Warnsignal abgegeben.
Gemäß einer zweiten Alternative wird mit Hilfe der Messvorrichtung während des Betriebs die ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit überwacht und beim Erkennen eines Fehlers wird – beispielsweise nach Abgabe eines akustischen und/oder optischen Warnsignals – die von der Laservorrichtung abgegebene Leistung zumindest reduziert oder die Laservorrichtung wird abgeschaltet.
Allgemein wird in Abhängigkeit der Auswertung des ausgekoppelten Lichts die Leistung der Laservorrichtung gesteuert oder geregelt.
Dadurch wird also insbesondere vermieden, dass infolge von Auskoppelverlusten Beschädigungen an der Faseroptik selbst, insbesondere am Stecker, auftreten. Durch die hier beschriebene Maßnahme kann dies auch während des Betriebs erkannt werden, so dass frühzeitig die Leistung reduziert bzw. abgeschaltet werden kann. Eine mangelhafte Einkopplung führt – wie eingangs bereits erläutert – zu einem Erwärmen des Steckers, was aufgrund einer thermischen Ausdehnung zusätzlich zu einer weiteren Dejustierung führen kann, so dass die Einkoppelverluste nach Art eines selbstverstärkenden Effekts zunehmen, hin bis zu einem Totalausfall des Steckers.
Um den normalen Betrieb der Faseroptik möglichst wenig zu stören ist die Auskoppelstelle dabei derart ausgebildet, dass im Betrieb an dieser lediglich maximal 1 Promille der in der optischen Faser übertragenen Leistung ausgekoppelt wird. Die ausgekoppelte Leistung liegt dabei insbesondere im Bereich zwischen 0,01 Promille und 1 Promille, maximal bei etwa 10 Promille und vorzugsweise bei etwa 0,1 Promille. Die Auskoppelstelle ist dabei derart ausgebildet, dass ein fest definierter Anteil der eingekoppelten Leistung über die Auskoppelstelle ausgekoppelt wird. Mittels einer geeigneten Auswertung wird anhand der ausgekoppelten Leistung auf die eingekoppelte Leistung zurückgeschlossen und durch einen Vergleich mit der von der Laservorrichtung abgegebenen Leistung wird auf Einkoppelverluste zurückgeschlossen.
Die Messvorrichtung ist insbesondere zur Überprüfung eines Einkoppelverlustes der von der Laservorrichtung in die Faseroptik eingekoppelten Leistung anhand des ausgekoppelten Lichts ausgebildet. Zweckdienlicherweise ist die Messvorrichtung hierbei lediglich zur Auswertung des Verhältnisses der von der Laservorrichtung abgegebenen Leistung zu der an der Auskoppelstelle ausgekoppelten Leistung ausgebildet. Eine Absolutmessung ist daher nicht erforderlich. Durch diese Maßnahme wird auch dem Umstand Rechnung getragen, dass für die hier vorgesehene Überprüfung lediglich die Überprüfung von evtl. auftretenden Einkoppelverlusten vorgenommen werden soll. Die absolute Leistung ist weniger relevant. Auch ist eine Relativmessung einfacher im Vergleich zur Absolut-messung. Zur Messung der ausgekoppelten Lichtleistung wird allgemein in zweckdienlicher Ausgestaltung ein Lichtsensor, beispielsweise eine Fotodiode, verwendet. Diese generiert einen Fotostrom, welcher zu der ausgekoppelten Leistung korreliert, insbesondere proportional ist. Parallel wird zweckdienlicherweise durch einen zweiten optischen Sensor, insbesondere eine zweite Fotodiode, die Lichtleistung der Laservorrichtung gemessen und ausgewertet, beispielsweise die Differenz zwischen den beiden Fotoströmen der Fotodioden. Es erfolgt also in einfacher Weise eine Differenzmessung.
Zur Ausbildung der Auskoppelstelle ist zweckdienlicherweise in die Faser selbst eine Störstelle eingebracht, an der die Übertragungseigenschaften der Faser verändert sind. Aufgrund dieser geänderten Übertragungseigenschaften wird daher Licht aus der Faser ausgekoppelt. Es wird also bewusst eine Fehlstelle in die Faser eingebaut. Auf ein zusätzliches Auskoppelelement ist verzichtet.
Zweckdienlicherweise wird hierzu an der Störstelle eine Brechungszahl in einer Grenzschicht zwischen einem Faserkern und einem Cladding verändert. Bei dem Cladding handelt es sich üblicherweise um eine (Reflexions-)Beschichtung des Faserkerns. Bei dieser Störstelle handelt es sich dabei vorzugsweise um eine punktuelle Störstelle. Zur Erzeugung dieser Störstelle wird zweckdienlicherweise eine mechanische oder auch thermische Behandlung der Faser vorgenommen, so dass die gewünschte Störstelle ausgebildet wird. Insbesondere wird beispielsweise mit Hilfe eines Lasers die Störstelle erzeugt. Durch die eingebrachte Energie werden nämlich die Materialeigenschaften der Faser verändert, so dass die Störstelle ausgebildet ist. Alternativ kann dies grundsätzlich auch beim Herstellungsprozess der Faser direkt vorgenommen werden. Vorzugsweise erfolgt die Einbringung der Störstelle jedoch nach der Ausbildung der Faser.
In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung ist die Auskoppelstelle dabei im Bereich des optischen Steckers und vorzugsweise innerhalb des optischen Steckers ausgebildet. Es wird also unmittelbar im Bereich der Verbindungsstelle zwischen Laservorrichtung und Faseroptik überprüft, ob und inwieweit Einkoppelverluste auftreten. Die Störstelle der Faser ist also im Bereich des Steckers ausgebildet, so dass das aus der Störstelle austretende Licht innerhalb des Steckers ausgekoppelt wird.
Zweckdienlicherweise ist die Faser innerhalb eines Gehäuses geführt. Dieses weist eine Durchbrechung zu der Auskoppelstelle auf. Über diese Durchbrechung wird daher das ausgekoppelte Licht innerhalb des Steckers weitergeleitet.
Allgemein schließt sich an die Auskoppelstelle ein Lichtleitpfad an, welcher insbesondere das Ausgekoppelte Licht zur Messvorrichtung leitet.
Ist die Auskoppelstelle im Stecker angeordnet, so führt dies – insbesondere sofern keine weiteren Maßnahmen getroffen werden – zu einer Erwärmung des Steckers. In bevorzugter Ausgestaltung ist daher der sich an die Auskoppelstelle anschließender Lichtleitpfad als Ausleitpfad für das ausgekoppelte Licht ausgebildet, so dass die ausgekoppelte Lichtenergie nicht oder zumindest nicht vollständig in thermische Energie umgesetzt wird. Bei der Variante mit der direkten Auswertung des ausgekoppelten Lichts führt dieser Lichtleitpfad zur Messvorrichtung.
Das Gehäuse weist daher zweckdienlicherweise einen Lichtleitkanal für das ausgekoppelte Licht auf, welcher zumindest ein Teilstück des Lichtpfades bildet. Zweckdienlicherweise erstreckt sich dabei der Lichtleitkanal parallel zur Faser und wird zu einer Stirnseite des Steckers geführt. Alternativ hierzu kann der Lichtleitkanal auch radial orientiert sein, so dass das Licht radial nach außen ausgekoppelt wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante ist innerhalb des Steckers, insbesondere innerhalb der Durchbrechung und damit möglichst unmittelbar in der Nähe der Störstelle, ein Messkopf der Messvorrichtung, also ein Sensor angeordnet. Bei dem Sensor handelt es sich insbesondere um eine Fotodiode, welche über eine daran angeschlossene Sensorleitung mit weiteren Komponenten der Messvorrichtung verbunden ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante ist die Messvorrichtung jedoch vollständig außerhalb der Faseroptik ausgebildet. Bei der Faseroptik, also der Lasersonde, handelt es sich daher um ein rein passives Element ohne aktive Komponenten für die Messvorrichtung. Die Messvorrichtung ist vorzugsweise innerhalb der Laservorrichtung angeordnet. Bei dieser Ausführungsvariante wird daher über einen entsprechenden optischen Pfad das ausgekoppelte Licht an die Laservorrichtung übertragen und in dieser ausgewertet.
Bei dem Lichtleitkanal handelt es sich in einfachster Ausführungsvariante um einen Freiraum, welcher beispielsweise durch eine Bohrung etc. erzeugt ist. Bei dem Gehäuse handelt es sich um ein Metallgehäuse, so dass sich das Licht innerhalb eines derartigen Freikanals ausbreiten kann. Zweckdienlicherweise sind dabei die Oberflächen des Lichtleitkanals poliert, um eine möglichst gute optische Übertragung zu gewährleisten.
Üblicherweise erfolgt die Ankopplung der optischen Faser an die Laservorrichtung mit Hilfe einer sogenannten Ferrule, welche innerhalb des Steckers als Teil des Steckers angeordnet ist. Bei der Ferrule handelt es sich um einen in etwa stiftförmigen Hohlkörper, in dem die optische Faser geführt ist und stirnseitig an einer typischerweise polierten Endstelle endet. Zweckdienlicherweise ist nunmehr die Störstelle im Bereich einer solchen Ferrule ausgebildet. Der besondere Vorteil hierin ist darin zu sehen, dass im gekoppelten Zustand die Ferrule innerhalb einer entsprechenden Buchse der Laservorrichtung angeordnet ist, so dass die Auskoppelstelle unmittelbar innerhalb der Laservorrichtung angeordnet ist und eine direkte Lichtauskopplung innerhalb der Laservorrichtung erfolgt. Die Ferrule ist hierbei im Bereich der Störstelle mit einer Durchbrechung zur Auskoppelstelle ausgebildet.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung ist die Messvorrichtung zur Identifizierung der Faseroptik anhand des ausgekoppelten Lichts ausgebildet. Dadurch wird quasi eine Überprüfung der Verwendung einer korrekten Faseroptik sichergestellt und insbesondere wird hierdurch eine herstellerspezifische Originalitätsüberprüfung ermöglicht und durchgeführt, so dass also nur Faseroptiken mit vorgegebenen Qualitätsmerkmalen verwendet werden können. Wird eine nicht Original-Faseroptik erkannt, so ist ein Betrieb der Laservorrichtung nicht möglich.
Im medizinischen Bereich werden für unterschiedliche Anwendungsfälle typischerweise unterschiedliche Lasersonden eingesetzt, die sich im Hinblick auf ihre Sondenköpfe und/oder im Hinblick auf die für die jeweilige Behandlung erforderliche Leistung unterscheiden. In zweckdienlicher Ausgestaltung sind nunmehr für unterschiedliche Typen der Faseroptiken, also für unterschiedliche Sondentypen, an unterschiedlichen Positionen der optischen Faser die jeweilige Auskoppelstelle ausgebildet. Durch die Anordnung der Auskoppelstelle an unterschiedlichen Positionen, beispielsweise an unterschiedlichen Längenpositionen und/oder an unterschiedlichen Drehpositionen, wird daher eine eindeutige Identifizierbarkeit des Typs der Sonde und eine automatische Erkennung ermöglicht. Hierdurch ist also insofern eine Codierung der unterschiedlichen Typen erreicht.
Zweckdienlicherweise erfolgt anhand einer automatischen Erkennung mittels dieser Codierung eine typenangepasste Einstellung der Leistung der Laservorrichtung. Wie bereits erwähnt wird im Vorfeld des eigentlichen Betriebs des Lasers ein Prüfmodus beispielsweise durch Abgabe eines Testsignals durchgeführt. Diese automatische Identifizierung des Sondentyps erfolgt im Rahmen dieses Prüfmodus. Anschließend wird beispielsweise die Leistung automatisch eingestellt.
Zur eindeutigen Identifizierung ist weiterhin jeder Auskoppelstelle ein eigener Messkanal zugeordnet. Dieser Messkanal umfasst für jede unterschiedlich positionierte Auskoppelstelle einen eigenen Auskoppelpfad und/oder einen eigenen Sensor der Messvorrichtung. Bei der Integration von Lichtleitkanälen in das Gehäuse sind diese daher vorzugsweise an unterschiedlichen Positionen bei unterschiedlichen Typen angeordnet. Entsprechend sind bei der Laservorrichtung auch an unterschiedlichen Positionen Sensoren und / oder optische Pfade ausgebildet, welche beispielsweise die Lichtleitkanäle fortführen. Anhand der Identifizierung, über welchen Messkanal das ausgekoppelte Licht bereitgestellt wird, wird dann eindeutig der Typ identifiziert.
Im Sinne einer möglichst einheitlichen Ausbildung ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass ein jeweiliges Gehäuse für unterschiedliche Typen ausgebildet ist und daher beispielsweise mehrere Lichtleitkanäle bzw. mehrere Durchbrechungen aufweist, wobei jeweils nur einer dieser Lichtkanäle bzw. Durchbrechungen mit einer aktiven Auskoppelstelle verbunden ist, aus der im Betrieb Licht ausgekoppelt wird. Entsprechend weist auch die Laservorrichtung mehrere Sensoren / optische Pfade auf, wobei auch hier jeweils nur einer mit dem ausgekoppelten Licht beaufschlagt wird.
Um eine eindeutige Zuordnung des jeweiligen Messkanals zu dem angeschlossenen Typ zu ermöglichen, weist in zweckdienlicher Ausgestaltung der Stecker eine Verdrehsicherung auf, so dass dieser immer in einer definierten Drehposition an der Laservorrichtung angekoppelt ist.
Im Hinblick auf die mittelbare Erfassung der Energie des in die Faser während des Betriebes eingekoppelten Lichtes ist vorzugsweise die Messanordnung zur Messung der Temperatur des Steckers, insbesondere der Ferrule ausgebildet. Anhand der gemessenen Temperatur wird mittels der Auswerteeinheit entweder auf die Erwärmung durch eine fehlerhafte Einkopplung zurückgeschlossen, so dass also die gemessene Temperatur als ein Maß für eine fehlerhafte Einkopplung gewertet wird. Alternativ wird über die Temperaturmessung auf die bewusst über die Auskoppelstelle ausgekoppelte Leistung zurückgeschlossen, welche wiederum – durch einen Vergleich mit der von der Laservorrichtung abgegebenen Leistung und bei Kenntnis des definierten Auskoppelverhältnisses an der Auskoppelstelle – ein Maß für die Qualität der eingekoppelten Leistung ist.
Zur Temperaturmessung wird beispielsweise ein geeigneter Temperatursensor verwendet. Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung der Temperatur über eine elektrische Widerstandsmessung. Hierzu sind am Gehäuse Messkontaktstellen ausgebildet, an denen ein elektrisches Messsignal angelegt wird.
Ausführungsvarianten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
1 eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit einer Laservorrichtung und einer daran angeschlossenen Lasersonde,
2 eine vergrößerte ausschnittsweise Darstellung eines Steckers der Lasersonde, mit dem diese an der Laservorrichtung angeschlossen ist,
3 eine Seitenansicht einer optischen Faser der Lasersonde, welche in einem Teilbereich mit einem Fasermantel dargestellt ist,
4A–4C schematisierte Querschnittsdarstellungen der optischen Faser von unterschiedlichen Sondentypen sowie
5 eine stark vereinfachte Stirnansicht eines mit einer Verdrehsicherung ausgebildeten Steckers mit mehreren durch Lichtleitkanäle ausgebildeten Messkanälen.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein in der 1 dargestelltes Lasersystem 2 umfasst eine Laservorrichtung 4, an der eine Lasersonde 6 als Faseroptik angeschlossen ist. Die Lasersonde 6 umfasst hierbei einen optischen Stecker 8, mit dem die Lasersonde 6 an eine hier nicht näher dargestellte Buchse der Laservorrichtung 4 angekoppelt ist. Weiterhin umfasst die Lasersonde 6 eine optische Faser 10, die den optischen Stecker 8 mit einem endseitig an der optischen Faser 10 angekoppelten Sondenkopf 12 verbindet. Aus dem Sondenkopf 12 tritt im Normalbetrieb beispielsweise zur Bearbeitung von Werkstücken und insbesondere zur medizinischen Behandlung des menschlichen Körpers Laserlicht mit einer vorgegebenen Leistung und Intensität aus.
Die Laservorrichtung 4 wiederum umfasst eine Laserquelle 14 zur Erzeugung von Laserlicht L, welches über den optischen Stecker 8 in die optische Faser 10 eingekoppelt wird. Die Laservorrichtung 4 ist dabei als Hochleistungslaser ausgebildet zur Erzeugung von gepulstem Laserlicht, insbesondere zur Erzeugung von Lichtimpulsen im Femtosekundenbereich. Die in die Lasersonde 6 eingespeiste Leistung liegt insbesondere im medizinischen Bereich typischerweise zwischen 80 Watt und 150 Watt.
Die Laservorrichtung 4 weist weiterhin eine Messanordnung auf, mittels der zumindest mittelbar die Leistung des in die Faser 10 während des Betriebes eingekoppelten Lichts ermittelt wird. Die Messanordnung weist hierzu eine Messvorrichtung 16 mit einer integrierten Auswerteeinheit 18 auf. Diese gibt bei Bedarf ein Signal S beispielsweise an eine hier nicht näher dargestellte Steuereinheit ab, über die die Laserquelle 14 gesteuert wird.
Die Messanordnung umfasst weiterhin einen Sensor 20. Dieser ist insbesondere als Fotodiode ausgebildet und dient zur Erfassung von aus der optischen Faser 10 ausgekoppelten Licht A. Das Licht A wird dabei an einer Auskoppelstelle 22 ausgekoppelt, wie sie beispielsweise anhand der 2 und 3 sowie den 4A bis 4C zu entnehmen ist. An der Auskoppelstelle 22 wird ein Bruchteil im Bereich von < 1 Promille des in der optischen Faser 10 propagierenden Lichts L ausgekoppelt und der Messvorrichtung 16 zugeführt. Die Auskoppelstelle 22 sowie ein Lichtpfad von der Auskoppelstelle 22 zu der Messvorrichtung 16 sind ebenfalls Elemente der Messanordnung.
Beim Betrieb der Laservorrichtung 4 wird zunächst in einem Prüfmodus ein Testsignal, beispielsweise ein Testimpuls in die Lasersonde 6 eingespeist und das ausgekoppelte Licht A wird von der Messvorrichtung 16 erfasst und von der Auswerteeinheit 18 ausgewertet. Hierbei wird lediglich das relative Verhältnis zwischen der Leistung bzw. Intensität des eingekoppelten Laserlichts L zu dem ausgekoppelten Licht A gemessen. Weicht dieses Verhältnis von einem vorgegebenen Referenzwert ab, so wird dies als eine fehlerhafte Ankopplung erkannt und es ergeht ein Signal S, welches beispielsweise als Warnsignal oder auch als Steuersignal ausgebildet ist. Zweckdienlicherweise wird durch dieses Signal ein Normalbetrieb der Laservorrichtung 4 unterbunden.
Wie insbesondere anhand der 2 zu entnehmen ist, ist die Auskoppelstelle 22 unmittelbar an der optischen Faser 10 innerhalb des Steckers 8 ausgebildet. Der Stecker 8 weist dabei ein Gehäuse 24 auf, welches der Auskoppelstelle 22 zugeordnet eine Durchbrechung 26 aufweist, so dass ein erster Abschnitt eines Lichtleitkanals 28 ausgebildet ist. Diese Durchbrechung 26 ist dabei in radialer Richtung orientiert und nach Art eines Kanals ausgeführt. Der Lichtleitkanal 28 wird anschließend nach einer etwa 90°-Umbiegung in einen hülsenförmigen Mantelbereich des Gehäuses 24 parallel zur Längsrichtung und damit parallel zur optischen Faser 10 nach vorne bis zu einer stirnseitigen Austrittsstelle 30 weitergeführt. Korrespondierend zu dieser Austrittsstelle 30 weist die Laservorrichtung 4, insbesondere eine entsprechende Steckerbuchse, in die der Stecker 8 eingeführt wird, eine mit der Austrittsstelle 30 fluchtende Eintrittsstelle auf, an welche ein optischer Pfad zur Messvorrichtung 16 angeschlossen ist.
Im vorderen Bereich des Steckers 8 ist das Gehäuse 24 wie bereits erwähnt hülsenförmig ausgebildet. In dem zentralen Hohlraum ist eine sogenannte Ferrule 32 angeordnet, welche als ein metallisches Röhrchen ausgebildet ist, welches die optische Faser 10 aufnimmt. Der optische Stecker 8 wird mit diesem vorderen Bereich in die entsprechende Buchse der Laservorrichtung 4 eingeführt, sodass im gekoppelten Zustand die Ferrule 32 innerhalb der Laservorrichtung 4 angeordnet ist. Die Lichteinkopplung erfolgt über die vorzugsweise plangeschliffene Stirnseite am Ende der Ferrule 32. Alternativ zu der zuvor beschriebenen Auskoppelstelle 22 in einem hinteren Bereich des Gehäuses 24 ist eine Auskoppelstelle 22 unmittelbar im Bereich der Ferrule 32 ausgebildet. Entsprechend ist an der Ferrule 32 eine der Auskoppelstelle 22 zugeordnete Durchbrechung 26 ausgebildet.
Die optische Faser 10 ist beispielhaft in 3 nochmals dargestellt. Sie weist üblicherweise einen Faserkern 34 aus einem geeigneten optischen lichtleitenden Material auf. Der Faserkern 34 ist typischerweise von einem sogenannten Cladding 36 umgeben. In der Grenzschicht zwischen dem Faserkern 34 und dem Cladding 36 erfolgt die Lichtreflektion zur Ausbreitung des Laserlichts L innerhalb der optischen Faser 10. Dieser Aufbau bestehend aus Faserkern 34 und Cladding 36 ist weiterhin noch von einem Fasermantel 38 umgeben, welcher insbesondere einen äußeren Schutzmantel bildet. Dieser besteht üblicherweise aus einem auch mehrschichtigen Kunststoff-Aufbau.
Wie insbesondere aus der 3 zu entnehmen ist, ist die Auskoppelstelle 22 durch eine eingebrachte Störstelle ausgebildet. Hierzu wird die Materialeigenschaft, insbesondere die Brechungszahl der optischen Faser 10 verändert. Dies erfolgt insbesondere durch eine punktuelle thermische Behandlung, bei der eine Modifikation des Materials auftritt und insbesondere auch das Cladding 36 zerstört wird. Durch diese spezielle Behandlung ist daher eine Störstelle geschaffen, an der das Laserlicht L teilweise austritt, sodass also Licht A an dieser Stelle ausgekoppelt wird.
Alternativ zu der direkten Auswertung des ausgekoppelten Lichts L ist eine Temperaturmessung des Gehäuses 8, insbesondere der Ferrule 32 vorgesehen. Hierzu wird bevorzugt eine elektrische Widerstandsmessung durchgeführt. Am Gehäuse 8, insbesondere an der Ferrule 32 sind dabei – wie in 2 skizziert – Messkontaktstellen 33 ausgebildet, an denen als Messsignal eine elektrische Spannung angelegt wird. Das Messsignal wird über geeignete Leiterbahnen oder auch drahtlos an die Auswerteeinheit 18 übermittelt und dort ausgewertet. Für die Auswertung wird dabei insbesondere auf hinterlegte Tabellen oder auch auf Berechnungsmodelle / Algorithmen zurückgegriffen. Für diese können insbesondere auch Materialparameter und / oder Umgebungsparameter berücksichtigt werden.
Anhand der 4A, 4B, 4C werden anhand stark vereinfachter Darstellungen von verschiedenen optischen Fasern 10 schematisiert unterschiedliche Typen von Lasersonden 6 beschrieben, welche sich hinsichtlich der Position der Auskoppelstelle 22 unterscheiden. In den 4A, 4B, 4C sind dabei lediglich jeweils der vom Cladding 36 umgebene Faserkern 34 dargestellt. Wie zu erkennen ist, sind für die verschiedenen Typen an unterschiedlichen Drehwinkelpositionen die Auskoppelstellen 22 ausgebildet. Jede Drehwinkelposition ist dabei charakteristisch für einen speziellen Lasersondentyp. Korrespondierend hierzu weist vorzugsweise auch der Stecker 8 gemäß 5 mehrere Lichtleitkanäle 28 mit Austrittsstellen 30 auf, welche jeweils Messkanäle 40 definieren. Die stirnseitigen Austrittsstellen 30 fluchten dabei im gekoppelten Zustand jeweils mit korrespondierenden Eintrittsstellen auf Seiten der Laservorrichtung 4 und werden jeweils zu messkanalspezifischen Sensoren 20 geleitet. Weiterhin ist anhand der 5 noch eine Verdrehsicherung 42 zu erkennen, welche in einfacher Weise als ein radial abstehender Stift an einer Wandung des Gehäuses 24 ausgebildet ist. Korrespondierend hierzu ist eine entsprechende Ausnehmung an der Buchse der Laservorrichtung 4 angeordnet. Dadurch ist eine definierte Winkelorientierung des Steckers 8 gewährleistet. Anhand des aktiven Messkanals 40, über den also das ausgekoppelte Licht A rückübertragen wird, ist damit eine eindeutige Identifizierung des jeweiligen Typs der Lasersonde 6 ermöglicht. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit 18 dafür eingerichtet ein entsprechendes Identifikationssignal S an die Steuereinheit der Laservorrichtung 4 weiterzugeben, sodass automatisch eine für den jeweiligen Sondentyp definierte Laserleistung eingestellt wird.
Das Erfassen des ausgekoppelten Lichts A kann grundsätzlich auch als Originalitätskontrolle herangezogen werden. Sofern also die Messvorrichtung 16 kein korrektes ausgekoppeltes Licht A erfasst, wird ein Sperrsignal abgegeben, sodass die Laservorrichtung 4 nicht in Betrieb genommen werden kann.
Bezugszeichenliste

2: Lasersystem
4: Laservorrichtung
6: Lasersonde
8: optischer Stecker
10: optische Faser
12: Sondenkopf
14: Laserquelle
16: Messvorrichtung
18: Auswerteeinheit
20: Sensor
22: Auskoppelstelle
24: Gehäuse
26: Durchbrechung
28: Lichtleitkanal
30: Austrittsstelle
32: Ferrule
33: Messkontaktstelle
34: Faserkern
36: Cladding
38: Fasermantel
40: Messkanal
42: Verdrehsicherung
L: Laserlicht
S: Signal
A: ausgekoppeltes Licht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0019125 A1 [0003]
US 7005623 B2 [0004]
US 5742718 [0006]

Claims

Faseroptik (6), insbesondere eine Lasersonde, welche eine optische Faser (10) mit einem an einer proximalen Seite der Faser (10) angebrachten optischen Stecker (8) aufweist, mit dem sie an eine Laservorrichtung (4) zum Einkoppeln von Licht (L) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der proximalen Seite der Faseroptik (6) zumindest ein Element (22, 33) einer Messanordnung (22, 33, 16) zur Erfassung der Leistung des in die Faser (10) während des Betriebes eingekoppelten Lichtes (L) integriert ist.
Faseroptik (6), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (22, 33) zur Erfassung einer Verlustleistung ausgebildet ist, die vorzugsweise im Bereich kleiner 10 Promille der in der Faser (10) übertragenen Leistung liegt.
Faseroptik (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Faser (10) als das zumindest eine Element eine permanente Auskoppelstelle (22) ausgebildet ist, so dass an dieser im Betrieb ein Teil des sich in der Faser (10) ausbreitenden Lichts (L) ausgekoppelt wird.
Faseroptik (6) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung anhand des ausgekoppelten Lichts (A) zur Überprüfung eines Einkoppelverlustes der in die Faseroptik (6) eingekoppelten Leistung ausgebildet ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (22, 33, 16) zur Auswertung des Verhältnisses der von der Laservorrichtung (4) abgegebenen Leistung zu der des ausgekoppelten Lichts (A) ausgebildet ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelstelle (22) durch eine in die Faser (10) eingebrachte Störstelle ausgebildet ist, an der die Übertragungseigenschaften der Faser (10) verändert sind, so dass aufgrund der Störstelle Licht aus der Faser (10) ausgekoppelt wird.
Faseroptik (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Störstelle eine Brechungszahl an einer Grenzschicht zwischen einem Faserkern (34) und einem Cladding (36) verändert ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskoppelstelle (22) innerhalb des Steckers (8) ausgebildet ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stecker (8) ein Gehäuse (24) aufweist, in das eine Durchbrechung (26) zur Auskoppelstelle (22) ausgebildet ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (24) ein Lichtleitkanal (28) für das ausgekoppelte Licht (A) ausgebildet ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Stecker (8) ein Sensor (20) der Messanordnung eingeführt ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Messvorrichtung (16) der Messanordnung (22, 33, 16) verbunden ist und die Messvorrichtung (16) insbesondere innerhalb der Laservorrichtung (4) angeordnet ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser (10) innerhalb des Steckers (8) in einer Ferrule (32) angeordnet ist, wobei die Störstelle im Bereich der Ferrule (32) ausgebildet ist
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (22, 33, 16) zur Identifizierung der Faseroptik (6) anhand des ausgekoppelten Lichts (A) ausgebildet ist.
Faseroptik (6) nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese in unterschiedlichen Typen bereitgestellt ist, wobei für unterschiedliche Typen der Faseroptiken jeweils an unterschiedlichen Positionen eine jeweilige Auskoppelstelle (22) platziert ist.
Faseroptik (6) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedlich platzierte Auskoppelstellen (22) jeweils ein eigener Messkanal (40) ausgebildet ist und anhand des für das ausgekoppelte Licht (A) benutzten Messkanals (40) eine Identifizierung des Typs erfolgt.
Faseroptik (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Energie des in die Faser (10) während des Betriebes eingekoppelten Lichtes (L) die Messanordnung (22, 33, 16) zur Messung der Temperatur des Steckers (8) ausgebildet ist.
Faseroptik (6) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (22, 33, 16) Messkontaktstellen (33) am Stecker (8), insbesondere an der Ferrule (32) für eine elektrische Widerstandsmessung aufweist.
Lasersystem (2) mit einer Faseroptik (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Laservorrichtung (4), an die die Faseroptik (6) angeschlossen ist.