DE19508100A1 - Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen, die von unterschiedlichen Lichtquellen ausgehen, d. h. zunächst räumlich getrennt sind, in eine Lichtleitfaser.

Herkömmliche Vorrichtungen zum Einkoppeln von mehreren Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser weisen sogenannte dichroitische Spiegel auf, d. h. Spiegel, die Licht mit einer bestimmten Wellenlänge hindurchtreten lassen, während sie Licht mit einer anderen Wellenlänge reflek­ tieren. Damit ist es möglich, das Licht aus unter­ schiedlichen, räumlich getrennten Lichtquellen mit verhältnismäßig geringen Verlusten in den gleichen Lichtweg einzukoppeln.

Die Verwendung von dichroitischen Spiegeln ist jedoch insbesondere dann nicht möglich, wenn wenigstens eine Lichtquelle einen Lichtstrahl mit hoher Leistung im Infrarotbereich zwischen etwa 2 µm und 3,5 µm emit­ tiert, da durch diesen Lichtstrahl die bekannten dichroitische Spiegelschicht bereits nach kürzester Standzeit zerstört werden.

Bei einer weiteren Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser sind eine Reihe von herkömmlichen Prismen vorgesehen, deren "Austritts­ achsen" einen kleinen Winkel miteinander einschließen. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß die opti­ schen Wege vergleichsweise lang sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen, die von unterschiedlichen Lichtquellen ausgehen, in eine Licht­ leitfaser anzugeben, die ohne die Verwendung dichroiti­ scher Spiegel auskommt, so daß sie auch das Einkoppeln von Lichtstrahlen mit hoher Leistung und mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich ermöglicht.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 angegeben. Weiter­ bildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 3 folgende.

Sofern die Lichtstrahlen der einzelnen Lichtquellen eine "deutlich" unterschiedliche Wellenlänge aufweisen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einkoppeln dieser Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser, ein re­ fraktives oder defraktives Element auf (Anspruch 1). Dieses Element lenkt das Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge mit einem unterschiedlichen Winkel ab bzw. reflektiert (streut in Rückwärtsrichtung) dieses mit einem von der Wellenlänge abhängigen Winkel. Anders ausgedrückt, wird erfindungsgemäß die Dispersion des zum Einkoppeln verwendeten Elements ausgenützt, um die Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge zusam­ menzuführen.

Bildet man nun die erfindungsgemäße Vorrichtung derart aus, daß die einzelnen Lichtstrahlen an unterschied­ lichen Orten und/oder mit einem unterschiedlichen Win­ kel auf das erfindungsgemäß vorgesehene Element auf­ treffen, wobei die einzelnen Orte bzw. Winkel derart gewählt sind, so kann man durch geeignete Wahl der Parameter erreichen, daß die Lichtstrahlen aus dem Element am gleichen Ort und in der gleichen Richtung austreten.

Damit können die von an unterschiedlichen Orten ange­ ordneten Lichtquellen ausgehenden Lichtstrahlen derart vereinigt werden, daß sie durch ein Element - wie bei­ spielsweise eine Linse oder ein optisches Glied mit geeigneter Brechkraft - in die Faser fokussiert werden.

Im Anspruch 2 ist eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen mit unterschiedlicher oder gleicher Wel­ lenlänge in eine Lichtleitfaser angegeben, die einen Parabolspiegel aufweist. Die einzelnen Lichtstrahlen treffen auf dem Parabolspiegel an unterschiedlichen Orten und/oder mit einem unterschiedlichen Winkel auf.

Erfindungsgemäß werden nun die einzelnen Auftrefforte bzw. Winkel so gewählt, daß die reflektierten Licht­ strahlen innerhalb des numerischen Aperturwinkels der Faser in diese eintreten. Es wird also auf einen Zusammenführung "im strengen Sinne" verzichtet. Statt dessen werden die Lichtstrahlen so "überlagert", daß sie alle innerhalb des numerischen Aperturwinkels in die Faser eintreten.

Die beiden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Grund­ gedankens, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben sind, haben den gemeinsamen Vorteil, daß sie die Zusam­ menführung von Lichtstrahlen, die von unterschiedlichen Orten ausgehen, in einer Weise erlauben, daß die ein­ zelnen Lichtstrahlen in die selbe Lichtleitfaser einge­ koppelt werden können. Dabei spielt es keine Rolle, ob die einzelnen Lichtstrahlen simultan oder zeitlich nacheinander, d. h. sequentiell in die Lichtleitfaser eingekoppelt werden.

Gemäß Anspruch 3 ist das erfindungsgemäß vorgesehene Element ein Prisma, ein in Reflexion oder in Transmis­ sion betriebenes Hologramm oder ein Gitter. Bei sämtli­ chen genannten Elementen wird die Dispersion bei der Reflexion bzw. Beugung der Lichtstrahlen ausgenutzt.

Im Anspruch 4 sind verschiedene Materialien angegeben, aus den Prismen bestehen können, wenn wenigstens einer der in die Lichtleitfaser eingekoppelten Lichtstrahlen eine Wellenlänge im Infrarotbereich zwischen etwa 2 µm und 3,5 µm hat. Bevorzugte Materialien sind dann Infra­ sil-Quarz, LiF, Germanium, LiNbO₃ oder Saphir.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie in unaufwendiger Weise die Integration einer Energiemessung ermöglicht (Anspruch 5). Hierzu ist wenigstens ein Lichtdetektor vorgesehen, der bei einem in Reflexion betriebenen Element das hindurchtre­ tende Licht und bei einem in Beugung betriebenen Ele­ ment das reflektierte Licht erfaßt. Eine Auswerteein­ heit ermittelt aus dem Ausgangssignal des Lichtdetek­ tors die Leistung der Lichtquellen. Damit werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die "Verluste", die beim Auftreffen der Lichtstrahlen auf das erfindungs­ gemäß vorgesehene Element unvermeidbar entstehen, dazu ausgenutzt, die Energie der emittierten Lichtstrahlen zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 er­ möglicht das Einkoppeln von Lichtstrahlen, von denen jeder nur eine kleine "Wellenlängen-Verteilung" hat, und die insbesondere monochromatisch sind, die also insbesondere Laserstrahlen sein können. Die erfindungs­ gemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 2 ist dagegen voll­ ständig Wellenlängen-unabhängig.

Unabhängig hiervon sind jedoch beide Vorrichtungen für monochromatische Lichtquellen und vor allem für Laser- Lichtquellen mit hoher Energie geeignet (Anspruch 6).

Besonders ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für Laser-Lichtquellen geeignet, von denen wenigstens eine Licht im Infrarot-Bereich emittiert. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist im Anspruch 7 angegeben, gemäß der ein Erbium-YAG-Laser, ein Holmium-YAG-Laser und gegebenenfalls ein Zielstrahllaser verwendet wer­ den.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ohne Beschränkung der allgemeinen Anwendbarkeit insbesondere in der Medi­ zintechnik anwendbar. Dabei kann die Faser Bestandteil eines Endoskops oder eines Katheders sein (Anspruch 8). Im Falle der im Anspruch 7 angegebenen Lichtquellen können die Lichtquellen bezüglich ihrer Leistungsabgabe insbesondere so dimensioniert werden, daß der Erbium- YAG-Laser zum Schneiden und der Holmium-YAG-Laser zum Koagulieren verwendet werden kann.

Ferner ist es möglich, eine der Lichtquellen für die Diagnose und wenigstens eine weitere Lichtquelle für therapeutische Anwendungen auszulegen und das Licht aller Lichtquellen in eine Faser einzukoppeln, ohne daß es irgendwelcher mechanischer Umbauten, wie beispiels­ weise des Einschwenkens eines Spiegels bedürfte.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Prisma als "Koppel-Element", und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Parabolspiegel als "Koppel-Element".

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, bei dem die Laserstrahlen zweier Laser, z. B. eines Holmium-Lasers 1 mit einer Wellenlänge von 2,1 µm und eines Erbium-Lasers 2 mit einer Wellenlänge von 2,94 µm in eine Lichtleitfaser bzw. Fiber 3 eingekop­ pelt werden. Zusätzlich kann auch noch der Laserstrahl 4 eines nicht dargestellten Zielstrahllasers, der Licht im sichtbaren Bereich emittiert, wie beispielsweise eines HeNe-Lasers oder einer Laserdiode, in die Licht­ leitfaser 3 eingekoppelt werden.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist als Koppel- Element ein Prisma 5 vorgesehen, auf das die Laser­ strahlen 1′ und 2′ der beiden Laser 1 und 2 sowie gege­ benenfalls der Laserstrahl 4 des Zielstrahllasers auf­ treffen. Zur Führung der Laserstrahlen können selbst­ verständlich strahlführende Elemente, wie beispiels­ weise Spiegel 11 verwendet werden.

Die Auftrefforte auf der Eintrittsfläche des Prismas 5 und die Auftreffwinkel relativ zu dieser Fläche der verschiedenen Laserstrahlen sind dabei so gewählt, daß die einzelnen Laserstrahlen nach der Beugung an den durchsetzten Flächen des Prismas aus dem Prisma 5 am selben Ort und mit dem selben Winkel relativ zu der Austrittsfläche austreten. Damit ergibt sich ein ein­ heitlicher Strahl 6, der beispielsweise über eine Linse bzw. ein optisches System 7 in die Eintrittsfläche 3′ der Lichtleitfaser 3 in der gleichen Weise eingekoppelt werden kann, wie dies für die Einkoppelung eines einzi­ gen Laserstrahls in eine Lichtleitfaser bekannt ist.

Die Einkoppelung der verschiedenen Laserstrahlen kann simultan oder zeitlich sequentiell erfolgen; dies hängt ausschließlich von der Ansteuerung der beiden Laser 1 und 2 und gegebenenfalls des Zielstrahllasers durch eine Steuereinheit 8 ab, nicht jedoch von der Art, wie die Strahlzusammenführung realisiert wird.

Ein kleiner Teil der jeweiligen Laserstrahlen wird an der Eintrittsfläche des Prismas 5 nicht gebeugt, son­ dern reflektiert. Da das Verhältnis zwischen der in das Prisma eintretenden und der reflektierten Lichtleistung durch die Geometrie des Prismas und den Auftreffwinkel, die Oberflächenbeschaffenheit und das Prismenmaterial genau festgelegt ist, kann man diesen Teil, also die reflektierten Laserstrahlen 1′′ und 2′′ dazu benutzen, die Leistung der Laser 1 und 2 zu überwachen.

Hierzu ist im Strahlengang der Laserstrahlen 1′′ und 2′′ jeweils eine Photodiode 91 bzw. 92 angeordnet, die die auf sie auftreffende Lichtleistung messen. Die Aus­ gangssignale der Photodioden 91 und 92 sind an eine Auswerteeinheit 10 angelegt, die die Laserleistung ermittelt und bei Über- bzw. Unterschreiten bestimmter Grenzwerte einen Alarm aus löst und/oder die Laser ab­ schaltet. Weiterhin kann die Auswerteeinheit 10 auch dazu verwendet werden, die Laserleistung zu regeln.

Als Material für das Prisma kommen neben Quarz die verschiedensten Materialien in Betracht. Eine nicht abschließende Aufzählung verschiedener möglicher Mate­ rialien, die sich für das Zusammenführen der Laser­ strahlen der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eingesetzten Laser eignet, ist in der folgenden Tabelle angegeben:

Tabelle

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist vergleichs­ weise kompakt und erlaubt das Zusammenführen von Laser­ strahlen mit sehr stark unterschiedlicher Wellenlänge. Darüberhinaus ist - wie dargelegt - in einfacher Weise eine Leistungsüberwachung der Laser möglich.

Aus den genannten Gründen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 besonders für den Einsatz in der Medizintechnik geeignet. Die Faser 3 kann dabei insbesondere Bestandteil eines Endoskops oder eines Katheders sein bzw. in einem derartigen Instrument geführt werden. Dabei kann der Laserstrahl des Erbium- Lasers 2 zum Schneiden von Gewebe und der Laserstrahl des Holmium-Lasers 1 aufgrund der größeren Eindring­ tiefe zum Koagulieren eingesetzt werden.

Man erhält damit eine endoskopische Vorrichtung, mit der gleichzeitig oder nacheinander, in jedem Falle jedoch ohne Umbau irgendwelcher Teile, geschnitten und koaguliert werden kann.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, bei dem das Koppel-Element ein Parabolspiegel 5′ ist. Da die Reflexion an dem Parabolspiegel 5′ unabhän­ gig von der Wellenlänge des auftreffenden Lichts ist, können durch diesen Spiegel Lichtstrahlen 1′, 2′ und 4 mit unterschiedlicher oder gleicher Wellenlänge in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt werden.

Hierzu treffen die einzelnen Lichtstrahlen auf dem Parabolspiegel 5′ an unterschiedlichen Orten und mit einem unterschiedlichen Winkel auf. Die einzelnen Auf­ trefforte bzw. Winkel so gewählt, daß die reflektierten Lichtstrahlen innerhalb des numerischen Aperturwinkels der Faser 3 in diese eintreten.

Wie bereits erwähnt, müssen die Lichtstrahlen 1′, 2′ und 4 nicht von Lasern emittiert werden, die Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, da bei diesem Ausführungsbeispiel das Zusammenführen der Lichtstrah­ len nicht auf der Dispersion des Meterials, aus dem das Koppel-Elements besteht, beruht.

Beispielsweise ist es möglich, daß die Lichtstrahlen 1′ und 2′ die selbe Wellenlänge haben und von Lasern emit­ tiert werden, die sich lediglich bezüglich ihrer Puls­ dauer und/oder Leistung unterscheiden.

Es ist sogar nicht einmal erforderlich, daß die Licht­ strahlen von Lasern emittiert werden. Vielmehr ist es auch möglich, breitbandige Lichtquellen, wie beispiels­ weise Glühlampen oder Hochdrucklampen als Emissions­ quelle für die zusammenzuführenden Lichtstrahlen einzu­ setzen oder gleichzeitig breitbandige Lichtquellen und Laser einzusetzen, deren Licht in ein- und dieselbe Faser eingekoppelt wird. Selbstverständlich können auch die Strahlen von Lasern und von anderen Lichtquellen, wie beispielsweise Beleuchtungslichtquellen gleichze­ itig in die Lichtleitfaser eingekoppelt werden.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen ohne Beschränkung des allgemeinen, den Ansprü­ chen zu entnehmenden Grundgedankens beschrieben worden. Insbesondere ist die Beschreibung von Ausführungsbei­ spielen nicht einschränkend zu verstehen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen von Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge in eine Lichtleitfaser, mit

• - einem refraktiven oder defraktiven Element,
  • - das Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge mit einem unterschiedlichen Winkel ablenkt bzw. reflek­ tiert, und
  • - auf das die einzelnen Lichtstrahlen an unter­ schiedlichen Orten und/oder mit einem unterschied­ lichen Winkel auftreffen, wobei die einzelnen Orte bzw. Winkel derart gewählt sind, daß die Licht­ strahlen aus dem Element am gleichen Ort und in der gleichen Richtung austreten, und
• - einem Element, das das Lichtbündel mit Licht unter­ schiedlicher Wellenlänge in die Faser fokussiert.

2. Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen unter­ schiedlicher oder gleicher Wellenlänge in eine Licht­ leitfaser, mit einem Parabolspiegel, bei der

• - die einzelnen Lichtstrahlen auf dem Parabolspiegel an unterschiedlichen Orten und/oder mit einem unterschiedlichen Winkel auftreffen, und
• - die einzelnen Auftrefforte bzw. Winkel so gewählt sind, daß die reflektierten Lichtstrahlen innerhalb des numerischen Aperturwinkels der Faser in diese eintreten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Prisma, ein in Reflexion oder in Transmission betriebenes Hologramm oder ein Gitter ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma aus Infrasil- Quarz, LiF, Germanium, LiNbO₃ oder Saphir besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Lichtdetek­ tor vorgesehen ist, der bei einem in Reflexion betrie­ benen Element das hindurchtretende Licht und bei einem in Beugung betriebenen Element das reflektierte Licht erfaßt, und daß eine Auswerteeinheit aus dem Ausgangssignal des Lichtdetektors die Leistung der Lichtquellen ermittelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen Laser- Lichtquellen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Lichtquellen ein Erbium-YAG-Laser, ein Holmium-YAG-Laser und gegebenen­ falls ein Zielstrahllaser sind.

8. Endoskopische Vorrichtung mit einer Lasereinheit und/oder einen therapeutischen und/oder diagnostischen nichtkohärenten Lichteinheit und einem in den mensch­ lichen oder tierischen Körper einsetzbaren Instrument, in das eine Lichtleitfaser eingesetzt ist, die das Licht der Einheit(en) zum distalen Ende des Endoskops bzw. Katheders leitet, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg vor dem proxi­ malen Ende der Lichtleitfaser eine Vorrichtung zum Einkoppeln der Lichtstrahlen der einzelnen Lichtquellen der Einheiten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorge­ sehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Erbium-YAG-Laser zum Schneiden von Gewebe und der Holmium-YAG-Laser zum Koagulieren ausgelegt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lichtquellen be­ züglich Leistungsabgabe und Wellenlänge so ausgebildet ist, daß sie zur Diagnose, wie beispielsweise zur Fluo­ reszenzdiagnose eingesetzt werden kann.