DE19508100B4

DE19508100B4 - Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE19508100B4
Application number: DE19508100A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Frenz; Heinz P. Dr. Weber; Hans Pratisto
Original assignee: Storz Endoskop GmbH
Current assignee: Storz Endoskop GmbH
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2015-03-09
Also published as: DE19508100A1

Abstract

Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen (1', 2') in eine Lichtleitfaser (3), die jeweils aus einem Parallellichtbündel bestehen, sich in ihrer jeweiligen Wellenlänge unterscheiden und an unterschiedlichen Stellen und unter unterschiedlichen Winkeln auf eine gemeinsame, ebene Eintrittsfläche eines Prismas (5) auftreffen, wobei die einzelnen Stellen und Winkel derart gewählt und der jeweiligen Wellenlänge zugeordnet sind, dass die Lichtstrahlen (1', 2') aus dem Prisma (5) an der selben Stelle und in der selben Richtung austreten, so dass sie an der Austrittsfläche des Prismas (5) einen einheitlichen Lichtstrahl (6) mit den unterschiedlichen Wellenlängen bilden, der mit einem optischen Element (7) in die Lichtleitfaser (3) fokussiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen 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 reflektieren. Damit ist es möglich, das Licht aus unterschiedlichen, 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 emittiert, da durch diesen Lichtstrahl die bekannte dichroitische Spiegelschicht bereits nach kürzester Standzeit zerstört würde.

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

Aus dem Dokument der DE 4308554A1 ist eine Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichts von Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen in eine Lichtleitfaser bekannt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein erstes und ein zweites doppeltbrechendes Prisma vorgesehen sind zwischen denen ein Faraday-Rotator angeordnet ist.

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

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 folgende.

Sofern die Lichtstrahlen der einzelnen Lichtquellen eine "deutlich" unterschiedliche Wellenlänge aufweisen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Eikoppeln dieser Lichtstrahlen in eine Lichtleitfaser und ein Prisma auf. Dieses Prisma lenkt das Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge mit einem unterschiedlichen Winkel ab bzw. reflektiert dieses zum Teil. Anders ausgedrückt, wird erfindungsgemäß die Dispersion des zum Einkoppeln verwendeten Prismas ausgenützt, um die Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge zusammenzuführen.

Die Vorrichtung nach Anspruch 1 ermöglicht, dass man durch geeignete Wahl der Parameter erreichen kann, daß die Lichtstrahlen aus dem Prisma an der selben Stelle und in der selben Richtung austreten.

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

Dabei spielt es keine Rolle, ob die einzelnen Lichtstrahlen simultan oder zeitlich nacheinander, d.h. sequentiell in die Lichtleitfaser eingekoppelt werden.

Im Anspruch 2 sind verschiedene Materialien angegeben, aus denen 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 Infrasil-Quarz, LiF, Germanium, LiNbO ₃ oder Saphir.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie in unaufwendiger Weise die Integration einer Energiemessung ermöglicht (Anspruch 3). Hierzu ist wenigstens ein Lichtdetektor vorgesehen, der das von dem Prisma reflektierte Licht erfaßt. Eine Auswerteeinheit ermittelt aus dem Ausgangssignal des Lichtdetektors die Leistung der Lichtquellen. Damit werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die "Verluste", die beim Auftreffen der Lichtstrahlen auf das erfindungsgemäß vorgesehene Element unvermeidbar entstehen, dazu ausgenutzt, die Energie der emittierten Lichtstrahlen zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ermöglicht das Einkoppeln von Lichtstrahlen, von denen jeder nur eine kleine "Wellenlängen-Verteilung" hat und die monochromatisch sind, die also insbesondere Laserstrahlen sein können.

Die Vorrichtung ist für monochromatische Lichtquellen und vor allem für Laser-Lichtquellen mit hoher Energie geeignet (Anspruch 4).

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 5 angegeben, gemäß der ein Erbium-YAG-Laser, ein Holmium-YAG-Laser und gegebenenfalls – Anspruch 6 – ein Zielstrahllaser verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ohne Beschränkung der allgemeinen Anwendbarkeit insbesondere in der Medizintechnik anwendbar. Dabei kann die Faser Bestandteil eines Endoskops oder eines Katheders sein (Anspruch 7). Im Falle der im Anspruch 5 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 beispielsweise des Einschwenkens eines Spiegels bedürfte.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Prisma als "Koppel-Element"
Dargestellt ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, 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 eingekoppelt 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 Lichtleitfaser 3 eingekoppelt werden.
Dabei ist als Koppel-Element ein Prisma 5 vorgesehen, auf das die Laserstrahlen 1' und 2' der beiden Laser 1 und 2 sowie gegebenenfalls der Laserstrahl 4 des Zielstrahllasers auftreffen. Zur Führung der Laserstrahlen können selbstverständlich strahlführende Elemente, wie beispielsweise 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 Brechung an den Flächen des Prismas aus dem Prisma 5 am selben Ort und mit dem selben Winkel relativ zu der Austrittsfläche austreten. Damit ergibt sich ein einheitlicher 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 einzigen 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 gebrochen, sondern 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 Ausgangssignale der Photodioden 91 und 92 sind an eine Auswerteeinheit 10 angelegt, die die Laserleistung ermittelt und bei Über- bzw. Unterschreiten bestimmter Grenzwerte einen Alarm auslöst und/oder die Laser abschaltet. 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 Materialien, die sich für das Zusammenführen der Laserstrahlen der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eingesetzten Laser eignet, ist in der folgenden Tabelle angegeben:
Tabelle
Der Prismawinkel ist in 1 mit Γ bezeichnet.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung ist vergleichsweise kompakt und erlaubt das Zusammenfühen von Laserstrahlen 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 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 Eindringtiefe 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.

Claims

Vorrichtung zum Einkoppeln von Lichtstrahlen (1', 2') in eine Lichtleitfaser (3), die jeweils aus einem Parallellichtbündel bestehen, sich in ihrer jeweiligen Wellenlänge unterscheiden und an unterschiedlichen Stellen und unter unterschiedlichen Winkeln auf eine gemeinsame, ebene Eintrittsfläche eines Prismas (5) auftreffen, wobei die einzelnen Stellen und Winkel derart gewählt und der jeweiligen Wellenlänge zugeordnet sind, dass die Lichtstrahlen (1', 2') aus dem Prisma (5) an der selben Stelle und in der selben Richtung austreten, so dass sie an der Austrittsfläche des Prismas (5) einen einheitlichen Lichtstrahl (6) mit den unterschiedlichen Wellenlängen bilden, der mit einem optischen Element (7) in die Lichtleitfaser (3) fokussiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (5) aus Infrasil-Quarz, LiF, Germanium, LiNbO₃ oder Saphir besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Lichtdetektor (91, 92) vorgesehen ist, der von dem Prisma (5) reflektiertes Licht erfaßt, und daß eine Auswerteeinheit (10) aus dem Ausgangssignal des wenigstens einen Lichtdetektors (91, 92) die Leistung der die Lichtstrahlen (1', 2') erzeugenden Lichtquellen (1, 2) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (1, 2) Laser-Lichtquellen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Lichtquellenein Erbium-YAG-Laser und ein Holmium-YAG-Laser sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Laser-Lichtquellen ein Zielstrahllaser vorgesehen ist.
Endoskopische Vorrichtung mit einer Laser-Lichtquelle und/oder einer therapeutischen und/oder diagnostischen nichtkohärenten Lichtquelle und einem in den menschlichen oder tierischen Körper einsetzbaren Instrument, in das eine Lichtleitfasereingesetzt ist, die das Licht zum distalen Ende der Vorrichtung leitet, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg vor dem proximalen Ende der Lichtleitfaser(3) eine Vorrichtung zum Einkoppeln der Lichtstrahlen (1', 2') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Erbium-YAG-Laser zum Schneiden von Gewebe und der Holmium-YAG-Laser zum Koagulieren ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Lichtquellen (1, 2) bezüglich Leistungsabgabe und Wellenlänge so ausgebildet ist, daß sie zur Diagnose eingesetzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose eine eine Fluoreszenzdiagnose ist.