DE2517019A1 - Verfahren zur einkopplung hoher optischer leistungen in lichtleiter - Google Patents

Description

• Verfahren zur Einkopplung hoher optischer Leistungen in Lichtleiter Die Möglichkeit, elektromagnetische Strahlung im optischen Wellenlängenbereich in hochtransparenten ummantelten Fasern aus anorganischen oder organischen Glasmaterialien mit totaireflektierender Kern-Mantel-Grenzschicht zu führen, ist seit längerer Zeit bekannt. In den letzten Jahren wurden auch Lichtleiter hergestellt, die die Obertragung hoher optischer Leistungen, wie sie beispielsweise zur thermischen Veränderung von Materialoberflächen oder zur intensiven monochromatischen Beleuchtung mit Laserstrahlung ben?)-tigt werden, erlauben. Die in den-Lichtleiter einzukoppelnde optische Leistung muß in Form eines schlanken Lichtbündels vorgegeben sein, welches durch ein geeignetes optisches System in den Faserkern einjustiert werden kann. Dabei treten folgende Forderungen auf: 1. Der Lichtbündeldurchmesser muß an der Einkoppelfläche des Lichtleiters geringfügig kleiner sein als der Durchmesser des Lichtleitkerns, damit a) die gesamte Leistung des Lichtbündels in den Lichtleiter eingekoppelt wird und b) die Lichtleistung bereits bei der Einkopplung auf die größtmögliche Fläche verteilt und somit die optische Belastung des Lichtleiterkernmaterials auf ein Minimum reduziert wird.
• 2. Das Lichtbündel muß unter diesen Umständen sehr genau auf die Lichtleiterkernoberfläche justiert werden können.
• 3. Das Lichtbündel muß bei der Einkopplung in den Lichtleiterkern eine geringfügige Divergenz aufweisen, damit sich innerhalb des Lichtleiterkerns kein Fokus ausbildet, der durch die mit ihm auftretenden extrem höhen optischen Leistungsdichten zur Beschädigung oder gar Zerstörung des Lichtleiters führen könnte. Die Lichtbündeldivergenz bei der Einkopplung muß jedoch klein sein, da mit ihr die Transmissionsverluste des Lichtleiters ansteigen.
• 4. An der Lichtleiterkernoberfläche muß für ausreichende Wärmeabführung gesorgt sein. Oberflächliche mikroskopische Verunreinigungen können sich durch ihre optische Absorption zu stark erhitzen und die thermische Zerstörung der Lichtleiterkernoberfläche einleiten, wenn sie nicht allseitig in ausreichend wärmeableitendes Medium eingebettet sind.
• Alle diese Forderungen werden von dem erfindungsgemäßen Verfahren einer Immersionseinkopplung vollständig erfüllt. Dieses Verfahren ist in der beigefügten Skizze schematisch dargestellt und nachfolgend erläutert.
• Das Lichtbündel mit Durchmesser d1 tritt durch eine Linse L mit geeigneter Brennweite f in die unmittelbar angrenzende Immersionsflüssigkeit 1 ein, wird nach Durchlaufen einer Kaustik schwach divergent und nimmt schließlich im Abstand £ einen Durchmesser d2 < Lichtleiterkerndurchmesser dK an.
• Die Immersionsflüssigkeit erfüllt dabei folgende wichtige Funktionen: 1. Sie bewirkt die notwendige zusätzliche Wärmeableitung von den lichtabsorbierenden mikroskopischen Fremdkörpern auf der Lichtleiterkernoberfläche O. Dieser Effekt kann dadurch noch verstärkt werden, daß man die Immersionsflüssigkeit ohne Beeinträchtigung ihrer optischen Homogenität an der Lichtleiterkernoberfläche vorbeiströmen läßt und/oder gegebenenfalls zusätzlich kühlt.
• 2. Da die Brechungsindizes von Linsenmaterial nL und Lichtleiterkernmateriai nK nahezu gleich sind, kann man durch Wahl einer geeigneten, die Lichtleitermaterialien, Linse L und Behältnis B nicht angreifenden, hochtransparenten Immersionsflüssigkeit 1 mit Brechungsindex n; n# nL und nj ~ bk die Fresnel-Reflexionsverluste an den optischen Grenzflächen Linse - Immersionsflüssigkeit und Immersionsflüssigkeit - Lichtleiterkern weitgehend unterdrücken. Die Fresnel-Reflexionsverluste an der äußeren Grenzfläche Luft - Linse können durch Aufbringen einer geeigneten optischen Vergütungsschicht weitgehend unterdrückt werden.
• 3. Eine schwache Streustrahlung der hochtransparenten Immersionsflüssigkeit 1 macht das einzukoppelnde Lichtbündel in seinem Verlauf durch die Immersionsflüssigkeit und in seiner lateralen Ausdehnung für das Auge deutlich erkennbar, wenn man das die Immersionsflüssigkeit fassende Behältnis B aus durchsichtigem Material herstellt. Es ist dann sehr einfach, das Lichtbündel genau auf die Lichtleiterkernoberfläche O einzujustieren.
• Diese zuletzt genannte Einjustierung erfolgt durch geeignete Orientierung bezüglich des einfallenden Lichtbündels a) entweder des starr ausgeführten Gesamtsystems Linse - Behältnis -Li chtl ei teranfang oder b) der beweglich und flüssigkeitsdicht an das starre System Behältnis -Li chtl ei teranfang angebrachten Linse mit Hilfe der obengenannten möglichen visuellen Kontrolle des Lichtbündelverlaufs in der Immersionsflüssigkeit.
• Beispiel 1: Der Gaußstrahl eines Argonlasers (1,6 mm Durchmesser) wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einen flexiblen Kunststofflichtleiter (Lichtleiterkerndurchmesser 1,4 mm) eingekoppelt. Als Immersionsflüssigkeit wurden Wasser oder Glyzerin verwendet. Das Behältnis B war ein Glasrohr. Die mit dem gegebenen Argonlaser erzielbare optische Leistung von 20 Watt konnte im Langzeitversuch und im experimentellen Einsatz in der medizinischen Endoskopie zur Photokoagulation ohne Beschädigung des Kunststoffl i chtl ei ters eingekoppelt werden.
• Beispiel 2: Es wurde versucht, den genannten Laserstrahl ohne Immersionsflüssigkeit in den gleichen Kunststofflichtleiter einzukoppeln. Die Lichtleiterkernoberfläche wurde dabei schon bei einer Strahlleistung von 4-5 Watt zerstört.

Claims (4)

1. Patentansprüche

   S Verfahren zur Einkopplung hoher optischer Leistung in Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung in einer wärmeableitenden ruhenden oder strömenden und - wenn notwendig - zusätzlich gekühlten Immersionsflüssigkeit stattfindet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß zur Herabsetzung der Fresnel-Reflexionsverluste die Immersionsflüssigkeit direkt an die Rückfläche einer Einkoppellinse und die Lichtleiterkernoberfläche angrenzt und mit ihrem Brechungsindex an die Brechungsindizes von Linsenmaterial und Lichtleiterkernmaterial angepaßt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Streustrahlung der Immersionsflüssigkeit und die damit verbundene Sichtbarkeit des Lichtbündel verl aufs in der Immersionsflüssigkeit dazu verwendet wird, um das Lichtbündel auf die Lichtleiterkernoberfläche mit visueller Kontrolle einzujustieren.
4. 4. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1) bis 3) zur Einkopplung eines Las-erstrahls in einen Kunststofflichtleiter.