DE2833352A1 - Vorrichtung zur uebertragung und fokussierung von laserstrahlen - Google Patents

Vorrichtung zur uebertragung und fokussierung von laserstrahlen

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Description

Patentanwalt Dipl.-lng. Th. Hoefer
BIJ?
2S333S2
4800 Bielefeld 1, den KreuzstraBe 32
Telefon (0521) 171072 - Telex 9-32449
Bankkonten: Commerzbank AG, Bielefeld 6851471 (BLZ 48040035) Sparkasse Bielefeld 72001563 (BLZ 48050161) Postscheckkonto: Amt Hannover 68928-304
Diess.Akt.Z.: 4384/78
_t
Consiglio Nazionale delle Ricerche, Piazzale delle Scienze "J3
Rom, Italien
Vorrichtung zur Übertragung und Fokussierung von Laserstrahlen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung und Fokussierung (Bündelung im Brennpunkt) von Laserstrahlung mit Hilfe einer optischen Faser (oder eines optischen Faserbündels), speziell für medizinische, chirurgische
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und biologische Anwendungen.
Wie bekannt kann die Laserstrahlung für therapeutische und chirurgische Anwendungen gebraucht werden. Um die Aufgabe der Energieübertragung von dem Austritt des Lasers (des Laser-Resonators) zu dem zu behandelnden biologischen Gewebe zu lösen, können in den Fällen von Nd: YAG-Lasern, Argonlasern, He-Ne-Lasern und ähnlichen Lasern optische Pasern benutzt werden. Zur Zeit gibt es Fasern mit einer sehr niedrigen Dämpfung (beispielsweise in der Größenordnung von 6-10 dB/Km), die zur Übertragung von Leistungen einiger Zehnerpotenzen an Watt auf mehrere Meter geeignet sind, ohne zerstört zu werden und bei denen vernachlässigbar geringe Verluste auftreten.
Bei den bekannten optischen Fasern, die in einer ebenen Oberfläche enden, hat das aus der Faser austretende Bündel von Laserstrahlen an der Austrittsfläche sehr geringe Abmessungen, um sich dann um so stärker zu vergrößern, je weiter es sich von dort entfernt. Aus diesem Grunde ist es notwendig, die Austrittsfläche der Faser in unmittelbare Berührung mit dem zu behandelnden Material zu bringen. Oder aber die angewandte Leistung der Laserstrahlung muß beträchtlich anwachsen.
Wenn man jedoch die Faser in Berührung mit dem Objekt hält, ist es notwendig, ein bekanntes System für das ununterbrochene Waschen und Reinigen des Faserendes vorzusehen, wobei, falls die Faser von dem Objekt getrennt gehalten wird, unerwünschte Wirkungen in dem das Objekt umgebenden Gebiet hervorgerufen werden können, überdies ruft das Anwachsen der angewandten Leistung ein bemerkenswertes Anwachsen der
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Kosten der Vorrichtung hervor.
Um solche Nachteile auszuräumen, ist vorgeschlagen worden, am Ausgang der Faser ein geeignetes optisches System mit
anzubringen
einer oder mehreren Linsen', die in einem passenden Abstand vor der ebenen Endfläche der Faser angeordnet und geeignet sind, die Laserstrahlung durch Bildung eines Austrittskegels mit üblicher Weite zu fokussieren.
Diese Lösung schließt jedoch beträchtliche Schwierigkeiten bei der Anpassung und Ausrichtung der Faser mit dem optischen System und außerdem Probleme infolge unterschiedlicher Größen ein, die es bewirken, daß solch eine Anordnung in geschlossenen Höhlungen oder in der Mikro-Chirurgie
nicht leicht anwendbar ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Transport und zum Fokussieren einer Laserstrahlung mit Hilfe einer optischen Faser zu schaffen, bei welcher die
oben erwähnten Nachteile vermieden werden und die speziell für die Anwendung in der Medizin, in der Chirurgie und in
der Biologie geeignet ist.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Übertragung und Fokussierung (Bündelung im Brennpunkt) von Laserstrahlung mit Hilfe einer optischen Faser (oder eines optischen Faserbündels) errreicht, wobei das Austrittsende der optischen Faser als konvex gekrümmte Oberfläche ausgeführt ist.
Vorteilhaft bildet das Austrittsende der optischen Faser
eine kugelförmige Oberfläche.
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- tr -
In dem Austrittsende der optischen Faser kann erfindungsgemäß vorteilhaft eine Mikro-Linse eingeschlossen sein, die aus einem Werkstoff mit abweichenden Brechungsindex gebildet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig.l eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung mit einer Laser-Strahlenquelle und einer optischen Faser (einem optischen Faserbündel) ;
Fig.2 das Austrittsende der Faser als Ausschnitt in vergrößertem Maßstab;
Fig.3 einen Ausschnitt des Austrittsendes der Faser in abgewandelter Ausführungsform und in derselben Ansicht wie in Fig.2.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Laserstrahlenquelle 1, eine herkömmliche Linse 2 (oder ein Objektiv für ein Mikroskop) und eine optische Faser 4(oder ein optisches Faserbündel), welche vorzugsweise aus Glas, Quarz oder Kunststoff gebildet ist, und welche dem "step-index"-Typ angehört, das sind Fasern, in welchen die Verteilung des Brechungsindex des Kernes ("core") konstant ist. Die Oberflächen des Eintrittsendes 3 und des Austrittsendes 5 der Faser 4 sind spürbar sphärisch (kugelförmig) ausgeführt und bilden zwei dioptrisehe Krümmungen.
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Für die Anwendung auf medizinischem und chirurgischem Gebiet ist die optische Faser in eine biegsame Hülle 6 eingesetzt, welche sie vor Beschädigungen und Zerbrechen schützt, während ihr Endbereich eine nicht dargestellte, starre, 5-10 cm lange Muffe enthält, die ihr leichtes Ergreifen durch den Operateur ermöglicht. Außerdem ist das Ende der Faser undurchlässig für X-Strahlen gemacht, um dem Chirurgen zu ermöglichen, die Stellung des Endes der Faser mittels Durchleuchten zu überprüfen, selbst wenn er im Inneren von geschlossenen Hohlräumen operiert.
Die erfindungsgemäß Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Die von der Laser-Strahlenquelle 1 ausgesandte Strahlung wird infolge der Wirkung der Linse 2 am Eintrittsende 3 der Faser 4 in einer solchen Weise fokussiert, daß fast die gesamte Energie in die Faser hineingesehiekt wird. Am Austrittsende 5 der Faser 4 (s.Fig.2) fokussiert die dioptrische Krümmung das austretende Strahlenbündel auf einem Abstand d in einem Brennfleek mit dem Durchmesser s, welche von der Form und Art der dioptrisehen Krümmung und von der Faser abhängen. Der Durchmesser des Bündels, welches aus der Faser durch die dioptrische Krümmung austritt, ist im Brennfleek am kleinsten, nämlich 1/3 oder weniger von dem Durehmesser des Kernes der Faser.Folglich ist in solch einem Bereich die Energiedichte mindestens zehnmal größer als bei einer Faser mit der gebräuchlichen ebenen Endenausführung.
Durch Anordnen der am Ende der Faser ausgebildeten dioptrisehen Krümmung in einem Abstand von dem biologischen Gewebe, der viel größer als d ist, kann der Operateur in einfacher Weise die gewünschte Zone ausbrennen oder bestrahlen. Durch
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- sr -
Annähern der Faser bis auf den Abstand d kann er das biologische Gewebe 7 herausschneiden oder zerstören. Die ausgeprägte Streuung des Bündels, die von der dioptrischen Krümmung hervorgerufen wird, schützt die unterhalb des Objektivs angeordneten Bereiche vor jeglicher Zerstörung.
Gemäß diesen Ausführungen ist klar ersichtlich, daß die erfxndungsgemäße Vorrichtung viele Vorteile bietet, speziell bei der Anwendung auf medizinischem, chirurgischem und biologischem Gebiet, Vorteile, die gleichzeitig mit herkömmlichen Vorrichtungen nur schwer erzielt werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet insbesondere die folgenden Vorteile:
Sie erfordert keinerlei Ausrichtung zwischen der Linse und der Paser, da diese eine Einheit bilden;
sie kann mit großer Leistung arbeiten, während zwischen den benachbarten Linsen des optischen Systems keinerlei Materialien verwendet worden sind;
sie hat einen einfachen und kompakten Aufbau und kann bei niedrigen Kosten als Ganzes leicht eingesetzt werden;
sie ist einfach zu handhaben und von geringen Abmessungen und kann daher bei geschlossenen Höhlungen angewendet werden;
sie kann in einfacher Weise anEndoskop angesetzt werden;
sie vermeidet jegliche Zerstörung des Gewebes, welches das Objekt umgibt, wegen der starken Streuung des Bündels hinter dem Brennpunkt;
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sie kann in einfacher Weise für X Strahlen undurchdringbar gemacht werden.
Für die schnelle Verwertung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine herkömmliche optische Faser vom Typ "step-index" benutzt.
Falls die Faser mit einer Ummantelung geschützt ist, muß diese am Ende der Faser auf einer Länge von 1-2 mm entfernt werden, um die Formung des Endes durchzuführen.
Wenn der Werkstoff der Faser mit Wärme weichgemacht wird, die mit herkömmlichen Mitteln erzeugt wird (Brenner u.s.w.) oder mit einem CO Index 2 - Laser, kann man die Oberflächenspannung ausnutzen, die bestrebt ist, die normalerweise ebene Oberfläche der Endenausführung abzurunden. Es ist dann möglich, dieser Oberfläche verschiedene Formen zu geben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung kann die Wirkung der Fokussierung (Bündelung im Brennpunkt), die man mit der dioptrischen Krümmung erhalten hat, dadurch verbessert werden, daß an der Faser eine echte MikroLinse befestigt wird, die jedoch einen anderen Brechungsindex hat. Solch eine Mikro-Linse erhält man, indem man während des Vorganges des Warmformens das Ende der Faser mit einem Werkstoff verschweißt, der einen gegenüber dem Faserwerkstoff unterschiedlichen Brechungsindex hat. Solch eine besondere Mikro-Linse arbeitet ähnlich, wie herkömmliche Linsen, welche einen Brechungsindex haben, der sich von dem Brechungsindex der anderen, umgebenden Elemente unterscheidet. Gegenüber der dioptrischen Krümmung bietet
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diese Mikro-Linse daher, wenn sie denselben Brechungsindex wie die Faser hat, den Vorteil, bessere Fokussierungseigenschaften zu besitzen.
Darüber hinaus kann nach derselben Vorgehensweise eine dioptrische Krümmung oder eine Mikro-Linse auch an dem Eintrittsende der Faser angebracht werden. In diesem Fall besteht der Vorteil, daß der Wirkungsgrad der Verbindung von der Laserstrahlenquelle zu der Faser vergrößert werden kann und daher ein Laser geringerer Leistung und geringerer Kosten verwendet werden kann.
In Fig.3 ist eine nach demselben erfinderischen Prinzip arbeitenden Linse dargestellt, die anders geformt ist. In einigen Anwendungsfällen, die sich z.B. auf das Gebiet der Biologie beziehen, brauchen die Laserstrahlen nicht in einem Punkt zusammenzulaufen, sondern es genügt, wenn sie parallel bleiben. In solchen Fällen muß die ebenflächige Endenausführung der Faser entfernt werden, da das Strahlenbündel unvermeidbar auseinanderstreben würde. Der Vorzug wird dann einer trompetenförmigen Endenausführung gegeben, die eine konvex gewölbte Oberfläche hat. Mit solch einer Endenausführung werden die Strahlen des austretenden Bündels parallel.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Vorrichtung zur Übertragung und Fokussierung (Bündelung im Brennpunkt.) von Laserstrahlung mit Hilfe einer optischen Faser (oder eines optischen Faserbündels), dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsende (5) der optischen Faser (4) als konvex gekrümmte Oberfläche ausgeführt ist.
    Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (3, 5) der optischen Faser (4) als konvex gekrümmte Oberflächen ausgeführt sind.
    Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintritt sende (3) undMer das Austrittsende "(5) der optischen Faser (4) als sphärische (kugelförmige) Oberfläche ausgebildet ist.
    Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende (3) und/oder das Austrittsende (5) der optischen Faser (4) trompetenförmig ausgebildet ist.
    Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsende (3) und/oder das Austrittsende (5) der optischen Faser (4) von einer Mikro-Linse gebildet ist, die in die Faser (4) eingebaut und aus einem Werkstoff gebildet ist, dessen Brechungsindex sich von dem Brechungsindex der Faser (4) unterscheidet.
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    ORIGINAL INSPECTED
    6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Paser (4) durch eine
    elastische Ummantelung (6) geschützt ist.
    7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Austrittsendes der
    optischen Paser (4) mit einer starren Hülle versehen ist.
    8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Austrittsendes der optischen Faser (4) für X Strahlen undurchdringbar
    ist.
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DE19782833352 1977-08-01 1978-07-29 Vorrichtung zur uebertragung und fokussierung von laserstrahlen Withdrawn DE2833352A1 (de)

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IT09533/77A IT1117550B (it) 1977-08-01 1977-08-01 Sistema di trasporto e di focalizzazione della radiazione laser con fibra ottica particolarmente per applicazioni mediche chirurgiche e biologiche

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DE2833352A1 true DE2833352A1 (de) 1979-02-22

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DE19782833352 Withdrawn DE2833352A1 (de) 1977-08-01 1978-07-29 Vorrichtung zur uebertragung und fokussierung von laserstrahlen

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DE (1) DE2833352A1 (de)
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GB (1) GB2001780B (de)
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