DE3218739C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Wellenleitervorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.

Eine derartige optische Wellenleitervorrichtung ermöglicht das Aufteilen des Lichtstrahlenbündels eines Lasers in meh­ rere Teilstrahlenbündel und deren Übertragung zu mehreren verschiedenen Objekten, z. B. mehreren chirurgischen Laser­ skalpellen, -schneidvorrichtungen oder -werkzeugen.

Bisher hat man bei einem Laserwerkzeug oder bei einem chirurgischen Laserskalpell, bei denen ein Lichtstrahlen­ bündel hoher Energie, beispielsweise von einem CO₂-Laser, verwendet wird, als optischen Wellenleiter eine Anordnung mit einstellbaren Armen benutzt, die mehrere Spiegel zur Lichtstrahlenbündelleitung umfaßt. Nachteilig bei einer solchen Anordnung ist, daß sie nicht glatt und reibungslos arbeitet und es durch Spiegelvibrationen zu einer uner­ wünschten Änderung der Richtung des Lichtstrahlenbündels kommt. Zur Behebung dieses Problems ist die Verwendung einer speziellen optischen Faser aus einer KRS-5 (Mischkristall aus Tlb und TlI) genannten Substanz in Betracht gezogen worden.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer früheren optischen Wellen­ leitervorrichtung, bei der eine optische Faser 3 für ein Laserbearbeitungsgerät oder ein chirurgisches Lasergerät verwendet wird. In der optischen Wellenleitervorrichtung wird ein Lichtstrahlenbündel 5, das in einem CO₂-Laser 1 erzeugt worden ist, mittels einer Fokussierlinse 2 fokus­ siert, und das fokussierte Strahlenbündel 6 tritt am Ein­ gangsende der optischen Faser 3 in diese ein. Das in der optischen Faser 3 übertragene Lichtstrahlenbündel tritt an der Endfläche der optischen Faser 3 aus und wird von einer zweiten Fokussierungslinse scharf auf einen Objektpunkt 8 fokussiert, wo ein Werkstück oder ein einer chirurgischen Operation zu unterziehender Teil angeordnet und bearbeitet oder operiert wird.

In der DE-OS 29 03 288 ist ein optischer Wellenleiter mit Multiplexer/Demultiplexer beschrieben, bei dem ein Licht­ strahlenbündel, das Licht verschiedener Wellenlängen ent­ hält, mittels Strahlenbündelteiler (Multiplexer) in Teil­ strahlen mit bestimmter Wellenlänge aufgeteilt wird. Als Strahlenbündelteiler werden wellenlängenselektive Filter eingesetzt, die je nach Wellenlänge ein optisches Licht­ strahlenbündel z. T. durchlassen oder reflektieren, wobei der reflektierte Teil des Lichtstrahlenbündels auf das jeweils nächste Filter gerichtet ist.

Eine weitere, aus der US-PS 42 57 673 bekannte Wellenleiter­ vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur Übertragung von monochromatischem Licht ausgelegt und enthält als Strah­ lenbündelteiler ein Beugungsgitter, in welchem auf bekannte Weise eine Unterteilung des eintretenden Lichtstrahlenbün­ dels in eine Anzahl von Teilstrahlenbündeln erfolgt. Das aus dem Beugungsgitter austretende Licht ist divergierend und tritt in eine entsprechende Anzahl von optischen Fasern ein, wobei es über bekannte optische Mittel eingekoppelt und ge­ führt wird. Die gleichen Spektralkomponenten der einzelnen Teilstrahlenbündel werden dadurch realisiert, daß bei der bekannten Wellenleitervorrichtung Lichtstrahlenbündel mit monochromatischem Licht verwendet werden.

Wenn eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, ist es oft wünschenswert, mehrere Teile gleichzeitig bearbeiten zu können, und dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine sehr schnelle und genaue Bearbeitung beabsichtigt ist. Verwendet man für einen solchen Zweck eine erforderliche Anzahl der in Fig. 1 gezeigten Anordnungen, treten Probleme hinsichtlich der Arbeitsabläufe, der Wartung, des Platzbedarfs und der Kosten auf. Zudem führt die Verwendung einer optischen Faser mit großem Durchmesser zur Übertragung größerer Lichtener­ gie, die auf einen einzigen Fleck gerichtet wird, unver­ meidlich zu einer schlechten Flexibilität des Wellenleiters, wodurch der Vorteil der optischen Faser verloren geht.

Wenn man andererseits eine Anzahl optischer Fasern 20a, 20b und 20c bündelt, wie in Fig. 2 durch eine Frontansicht ge­ zeigt ist, und wenn man auf dieses Faserbündel ein Laser­ lichtstrahlenbündel mit einer Querschnittsfläche richtet, wie sie mit der gestrichelten Linie 22 dargestellt ist, dann führt ein beträchtlicher Teil der Laserlichtenergie, die in außerhalb der Querschnittsflächen der optischen Fasern 20a, 20b und 20c liegende leere Teile 22a, 22b und 22c eintritt, zu einem Kopplungsverlust. Ein solcher Kopplungsverlust bedeutet nicht nur eine Verschwendung der Laserlichtenergie, sondern ist auch nachteilig im Hinblick auf eine Beschä­ digung des optischen Faserbündels und im Hinblick auf eine Erhitzung und ein Verbrennen des Füllmaterials in den leeren Teilen 22a, 22b und 22c, wodurch es zu einem Schmelzen des Eingangsendteils der optischen Fasern 20a, 20b und 20c kom­ men kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Wel­ lenleitervorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, unter Verwendung eines Lasers mit hoher Ausgangsenergie, wie eines CO₂-Lasers, und mehrerer optischer Fasern, größere Licht­ energie auf einen Fleck zu richten und/oder gleichzeitig mehrere Teile zu bearbeiten.

Die Aufgabe ist durch die Erfindung bei einer Wellen­ leitervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße optische Wellenleitervorrichtung er­ möglicht durch die Verwendung mehrerer optischer Fasern die gleichzeitige Benutzung des Laserlichts eines einzigen ge­ meinsamen Hochenergielasers an verschiedenen Bearbeitungs­ stellen und schafft eine optische Wellenleitervorrichtung mit einer praktischen Flexibilität.

Mehr im einzelnen, der Strahlenbündelteiler besteht bei einer Ausführungsform der Erfindung aus einer Anzahl von in einer Ebene angeordneten Strahlenbündelspaltern, beispiels­ weise Teil- oder Halbspiegeln, und einem gemeinsamen Re­ flexionsspiegel, der in bezug auf die Strahlenbündelspalter in einem Winkel angeordnet ist, wodurch das aufgeteilte Strahlenbündel, d. h. die Teilstrahlenbündel, auf einen gemeinsamen Punkt bzw. Fleck konzentriert werden kann. Bei diesem sogenannten einzigen Punkt ist dann die Fokussier­ einrichtung für die Teilstrahlenbündel angeordnet. Auf diese Weise kann eine einzige gemeinsame Fokussiereinrichtung für drei und mehr Teilstrahlenbündel vorgesehen werden, was in Anbetracht der z. B. bei CO₂-Lasern verwendeten Wellenlänge eine große Kosten- und Raumersparnis bedeutet.

Vorteilhaft sind die Strahlenbündelspalter als teildurch­ lässige Spiegel ausgebildet, wobei der gemeinsame Re­ flexionsspiegel totalreflektierend ist. Durch entsprechende Wahl der Reflexions- bzw. Durchlässigkeitskoeffizienten der Strahlenbündelspalter bzw. Teilspiegel können die Verhält­ nisse der Intensitäten der Teilstrahlenbündel in gewünschter Weise aufgeteilt werden.

Bei einer altenativen Ausführungsform des Strahlenbündel­ teilers besteht dieser aus einem Polyederprisma mit einer Lichteintrittsebene und n Lichtaustrittsebenen. Die Anzahl der Austrittsebenen entspricht der Anzahl der Teilstrahlen­ bündel. Infolge der Brechung im Strahlenbündelteiler werden die Teilstrahlenbündel auf einen einzigen Punkt bzw. Fleck zentriert, in welchem die Fokussiereinrichtung angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Querschnitte der Teilstrahlenbündel fächerförmig.

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile der Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der beigefügten Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht eines früheren optischen Wel­ lenleiters mit einer einzigen optischen Faser;

Fig. 2 eine Frontansicht eines hypothetischen früheren optischen Bündelwellenleiters;

Fig. 3 eine Blockdiagramm des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Wellenleitervorrichtung;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer tatsächlichen Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen optischen Wellenlei­ tervorrichtung;

Fig. 5 eine Draufsicht zur Darstellung der Anordnung der optischen Wellenleitervorrichtung von Fig. 4 im Zusammenhang mit den Räumen eines Gebäudes;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren tatsächlichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Wellenleitervorrichtung zur Übertragung eines Strahlenbündels besonders hoher Energie zu einem einzigen Fleck;

Fig. 7 (a) eine Vorderansicht eines speziell geformten Prismas als Strahlenbündelteiler;

Fig. 7 (b) eine Seitenansicht des Prismas von Fig. 7(a); und

Fig. 7 (c) eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungs­ form einer erfindungsgemäßen optischen Wellenlei­ tervorrichtung, bei der das Prisma von Fig. 7(a) und 7(b) verwendet wird.

In der gesamten Beschreibung werden gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche oder im wesentlichen gleiche Kom­ ponenten oder Teile zu bezeichnen, und demgemäß gelten die Beschreibungen für die gleichen Komponenten oder Teile auch ohne besonderen Hinweis.

Fig. 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungs­ gemäßen optischen Wellenleitervorrichtung, bei der ein starker Laser 9, wie ein CO₂-Laser, verwendet wird. Das vom Laser 9 ausgesendete Lichtstrahlenbündel 13 wird mittels eines Strahlenbündelteilers 10 in mehrere Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c aufgeteilt. Die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c werden dann in eine Fokussiervorrichtung 12 geführt, welche die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c auf die Flächen von Eingangsenden 11a, 11b und 11c von optischen Fasern 11 fokussiert. Von den Flächen der Ausgangsenden der optischen Fasern 11 austretende Lichtstrahlenbündel 17a, 17b und 17c werden dann durch zweite Fokussiervorrichtungen 16a, 16b und 16c fokussiert, um scharfe Licht-, d. h. Strahl­ flecken 19a, 19b und 19c auf Bearbeitungspunkten zu bilden, wodurch gleichzeitige Bearbeitungsvorgänge, wie Schneiden usw., relevanter Teile eines Werkstücks (oder auch mehrerer Werkstücke) ermöglicht werden. Das Merkmal,

• (1) mehrere Teile eines Werkstücks gleichzeitig bearbeiten zu können und
• (2) an mehreren verschiedenen Positionen gleichzeitig aktiv sein zu können,

ist vorteilhaft, da durch eine einzige Ausrichtung eines Werkstücks mehrere Positionen genau bearbeitet werden, was genaue Abmessungen zwischen diesen sicherstellt, und da chirurgische Operationen gleichzeitig in verschiedenen Operationsräumen durchgeführt werden können.

Die Anzahl der optischen Fasern 11 braucht nicht auf drei beschränkt zu sein, sondern kann zwei oder vier oder auch größer sein. Der Radius und die Anzahl der optischen Fasern 11 sollte in Abhängigkeit von dem Zweck des Gerätes bestimmt werden. Die optischen Fasern 11 sind in der Praxis mit Kunststoffbeschichtungen umhüllt, wenn dies auch in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Um die zuvor erwähnten Probleme der Beschädigung des Bündelbildungsteils, des Hüllenteils oder der Enden der optischen Fasern durch Hitze zu ver­ meiden, sollten die auf die Eingangsenden 11a, 11b und 11c der optischen Fasern 11 fokussierten Strahlflecke genügend innerhalb des Umfangs der Eingangsendflächen der optischen Fasern liegen. Durch die obige Anordnung können Verluste beim Koppeln eines einzigen Lichtstrahlenbündels in mehrere optische Fasern nahezu ausgeschaltet werden.

Fig. 4 zeigt eine tatsächliche optische Wellenleiteran­ ordnung gemäß der Erfindung. Dabei wird das von einem nicht dargestellten CO₂-Laser emittierte Lichtstrahlenbündel 13 in einen Strahlenbündelteiler 10 geführt, der einen ersten Strahlenbündelspalter 23a, einen zweiten Strahlenbündel­ spalter 23b und einen Spiegel 24 aufweist. Der erste Strah­ lenbündelspalter 23a und der zweite Strahlenbündelspalter 23b sind Halbspiegel, die Strahlen langer Wellenlänge übertragen können und beispielsweise aus ZnSe-Kristall mit geeigneten optischen Beschichtungen hergestellt sind. Das Lichtstrahlenbündel 13 gelangt unter Bildung eines Teil­ strahlenbündels 14a teilweise durch den ersten Strah­ lenbündelspalter 23a und wird von diesem teilweise re­ flektiert, wodurch ein reflektiertes Teilstrahlenbündel 25 gebildet wird. Das reflektierte Teilstrahlenbündel 25 wird dann von dem Spiegel 24 reflektiert und gelangt unter Bildung eines Teilstrahlenbündels 14b teilweise durch den zweiten Teilstrahlenbündelspalter 23b und wird von diesem unter Bildung eines reflektierten Teilstrahlenbündels 26 teilweise reflektiert. Das reflektierte Teilstrahlenbündel 26 wird dann von dem Spiegel 24 unter Bildung eines Teil­ strahlenbündels 14c reflekiert. Die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c gelangen durch eine gemeinsame Fokussierungs­ linse 27, und die fokussierten Teilstrahlenbündel 15a, 15b und 15c treten an entsprechenden Eingangsenden 11a, 11b und 11c in die optischen Fasern 11 ein. Wenn man den Durchläs­ sigkeitskoeffienten und den Reflexionskoeffizienten des ersten Strahlenbündelspalters 23a zu 33% bzw. 67% wählt, den Durchlässigkeitskoeffizienten und den Reflexionskoeffizien­ ten des zweiten Strahlenbündelspalters 23b zu 49% bzw. 51% und den Reflexionskoeffizienten des Spiegels 24 zu im we­ sentlichen 100%, werden die Verhältnisse der Intensitäten der Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c zum Lichtstrahlen­ bündel 13 aus dem Laser 9 etwa je 30%, d. h. dieses wird in drei im wesentlichen gleiche Teile aufgeteilt. Mehr im einzelnen, es tritt in den Strahlenbündelspaltern 23a und 23b eine Absorption von etwa 1% auf, was jedoch einen vernachlässigbaren, unbedeutenden Gesichtspunkt darstellt. Natürlich kann man das Verhältnis der Energieaufteilung nach Wunsch der Benutzungsanforderung der Teilstrahlenbündel entsprechend wählen. Wenn der erste Strahlenbündelspalter 23a und der zweite Strahlenbündelspalter 23b in derselben Ebene angeordnet sind, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und wenn die Ebene der Strahlenbündelspalter bezüglich der Ebene des reflektierenden Spiegels 24 um einen Winkel R geneigt ist, sind die Winkel zwischen den Teilstrahlenbündeln 14a und 14b oder zwischen 14b und 14c gleich 2 R, und folglich verlaufen die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c so, daß sie sich nahezu in einem Punkt treffen. Die Mitte der ersten fokus­ sierenden Linse 27 ist so gewählt, daß sie diesen Punkt trifft, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Jedes Teilstrahlen­ bündel 14a, 14b und 14c besteht aus parallelen Strahlen, und daher werden diese Teilstrahlenbündel von der gemeinsamen Fokussierungslinse 27 auf die Eingangsenden 11a, 11b und 11c der jeweiligen optischen Faser 11 fokussiert. Natürlich sind die Eingangsenden 11a, 11b und 11c im wesentlichen in der Brennebene der Linse 27 angeordnet. Wie zuvor erwähnt, ist die Linse 27 so gewählt oder aufgebaut, daß Strahlflecken gebildet werden, die ausreichend kleiner als die Fläche der Eingangsenden 11a, 11b und 11c sind. Somit liegt der Umfang der Strahlflecken jeweils ausreichend entfernt von und im Inneren des Umfangs der optischen Fasern, so daß keine Teil­ strahlenbündel über die Eingangsendfläche hinaus streuen und die optischen Fasern beschädigen. Experimente zeigen: Wenn die Lage und Größe der Strahlenbündel-Lichtflecken sorg­ fältig gemäß Obigem gewählt sind, ist der Kopplungsverlust vom Strahlenbündelteiler in die optische Faser nahezu Null, und der Gesamtverlust ist 2 bis 3%, wenn man die Energie­ verluste der Linse 27, der Strahlenbündelspalter 23a und 23b und des Reflektors 24 zusammenzählt, die jeweils weniger als 1% betragen. Da bei der Ausführungsform nach Fig. 4 die Ebene der Strahlenbündelspalter 23a und 23b gegenüber der Ebene des reflektierenden Spiegels 24 geneigt angeordnet ist, verlaufen die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c derart, daß sie nahezu in der Mitte der ersten Fokussie­ rungslinse zusammenlaufen. Da ferner alle Teilstrahlenbündel im wesentlichen die gleiche Größe haben und in dieselbe Flä­ che der Linse 27 eintreten, kann eine einzige Fokussie­ rungslinse 27 verwendet werden, um die Teilstrahlenbündel auf die einzelnen Eingangsflächen der optischen Fasern zu fokussieren. Da die Fokussierungslinse 27, die für einen CO₂-Laser langer Wellenlänge beispielsweise aus ZnSe- Kristall hergestellt ist, und Justierungsvorrichtungen zum Positionieren des Strahlenbündelteilers, der Linse und der Eingangsflächen der Fasern sehr teuer sind, ist die Ver­ wendung einer einzigen gemeinsamen Linse 27 zum Fokussieren mehrerer Strahlenbündel, z. B. der Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c, außerordentlich vorteilhaft, da Kosten, Raum­ bedarf und Wartungsaufwand reduziert werden. Ohne die geneigte Anordnung der Strahlenbündelspalter 23a und 23b gegenüber dem (Reflexions-) Spiegel 24 würden sich die Teilstrahlenbündel nicht auf eine einzige gemeinsame Linse konzentrieren. Es würden dann mehrere Linsen benötigt und die zuvor erwähnten Vorteile wären nicht erreichbar.

Obwohl die Flächen der Eingangsenden 11a, 11b und 11c der optischen Fasern 11 in derselben Brennebene der Linse 27 liegen sollten, können die mittleren Teile und Ausgangs­ endteile der optischen Fasern 11 so angeordnet werden, daß sie dem Zweck des Gerätes genügen.

Bei der Ausführungsform von Fig. 4 ist eine Gruppe zweiter Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c zu dem Zweck, die Bedürfnisse einer jeden Verwendung zu erfüllen, jenseits der Ausgangsenden 11x, 11y und 11z der optischen Fasern 11 an­ geordnet. Die zweiten Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c sind bezüglich der Ausgangsenden 11x, 11y bzw. 11z mittels einer (nicht gezeigten) Fixierungshülse festgelegt. Die Verbundkonstruktion einer jeder optischen Faser in der Nähe ihres Ausgangsendes und der entsprechenden Fixierungshülse einschließlich der zweiten Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c ist einstückig bewegbar. Daher können die Fixierhal­ terungen an den Ausgangsenden für gewünschte Teile eines Werkstücks oder von Werkstücken angewendet werden, die konzentriert oder mit weiterem Abstand voneinander ange­ ordnet sind, wobei der Vorteil der Flexibilität der op­ tischen Faser 11 ausgenutzt wird. Die fokussierten Strahl­ flecken 19a, 19b und 19c werden zum Schneiden oder für ähnliche Arbeiten verwendet.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer Anordnung einer Ausfüh­ rungsform des Gerätes in Räumen eines Fabrikgebäudes, eines Labors oder eines Krankenhauses. In einem Laserraum 30 ist ein starker CO₂-Laser 9 installiert. Das von ihm ausgesandte Strahlenbündel wird mit Hilfe eines Strahlenbündelteilers 10 aufgeteilt und die Teilstrahlenbündel werden mittels einer Fokussierungslinse 12 fokussiert, um fokussierte Strahl­ flecken auf die Eingangsenden der optischen Fasern 11, 11 und 11 zu projizieren. Die optischen Fasern 11, 11, 11 sind durch Wände 28, 28 und 28 oder in Fußboden- oder Deckenhohl­ räumen und zum Teil durch einen Korridor 31 zu den einzelnen Räumen 29a, 29b und 29c geführt, um dort Werkstücke bear­ beiten oder chirurgische Operationen durchführen zu können. Die an den jeweiligen Ausgangsenden der optischen Fasern austretenden Teilstrahlenbündel werden mittels zweiter Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c fokussiert, um fokussierte Strahlflecken für die Bearbeitungen oder Operationen zu bilden.

Die zweiten Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c sind bezüglich der Ausgangsenden der jeweiligen optischen Fasern mit Hilfe der Fixierungshülsen festgelegt. Eine geeignete Länge der Endteile der optischen Fasern 11, 11 und 11 ist frei beweglich im jeweiligen Raum angeordnet, so daß die Fixierungshülsen zum Bearbeiten oder Operieren frei bewegt werden können. Bei manchen genau bearbeitenden Maschinen sind die Fixierungshülsen auf einer Positionierungsvorrich­ tung der Maschine montiert, um eine hochgenaue Ausrichtung mit dem Werkstück zu erhalten, oder alternativ dazu sind die Fixierungshülsen an der Maschine befestigt, wobei das Werk­ stück an einer Roboter-Bewegungsmaschine montiert ist.

Das leistungsstarke Lichtstrahlenbündel aus dem CO₂-Laser 9 wird somit vom Strahlenbündelteiler 10 aufgeteilt, mittels der gemeinsamen Fokussierungslinse 12 fokussiert, zu den Eingangsenden der optischen Fasern 11, 11, 11 geführt, von deren Ausgangsenden abgenommen, mittels der zweiten Linsen 16a, 16b und 16c fokussiert und für die jeweiligen Zwecke verwendet. Wenn man gemäß der vorliegenden Ausführungsform lediglich einen starken Laser 9 verwendet, kann man daher mehrere Bearbeitungen oder chirurgische Operationen unabhängig in verschiedenen Räumen durchführen. Daher ist die Vorrichtung vorteilhaft hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des Lasers, einer leichten, zentralisierten Wartung, Einsparung von Raum und hinsichtlich der Ausschaltung von Rauschen und Hitze, die vom Betrieb des starken CO₂-Lasers stammen.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der zwei oder mehr Ausgangsenden der optischen Fasern in ein Bündel zu­ sammengefaßt sind, um auf diese Weise einen sehr hoch kon­ zentrierten Laserstrahlfleck zu erzeugen. In Fig. 6 ist mit 13 ein einziges Laserlichtstrahlenbündel bezeichnet, mit 10 ein Strahlenbündelteiler, mit 23a und 23b ein erster und ein zweiter Strahlenbündelspalter, mit 24 ein Reflektor, mit 27 eine gemeinsame Fokussierungslinse zum Fokussieren dreier Teilstrahlenbündel auf Eingangsenden von optischen Fasern 32, 32 und 32. Die Ausgangsenden der optischen Fasern 32, 32 und 32 sind zu einem Bündel zusammengefaßt, im Unterschied zur vorausgehenden Ausführungsform von Fig. 3.

Die Arbeitsweise der Ausführungsform von Fig. 6 wird nun erläutert. Ein einziges, energiereiches Strahlenbündel 13 wird mittels des Strahlenbündelteilers 10 in drei Teilstrah­ lenbündel aufgeteilt, und zwar in der gleichen Weise, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. Die Teilstrahlenbündel werden mittels der gemeinsamen Fokussie­ rungslinse 27 fokussiert und jeweils in ein Eingangsende der drei optischen Fasern 32 geführt. Die Teilstrahlenbündel werden dann von den Ausgangsenden emittiert, die zusammen­ gefaßt sind, um eine Fläche kleinen Querschnitts zu bilden. Die aus den zusammengefaßten Ausgangsenden austretenden Strahlenbündel werden dann mit einer gemeinsamen zweiten Fokussierungs­ vorrichtung 33 fokussiert, um einen Strahlfleck 81 mit sehr hoher Lichtenergie zu bilden. Da die Laserstrahlenergien drei optischen Fasern in den einzigen Strahlfleck 81 kon­ zentriert sind, ist die Energie dieses einzigen Strahlflecks 81 sehr hoch, und zwar im wesentlichen dreimal so hoch wie der Energiegrenzwert, der von jeder einzigen optischen Faser 32 übertragen werden kann.

Wenn man die Ausführungsform nach Fig. 6 mit dem herkömmlichen Fall gemäß Fig. 1 vergleicht, bei dem für die Übertragung der­ selben Energiemenge eine einzige optische Faser verwendet wird, braucht der Durchmesser einer jeden optischen Faser 32 dieser Ausführungsform nur 1/√ (= 0,58) mal so groß wie derjenige der einzigen optischen Faser 3 in Fig. 1 zu sein. Da der Durchmesser der optischen Fasern klein wird, ist die Flexibilität der Gesamtheit der optischen Fasern 32 sehr viel höher, und daher ist auch die Handhabbarkeit des Aus­ gangsendes mit der Fixierungshülse stark verbessert.

Es folgen nun einige Betrachtungen hinsichtlich der Flexibili­ tät der aufgeteilten und gebündelten optischen Fasern.

Es gilt einerseits: Wenn ein bestimmtes Biegemoment auf eine optische Faser ausgeübt wird, stehen der Krümmungsradius ρ der gebogenen Faser und der Faserdurchmesser d in folgender Beziehung:

ρ ∼ d⁴.

Das heißt, bei gleichem auf die Faser wirkenden Biegemoment erhöht sich der Krümmungsradius ρ 16 mal oder verringert sich die Flexibilität auf 1/16, wenn sich der Faserdurchmesser ver­ doppelt. Mit anderen Worten, der Faserdurchmesser hat einen großen Einfluß auf die Flexibilität.

Andererseits gilt: Der Energiegrenzwert, der von einer opti­ schen Faser übertragen werden kann, ist proportional zur Querschnittsfläche der Faser, und daher erhöht sich die Ener­ gieübertragungsfähigkeit viermal, wenn sich der Faserdurchmesser verdoppelt. Wenn der Faserdurchmesser halbiert wird, ver­ ringert sich die Energieübertragungsgrenze auf 1/4, und daher werden vier Fasern erforderlich, um die gleiche Energie zu übertragen. Vergleicht man eine einzige optische Faser mit dem Durchmesser a und eine gebündelte optische Faser mit vier optischen Fasern des Durchmessers a/2, sind die Energie­ übertragungsfähigkeit und die Verluste im wesentlichen gleich. Die Flexibilität der gebündelten Faser ist jedoch viermal so groß wie diejenige der einzigen optischen Faser. Das heißt, der Krümmungsradius ρ der gebündelten Faser ist für ein bestimmtes Biegemoment ¼ desjenigen der einzigen Faser. Das bedeutet, durch Bündeln von n optischen Fasern mit einem Durchmesser, der mal so klein ist wie der Durchmesser der einzigen optischen Faser, verbessert sich die Flexibili­ tät n² mal. Durch die Verwendung solcher Fasern mit kleinerem Durchmesser verbessert sich außerdem in großem Maß die Wider­ standsfähigkeit gegen wiederholte Biegeaktionen, und zwar derart, daß sich bei einer Verringerung des Durchmessers auf die Widerstandsfestigkeit der Faser etwa zehnmal erhöht. Es ist daher offensichtlich, daß die gebündelten dünnen opti­ schen Fasern von größerem Vorteil sind als die dickere opti­ sche Faser. Besonders für bei CO₂-Lasern verwendete Metall­ halogenidkristallfasern, wie KRS-5, mit schlechter Flexibili­ tät ist das beschriebene Bündel dünner Fasern außerordentlich nützlich. Obwohl die Eingangsenden und die Ausgangsenden der dünnen optischen Fasern zusammengebündelt werden müssen, sollten die Mittelteile der optische Fasern möglichst lose gehalten werden, um deren Flexibilität zu erhalten. Solche lose gehaltenen optischen Fasern sind nicht nur vorteilhaft hinsichtlich der Flexibilität, sondern auch hinsichtlich der Wärmeableitung, und sie sind hoch widerstandsfähig selbst dann, wenn einige mechanische Defekte oder Unreinheiten an einer oder zwei der Einzelfasern auftreten, da die an einem solchen Defekt erzeugte Wärme kaum zu den anderen Einzel­ fasern geführt wird.

Wenn es die Umstände oder Zwecke erlauben oder erfordern, kön­ nen bei den Ausführungsformen der Fig. 3, 4, 5 und 6 die zweiten Fokussierungslinsen weggelassen werden, so daß das Ausgangslichtstrahlenbündel oder die Ausgangslichtstrahlen­ bündel direkt auf die Objekte auftreffen.

In Fig. 7(a), (b) und (c) ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt Fig. 7(c) den Gesamt­ aufbau und Fig. 7(a) und 7(b) den Aufbau eines Strahlenbündelteilers dieser Ausführungsform. Der Strahlen­ bündelteiler 34 ist ein Polyederprisma aus einer Substanz, die für das Laserstrahlenbündel transparent ist und einen Brechungsindex aufweist, der von demjenigen von Luft ver­ schieden ist. Falls ein CO₂-Laser verwendet wird, besteht das Polyederprisma aus ZnSe-Kristall. Die Eintrittsfläche 34a des Strahlenbündelteilers 34 ist eine Ebene, die im wesent­ lichen senkrecht zum auftreffenden Laserstrahlenbündel ver­ läuft. Die Austrittsfläche 34b des Strahlenbündelteilers 34 weist vier Flächen auf, die gegenüber der Eintrittsfläche geneigt sind, wie in Fig. 7(b) gezeigt ist. Die Anzahl der Ebenen der Austrittsfläche ist durch die Anzahl der benötig­ ten Teillichtstrahlenbündel bestimmt. Eine Fokussierungslinse 37 ist zwischen der Austrittsfläche 34b des Strahlenbündel­ teilers 34 und Eintrittsenden optischer Fasern 39 angeordnet, und zwar derart, daß die Fokussierungslinse 37 die Teil­ strahlenbündel 36a und 36b auf die Eintrittsenden der opti­ schen Fasern 39 fokussiert.

Die Arbeitsweise und der Vorteil der optischen Wellenleiter­ anordnung gemäß dieser Ausführungsform sind folgende:

Wenn das Lichtstrahlbündel 35 in den Strahlenbündelteiler 34 gelangt, werden die von ihm ausgehenden Ausgangslicht­ strahlenbündel 36a und 36b gebrochen, da die Ebenen der Aus­ trittsfläche 34b gegenüber der Eintrittsfläche 34a geneigt sind. Und daher werden die Teilstrahlenbündel 36a und 36b (in Wirklichkeit sind dies vier Lichtstrahlenbündel) auf einen Fleck zentriert, in welchem sich die Mitte der Fokussierungs­ linse 37 befindet. Daher werden die Teillichtstrahlen 36a, 36b . . . genauso wie bei den vorausgehenden Ausführungs­ formen von der gleichen gemeinsamen Fokussierungslinse 37 auf die Eintrittsenden 39a, 39b . . . der einzelnen optischen Fasern 39 fokussiert.

Bei dieser Ausführungsform sind die Querschnitte der Teil­ lichtstrahlenbündel fächerförmig, da sie von den fächer­ förmigen Ebenen der Austrittsfläche 34b des Strahlenbündel­ teilers 34 emittiert werden, im Gegensatz zu den voraus­ gehenden Ausführungsformen, bei denen die Querschnittsformen der Teillichtstrahlenbündel im wesentlichen gleich denjenigen des einfallenden Lichtstrahlenbündels 13 sind. Wenn das System konzipiert wird, sollte man dafür sorgen, daß die fokussierten Lichtstrahlenbündelflecken auf den Eintritts­ enden der optischen Fasern 39 genügend kleiner als die Fläche der Eintrittsenden der optischen Fasern 39 sind. Durch eine solche Wahl kann man den Energieverlust bei der opti­ schen Kopplung nahezu auf Null verringern.

Die Nützlichkeit und Einsetzbarkeit der von den Ausgangs­ enden der optischen Fasern 39 ausgehenden Lichtstrahlen­ bündel ist die gleiche wie bei den vorausgehenden Ausfüh­ rungsformen.

Man kann den Strahlenbündelteiler 34 auch mit umgekehrter Vorder- und Rückseite verwenden, das heißt, man kann die Fläche mit den vier Ebenen auf der Lichteinfallsseite und die Fläche mit der flachen Ebene auf der Lichtaustrittsseite anordnen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur für CO₂-Laser oder YAG-Laser (Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) verwendbar, sondern für jegliche Art energiereicher Laser.

Mit der vorliegenden Erfindung erreicht man eine Einsparung von Kosten, Raum und Wartung und eine Verbesserung von Zu­ verlässigkeit und Lebensdauer der optischen Wellenleiter­ vorrichtung.

Mit der vorliegenden Erfindung werden auch die Kopplings­ verluste der optischen Fasern verringert, da die Eintritts­ enden mehrerer optischer Fasern jeweils Teilstrahlenbündel über eine Fokussierungslinse empfangen und daher keine Anteile der Lichtstrahlenbündel verloren gehen, im Gegensatz zu dem hypothetischen herkömmlichen Fall, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Zusammengefaßt wird somit unter Verwendung einer optischen Wellenleiter­ vorrichtung das Lichtstrahlenbündel eines Lasers 9, beispielsweise eines CO₂-Lasers, mittels eines Strahlenbündelteilers 10 in mehrere Teilstrahlenbündel 14a, 14b, 14c aufgeteilt, und dann werden die mehreren Teillichtstrahlenbündel 14a, 14b, 14c auf Eingangsenden 11a, 11b, 11c einzelner optischer Fasern 11 fokussiert. Von den Ausgangsenden 11x, 11y, 11z der optischen Fasern 11 ausgehende Teilstrahlenbündel 17a, 17b, 17c werden auf jeweilige Objekte projiziert, und zwar mit Hilfe jeweiliger optischer Lichtprojektionsvorrichtungen 16a, 16b, 16c, die an den jeweiligen Ausgangsenden vorge­ sehen sind. Durch Verwendung einer solchen optischen Wellen­ leitervorrichtung wird sehr energiereiches Licht durch einen relativ flexiblen Wellenleiter übertragen, der aus mehreren einzelnen optischen Fasern 11 besteht.

Wenn man zudem die Ausgangsenden der einzelnen optischen Wellenleiter mit mehreren Endverbrauchergeräten verbindet, ist die Ausgangsenergie eines gemeinsamen starken Lasers (beispielsweise CO₂-Lasers) wirtschaftlich für mehrere Geräte verwendbar.

Claims (9)

1. Optische Wellenleitervorrichtung, bei der von einem Laser ausgesendeten Lichtstrahlenbündeln (14a, 14b, 14c) über eine Fokussiereinrichtung (27) in eine Anzahl von optischen Fasern (11; 32; 39) eingebracht werden, bei der

• - zwischen dem Laser (1) und der Fokussiereinrichtung (27) ein Strahlenbündelteiler (10) vorgesehen ist, der das vom Laser ausgesendete Lichtstrahlenbündel in n Teil­ strahlenbündel (14a, 14b, 14c) gleicher Spektral­ komponenten teilt,
• - jedes der Teilstrahlenbündel (14a, 14b, 14c) durch die Fokussiereinrichtung (27) tritt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Strahlenbündelteiler (10) n-1 in einer Ebene angeordnete Strahlenbündelspalter (23a, 23b) und einen gemeinsamen Reflexionsspiegel (24) aufweist, der in bezug auf die Strahlenbündelspalter in einem Winkel (R) angeordnet ist, und die Teilstrahlenbündel auf einen einzigen Punkt richtet, und
• - die Fokussiereinrichtung (27) so angeordnet ist, daß ihre optische Mitte bei dem einzigen Punkt liegt.

2. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenbündelspalter (23a, 23b) teildurchlässige Spiegel sind und der gemeinsame Re­ flexionsspiegel (24) totalreflektierend ist.

3. Optische Wellenleitervorrichtung, bei der von einem Laser ausgesendeten Lichtstrahlenbündeln (14a, 14b, 14c) über eine Fokussiereinrichtung (27) in eine Anzahl von optischen Fasern (11; 32; 39) eingebracht werden, bei der

• - zwischen dem Laser (1) und der Fokussiereinrichtung (27) ein Strahlenbündelteiler (10) vorgesehen ist, der das vom Laser ausgesendete Lichtstrahlenbündel in n Teil­ strahlenbündel (14a, 14b, 14c) gleicher Spektral­ komponenten teilt,
• - jedes der Teilstrahlenbündel (14a, 14b, 14c) durch die Fokussiereinrichtung (27) tritt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenbündelteiler (34) zur Erzeugung von n Teilstrahlenbündeln (36a, 36b) ausge­ bildet ist und ein Polyederprisma (34) aus einer laser­ lichttransparenten Substanz mit einer Lichteintrittsebene (34a) und n Lichtaustrittsebenen (34b) ist.

4. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs­ enden (11a, 11b, 11c; 39a, 39b) der optischen Fasern (11; 39) so angeordnet sind, daß sie die jeweiligen fokussierten Teilstrahlenbündel empfangen.

5. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ausgangsende (11x) der optischen Fasern (11) so angeordnet ist, daß ein emittiertes Lichtstrahlenbündel auf ein Objekt auftrifft, das von einem oder mehreren anderen Objekten ver­ schieden ist, auf das oder die Lichtstrahlenbündel von Aus­ gangsenden (11y, 11z) der anderen optischen Fasern (11) auf­ treffen.

6. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Ausgangsenden der optischen Fasern (32) zusammengebün­ delt sind, um ein Lichtstrahlenbündel in konzentrierter Weise zu emittieren.

7. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine oder mehrere zweite Fokussiereinrichtungen (16a, 16b, 16c; 33) zum Fokussieren der von den Ausgangsenden der optischen Fasern (11; 32; 39) emittierten Lichtstrahlenbündel.