DE3643284A1 - Verfahren und vorrichtung zum schneiden eines materials mittels eines laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden eines Ma­ terials mittels eines Laserstrahles sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Lichtleiter für Laserstrahlung, der unter Ausbildung einer Austritts­ stelle endet.

Laserstrahlung wird in vielfältiger Weise zum Schneiden ei­ nes Materiales verwendet, beispielsweise bei der Kunststoff­ bearbeitung oder in biologischen und chirurgischen Verfah­ ren zum Trennen von Gewebe, wobei bei chirurgischen Verfah­ ren neben der Trennung gleichzeitig auch eine Koagulation im Schnittstellenbereich erreicht wird.

Bei all diesen Verfahren besteht die Gefahr einer Verlet­ zung an dem aus dem Laserkopf austretenden Laserstrahl, au­ ßerdem können sich Beschädigungen des zu schneidenden Mate­ rials im Schnittbereich ergeben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfah­ ren derart zu verbessern, daß unbeabsichtigte Verletzungen an der Laserstrahlung sowie eine ungewollte Beschädigung des Materials im Schnittstellenbereich vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man vor der Austrittsstelle der Laserstrahlung aus einem Lichtlei­ ter einen unmittelbar an diesen anschließenden, kompakten Strahl einer für die Laserstrahlung durchlässigen Flüssig­ keit erzeugt und diesen Strahl auf das zu schneidende Ma­ terial richtet. Es hat sich herausgestellt, daß die Laser­ strahlung in dem sich unmittelbar an das Austrittsende des Lichtleiters anschließenden Flüssigkeitsstrahl eintritt und in diesem nach Art eines Lichtleiters weitgehend verlustfrei geführt wird. Durch den Unterschied der Brechungsindices der Flüssigkeit gegenüber der umgebenden Luft tritt auch hier Totalreflexion an der Grenzfläche auf, so daß der Flüs­ sigkeitsstrahl die Laserstrahlung bis in den Auftreffbereich des Flüssigkeitsstrahles auf dem zu bearbeitenden Material führt. Dort kann die Laserstrahlung in vollem Umfange wirk­ sam werden. Die Flüssigkeit umspült dabei die Bearbeitungs­ stelle und kühlt diese. Neben dieser Kühl- und Spülwirkung ist von besonderem Vorteil, daß die Flüssigkeit bei der Ma­ terialbearbeitung entstehende Dämpfe und Gerüche binden kann.

Die Laserstrahlung wird bei diesem Verfahren entweder von dem Flüssigkeitsstrahl geführt, teilweise absorbiert und, falls sich dieser in Tropfen auflöst, von den Tropfen stark gestreut oder im Gewebe absorbiert. In keinem Fall kann ein freier, gebündelter Laserstrahl unbeabsichtigt austreten und Verletzungen hervorrufen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn man einen Lichtleiter, aus dessen Stirnfläche die Laserstrahlung austritt, im Be­ reich der Austrittsstelle allseitig von einem im Querschnitt ringförmigen, an der Außenwand des Lichtleiters anliegenden Flüssigkeitsstrahl umströmt. Ein solcher Flüssigkeitsstrahl kühlt einerseits den Lichtleiter im Austrittsbereich, an­ dererseits schließt er sich unter Ausbildung eines kompak­ ten Strahles unmittelbar an die Austrittsstelle des Licht­ leiters an, so daß die Laserstrahlung in diesem kompakten Flüssigkeitsstrahl weitergeführt werden kann.

Es ist vorteilhaft, wenn man die Flüssigkeitsmenge so wählt, daß der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls stromabwärts des Wellenleiters etwa dem Querschnitt des Wellenleiters entspricht.

Besonders einfach gestaltet sich dieses Verfahren, wenn man als Flüssigkeit Wasser verwendet. Die Extinktionslängen in Wasser betragen bei einer Wellenlänge von 1.06 µm 90 mm und sind im sichtbaren Bereich noch weit größer.

Durch geeignete Strömungsführung läßt sich ein laminarer, kompakter Flüssigkeitsstrahl erzeugen, der sich bis zu ei­ ner Länge von etwa 30 mm nicht in Tropfen auflöst. Man er­ hält somit einen Flüssigkeitslichtleiter mit einer Länge von etwa 3 cm, so daß der Laserkopf in einem Abstand bis zu 3 cm über dem zu bearbeitenden Werkstoff geführt werden kann.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine einen unmittelbar an die Austrittsstelle anschließenden, kompakten Flüssigkeitsstrahl erzeugende Ein­ richtung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Wellenleiter im Bereich der Austrittsstelle von einem ringförmigen Austrittsspalt für die Flüssigkeit umgeben ist.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt eine Schnitt­ darstellung eines Laserkopfes mit einem sich daran anschlie­ ßenden Flüsssigkeitsstrahl.

Der in der Zeichnung dargestellte Laserkopf umfaßt einen zylin­ drischen Lichtleiterkern 1, der beispielsweise aus Quarzglas besteht. Er endet an einer senkrecht zur Längsrichtung ange­ ordneten Stirnfläche 2.

Der Lichtleiterkern 1 wird zunächst umgeben von einer Be­ schichtung 3 (Cladding), die sich ebenso wie ein die Be­ schichtung 3 umgebender Mantel 4 längs des gesamten Licht­ leiterkerns 1 erstreckt, wobei jedoch Mantel 4 und Be­ schichtung 3 im Bereich vor der Stirnfläche 2 entfernt sind.

Auf das Ende des Mantels 4 ist eine Ringdüse 5 aufge­ schraubt, auf die das freie Ende eines Schlauches 6 auf­ geschoben ist, der den von Beschichtung 3 und Mantel 4 umgebenen Lichtleiterkern 1 im Abstand umgibt und zwi­ schen dem Mantel 4 und sich selbst einen Ringkanal 7 aus­ bildet. Die Ringdüse 5 weist an ihrem dem Ringkanal 7 zugewandten Ende mehrere Längsschlitze 8 auf, die sich etwa über die Hälfte der Ringdüsenlänge erstrecken. Über diese Längsschlitze 8 steht der Ringkanal 7 mit dem Innenraum 9 der Ringdüse 5 in Verbindung. Die Wand 10 der Ringdüse 5 umgibt den Lichtleiterkern 1 im Abstand und bildet mit diesem einen Ringspalt 12 aus. Im Bereich dieses Ringspaltes 12 sind Beschichtung 3 und Mantel 4 vom Lichtleiterkern 1 entfernt, so daß der Ringspalt 12 unmittelbar an den Lichtleiterkern 1 angrenzt. Der Lichtleiterkern 1 steht dabei lediglich wenige Millimeter über das stromabwärtige Ende der Ringdüse hervor.

Im Betrieb wird durch den Ringkanal 7 eine Spülflüssigkeit in Richtung der in der Zeichnung angegebenen Pfeile hin­ durchgeleitet, beispielsweise Wasser. Diese Spülflüssig­ keit umgibt den Lichtleiterkern 1 im Bereich des Ring­ spaltes 12 allseitig und strömt an dem Lichtleiterkern 1 entlang. Im Bereich der Stirn­ fläche 2 vereinigt sich die ringförmige Strömung zu einem kom­ pakten Flüssigkeitsstrahl 13, der sich unmittelbar an die Stirnfläche 2 anschließt und bei entsprechender Flüssigkeits­ dosierung etwa denselben Querschnitt aufweist wie der Licht­ leiter 1.

Dieser kompakte Strahl 13 wird auf ein zu schneidendes Ma­ terial 14 gerichtet.

Durch den Lichtleiterkern 1 über die Stirnfläche 2 austretende Strahlung eines in der Zeichnung nicht dargestellten Lasers ge­ langt unmittelbar in den sich an den Lichtleiterkern 1 anschlie­ ßenden Strahl 13 und wird in diesem nach der Art eines Licht­ leiters zu der Stelle geführt, an der der Strahl 13 auf das Material 14 auftrifft. In diesem Bereich wird die Laserstrah­ lung freigesetzt und in dem umgebenden Material absorbiert, so daß dieses Material dadurch geschnitten und bei Verwendung eines biologischen Materials eventuell auch koaguliert wird. Die Auftreffsstelle der Laserstrahlung wird durch die Flüs­ sigkeit gleichzeitig gekühlt und gespült, entstehende Dämpfe und Gerüche werden absorbiert.

Wenn als Flüssigkeit Wasser verwendet wird, ergeben sich auch beim Übergang aus dem aus Quarzglas bestehenden Lich­ leiter in das Wasser praktisch keine Verluste, so daß in dem Wasser-Lichtleiter die Strahlung weitgehend verlustfrei über eine kurze Strecke geführt werden kann, die beispielsweise in der Größenordnung von 3 cm liegt. Diese Länge wird dadurch be­ grenzt, daß der Strahl nach einer bestimmten Wegstrecke in Tropfen aufgespalten wird. Es tritt dann eine Streuung ein, die die Übertragung eines gerichteten Lichtstrahles unmöglich macht.

Neben den bereits beschriebenen Vorteilen ergibt sich durch den Flüssigkeitsstrahl auch eine gleichzeitige Kühlung des Lichtleiterkerns 1 sowie eine Freispülung desselben, so daß eine Verschmutzung und ein Schmelzen der Stirnfläche 2 nicht eintreten kann.

Claims (5)

1. Verfahren zum Schneiden eines Materials mittels eines La­ serstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Austrittsstelle der Laserstrahlung aus einem Lichtleiter einen unmittelbar an diesen anschließenden, kompakten Strahl einer für die Laserstrahlung durchläs­ sigen Flüssigkeit erzeugt und diesen Strahl auf das zu schneidende Material richtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Lichtleiter, aus dessen Stirnfläche die La­ serstrahlung austritt, im Bereich der Austrittsstelle allseitig von einem im Querschnitt ringförmigen, an der Außenwand des Lichtleiters anliegenden Flüssigkeitsstrahl umströmt.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als Flüssigkeit Wasser oder wäßrige Lösungen verwendet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Patentansprüche 1 bis 3 mit einem Lichtleiterkern für Laserstrahlung, der unter Ausbildung einer Aus­ trittsstelle endet, gekennzeichnet durch eine einen unmittelbar an die Austrittsstelle (Stirnfläche 2) anschließenden kompakten Flüssigkeitsstrahl (13) erzeugende Einrichtung (5, 12).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lichtleiterkern (1) im Bereich der Austrittsstelle (Stirnfläche 2) von einem ringförmi­ gen Austrittsspalt (12) für die Flüssigkeit umgeben ist.