DE3913027A1 - Einrichtung zur erzeugung von stosswellen mit einem laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeu­ gung von Stoßwellen in einem Medium mit einem Laser, des­ sen Laserlicht in eine Lichtleitfaser eingekoppelt ist, aus der das Laserlicht zur Erzeugung der Stoßwelle konver­ gent oder divergent austritt.

In einer Vielzahl von Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Behandlung von biologischem Gewebe, werden Lichtleit­ fasern und insbesonder Glasfasern zum Transport von Laser­ licht verwendet. Besonderen Anforderungen unterliegen die Lichtleitfasern beim Weiterleiten von gepulstem Laserlicht mit großer Pulsenergie:

Die Lichtleitfasern können in diesem Falle zum einen im Bereich der Lichteintrittsfläche durch die Laserstrahlung zerstört werden und zum anderen im Bereich der Lichtaus­ trittsfläche abbrechen.

Während der erste Effekt im wesentlichen auf die hohe, mit dem Licht verbundene Feldstärke zurückzuführen ist (abge­ sehen von nicht ganz zu vermeidenden Verunreinigungen der Glasoberfläche) wird eine Zerstörung der Faser im Bereich der Lichtaustrittsfläche vor allem dann beobachtet, wenn die Faser unmittelbar vor dem zu bearbeitenden Teil liegt. Eine Zerstörung der Faser im Bereich der Lichtaustritts­ fläche wird vor allem dann beobachtet, wenn die Laserlei­ stung eine kritische Grenze übersteigt.

Die Ursache für diese Zerstörung im Bereich der Lichtaus­ trittsfläche dürfte die beim Bearbeiten entstehende Druck- bzw. Stoßwelle sein, da die Zerstörung insbesondere bei photoablativen Prozessen sehr häufig beobachtet wird. Bei diesen Prozessen wird durch die in einem kleinen dünnen Bereich absorbierte Laserenergie eine "Mikroexplosion" verursacht, die Material herausschleudert. Da die Laser­ energie in einer Zeitspanne absorbiert wird, der klein gegen die Laufzeit von Druckwellen ist, entstehen mehr oder minder starke Stoßwellen.

Die Zerstörung der Faser im Bereich der Lichtaustrittsflä­ che ist vor allem bei medizinischen Anwendung sehr gefähr­ lich, da hierbei ein Teil der Quarzfaser abbrechen und im Körper verbleiben kann.

Zur Lösung dieses Problems ist vorgeschlagen worden, die Lichtaustrittsfläche der Faser durch ein zusätzliches Fenster zu schützen. Das Fenster ist dabei so angeordnet, daß die (divergente) Laserstrahlung in dem vorgelagerten Fenster bereits auf eine solche Leistungs- bzw. Energie­ dichte abgefallen ist, daß die eventuell entstehende Druckwelle nicht mehr stark genug ist, um das Fenster zu zerstören.

Bei einem weiteren Lösungsvorschlag wird das Fenster als Linse ausgebildet, die die divergente Laserstrahlung wie­ der fokussiert. Damit erreicht man zwar hohe Energiedich­ ten, es ist aber erforderlich, das zu behandelnde Teil in einem gewissen Abstand vor der Linse anzuordnen. Dies erfordert ein Distanzstück.

Beide Lösungsvorschläge haben den Nachteil, daß sie einen erhöhten Aufwand bedeuten und darüber hinaus die zur ei­ gentlichen Bearbeitung verfügbare Energie eines Laserim­ pulses reduzieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiter­ zubilden, daß die Lichtleitfaser vor Zerstörungen im Be­ reich der Lichtaustrittsfläche geschützt wird.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 gekennzeichnet. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß eine Zerstörung der Lichtleitfaser im Bereich der Lichtaustrittsfläche im wesentlichen von Stoßwellen verursacht wird, die in die Lichtleitfaser eintreten. Diese Stoßwellen werden an den Grenzflächen des Elastizitätsmoduls gebrochen bzw. reflek­ tiert. Da die Lichtleitfaser üblicherweise entweder in Luft oder in Wasser liegt, wird bei bekannten Einrichtun­ gen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein nicht uner­ heblicher Teil der Stoßwelle reflektiert. Dieser am Faser­ umfang reflektierte Teil der Stoßwelle kann im Faserzen­ trum zu einer erheblichen Druckkonzentration führen, die zum Bruch der Faser führt.

Deshalb ist erfindungsgemäß die Lichtleitfaser zum Schutz vor Zerstörung durch in die Lichtleitfaser eintretende Stoßwellen mit einem Material ummantelt, dessen Elasti­ zitätsmodul in etwa gleich dem Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser ist. Damit werden Reflexionen der Stoß- bzw. Druckwelle an der Übergangsstelle Lichtleitfaser/ Ummantelungsmaterial weitgehend vermieden. Die Stoß- bzw. Druckwelle tritt damit praktisch ohne Reflexion in das Ummantelungsmaterial über. Die freie Mantelfläche des Um­ mantelungs-Materials ist derart gestaltet, daß die Druck­ welle aus diesem Material mit einer geringen Energie­ dichte austritt bzw. derart reflektiert wird, daß die reflektierten Wellen nicht an einem Punkt zusammenlaufen.

Hierzu ist entweder der Durchmesser des Ummantelungsmate­ rials wesentlich größer als der Durchmesser der Lichtleit­ faser, typischerweise ist der Außendurchmesser des Umman­ telungsmaterials wenigstens um den Faktor 1,5 größer als der Durchmesser der Lichtleitfaser, oder die freie Mantel­ fläche des Ummantelungsmaterials ist derart gestaltet, daß an der freien Mantelfläche reflektierte Schallwellen in der Lichtleitfaser nicht an einem Punkt zusammenlaufen (Anspruch 2 bzw. 3).

Eine derartige Gestaltung kann entweder durch eine un­ gleichmäßige Gestaltung der freien Oberfläche des Umman­ telungs-Materials oder durch eine exzentrische Anordnung der Lichtleitfaser im Ummantelungsmaterial erreicht werden (Ansprüche 4 bzw. 5).

Ummantelt man beispielsweise eine aus Quarzglas bestehende Lichtleitfaser mit einem Epoxidkleber (Anspruch 6), so kann die Energiedichte etwa um den Faktor 5 bis 10 gegen­ über nicht ummantelten Glasfasern erhöht werden, ohne daß eine Zerstörung im Bereich der Licht-Austrittsfläche auf­ treten würde.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie­ ben, in der zeigen:

Fig. 1 den erfindungsgemäß erkannten Mechanismus für die Zerstörung herkömmlicher Lichtleitfasern,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Lichtleitfaser im Längs- und Querschnitt, und

Fig. 3a und b Varianten eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine herkömmlich ausgebildete Lichtleitfaser (1), die beispielsweise aus einem nicht näher dargestell­ ten Quarz-Kern mit einer "Cladding-Schicht" besteht. Das aus der Lichtleitfaser (1) austretende Laserlicht erzeugt insbesondere bei photoablativen Verfahren eine sich im wesentlichen in alle Richtungen ausbreitende Stoß- bzw. Druckwelle, von der in der Fig. 1 eine Stoßwellenfront (2) dargestellt ist.

Die Stoßwelle (2) tritt unter anderem durch die Lichtaus­ trittsfläche (1′) in die Lichtleitfaser (1) ein und wird an der Mantelfläche (1′′) reflektiert. Die reflektierten Wellen laufen typischerweise in einem Punkt 3 zusammen. In diesem Punkt entsteht damit eine sehr hohe Energiedichte, die verantwortlich für die Zerstörung der Lichtleitfaser (1) im Bereich der Lichtaustrittsfläche (1′) ist.

Fig. 2 zeigt in einem Längs- und einem Querschnitt eine erfindungsgemäße Lichtleitfaser (1), die mit einem Materi­ al (4) ummantelt ist, dessen Elastizitätsmodul in etwa gleich dem Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser ist. Hier­ durch wird die in die Lichtleitfaser (1) durch deren Lichtaustrittsfläche (1′) eintretende Stoßwellenfront im wesentlichen nicht an der Mantelfläche (1′′) der Lichtlei­ tfaser reflektiert, sondern tritt in das Ummantelungs­ material (4) über.

Zwar wird weiterhin die Stoßwelle an der freien Mantelflä­ che (4′′) des Ummantelungsmaterials (4) reflektiert, auf­ grund des wesentlich größeren Durchmessers des Ummante­ lungsmaterials (4) laufen die reflektierten Stoßwellen aber nicht mehr in einem kleinen Gebiet zusammen, so daß im Mittelbereich der Lichtleitfaser (1) keine Energiedich­ te entstehen kann, die die Faser zerstören würde.

Fig. 3a und 3b zeigen Varianten eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels einer erfindungsgmäßen Lichtleitfaser, bei dem durch eine irregulär geformte freie Oberfläche (4′) des Ummantelungsmaterials (4) - siehe Fig. 3a - bzw. durch eine exzentrische Anordnung der Lichtleitfaser (1) im Ummantelungsmaterial (4) die durch Reflexion der Stoß­ welle an der freien Oberfläche (4′) des Ummantelungsmate­ rials (4) hervorgerufenen Energiedichten weiter abgesenkt werden.

Verwendet man beispielsweise als Ummantelungsmaterial für eine aus Quarzglas bestehende Lichtleitfaser (1) einen Epoxidkleber, so kann der Grenzwert der Energiedichte, ab der eine Zerstörung der Lichtleitfaser (1) auftritt, etwa um den Faktor 5 bis 10 erhöht werden.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge­ dankens beschrieben worden, innerhalb dessen selbstver­ ständlich die verschiedensten Modifikationen möglich sind.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Erzeugung von Stoßwellen in einem Medium mit einem Laser, dessen Laserlicht in eine Licht­ leitfaser eingekoppelt ist, aus der das Laserlicht zur Erzeugung der Stoßwelle konvergent oder divergent aus­ tritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser zum Schutz vor Zerstörung durch in die Lichtleitfaser eintretende Stoßwellen mit einem Material ummantelt ist, dessen Elastizitätsmodul in etwa gleich dem Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser ist, und daß die freie Mantelfläche des Ummantelungs-Materials derart gestaltet ist, daß die Druckwelle aus diesem Mate­ rial mit einer geringen Energiedichte austritt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Ummante­ lungsmaterials wesentlich größer als der Durchmesser der Lichtleitfaser ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Mantelfläche des Ummantelungsmaterials derart gestaltet ist, daß an der freien Mantelfläche reflektierte Schallwellen nicht an einem Punkt zusammenlaufen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ummantelungsmaterial eine nicht regulär ausgebildete Oberfläche hat.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ummantelungsmaterial exzentrisch zur Lichtleitfaser angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aus Quarzglas beste­ henden Lichtleitfaser das Ummantelungsmaterial ein Epoxid­ kleber ist.