DE4308474C2 - Beam distributor for the rapid, area-wide distribution of a bundled laser beam - Google Patents
Beam distributor for the rapid, area-wide distribution of a bundled laser beamInfo
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Description
Zur Bestrahlung einer Fläche welche größer ist als der typische Querschnitt
eines gebündelten Laserstrahls mit Laserlicht, bieten sich prinzipiell zwei Lösungswege an:
In principle, there are two possible solutions for irradiating an area that is larger than the typical cross section of a bundled laser beam with laser light:
- a) Der gebündelte Laserstrahl wird mittels eines einfachen Systems bestehend aus einer oder mehreren optischen Linsen aufgeweitet.a) The bundled laser beam is created using a simple system consisting of or expanded several optical lenses.
- b) Ein mehr oder weniger schneller Abtaster (Scanner) transportiert den gebündelten Laserstrahl über die einzelnen Punkte der zu bestrahlenden Fläche.b) A more or less fast scanner (scanner) transports the bundled Laser beam over the individual points of the area to be irradiated.
Ein für viele konkrete Situationen unerwünschter Nachteil des Lösungswegs vom Typ (a) ist der enorme Intensitätsverlust der aus der Systembedingten Divergenz des Laserlichts kommt. Damit geht eine der für Laserlicht typischen Qualitäten (hohe Energiestromdichte, bzw. hohe Strahlungsleistung pro Fläche) verloren!A disadvantage of the approach of type (a), which is undesirable for many concrete situations the enormous loss of intensity that comes from the system-related divergence of laser light. This is one of the qualities typical of laser light (high energy current density or high Radiant power per area) lost!
Ein gemeinsamer Nachteil der aktuellen Lösungswege vom Typ (b) ist - zusätzlich zu der sich im Preis wiederspiegelnden relativ aufwendigen technischen Realisierungen -, dass sich an der Peripherie der bestrahlten Fläche eine höhere Energiedichte (J/m2) ergibt als in jenen Bereichen die sich mehr im Inneren der bestrahlten Fläche befinden. Dieses ist ohne weiteres einzusehen, wenn man beachtet, dass die durchschnittliche Verweildauer des Laserstrahls an seinen Umkehrpunkten am Rand der bestrahlten Fläche (Scannergeschwindigkeit Null) größer ist als beim Überstreichen eines vergleichbar langen Streckenabschnitts aus den inneren Gebieten der bestrahlten Fläche.A common disadvantage of the current solutions of type (b) is - in addition to the relatively complex technical realizations that are reflected in the price - that there is a higher energy density (J / m 2 ) on the periphery of the irradiated area than in those areas more inside the irradiated area. This can be easily seen if you note that the average dwell time of the laser beam at its reversal points at the edge of the irradiated area (scanner speed zero) is greater than when sweeping a comparatively long distance from the inner areas of the irradiated area.
Optisch-mechanische Abtastsysteme die sich insbesondere als lineare Scanner eignen, sind nach Druckschrift DE 31 28 350 A1 bekannt. Wie dort dargestellt, wird über der Drehbewegung einer rotierenden Kurvenscheibe ein daran federnd anliegendes Abgriffsglied, und darüber, ein Schwingspiegel für die Vertikalabtastung angetrieben. Dabei ist die mittels Abgriffsglied realisierte Abtastung ausschließlich entlang einer Linie vorgesehen und möglich (Vertikalabtastung), und das über ein relativ komplexes System. Entsprechend der in obiger Druckschrift geforderten Genauigkeit, sind Seitenbewegungen des Abgriffsglieds des optisch- mechanischen Abtastsystems auf ein Minimum reduziert. Diese Restriktion der Freiheitsgrade der Abtastbewegung auf eine Dimension, bedeutet jedoch, dass sich größere Flächen, wie sie etwa für medizinische Laserlichtapplikationen relevant sind, mit einem derartigen System nicht ohne weiteres mit einem gebündelten Laserstrahl flächendeckend bestrahlen lassen.Optical-mechanical scanning systems that are particularly suitable as linear scanners known from document DE 31 28 350 A1. As shown there, above the Rotational movement of a rotating cam disc, a tapping element rests against it, and above, an oscillating mirror driven for vertical scanning. Here is the means Tapping element realized and possible only along a line (Vertical scanning), and that over a relatively complex system. Corresponding to that in the above Accuracy required are lateral movements of the tap of the optically mechanical scanning system reduced to a minimum. This restriction of degrees of freedom The scanning movement on one dimension, however, means that there are larger areas like them relevant for medical laser light applications with such a system do not allow to be irradiated everywhere with a bundled laser beam.
Der gegenwärtigen Erfindung liegt damit die technische Aufgabe zugrunde, einen robusten Strahlverteiler zu realisieren, der, beim geringst möglichen technischem Aufwand bereits zur flächendeckenden Bestrahlung größerer Areale mit einem gebündelten Laserstrahl - bei annähernd homogener Energiedichte - wie für biomedizinischen Applikationen erforderlich, geeignet ist. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, indem die Bewegungskomponenten des Übertragungsgestänges, nicht auf eine Dimension eingeschränkt sind.The present invention is therefore based on the technical object, a robust one To implement beam distributors that, with the least possible technical effort, are already available comprehensive irradiation of larger areas with a bundled laser beam - at almost homogeneous energy density - as required for biomedical applications, suitable is. This object is achieved according to the features of claim 1 by the Movement components of the transmission linkage, not restricted to one dimension are.
Die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung stellt eine neue Lösungsmöglichkeit der obigen Problemstellung dar, insbesondere gelingt es - bei Umgehung der hervorgehobenen Nachteile der Lösungswege (a) und/oder (b) -, die maximal mögliche Flächenbezogene Leistungsdichte mit einem minimalen technischen Aufwand zu erreichen! Darüber hinaus wird eine homogene Strahlungsintensität (Energieflussdichte) über der gesamten Fläche, inklusive deren Peripherie realisiert.The invention specified in the claims provides a new solution to the above problem, in particular it succeeds - bypassing the highlighted Disadvantages of the solutions (a) and / or (b) -, the maximum possible area-related Achieve power density with minimal technical effort! Furthermore becomes a homogeneous radiation intensity (energy flux density) over the entire area, including their peripherals.
Eine ideale Lösungsmöglichkeit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Strahlverteiler besteht im wesentlichem aus folgenden Komponenten:An ideal solution to the invention specified in the claims is shown in FIG. 1. The beam distributor essentially consists of the following components:
1. Ein kleiner hochdrehender Elektromotor mit stufenloser Drehzahlregulierung ist mit dem Gehäuse eines Lasers vibrationsgedämpft verbunden. 2. Eine fest mit der Motorachse verbundene und damit rotierende, am Außenrand mit einem ringförmigen, periodischen Wellenprofil (Fig. 2) versehene Fassung für den Reflektorspiegel S2, ist über leichten mechanischen Druckkontakt - damit nicht an eine räumliche Schwingungsebene gebunden - mit einem schwingungsfähigen und vibrationsgedämpft mit dem Gehäuse des Lasers verbundenen Gestänge, über das die (drehzahlabhängigen) Wellenbewegungen der rotierenden Spiegelfassung auf die Fassung des Spiegels S1 übertragen werden, gekoppelt. 3. Ein kleiner Umlenkspiegel S1 und ein etwas größerer Reflektorspiegel S2.1. A small high-speed electric motor with infinitely variable speed control is connected to the housing of a laser with vibration damping. 2. A frame for the reflector mirror S 2 , which is fixedly connected to the motor axis and thus rotating and provided with an annular, periodic wave profile on the outer edge ( FIG. 2), is connected to a vibrating surface by light mechanical pressure contact - thus not bound to a spatial vibration level and vibration-damped linkage connected to the housing of the laser, via which the (speed-dependent) shaft movements of the rotating mirror mount are transmitted to the mount of the mirror S 1 . 3. A small deflecting mirror S 1 and a slightly larger reflector mirror S 2 .
Die Komponenten lassen sich zwar beliebig kombinieren, besonders günstig erscheint jedoch jene Konstellation bei der die Motorachse des Elektromotors nur wenig von der Richtung der optischen Achse des Lasers abweicht (Fig. 1). Hierdurch kann erreicht werden, dass der von S1 umgelenkte Laserstrahl, je nach der Drehzahl des Motors, ein beliebig dichtes flächendeckendes Muster auf den Reflektorspiegel zeichnet, welches bei einem Laser mit einer sichtbaren Wellenlänge, von einem Beobachter als ein dichtes und vom Reflektorspiegel ausgehendes Strahlenbündel wahrgenommen wird.Although the components can be combined as desired, the constellation in which the motor axis of the electric motor deviates only slightly from the direction of the optical axis of the laser appears particularly favorable ( FIG. 1). In this way it can be achieved that the laser beam deflected by S 1 , depending on the speed of the motor, draws an arbitrarily dense surface-covering pattern on the reflector mirror, which in the case of a laser with a visible wavelength is viewed by a observer as a dense bundle of rays emanating from the reflector mirror is perceived.
Durch Variation des Wellenmusters der rotierenden Spiegelfassung, der Position des mitrotierenden Reflektorspiegels in der Spiegelfassung, der Länge des einseitig fixierten, idealerweise konform Fig. 1 konstruierten Übertragungsgestänges und durch den eventuellen Einsatz von gekrümmten Spiegel, lassen sich die Eigenschaften der hier beschriebenen Anordnung für die gewünschte Situation optimieren.By varying the wave pattern of the rotating mirror mount, the position of the co-rotating reflector mirror in the mirror mount, the length of the transmission linkage fixed on one side, ideally designed in accordance with Fig. 1 and by the possible use of curved mirrors, the properties of the arrangement described here can be achieved for the desired Optimize situation.
Vom besonderen Interesse sind jene Anwendungsgebiete bei denen es auf eine hohe und homogen verteilte Strahlungsintensität über eine größere Fläche ankommt. Gerade hier bietet sich die Erfindung als ideale Alternative zum gängigsten Lösungsweg an: Durch die Kombination der Erfindung mit einem leistungsschwachen Laser, dimensioniert für das gegebene Problem, könnte künftig auf die Verwendung eines leistungsstarken Lasers (hohe Anschaffungskosten, in der Regel unhandlich) bei einigen Problemen verzichtet werden. Beispielsweise könnte in der Medizin oder in der Biochemie wo zu Stimulationszwecken oder zum Auslösen bestimmter biochemischer Prozesse, kurzzeitige, periodische oder kontinuierliche, hohe und flächendeckende Strahlungsintensitäten (mit homogener Dichteverteilung und einer lokalen Energieflussdichte, die einen zum Auslösen einer Reaktion notwendigen Schwellen Wert erreicht) erforderlich sind, bereits mit der Kombination der Erfindung mit einem He/Ne-Laser von einigen Milliwatt, dasselbe biologische Wirkungsspektrum erzielt werden wie mit einem leistungsstarken Laser von einigen Watt und entsprechend vorgeschalteter Strahlaufweitung zur Reduzierung der flächenbezogenen Leistungsdichte - einer Bestrahlungsmethode mit der zur Zeit in vielen Labors gearbeitet wird.Of particular interest are those areas of application in which it depends on a high and homogeneously distributed radiation intensity over a larger area. This is where the invention is an ideal alternative to the most common solution: By combining the invention with a low power laser, sized for The given problem, in the future, could be the use of a powerful laser (high acquisition costs, usually unwieldy) dispensed with some problems become. For example, where in medicine or in biochemistry Stimulation purposes or to trigger certain biochemical processes, short-term, periodic or continuous, high and area-wide radiation intensities (with homogeneous density distribution and a local energy flux density that trigger one of a reaction necessary thresholds are reached) already with the Combination of the invention with a He / Ne laser of a few milliwatts, the same biological spectrum of effects can be achieved as with a powerful laser from a few watts and corresponding upstream beam expansion to reduce the area-related power density - an irradiation method with the currently in many Laboratories.
Die beschriebene Erfindung erlaubt eine einfache Realisation der dargestellten Problemstellung, wobei die Vorteile der Linsentechnik und die Vorteile der traditionellen Scannertechnik optimal miteinander verknüpft werden. Das Ergebnis ist eine schnelle Flächenbedeckung durch ein dichtes Paket von gebündelten Laserstrahlen maximaler und gleichbleibender Strahlungsintensität bis in die Randgebiete der bestrahlten Fläche. Da der erforderliche technische Aufwand gering ist, dürften die Herstellungskosten niedrig sein!The described invention allows a simple one Realization of the problem presented, taking the advantages of lens technology and the The advantages of traditional scanner technology can be optimally combined. The The result is a quick surface coverage through a dense package of bundled Laser beams of maximum and constant radiation intensity right into the fringes of the irradiated area. Since the required technical effort is low, the Manufacturing costs to be low!
Claims (3)
Priority Applications (1)
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| DE4308474A DE4308474C2 (en) | 1993-03-17 | 1993-03-17 | Beam distributor for the rapid, area-wide distribution of a bundled laser beam |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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| DE4308474A1 DE4308474A1 (en) | 1993-10-28 |
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ID=6483031
Family Applications (1)
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE3128350A1 (en) * | 1981-07-17 | 1983-02-03 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Device for sensing a disc cam, in particular for optical-mechanical scanning systems |
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1993
- 1993-03-17 DE DE4308474A patent/DE4308474C2/en not_active Expired - Fee Related
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| DE4308474A1 (en) | 1993-10-28 |
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