DE4312911A1 - Device for splitting a high-power laser beam into two or four individual beams - Google Patents

Device for splitting a high-power laser beam into two or four individual beams

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Abstract

In the splitting of high-power laser beams, especially for medical applications, no loss factor, uniformity of the splitting and reliability are important. In the case of known beam splitters, the optical components are adjusted with respect to one another individually, and individual components are mechanically pivoted in in order to switch between different splitting rates. The adjustments are expensive and the reliability is low. It is intended for the new device to make do without adjustments and without moving parts. Three commercially available beam-splitter cubes are pressed against one another, for example by spring pressure. By exploiting the extreme angular precision of these optical components, the beam-splitting surfaces are therefore exactly aligned in the interior of the cubes. The orthogonal orientation of the beam-splitting planes produces an equally long beam path for all beam components. Switching between halving and quartering is carried out by changing over the input fibre to a second input port, so that only one cube lies in the beam path. The device is suitable for laser-beam splitting, in particular in the medical field.

Description

Neue medizinische Techniken, zum Beispiel Photodynamische Therapie, erfordern die Bereitstellung von Laserlicht mit hoher Leistung, typischerweise werden Laser mit einer Ausgangsdauerleistung von 2 bis 6 Watt eingesetzt. Das Laserlicht wird in der Regel über eine Glasfaser vom Laser zum Patienten transportiert. Für bestimmte Indikationen ist es wünschenswert, dieses Laserlicht in mehrere gleiche Anteile zu unterteilen, zum Beispiel um gleichzeitig mehrere Läsionen behandeln zu können, oder um asymmetrische Tumoren durch mehrere Behandlungsfelder optimal abzudecken. Hierfür sind solche Strahlteiler optimal, die am Behandlungsort an die Glasfaser (im Regelfall mit einem SMA-Konnektor abgeschlossen) angeschlossen werden können und dann mehrere Ausgänge für Behandlungsfasern besitzen (für eine Übersicht über Photodynamische Therapie, ihre Indikationen und Behandlungstechnik siehe Dougherty TJ, Marcus SL. Photodynamic therapy. Eur J Cancer 1992; 28A: 1734-1742).New medical techniques, such as photodynamic therapy, require that Providing high power laser light, typically using a laser Output power of 2 to 6 watts used. The laser light is usually over an optical fiber is transported from the laser to the patient. For certain indications it is desirable to divide this laser light into several equal parts, for example to treat multiple lesions at the same time, or to treat asymmetric tumors optimally covered by several treatment fields. Such beam splitters are for this optimal, that at the treatment site to the glass fiber (usually with an SMA connector completed) and then several outputs for Have treatment fibers (for an overview of photodynamic therapy, their Indications and treatment technology see Dougherty TJ, Marcus SL. Photodynamic therapy. Eur J Cancer 1992; 28A: 1734-1742).

Das bislang einzige kommerzielle Produkt zu diesem Zweck ist der glasfaseroptische Strahlteiler Modell 1220 der Firma PDT-Systems, Santa Barbara, Kalifornien, USA. Dieses Gerät besitzt eine Fokussier- und Positionier-Einrichtung für die Eingangsfaser, drei gleichartige Vorrichtungen für bis zu drei Ausgangsfasern, sowie zwei unabhängig zu justierende, mechanisch ein- und ausschwenkbare Würfelstrahlteiler. Durch Ein- und Ausschwenken der beiden Würfel sind sowohl ein direkter Durchgang des Laserstrahles, wie auch eine gleiche Aufteilung in zwei oder drei Ausgangsfasern möglich.The only commercial product for this purpose so far is the fiber optic Model 1220 beam splitter from PDT-Systems, Santa Barbara, California, USA. This Device has a focusing and positioning device for the input fiber, three Similar devices for up to three output fibers, as well as two independently adjusting, mechanically retractable and swingable cube beam splitter. Through input and Swinging out the two cubes is both a direct passage of the laser beam, as an equal division into two or three starting fibers possible.

Diese Ausführung hat den Nachteil, daß zur Erzielung einer größtmöglichen Transmission die Ein- und Ausgangsfokussierteile sowie beide Strahlteilerwürfel in mehreren Achsen von Hand justiert werden müssen. Weiterhin ist diese Feinjustierung, insbesondere bei häufigem Ein- und Ausschwenken der Würfel nicht stabil, die Transmission und die Gleichheit der Teilung verschlechtert sich mit der Zeit erheblich. Eine Neujustierung ist aufwendig und damit kostenintensiv. Der Innenraum des Strahlteilers kann wegen der durchgehenden mechanischen Achsen nicht versiegelt werden und ist damit nicht gassterilisierbar.This version has the disadvantage that to achieve the greatest possible transmission the input and output focusing parts as well as both beam splitter cubes in several axes from Must be adjusted by hand. Furthermore, this fine adjustment, especially at frequent swiveling in and out of the cubes not stable, the transmission and the Equality of division deteriorates considerably over time. A realignment is complex and therefore costly. The interior of the beam splitter can because of continuous mechanical axes are not sealed and is therefore not gas sterilizable.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die erforderlichen Justierungen bei der Herstellung zu minimieren. Damit soll auch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung gesteigert werden. The invention specified in claim 1 is based on the problem that to minimize necessary adjustments during manufacture. So that should also Reliability of the device can be increased.  

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Es kommen handelsübliche Würfelstrahlteiler zur Anwendung. Diese Würfel werden in relativ großen Stückzahlen durch die Verbindung von zwei Prismen produziert, dadurch bestehen extrem niedrige Winkeltoleranzen zwischen den Außenflächen der Würfel und den diagonalen Strahlteilerebenen im Inneren der Würfel. Nach Patentanspruch 1 werden diese Strahlteilerebenen nun durch direkten oder indirekten Kontakt der Würfelaußenflächen gegeneinander ausgerichtet. Dieser Kontakt kann z. B. durch Federdruck oder Verklebung auf einer ebenen Fläche aufrechterhalten werden.This problem is solved by the features listed in claim 1. It commercial cube beam splitters are used. These cubes are in relative large quantities produced by the connection of two prisms extremely low angular tolerances between the outer surfaces of the cubes and the diagonal beam splitter planes inside the cube. According to claim 1, these are Beam splitter levels now through direct or indirect contact of the cube outer surfaces aligned against each other. This contact can e.g. B. by spring pressure or gluing be maintained on a flat surface.

Der erzielte Vorteil besteht darin, daß die kritische Justierung von drei Strahlteilerebenen gegeneinander wegfällt. Außerdem läßt sich hierdurch ein extrem kurzer Strahlengang realisieren, der für die Refokussierung des kollimierten Strahles günstig ist.The advantage achieved is that the critical adjustment of three beam splitter levels against each other. This also allows an extremely short beam path realize that is favorable for the refocusing of the collimated beam.

Der im Patentanspruch 2 wiedergegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vierfach-Strahlteilung mit der bestmöglichen Gleichheit der Strahlanteile zu realisieren.The invention reproduced in claim 2 is based on the problem, a Quadruple beam splitting with the best possible equality of the beam components.

Hierzu trägt das im Patentanspruch 2 angegebene Merkmal gleichlanger Strahlwege von Eingangsfaser zu Ausgangs-Fokussiervorrichtungen bei.To this end, the feature specified in claim 2 carries equally long beam paths Input fiber to output focusing devices.

Dies wird durch die Orientierung der Strahlteilerebenen ermöglicht. Der eingehende Strahl trifft zunächst auf eine strahlteilende Ebene, die in 45 Grad zur Achse des Strahles angeordnet ist. Hierdurch wird ein Anteil des Strahles (Strahl 2), mit bei adäquater Dicke der strahlteilenden Schicht 50% der Eingangsleistung, um 90 Grad abgelenkt. Der verbleibende Strahlanteil (Strahl 1) behält die Richtung des Eingangsstrahles. Beide Strahlen treffen nun auf die zweite strahlteilende Ebene, die zu der ersten Ebene exakt orthogonal ist und damit sowohl zu Strahl 1 wie zu Strahl 2 wiederum einen Winkel von 45 Grad aufweist. Diese Anordnung der strahlteilenden Ebenen kann, wie in Patentanspruch 1 ausgeführt, durch drei Würfelstrahlteiler realisiert sein. In diesem Fall würden die Strahlen 1 und 2 in verschiedenen Würfeln geteilt. Es ist aber auch möglich, diese Anordnung in anderer Weise zu realisieren. Strahl 1 wird dann in zwei Komponenten geteilt, wovon die eine, Strahl 1a, nicht abgelenkt, die andere, Strahl 1b in die dem Strahl 2 genau entgegengesetzte Richtung abgelenkt wird. Strahl 2 wird in eine nicht abgelenkte Komponente, Strahl 2a und eine um 90 Grad abgelenkte Komponente, Strahl 2b, aufgeteilt. Strahl 2b ist gegenüber dem Eingangsstrahl um 180 Grad abgelenkt.This is made possible by the orientation of the beam splitter planes. The incoming beam first strikes a beam splitting plane, which is arranged at 45 degrees to the axis of the beam. As a result, a portion of the beam (beam 2 ), with an adequate thickness of the beam-splitting layer 50% of the input power, is deflected by 90 degrees. The remaining part of the beam (beam 1 ) maintains the direction of the input beam. Both beams now meet the second beam-dividing plane, which is exactly orthogonal to the first plane and thus again has an angle of 45 degrees to both beam 1 and beam 2 . This arrangement of the beam-splitting planes can, as stated in claim 1, be realized by three cube beam splitters. In this case, beams 1 and 2 would be divided into different cubes. However, it is also possible to implement this arrangement in a different way. Beam 1 is then divided into two components, one of which, beam 1 a, is not deflected, the other, beam 1 b, is deflected in the direction exactly opposite to beam 2 . Beam 2 is divided into an undeflected component, beam 2 a and a component deflected by 90 degrees, beam 2 b. Beam 2 b is deflected by 180 degrees with respect to the input beam.

Diese Anordnung der Strahlteilerflächen ermöglicht die Positionierung aller vier Ausgangs- Fokussiereinrichtungen direkt am Austritt des Strahles aus dem optischen Bauteil. Die Länge der Strahlverläufe und damit das Ausmaß, in dem die Divergenz des Strahles die Refokussierung beeinträchtigt, ist für alle vier Strahlanteile gleich. Dies trägt entscheidend zur leistungsmäßigen Gleichheit aller Strahlanteile bei. This arrangement of the beam splitter surfaces enables the positioning of all four output Focusing devices directly at the exit of the beam from the optical component. The Length of the beam paths and thus the extent to which the divergence of the beam Refocusing impaired is the same for all four beam components. This is crucial to the equal performance of all beam components.  

Der im Patentanspruch 3 wiedergegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß mit einer Vorrichtung zur Teilung eines glasfaseroptischen Laserstrahles wahlweise eine Teilung in vier oder in zwei gleiche Anteile realisiert werden soll, und zwar ohne bewegliche Teile.The invention reproduced in claim 3 is based on the problem that with a device for dividing a glass fiber optic laser beam optionally one Division into four or two equal parts should be realized, and without moving Parts.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 3 wiedergegebenen Merkmale gelöst.This problem is solved by the features set out in claim 3.

Durch einen zweiten Strahleingang für die konnektorisierte Faser wird der kollimierte Strahl im Innern der Vorrichtung so auf einen der Würfel gerichtet, daß nur eine zweifache Teilung erfolgt. Dabei sind außer dem zweiten Eingangsteil keine weiteren Bauteile erforderlich.The collimated beam is through a second beam input for the connectorized fiber inside the device so aimed at one of the cubes that only a double division he follows. Apart from the second input part, no further components are required.

Der Vorteil liegt darin, daß im Innern der Vorrichtung keine bewegten Teile erforderlich sind, die durch Gebrauch verschleißen oder dejustieren könnten. Ein Verschleiß der Eingangsteile ist zwar ebenfalls denkbar, diese Teile können jedoch wesentlich leichter ausgetauscht werden, wonach keine Neujustierung erforderlich wird.The advantage is that no moving parts are required inside the device, that could wear or misalign through use. Wear of the Input parts are also conceivable, but these parts can be much lighter are replaced, after which no readjustment is required.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is in Described in more detail below.

Es zeigenShow it

Fig. 1: Die Ausführung eines glasfaseroptischen Strahlteilers mit: zwei Eingangs- Kollimiervorrichtungen (A1 und A2), vier Ausgangs-Fokussiervorrichtungen, (B1 bis B4), drei Würfelstrahlteilern (O1 bis O3), einem Distanzstück D, vier Spiralfedern E und dem Gehäuseblock C. Die für die Vierfach-Strahlteilung primäre Strahlteilungsebene ist mit S1, die sekundäre Ebene mit S2 gekennzeichnet. Für die Zweifach-Strahlteilung ist der Anteil von S2 im Würfel O1 die alleinige Strahlteilungsebene. Fig. 1: The design of a fiber optic beam splitter with: two input collimating devices (A1 and A2), four output focusing devices (B1 to B4), three cube beam splitters (O1 to O3), a spacer D, four spiral springs E and the housing block C. The primary beam splitting plane for quadruple beam splitting is marked S1, the secondary plane S2. For the double beam splitting, the share of S2 in the cube O1 is the sole beam splitting plane.

Fig. 2: zeigt den Strahlengang bei Verwendung der Eingangs-Kollimiervorrichtung A1, es resultiert die Aufteilung des Strahles in vier Anteile. FIG. 2 shows the beam path using the input collimating A1, it results in the division of the beam into four portions.

Fig. 3: zeigt den Strahlengang bei Verwendung der Eingangs-Kollimiervorrichtung A2, es resultiert die Aufteilung des Strahles in zwei Anteile. FIG. 3 shows the beam path using the input collimating A2, it results in the division of the beam into two portions.

Eine weitere Ausführung der in Patentanspruch 2 wiedergegebenen Erfindung wird in Fig. 4 dargestellt. Die beiden Strahlteilungsebenen sind hier durch Aneinanderfügen von einem großen (F) und zwei kleinen Prismen (G, H) realisiert. Die Kathedenlänge der kleinen Prismen entspricht der Hälfte der Länge der Hypothenuse des großen Prisma. Das große Prisma ist auf der Hypothenusenebene mit dem strahlteilenden Medium (S2) beschichtet. Eines der kleinen Prismen ist auf der Kathedenfläche beschichtet (S1).A further embodiment of the invention reproduced in claim 2 is shown in FIG. 4. The two beam splitting levels are realized here by joining one large (F) and two small prisms (G, H). The cathode length of the small prisms corresponds to half the length of the hypotenuse of the large prism. The large prism is coated with the beam-splitting medium (S2) on the hypotenuse level. One of the small prisms is coated on the cathode surface (S1).

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Aufteilung eines Laserstrahles hoher Leistung in 4 Einzelstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrfach strahlteilende optische Element aus drei handelsüblichen Würfelstrahlteilern zusammengesetzt ist, und zwar derart, daß die gegenseitige Ausrichtung der Strahlteilungsflächen im Innern der Würfel durch den Kontakt der Außenflächen der Würfel untereinander definiert ist.1. Device for dividing a laser beam of high power into 4 individual beams, characterized in that the multiple beam-splitting optical element is composed of three commercially available cube beam splitters, in such a way that the mutual alignment of the beam splitting surfaces inside the cube by the contact of the outer surfaces of the cubes is defined among themselves. 2. Vorrichtung zur Aufteilung eines Laserstrahles in 4 Einzelstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Strahlteilerflächen derart ist, daß die sekundäre Strahlteilungsebene zu der primären Strahlteilungsebene orthogonal ist, so daß die Länge des Strahlenweges vom Ende der Eingangsfaser zu den vier Ausgangsfasern jeweils identisch ist.2. Device for dividing a laser beam into 4 individual beams, characterized in that the arrangement of the beam splitter surfaces is such that the secondary Beam splitting plane is orthogonal to the primary beam splitting plane, so that the length of the beam path increases from the end of the input fiber the four output fibers are identical. 3. Vorrichtung zur Aufteilung eines glasfaseroptisch geführten Laserstrahles in 2 oder 4 Einzelstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen Vierfach- und Zweifachteilung durch Umstecken der Eingangsglasfaser in einen separaten Eingang erfolgt, von wo aus der kollimierte Strahl nur durch einen der drei vorhandenen Würfel geteilt und so auf nur zwei der vorhandenen vier Ausgänge verteilt wird.3. Device for splitting a fiber optically guided laser beam in 2 or 4 single beams, characterized in that switching between quadruple and double division The input fiber is plugged into a separate input, from where the collimated beam passes through only one of the three available Cubes divided and thus distributed over only two of the four exits becomes.
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