DE4437489C1 - Kühlvorrichtung für einen impulsförmig angeregten Laser und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für einen impulsförmig angeregten Laser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Kühlen eines impulsförmig angeregten Lasers nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.

In bekannten Festkörperlasern (beispielsweise DE 91 06 829 U1) werden in einer entsprechenden Kavität bzw. Kavitätsgehäuse üblicherweise ein oder mehrere Laserstäbe inclusive Blitzlampen zum impulsförmigen Anregen des Lasermediums angeordnet. Um eine thermische Überlastung des Lasermediums zu verhindern sind verschiedenste Kühlvorrich­ tungen innerhalb derartiger Festkörperlaser bekannt geworden.

Beispielsweise kann eine geeignete Kühlflüssigkeit bzw. ein geeignetes Kühlmedium direkt durch die Kavität geleitet werden und Blitzlampe(n) sowie Lasermedium umspülen.

Ferner sind Anordnungen bekannt, bei denen die Kühlflüssigkeit in spiralförmigen Kühlröhren um das stabförmige Lasermedium und/oder die Blitzlampe(n) geführt wird.

Sämtlichen bekannten Anordnungen ist gemeinsam, daß üblicher­ weise ein oder mehrere Pumpen in den Kühlkreisläufen vorgesehen sind, die eine Umwälzung des jeweiligen Kühlmediums und damit eine entsprechende Wärmeabfuhr bewirken.

Für bestimmte Laser-Anwendungen resultieren nunmehr jedoch Probleme, wenn derartig aufwendige Kühlvorrichtungen für einen Festkörperlaser erforderlich sind. Bei einem unmittelbar an einem Operationsmikroskop angeordneten, kompakten Festkörper­ laser stören die erforderlichen Zu- und Ableitungen des Kühl­ medium-Kreislaufs inklusive der erforderlichen Pumpen und deren Versorgungsleitungen den operierenden Chirurgen erheblich.

Gefordert ist daher eine möglichst wenig aufwendige Kühl­ vorrichtung für einen kompakt bauenden impuls­ förmig angeregten Laser, die trotz geringen Aufwands eine effiziente Kühlung des Lasers gewährleistet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Ein geeignetes Verfahren zum Kühlen eines impulsförmig angeregten Lasers ist Gegenstand des Anspruches 10.

Der Aufwand zur erforderlichen Kühlung wird nunmehr reduziert, indem auf separate Pumpen zum Umwälzen des Kühlmediums im Kühlkreislauf vollkommen verzichtet wird. Das Umwälzen des Kühlmediums wird vielmehr dergestalt erreicht, daß der beim impulsförmigen Anregungsvorgang, d. h. vorzugsweise beim Zünden der Blitzlampe kurzzeitig auftretende Überdruck aufgrund der resultierenden Erwärmung im Kühlmedium ausgenutzt wird. Durch eine entsprechende Dimensionierung von Einlaß- und Auslaßventilen im Kühlkreislauf wird gewährleistet, daß bei jedem Pumppuls ein bestimmter Anteil des Kühlmediums umgewälzt wird und wieder abkühlen kann bis das Kühlmedium schließlich wieder in diesen Bereich des Kühlkreislaufes gelangt.

Für nicht allzu hohe Pumpleistungen bzw. Pumpfrequenzen ist auf diese Art und Weise eine einfache Umwälzung des Kühlmediums gewährleistet. Der ansonsten erforderliche Aufwand im Hinblick auf Pumpen im Kühlkreislauf etc. kann somit enorm reduziert werden.

Desweiteren resultiert aufgrund des Weglassens der ansonsten üblichen Pumpen selbstverständlich auch eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten einer derartigen Kühl­ vorrichtung bzw. des kompletten Lasers.

Eine besonders effiziente Kühlung ist zudem gewährleistet, wenn mindestens ein Vorratsbehälter im Kühlkreislauf vorgesehen wird, in den das umgewälzte Kühlmedium geleitet und dort zusätzlich passiv und/oder aktiv gekühlt wird bevor es wieder in die Laserkavität oder in die Nähe des zu kühlenden Laser- Mediums gelangt.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in Verbindung mit einem bekannten Festkörperlaser;

Fig. 2 eine Darstellung eines geeigneten Ein- oder Auslaß- Ventiles innerhalb der erfindungsgemäßen Kühlvor­ richtung.

Fig. 1 zeigt eine schematisierte Prinzipdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Kühl­ vorrichtung.

In einer Kavität (1) bzw. dem entsprechenden Kavitäts-Gehäuse sind hierbei das stabförmige Lasermedium (2) und eine Blitz­ lampe (3) benachbart angeordnet. Die Kavität (1) weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen elliptischen Quer­ schnitt auf, wobei das stabförmige Lasermedium (2) und die Blitzlampe (3) vorzugsweise in den Ellipsen-Foki angeordnet sind. Die Kavitäts-Innenseite ist desweiteren reflektierend für die Pumpwellenlänge, d. h. die Blitzlampenstrahlung, ausgeführt, um eine möglichst effiziente Anregung des Lasermediums (2) sicherzustellen.

Als Lasermedium (2) ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Er-dotierter YAG-Stab vorgesehen, der eine Laser-Wellen­ länge von 2,94 µm liefert. Alternativ sind selbstverständlich auch andere bekannte Festkörper-Lasermaterialien wie Nd : YAG etc. in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung einsetzbar.

Ebenso können jederzeit alternative Kavitätsanordnungen mit einem anderen Kavitäts-Querschnitt und mehreren Blitzlampen usw. in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung realisiert werden.

Als Blitzlampe (3) zum optischen Pumpen des stabförmigen Laser­ mediums (2) ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine lineare Blitzlampe mit der Typenbezeichnung OXF 393 der Firma Q-ARC vorgesehen.

Die Pumppuls-Frequenz der Blitzlampe (3) wird über ein geeignetes Steuerungs-Modul (4) definiert gesteuert, d. h. die Blitzlampe wird über das Steuerungs-Modul mit der gewünschten Frequenz gezündet. Der gepulste Blitzlampenbetrieb wird hierbei in bekannter Art und Weise über eine Kondensatorentladung realisiert, die über Thyristoren, Transistoren oder IGBTs geschaltet wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel erreicht die Blitzlampe (3) eine Pumpenergie von 40 J. Die Repetitionsrate beträgt hierbei ca. 1 Hz, d. h. es erfolgt eine impulsförmige Anregung des Lasermediums (2) mit relativ geringer Frequenz.

Die dabei vom Laser gelieferte Pulsfrequenz ist bei bestimmten medizinischen Anwendungen in der Ophthalmologie oder der HNO- Chirurgie jedoch vollkommen ausreichend.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kavität bzw. das Kavitäts-Gehäuse (1) mit dem Kühlmedium (5) des Kühlkreislaufs gefüllt. Als Kühlmedium (5) ist hierbei herkömmliches Wasser vorgesehen, alternativ hierzu ist jedoch auch der Einsatz von de-ionisiertem Wasser und einer Reihe weiterer geeigneter Kühl­ medien (5) jederzeit möglich.

Der Kühlkreislauf umfaßt neben dem eigentlichen Kühlmedium (5) desweiteren Ein- und Auslaßventile (6, 7), die im dargestellten Ausführungsbeispiel im Kavitäts-Gehäuse (1) angeordnet sind.

Hierbei ist das auf der Kavitäts-Unterseite vorgesehene Ventil (6) als Einlaßventil ausgeführt, während das auf der Kavitäts- Oberseite angeordnete Ventil als Auslaß-Ventil für das flüssige Kühlmedium (5) aus dem Kavitäts-Gehäuse (1) fungiert.

Wird die Blitzlampe (3) zum Anregen des Lasermediums (2) gezündet, so resultiert eine kurzzeitige Ausdehnung des Kühl­ mediums (5) innerhalb des Kavitäts-Gehäuses (1) im Kühlkreis­ lauf. Die Ein- und Auslaßventile (6, 7) sind hinsichtlich des möglichen Durchsatzes sowie der erforderlichen Kraft zum Öffnen nunmehr so dimensioniert, daß diese kurzzeitige Volumens­ erhöhung des Kühlmediums (5) dahingehend ausgenutzt wird, daß mindestens ein Teil des Kühlmediums (5) im Pumppuls-Intervall durch das Auslaßventil (7) das Kavitätsgehäuse (1) verläßt. Aufgrund des durch die anschließende Abkühlung entstehenden Unterdruckes in der Kavität (1) öffnet unmittelbar nach dem Pumppuls das Einlaßventil (6) und ein entsprechender Volumen­ anteil des Kühlmediums (5) im restlichen Teil des Kühlkreis­ laufs gelangt wieder in die Kavität (1) usw. Auf diese Art und Weise wird somit eine Umwälzung des Kühlmediums (5) innerhalb des Kühlkreislaufs ohne separate Pumpen realisiert.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist desweiteren ein Vorratsbehälter (8) im eigentlichen Kühlkreislauf der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung vorgesehen. In diesen Vorratsbehälter (8) gelangt das Kühlmedium (5), das die Kavität (1) über eine entsprechende Abflußleitung (9) während des Pump­ pulses verläßt. Über eine Auslaßöffnung (11) des Vorrats­ behälters (8) ist eine Zuflußleitung (10) mit dem Einlaßventil (6) verbunden, die den Vorratsbehälter (8) mit dem Kavitäts- Gehäuse (1) verbindet.

Desweiteren befindet sich der Vorratsbehälter (8) im Kühlkreis­ lauf des dargestellten Ausführungsbeispieles in thermischem Kontakt mit einem aktiven Kühlelement (12), ausgeführt als bekanntes Peltier-Element. Das vorgesehene Kühlelement (12) wird über eine entsprechende Steuereinheit (13) auf einer gewünschten Temperatur gehalten. Das Kühlelement (12) dient demnach zum zusätzlichen aktiven Herunterkühlen der Temperatur des Kühlmediums (5) im Vorratsbehälter (8).

Je nach gewünschtem Aufwand im Kühlkreislauf kann das Kühl­ element (12) alternativ auch als passives Kühlelement ausgelegt werden und lediglich aus einer entsprechend großen Fläche bestehen, über die ein Wärmetausch zwischen dem Vorratsbehälter (8) und der Umgebung erfolgt.

Selbstverständlich ist auch eine Kombination aktiver und passiver Kühlelemente in Verbindung mit dem Vorratsbehälter jederzeit innerhalb der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung möglich.

Desweiteren kann bei einer geringen abzuführenden Wärmeleistung die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ebenso ohne Vorrats­ behälter ausgeführt werden. Analog ist selbstverständlich auch möglich, mehr als einen derartigen Vorratsbehälter im Kühl­ kreislauf anzuordnen usw.

Es muß zum Dimensionieren des Kühlkreislaufs demzufolge lediglich vorab bestimmt werden, welche Wärmeleistung über den Kühlkreislauf aus der Umgebung des Lasermediums (2) abgeführt werden muß, um einen zufriedenstellenden Laser-Betrieb zu gewährleisten.

Das mit der dargestellten Kühlvorrichtung kühlbare, stabförmige Lasermedium (2) weist eine Länge von ca. 55 mm und einen Durch­ messer von etwa 4 mm auf. Die mit der Blitzlampe realisierte Pump-Pulsdauer beträgt ca. 400 µsec.

Damit läßt sich bei der Verwendung von sogenannten Kugelrück­ schlag-Ventilen als Ein- und Auslaßventile (6, 7) eine Umwälzung des Kühlmediums (5) in der Volumen-Größenordnung von 0,1 ml pro Pumppuls bewirken. Für nicht allzu hohe Pumppuls­ frequenzen ist ein derartiges Umwälz-Volumen zum Kühlen des Lasermediums (2) vollkommen ausreichend.

Die eingesetzten Ein- und Auslaßventile (6, 7) sind - wie bereits angedeutet - im dargestellten Ausführungsbeispiel als Kugelrückschlag-Ventile ausgeführt. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel eines derartigen Ventiles ist in Fig. 2 detailliert dargestellt.

Hierbei ist im Inneren einer zylinderförmigen Patrone (20) eine Kugel (21) vorgesehen, die über eine an der Patrone abgestützte Feder (22) gegen eine kreisförmige Öffnung (23) am Boden der Patrone (20) gedrückt wird. Die zylinderförmige Patrone (20) ist hierbei vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Edelstahl gefertigt. Alternativ hierzu können selbstverständlich andere Materialien, die vorzugsweise chemisch inert sind, hierzu eingesetzt werden. Eine Anpassung der Ein- und Auslaß- Eigenschaften der Ventile an die Betriebsparameter des Lasers kann nunmehr beispielsweise durch die Wahl der geeigneten Größe der Öffnung (23) erfolgen. Ebenso ist hierbei die Einstellung des auf die Kugel (22) wirkenden Federdruckes bei der Anpassung des Kühlkreislaufs an die Betriebsparameter des Lasers zu beachten. Über die wirkende Federkraft lassen sich jeweils die Öffnungseigenschaften der Ventile definiert einstellen. Hierfür geeignete Kugelrückschlag-Ventile werden etwa von der Firma Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH hergestellt und in der entsprechenden Auswahl vertrieben.

Auch hierbei sind selbstverständlich alternative Realisierungs­ möglichkeiten für die erforderlichen Ein- und Auslaßventile möglich.

Die dargestellte Kühlvorrichtung eignet sich vorzugsweise für einen kompakt-bauenden Laser geringerer Leistung. Ein derartiger Laser kann etwa in einem Adapter unmittelbar an einem Operationsmikroskop angeordnet werden und beispielsweise in der HNO-Chirurgie zum Einsatz kommen. Ein geeigneter Adapter ist etwa in der Patentanmeldung P 44 20 734 der Patentinhaberin beschrieben.

Vorteilhafterweise ist neben dem eigentlichen flüssigen Kühl­ medium im Kühlkreislaufferner ein geringer Anteil eines gasförmigen Kühlmediums vorhanden, wobei das gasförmige Kühl­ medium einen höheren thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten aufweist. Da sich das gasförmige Kühlmedium demzufolge dann beim Zünden der Blitzlampe stärker ausdehnt als das flüssige Kühlmedium wird damit insgesamt ein erhöhter Durchsatz bzw. ein erhöhtes Umwälz-Volumen der Kühlmedien im Kühlkreislauf bewirkt.

Neben der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist es desweiteren jederzeit möglich, das vorgesehene Kühlmedium nicht direkt durch das Kavitätsgehäuse zu leiten, sondern etwa röhrenförmige Kühl­ leitungen vorzusehen. Diese Kühlröhren können hierbei spiral­ förmig ein oder mehrere der Blitzlampen und das Lasermedium umgeben. Es ist in einer derartigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sowohl der Einsatz einer einzigen derartigen Kühlröhre ebenso möglich wie der Einsatz mehrerer Kühlröhren und entsprechend dimensionierter Kühlkreis­ läufe.

Analog zum ersten beschriebenen Ausführungsbeispiel sind hierbei in den einzelnen Kühlröhren ebenfalls entsprechende Ein- und Auslaß-Ventile vorzusehen, die ebenso arbeiten wie die vorab beschriebenen Ventile.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung läßt sich somit in einer Vielzahl von verschiedensten Kavitäts-Anordnungen einsetzen und ist nicht etwa auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims (12)

1. Kühlvorrichtung für einen impulsförmig angeregten Laser mit mindestens einem Kühlkreislauf und mit einem Kühlmedium, dessen Volumen sich beim impulsförmigen Anregungsvorgang vergrößert, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Einlaß- und ein Auslaß­ ventil (6, 7) im Kühlkreislauf vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Lasers so dimen­ sioniert sind, daß ein zumindest teilweises Umwälzen des Kühlmediums (5) im Kühlkreislauf lediglich durch das kurzzeitige Erwärmen und anschließende Abkühlen des Kühlmediums beim impulsförmigen Anregungsvorgang erfolgt, wobei beim Erwärmen und damit Vergrößern des Kühlmedium-Volumens das Auslaßventil (7) bzw. die Auslaßventile (7) geöffnet und beim Abkühlen und damit Verkleinern des Kühlmedium-Volumens das Einlaßventil (6) bzw. die Einlaßventile (6) geöffnet werden.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Vorratsbehälter (8) für das Kühlmedium (5) im Kühlkreislauf vorgesehen ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (8) mit einem aktiven Kühlelement (12) in thermischem Kontakt steht

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter mit einem passiven Kühlelement in thermischem Kontakt steht.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur impulsförmigen Anregung mindestens eine Blitzlampe (3) zusammen mit mindestens einem stabförmigen Lasermedium (2) in einer Kavität (1) angeordnet ist.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßventile (6, 7) jeweils als Kugel­ rückschlagventile ausgeführt sind.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß im Kühlkreislauf ein flüssiges Kühlmedium (5) sowie ein bestimmter Volumen-Anteil eines gasförmigen Kühlmediums vorgesehen sind.

8. Verwendung der Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche für einen Festkörperlaser.

9. Verwendung der Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasermedium (2) mindestens ein Er : YAG-Stab vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Kühlen eines impulsförmig angeregten Lasers, der eine Kühlvorrichtung mit mindestens einem Kühlkreis­ lauf aufweist, wobei das Volumen des Kühlmediums des Kühl­ kreislaufs sich beim impulsförmigen Anregungsvorgang vergrößert, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium (5) lediglich durch das kurzzeitige Vergrößern des Kühlmedium-Volumens beim impulsförmigen Anregungsvorgang zumindest teilweise im Kühlkreislauf umgewälzt wird, wobei beim Erwärmen und damit Vergrößern des Kühlmedium-Volumens mindestens ein Auslaßventil (7) im Kühlkreislauf geöffnet und beim Abkühlen und damit Verkleinern des Kühlmedium-Volumens mindestens ein Einlaßventil (6) im Kühlkreislauf geöffnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlkreislauf ein Vorratsbehälter (8) vorgesehen ist, durch den das Kühlmedium (5) umgewälzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium (5) im Vorratsbehälter (8) zusätzlich aktiv und/oder passiv gekühlt wird.