Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine infrarotoptische Faser, die als optische
Übertragungsleitung in einer Laserstrahlmaschine oder einem medizinischem Laserinstrument benutzt wird
und ein Verfahren zur Herstellung der infrarotoptischen Faser.
Hintergrund
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Bei medizinischen Operationen, bei denen Laser-Schneiden und -Strahlen verwendet werden,
werden derzeit zahlreiche Arten von Laserstrahlen benutzt, je nach dem Zweck der
Operation. Im letzteren Fall wird ein Kohlendioxid-(CO&sub2;)-Laserstrahl, aufgrund seiner hohen
Absorptionsfähigkeit im lebenden Organismus und seiner hervorragenden Schneide- und
Verdampfungs-Fähigkeiten eingesetzt.
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Als Mittel zur Übertragung des CO&sub2;-Laserstrahls zum Ziel wurde bislang ein
spiegelgelenkter optischer Wellenleiter, unter Verwendung einer Kombination von Reflektoren benutzt,
da quarzoptische Fasern, wie sie für die Telekommunikation verwendet werden, den CO&sub2;-
Laserstrahl nicht übertragen können, der eine Wellenlänge von 10.6 µm hat und so in die
Kategorie der mittleren Infrarotstrahlung fällt.
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Da der spiegelgelenkte optische Wellenreiter jedoch für präzise medizinische Operationen
nicht verwendet werden kann, wurden viele Anstrengungen unternommen, ihn durch eine
infrarotoptische Faser zu ersetzen. Als Ergebnis wurden mehrere Arten von infrarotoptischen
Fasern in der praktischen Verwendung für allgemeine Operationen eingesetzt, aber es kann
noch immer nicht gesagt werden, daß diese infrarotoptischen Fasern ausreichende Flexibilität
besitzen.
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Insbesondere gab es kürzlich einen Bedarf an sogenannten "CO&sub2;-Laser-Endoskopen", die die
Behandlung innerer Organe ohne Durchführung einer externen medizinischen Operation zum
Aufschneiden des Körpers ermöglichen, und zwar durch Einführung der infrarotoptischen
Faser zusammen mit dem Endoskop in das Innere des Körpers, um den CO&sub2; Laserstrahl zu
den erkrankten Bereichen zu lenken; aber den herkömmlichen infrarotoptischen Fasern
mangelt es vollständig an Flexibilität für diese Anwendung. Die infrarotopitsche Faser, die
bei dieser Anwendung verwendet wird, muß ausreichende Flexibilität, damit sie leicht im
Innern des Körpers gebogen werden kann, sowie ein Energieübertragungsvermögen zum
Schneiden und Verdampfen des erkrankten Bereichs besitzen. Bezüglich der
Verwendungsmöglichkeiten für das derzeit benutzte Endoskop wird erachtet, daß in Fällen, bei denen eine
infrarotoptische Faser wiederholt viele Male benutzt wird, Flexibilität benötigt wird, um das
Energieübertragungsvermögen trotz wiederholtem, ca. 10.000maligem Biegen, mit einem
Krümmungsradius von 20 mm zu bewahren. In Fällen, wo eine infrarotoptische Faser nur
einmal oder höchstens ein paarmal benutzt wird, ist generell eine Flexibilität ausreichend,
die das Energieübertragunsvermögen trotz wiederholtem Biegen von ungefähr 2000 mal mit
einem Krümmungsradius von 20 mm auf der infrarotoptischen Faser erhält. Es ist auch
wichtig für die infrarotoptische Faser, exzellente optische Eigenschaften, wie
Lichtdurchlässigkeit und einen Strahlenstreuungswinkel des Laserstrahls, zu besitzen.
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Metallhalogenverbindungen, wie Thallium-Halogenide, Silber-Halogenide und Cesium-
Halogenide wurden früher als infrarotoptische Fasermaterialien benutzt, die die CO&sub2;-
Laserstrahlen mit hoher Leistungsfähigkeit übermitteln können, aber diese Materialien haben
generell minderwertige mechanische Biegeeigenschaften und sind leicht zerbrechbar. Da die
infrarotoptische Faser, die aus Silberhalogeniden gebildet wurde, relativ flexibel und nicht
leicht zerbrechbar ist, sind derzeit zahlreiche Untersuchungen zur Verbesserung im Gange.
Ein Bericht wurde erstellt über ein Beispiel einer infrarotoptischen Faser, die aus Materialien
mit verbesserter Bruchdehnung gebildet wurde, durch Hinzufügung von 0.01 bis 10 Gew.-%
an Silberchlorid zu Silberbromid oder an Silberbromid zu Silberchlorid zur Verbesserung
der mechanischen Biegeeigenschaften. Während jedoch die infrarotoptische Faser dieser
Zusammensetzung beim Biegen mit einem Radius so klein wie 20 mm aufgrund ihres großen
Dehnungsverhältnisses nicht bricht, besteht das Problem, daß sie anfällig für plastische
Verformung beim Biegen ist aufgrund ihrer geringen Dehnungsfähigkeit, was eine
Verschmelzung
der verformten Teile während der Übermittlung der Laserstrahlen verursacht
oder eine Verschlechterung der optischen Eigenschaften ergibt.
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Es gibt auch einen Bericht über ein Beispiel für infrarotoptische Fasern, die so ausgebildet
sind, daß sie einen Durchmesser von 0,9 mm haben, aus Materialien mit mechanischer
Festigkeit, die durch Verwendung von Silberchlorid und Silberbromid in einem äquivalenten
Molverhältnis in ihrer Zusammensetzung verbessert wurden, aber es gibt dabei das Problem,
daß sie nach einer geringen Anzahl von wiederholtem Biegen mit einem Radius von 20 mm
während der Übermittlung des Laserstrahls zusammenschmilzt; die optischen Eigenschaften
verschlechtern sich und manchmal bricht die optische Faser.
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Bezugnehmend auf die Methode zur Herstellung infrarotoptischer Fasern, weist die
herkömmliche Heißextrusion (siehe Figur 5) von Metallhalogenidmaterialien ferner das
Problem auf, daß die infrarotoptischen Fasern in einer gewellten Form gegossen werden und
daß die Extrusiongeschwindigkeit gering ist. Diese Tendenz wird besonders bei der
Extrusion von Silberhalogenidmaterialien mit verbesserter mechanischer Festigkeit
beobachtet, und die Extrusion von optischen Fasern mit exzellenten optischen Eigenschaften
war daher noch nicht möglich.
Offenbarung der Erfindung
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Im Hinblick auf die obigen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
infrarotoptische Faser mit hoher Flexibilit und exzellenten optischen Eigenschaften zu
schaffen.
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Eine unplattierte infrarotoptische Faser gemäß der Erfmdung und ihre Herstellungsmethode
werden in den Ansprüchen 1 bis 4 definiert.
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Die infrarotoptische Faser, die ein Zusammensetzungsverhältnis aus Silberchlorid und
Silberbromid im Bereich von 30 bis 70 Gew.-% Silberchlorid und einen Durchmesser von
0,35 mm oder weniger hat, wird beim Biegen mit einem Krümmungsradius von 20 mm, was
eine Operationsbedingung zur praktischen Verwendung als "Laserendoskop" ist, keiner
plastischen Verformung nachgeben.
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Da die infrarotoptische Faser durch Heißextrusion unter Anwendung einer Zugkraft, die
größer als die Streckgrenze ist, die daran angebracht wird, produziert wird, kann die
infrarotoptische Faser auch in einer geraden Form ausgebildet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Extruder, wie er zur Herstellung
einer infrarotoptischen Faser verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Figur 2 zeigt Kennkurven, die die Beziehung zwischen dem Durchmesser der
infrarotoptischen Faser nach obigem Beispiel und der Veränderung ihrer Lichtdurchlässigkeit in einem
wiederholten Biegetest darstellt. Figur 3 zeigt Kennkurven, die die Reißgrenze der
infrarotoptischen Faser und die Streck- und Reißgrenze des Silberchlorid-Silberbromid-
Einkristalls, bezogen auf die Silberbromidkonzentration darstellen. Figur 4 zeigt
Kennkurven, die die Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis und dem
Strahlenstreuungswinkel der infrarotoptischen Faser darstellt. Figur 5 ist eine schematische
Querschnittsansicht, eines herkömmlichen Extruders.
Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
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Das Folgende beschreibt im Detail eine infrarotoptische Faser und eine Methode zur
Herstellung derselben gemäß der vorliegenden Erfindung, sowie die verschiedenen
Kennzeichnungsmerkmale der infrarotoptischen Faser unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen.
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Silberchlorid und Silberbromid werden miteinander vermischt, um ein
Zusammensetzungsverhältnis im Bereich von 30 bis 70 Gew.-% Silberchlorid zu erhalten, und Einkristalle
daraus werden durch die Bridgman-Methode hergestellt. Dann wird eine infrarotoptische
Faser 1 durch Verwendung eines Extruders, wie er in Figur 1 gezeigt ist, hergestellt. Ein
Vorformling 2 ist ein Basiskristall, der durch Ausbildung des Einkristalls in einer
zylindrischen Form mit einem Durchmesser von ungefähr 8 mm erhalten wird. Das
Bezugszeichen 3 zeigt einen Druckkolben, und die Bezugszeichen 4 zeigen Gußformen mit
einer Düse 5, um den Faserdurchmesser zu bestimmen. In diesem Beispiel wird eine Düse
mit einem Durchmesser von 0,3 bis 0,35 mm verwendet. Die Gußformen 4 werden aus
Siliziumnitridkeramik hergestellt, die große Härte und exzellenten Korrosionswiderstand
gegen Halogenidmaterialien und Natriumschwefelsulfate (Na&sub2;S&sub2;O&sub3;) zur Reinigung des
Haloidmaterials besitzt, aufweisen. Das Bezugszeichen 6 zeigt einen Behälter zur
Unterbringung des Vorformlings und das Bezugszeichen 7 zeigt einen Heizkörper zur
Wärmeregelung des Behälters 6. Ein Gewicht 8 wird zur Anwendung einer Zugkraft an die
infrarotoptische Faser verwendet.
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Als nächstes wird das Verfahren zur Extrusion der infrarotoptischen Faser nachfolgend
erklärt. Zuerst wird die Extrusionstemperatur im Bereich von 150º bis 220º C eingestellt.
Nachdem sich die Temperatur stabilisiert hat, wird durch Verwendung einer Hydraulikpresse
ein Druck von 5 bis 15 ton/cm² auf den Vorformling 2 ausgeübt, und während der
Aufbringung einer zusätzlichen Kraft auf die infrarotoptische Faser 1 durch das Gewicht 8
wird die infrarotoptische Faser 1 hergestellt. Das Gewicht 8 hat ein Gewicht, das eine Kraft
erzeugen kann, die größer als die Streckgrenze und kleiner als die Reißgrenze der
infrarotoptischen Faser ist. Ein Gewicht von 300g innerhalb des obigen Kraftbereichs ist
geeignet für eine infrarotopitsche Faser mit einem Durchmesser von 0,3 mm.
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Bei einer herkömmlichen Methode, bei der keine Zugkraft angewandt wird, werden
infrarotoptische Fasern in einer gewellten Form geformt, wie in Figur 5 gezeigt, die somit
das Problem haben, daß der Laserstrahl von der infrarotoptischen Faser über einen breiten
Winkel von 20 bis 30 Grad abgestrahlt wird und daß die Herstellungsgeschwindigkeit gering
ist. Das ist so, weil das Loch in der Düse 5 zu klein für eine präzise maschinelle
Bearbeitung des Loches ist und es daher Schwierigkeiten beim Erzielen einer idealen
Lochform gibt, und auch, da das Silberchlorid-Silberbromid-Material eine große
mechanische Festigkeit vorweist.
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Durch Formung während der Aufbringung einer Zugkraft von 300 g ist es möglich, die
infrarotoptische Faser mit einer geradlinigen Form, ohne Wellen, herzustellen, mit
exzellenten optischen Strahlungseigenschaften und einem Strahlenstreuungswinkel von 14
Grad, verglichen mit 20 bis 30 Grad beim Stand der Technik, bei einer Geschwindigkeit,
die zweimal so schnell wie die herkömmliche Methode ist.
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Das Folgende wird nun die Beziehung zwischen dem Durchmesser der so hergestellten
infrarotoptischen Faser 1 und den Eigenschaften bei wiederholtem Durchbiegen beschreiben.
Für die infrarotoptische Faser 1, die dem Biegetest ausgesetzt wurde, wurden Silberchlorid-
Silberbromid-Fasern mit einem Zusammensetzungsverhältnis von 43 Gew.-% Silberchlorid
mit drei verschiedenen Durchmessern von 0,5 mm, 0,35 mm und 0,3 mm und mit einer
Länge von 1,5 m verwendet. Wie in Figur 2 gezeigt, wurden die Fasern mit einem
Krümmungsradius von 20 mm und einem Krümmungswinkel von 180 Grad bis auf ungefähr
die tatsächlichen Operationsbedingungen für ein Laserendoskop gebogen, und die
Veränderung in der Lichtdurchlässigkeit wurde beobachtet. Wie in dieser Figur gezeigt,
zeigte die infrarotoptische Faser mit einem Durchmesser von 0,5 m einen Rückgang der
Lichtdurchlässigkeit nach 2.000maligem Biegen und verbrannte am Biegebereich während
der Messung der Lichtdurchlässigkeit nach 3000maligem Biegen. Die infrarotoptische Faser
mit einem Durchmesser von 0,35 mm zeigte keinen Rückgang in der Durchlässigkeit sogar
nach 10.000maligem Biegen, aber verbrannte am Biegebereich während der Messung der
Lichtdurchlässigkeit nach 12.000maligem Biegen. Bei der infrarotopitschen Faser mit einem
Durchmesser von 0,3 mm wurde keine Verbrennung beobachtet sogar nach 30.000maligem
Biegen, und der Rückgang der Lichtdurchlässigkeit war weniger als 2 Prozent. Als
Richtlinie für die benötigte Flexibilität in Fällen, bei denen eine infrarotoptische Faser
wiederholt viele Male verwendet wird, wird unter der Annahme, daß die Lebensdauer der
optischen Kabelabdeckung der infrarotoptischen Faser ein Jahr beträgt, daß die Anzahl des
Biegens für eine medizinische Behandlung 50 ist, und daß 200 Behandlungen pro Jahr
durchgeführt werden, davon ausgegangen, daß die infrarotoptische Faser eine Flexibilität
haben muß, die ungefähr 10.000maligem Biegen standhält. Die infrarotoptische Faser mit
einem Durchmesser von 0,35 mm oder weniger ist dazu fähig, unter tatsächlichen
Operationsbedingungen mehr als 10.000maligem Biegen standzuhalten und noch das
Energieübermittlungvermögen zu bewahren mit vernachlässigbarem Rückgang der
Lichtdurchlässigkeit und anderen optischen Strahlungseigenschaften, und es wird erwartet,
daß sie die Erfordernisse für die Verwendung im Innern eines Körpers zufriedenstellend
erfüllt.
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Die folgende Beschreibung befaßt sich mit Materialien für die infrarotoptische Faser vom
Gesichtspunkt des Zusammensetzungsverhältnisses aus. Figur 3 zeigt die Reißgrenze der
infrarotoptischen Faser und die Streck- und Reißgrenze des Silberchlorid-Silberbromid-
Mischkristalls unter Bezugnahme auf die Konzentration (Gewichtsprozent) an Silberbromid.
Die infrarotoptische Faser weist eine größere mechanische Festigkeit auf, sobald das
Zusammensetzungsverhältnis sich der Mitte der Grafik nähert.
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Dies trifft auch auf die optischen Eigenschaften zu. Da eine Verschlechterung der optischen
Eigenschaften durch exzessive plastische Verformung verursacht wird, wird angenommen,
daß das Zusammensetzungsverhältnis im Mittelpunkt der Grafik, wo das Silberchlorid-
Silberbromid-Material eine große Streckgrenze und Widerstandsfähigkeit gegen plastische
Verformung vorweist, geeignet ist als Material, das für die infrarotoptische Faser verwendet
wird, ist. Um das zu beweisen, wurden infrarotoptische Fasern mit verschiedenen
Zusammensetzungsverhältnissen hergestellt, um ihre optischen Eigenschaften auszuwerten.
Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis und den optischen
Strahlungseigenschaften. Wie in dieser Figur gezeigt, nimmt der Streuungswinkel einer
infrarotoptischen Faser, die 3 Gew.-% Silberbromide enthält, einen extrem großen Wert von
30 Grad ein, und der Streuungswinkel wird kleiner, sobald das Zusammensetzungsverhältnis
sich der Mitte der Grafik nähert, wodurch exzellentere optische Strahlungseigenschaften
erzielt werden. Obwohl nicht gezeigt, wurde die Tendenz festgestellt, daß eine größere
Lichtdurchlässigkeit auch auftrat, sobald das Zusammensetzungsverhältnis sich der Mitte der
Grafik näherte.
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In dem obigen Beispiel wurde die Beschreibung hauptsächlich auf die Verschlechterung der
optischen Strahlungseigenschaften in Verbindung mit dem Biegen bei der tatsächlichen
Benutzung der optischen Faser gerichtet. Da jedoch eine Verschlechterung der optischen
Strahlungseigenschaften, wie das Ansteigen des Strahlenstreuungswinkels und die Abnahme
der Lichtdurchlässigkeit, auch durch die Kraft, die während der Herstellung der
infrarotoptischen Faser darauf ausgeübt wird, wie den Extrusions- und Endenpoliturprozess,
verursacht werden kann, wird jedoch die geeignetste infrarotoptische Faser in einem
Konzentrationsbereich von 30 bis 70 Gew.-% für das Silberchlorid-Silberbromid erhalten,
wo eine große Streckgrenze zur Verfügung gestellt wird.
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Im folgenden wird nun der Laserstrahlabsorptionskoeffizient und das
Energieübertragungsvermögen der infrarotoptischen Faser beschrieben. Der Absorptionskoeffizient wurde
anhand der Verlängerung der infrarotoptischen Faser durch kalorimetrische Messung
erhalten, während das Energieübertragungsvermögen durch Erhöhung der Laserstrahlenergie,
die in die infrarotoptische Faser eingeleitet wurde, und Messung der Abnahme der
Laserstrahlstärke gemessen wurde. Als Ergebnis des Vergleichs dieser zwei Eigenschaften
wurde gefunden, daß ein Laserstrahlausgangswert von 10 W einen Absorptionskoeffizient
der infrarotoptischen Faser von 10&supmin;³ (l/cm) oder weniger benötigt. Daraus kann ersehen
werden, daß eine infrarotoptische Faser mit einem Absorptionskoeffizient von 10&supmin;³ (l/cm)
oder weniger benötigt wird, um eine Laserstrahlübertragungsenergie von 10 W zu erhalten,
welche als notwendig erachtet wird für das Schneiden und Verdampfen des erkrankten
Bereichs.
Industrielle Anwendbarkeit
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Eine Faser nach der vorliegenden Erfindung hat eine hohe Streckgrenze, und der
Durchmesser der Faser ist festgelegt auf 0,35 mm oder weniger und hat eine große mechanische
Festigkeit, so daß sie nicht durch den Rückgang der Laserstrahlübertragungsfähigkeit
verbrennt, selbst nach 10.000maligem wiederholtem Biegen mit einem Krümmungsradius
von 20 mm, was die tatsächliche Operationsbedingung ist, und sie zeigt exzellente optische
Eigenschaften wie Lichtdurchlässigkeit und Strahlenstreuungswinkel vor. Durch Ausübung
einer angemessenen Zugkraft auf die infrarotoptische Faser bei der Extrusion kann eine
infrarotoptische Faser mit gerader Form, frei von Kurven, und mit exzellenten optische
Eigenschaften beständig mit einer kurzen Herstellungsdauer produziert werden.