Bezeichnung der Erfindung
-
Verfahren zum Herstellen einer optischen Infrarotfaser ohne Mantel
Technischer Bereich
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer optischen
Infrarotfaser ohne Mantel, wie sie als optische Übertragungsleitung in
Laserstrahlvorrichtungen oder medizinischen Laserinstrumenten benutzt wird.
Hintergrundtechnik
-
Bei medizinischen Operationen mit Verwendung von Laserschneideinrichtungen und
Laserstrahlen werden derzeit verschiedene Arten von Laserstrahlen entsprechend dem
Operationszweck benutzt. Im nachfolgenden Fall wird ein Kohlendioxid-(CO&sub2;)-Laser wegen
seines hohen Absorptionsvermögens im lebenden Organismus und seiner hervorragenden
Schnitt- und Verdampfungsfahigkeiten verwendet.
-
Zui Übertragung des CO&sub2;-Laserstrahls zum Ziel wurde bereits ein optisches
Gelenkspiegelwellenleitersystem, das eine Kombination von Spiegeln verwendet, benutzt, da
optische Fasern aus Quarz, wie sie in der Telekommunikation benutzt werden, den CO&sub2;-
Laserstrahl, der eine Wellenlänge von 10,6 µm hat und somit in den Bereich der mittleren
Infrarotstrahlung fallt, nicht übertragen können.
-
Da es diesem Gelenkspiegelwellenleitersystem jedoch an der Funktionsfahigkeit für präzise
medizinische Operationen mangelt, wurden viele Anstrengungen unternommen, es durch eine
optische Infrarotfaser zu ersetzen. Infolgedessen sind eine Anzahl von Arten optischer
Infrarotfasern in der allgemeinen Chirurgie zur praktischen Anwendung gekommen, aber
von keiner dieser Fasern kann gesagt werden, daß sie über eine ausreichende Flexibilität
verfügt.
-
In letzter Zeit wurde das Bedürfnis nach einem sogenannten "CO&sub2;-Laser-Endoskop" immer
größer. Ohne daß vorher der Körper aufgeschnitten werden muß, ermöglicht dieses die
Behandlung innerer Organen, indem die optische Infrarotfaser zusammen mit dem Endoskop
eingeführt wird, um den CO&sub2;-Laserstrahl auf die erkrankte Stelle zu richten. Den gängigen
optischen Infrarotfasern mangelt es jedoch an der für diese Anwendung erforderlichen
Flexibilität. Die für solch eine Anwendung verwendete optische Infrarotfaser muß über eine
ausreichende Flexibilität verfügen, um sie im Inneren des Körpers leicht biegen zu können,
und muß aber auch über die Fähigkeit zur Übertragung der Leistung zum Schneiden und
Verdampfen der erkrankten Stelle verfügen. Was die Betriebsbedingungen bei derzeit
verwendeten Endoskopen angeht, wird eine Flexibilität gefordert, bei der die Fähigkeit zur
Leistungsübertragung auch bei ca. 10.000fach wiederholter Biegung mit einem
Krümmungsradius von 20 mm noch erhalten bleibt. Außerdem ist es wichtig, daß die optische
Infrarotfaser über hervorragende optische Eigenschaften wie z.B. Durchlaßgrad und
Strahlungsstreuwinkel des Laserstrahls verfügt.
-
Metalihalogenide wie Thalliumhalogenid, Silberhalogenid und Cäsiumhalogenid wurden
bereits als optische Infrarotfaserstoffe verwendet und leiten den CO&sub2;-Laserstrahl mit einem
hohen Wirkungsgrad. Leider verfügen diese Stoffe nur über schlechte Biegeeigenschaften
und zerbrechen leicht. Da die optische Infrarotfaser, die aus Silberhalogenid hergestellt wird,
relativ biegsam und nicht leicht zerbrechlich ist, laufen verschiedene Untersuchungen zur
Verbesserung dieser Materialien. Gemäß einem Versuchsbericht wurden bei einem Beispiel
optischen Infrarotfasern aus Werkstoffen mit verbesserter Langenausdehnung und
Bruchdehnung etwa 0,01 bis 10 Gewichtsprozent Silberchlorid zu Silberbromid oder
Silberbromid zu Silberchlorid zugesetzt, um die mechanischen Biegeeigenschaften zu
verbessern. Während die optischen Infrarotfasern dieser Zusammensetzung beim Biegen
selbst mit einem Radius bis zu 20 mm aufgrund ihrer großen Längendehnungsrate nicht
brechen, gibt es jedoch das Problem, daß sie aufgrund der geringen Zugspannungsfestigkeit
beim Biegen anfällig sind für plastische Verformungen, was Aufschmelzen der verformten
Stelle bei der Übertragung des Laserstrahls verursacht oder zu einer Minderung der
optischen Eigenschaften führt.
-
Ein anderer Versuchsbericht unterrichtet über ein Beispiel einer optischen Infrarotfaser, die
mit einem Durchmesser von 0,9 mm aus Stoffen mit verbesserter mechanischer Festigkeit
dadurch hergestellt wird, daß bei ihrer Zusammensetzung Silberchlorid und Silberbromid
in einem entsprechenden Molverhältnis verwendet wird; aber hier ergibt sich das Problem,
daß nach einer geringen Anzahl wiederholten Biegens mit einem Radius von 20 mm das
Material bei der Übertragung des Laserstrahis aufschmilzt, sich die optischen Eigenschaften
verschlechtern und in einigen Fällen die optische Faser bricht.
-
Was das Verfahren zur Herstellung optischer Infrarotfasern angeht, weist die herkömmliche
Heißextrusion (vgl. Figur 5) von Metallhalogenidmaterialien das Problem auf, daß die
optischen Infrarotfasern in einer gewellten Form gegossen werden und die
Extrusionsgeschwindigkeit gering ist. Diese Tendenz ist insbesondere bei der Extrusion von
Silberhalogenidwerkstoffen mit verbesserter mechanischer Festigkeit festzustellen, weswegen
eine Extrusion optischer Infrarotfasern mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften nicht
möglich war.
-
Ein Verfahren zur Extrusion eines Halogenidkristalls und Gleichrichtung der Faser durch
Anlegen einer vertikalen Spannung wird in der JP-A-61 128 208 des gleichen Anmelders
dargestellt.
Offenbarung der Erfindung
-
In Anbetracht der oben genannten Probleme ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren
zum Herstellen einer optischen Infrarotfaser ohne Mantel mit hoher Biegsamkeit und
ausgezeichneten optischen Eigenschaften zu schaffen.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf ein Verfahren zum Herstellen
einer optischen Infrarotfaser ohne Mantel, die im großen und ganzen frei von
Fremdpartikeln ist und einen Durchmesser von mehr als 3 µm aufweist, bei dem durch
Heißextrusion unter Verwendung von Formen eine optische Faser von linearer Form mit einem
Durchmesser von 0,5 mm oder weniger aus einer Mischung von Silberchlorid und
Silberbromid hergestellt wird, wobei der Anteil des Silberchlorids in der Mischung im
Bereich von 30 bis 70 Gewichtsprozent liegt, und bei dem die geformte optische
Infrarotfaser einer Zugbelastung ausgesetzt wird, die größer als die Streckspannung, aber
kleiner als die Bruchspannung der optischen Infrarotfaser ohne Mantel ist.
-
Eine mit diesem Verfahren hergestellte optische Infrarotfaser ohne Mantel wird bei Biegung
mit einem Krümmungsradius von 20 mm, was eine Betriebsvoraussetzung für die praktische
Verwendung als "Laser-Endoskop" darstellt, keine plastische Verformung zeigen.
-
Da die optische Infrarotfaser unter Verwendung von Heißextrusion mit einer Zugbelastung
hergestellt wird, die größer als die darauf einwirkende Streckspannung ist, kann die optische
Infrarotfaser in einer geradlinigen Form geformt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungsfiguren
-
Figur 1ist eine schematische Querschnittsansicht eines Extruders zur Verwendung bei dem
Verfahren zum Herstellen einer optischen Infrarotfaser in einem Beispiel der vorliegenden
Erfindung. Figur 2 zeigt charakteristische Graphen des Verhältnisses zwischen dem
Durchmesser der optischen Infrarotfaser des obigen Beispiels und der sakularen Änderung
ihres Lichtdurchlässigkeit bei einem Test mit wiederholtem Biegen. Figur 3 zeigt
charakteristische Graphen der Bruchspannung der optischen Infrarotfaser und die
Streckspannung und Bruchspannung des Silberchlorid/Silberbromid-Einkristalls in
Abhängigkeit von der Silberbromidkonzentration. Figur 4 zeigt einen charakteristischen
Graphen, der das Verhältnis zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis und dem
Strahlungsstreuwinkel der optischen Infrarotfaser darstellt. Figur 5 ist eine schematische
Querschnittansicht eines herkömmlichen Extruders.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
-
Das Nachfolgende wird das Verfahren zum Herstellen einer optischen Infrarotfaser ohne
Mantel gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso wie die verschiedenen Eigenschaften der
optischen Infrarotfaser unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert
beschreiben.
-
Silberchlorid und Silberbromid werden so miteinander gemischt, daß sie ein
Mischungsverhältnis im Bereich von 30 bis 70 Gewichtsprozent Silberchlorid aufweisen. Daraus
werden gemäß dem Bridgman-Verfahren Einkristalle vorbereitet. Danach wird eine optische
Infrarotfaser 1 unter Verwendung eines Extruders hergestellt, wie er in Figur 1 dargestellt
ist. Ein Vorformling 2 ist ein Basiskristall, den man erhält, wenn man den Einkristall in eine
zylindrische Form mit einem Durchmesser von ungefahr 8 mm formt. Bezugsziffer 3 ist ein
Preßstempel, und Bezugsziffer 4 ist ein Formwerkzeug mit einer Düse 5 zur Festlegung des
Faserdurchmessers. In diesem Beispiel wird eine Düse mit einem Durchmesser von 0,3 bis
0,5 mm benutzt. Die Form 4 wird aus Siliziumnitrid-Keramik hergestellt, die eine hohe
Härte hat und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit gegen Halogenmaterialien und
Natriumthiosulfat (Na&sub2;S&sub2;O&sub3;) zum Reinigen von Halogenmaterialien aufweist. Bezugsziffer
6 ist ein Behälter zur Verwahrung des Vorformlings, und Bezugsziffer 7 ist eine
Heizeinrichtung zur Wärmesteuerung bzw. -regelung des Behälters 6. Ein Gewicht 8 wird
zur Beaufschlagung der optischen Infrarotfaser mit einer Zugbelastung verwendet.
-
Als nächstes wird nachstehend der Extrusionsvorgang der optischen Infrarotfaser erklärt. Als
erstes wird die Extrusionstemperatur innerhalb des Bereichs von 150 bis 220ºC eingestellt.
Nachdem sich die Temperatur stabilisiert hat, wird mittels einer hydraulischen Presse ein
Druck von 5 bis 15 t/cm² auf den Vorformling 2 ausgeübt, und während auf die optische
Infrarotfaser durch das Gewicht 8 eine zusätzliche Belastung ausgeübt wird, wird die
optische Infrarotfaser 1 hergestellt. Das Gewicht 8 ist so bemessen, daß die ausgeübte
Belastung größer als die Streckspannung, aber kleiner als die Bruchspannung der optischen
Infrarotfaser ist. Ein Gewicht von 300 g innerhalb des obigen Lastbereichs ist für eine
optische Infrarotfaser mit einem Durchmesser von 0,3 mm angemessen.
-
Bei einem herkömmlichen Verfahren, bei dem keine Zugbelastung aufgebracht wird, werden
die optischen Infrarotfasern in einer wie in Figur 5 gezeigten gewellten Form gegossen,
woraus sich das Problem ergibt, daß der Laserstrahl von der optischen Infrarotfaser in einem
breiten Winkel von 20 bis 30 Grad gestreut wird und daß die Produktionsgeschwindigkeit
sehr gering ist. Das liegt daran, daß die Bohrung der Düse 5 zu klein zur genauen
spanenden Bearbeitung der Bohrung ist, so daß Schwierigkeiten bestehen, eine ideale
Bohrungsform zu erzielen, und auch daran, daß die Silberchlorid/Silberbromidwerkstoffe
über eine große mechanische Festigkeit verfügen.
-
Durch das Formen während der Beaufschlagung mit der Zugbelastung von 300 g ist es
möglich, die optische Infrarotfaser in einer geradlinigen Form ohne Wellen und mit
hervorragenden strahlungsoptischen Eigenschaften mit einem Strahlungsstreuwinkel von 14
Grad, verglichen mit 20 bis 30 Grad beim Stand der Technik, mit zweimal höherer
Geschwindigkeit als bei dem herkömmlichen Verfahrens herzustellen.
-
Das Nachfolgende wird den Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der auf diese Art
hergestellten optischen Infrarotfaser 1 und den Eigenschaften bei wiederholtem Biegen
aufzeigen. Für die dem Biegetest unterzogenen optischen Infrarotfasern 1 wurden
Silberchlorid/Silberbromid-Fasern mit einem 43 Gewichtsprozent Silberchlorid
entsprechenden Mischungsverhältnis in drei verschiedenen Durchmessern von 0,5 mm, 0,35
mm und 0,3 mm und einer Länge von 1,5 m verwendet. Wie in Figur 2 gezeigt, wurden die
Fasern mit einem Biegeradius von 20 mm und einem Biegewinkel von 180º gebogen, um
die tatsächlichen Betriebsbedingungen für ein Laser-Endoskop anzunähern, und es wurde die
Änderung der Lichtdurchlässigkeit untersucht. Wie in dieser Figur dargestellt, zeigte die
optische Infrarotfaser mit einem Durchmesser von 0,5 mm nach ca. 2000fachem Biegen
einen Abfall in der Lichtdurchlässigkeit auf und brannte nach ca. 3000fachem Biegen an der
Biegestelle während der Messung der Lichtdurchlässigkeit durch. Die optische Infrarotfaser
mit einem Durchmesser von 0,35 mm zeigte selbst nach 10.000fachem Biegen noch keinen
Abfall der Lichtdurchlässigkeit, brannte jedoch an der Biegestelle nach ca. 12.000fachem
Biegen während der Messung der Lichtdurchlässigkeit durch. Bei der optischen Infrarotfaser
mit einem Durchmesser von 0,3 mm konnte selbst nach 30.000fachem Biegen kein
Anbrennen beobachtet werden und der Abfall in der Lichtdurchlässigkeit lag bei weniger als
2 %. Unter der Annahme, daß die Lebensdauer des optischen Kabelgehäuses, das die
optische Infrarotfaser beherbergt, ca. ein Jahr beträgt, daß die Anzahl der Biegungen pro
medizinischem Einsatz ca. 50 beträgt, und daß ca. 200 Behandlungen pro Jahr durchgeführt
werden, wird als Richtschnur angenommen, daß die optische Infrarotfaser eine Flexibilität
benötigt, die ca. 10.000 Biegungen standhalten kann. Die optische Infrarotfaser mit einem
Durchmesser von 0,35 mm oder weniger ist unter den jetzigen Betriebsbedingungen in der
Lage, mehr als 10.000 Biegungen standzuhalten und dabei das
Leistungsübertragungsvermögen mit vernachlässigbarem Abfall der Lichtdurchlässigkeit und anderer
strahlungsoptischen Eigenschaften beizubehalten. Es wird deshalb von ihr erwartet, daß sie den
Anforderungen, die an einen Gebrauch im Innern eines Körpers gestellt werden,
zufriedenstellend gerecht wird.
-
Die nachfolgende Beschreibung behandelt die Werkstoffe für die optische Infrarotfaser
hinsichtlich des Mischungsverhältnisses. Figur 3 zeigt die Bruchspannung der optischen
Infrarotfaser und die Streckspannung und Bruchspannung des Silberchlorid/Silberbromid-
Mischkristalls in Abhängigkeit von der Konzentration (Gewichtsprozente) von Silberbromid.
Die optische Infrarotfaser weist eine größere mechanische Festigkeit auf, je mehr das
Mischungsverhältnis sich der Mitte des Graphen nähert.
-
Dies gilt auch für die optischen Eigenschaften. Weil der Qualitätsverlust der optischen
Eigenschaften durch übermäßige plastische Verformung verursacht wird, wird angenommen,
daß das Mischungsverhältnis in der Mitte des Graphen, wo das Silberchlorid/Silberbromid-
Material eine große Streckspannung und Widerstandsfähigkeit gegenüber plastischen
Verformungen aufweist, ebenfalls für das Material, aus dem die optische Infrarotfaser
hergestellt wird, geeignet ist. Um dies unter Beweis zu stellen, wurden optische
Infrarotfasern verschiedener Mischungsverhältnisse hergestellt, um ihre optischen
Eigenschaften zu bewerten. Figur 4 zeigt die Zusammenhänge zwischen dem Mischungsverhältnis
und den strahlungsoptischen Eigenschaften. Wie in dieser Figur gezeigt wird, weist der
Strahlungsstreuwinkel einer optischen Infrarotfaser, die 3 Gewichtsprozent Silberbromid
enthält, einen extrem hohen Wert von 30º auf, und der Strahlungsstreuwinkel wird kleiner,
wenn sich das Mischungsverhältnis der Mitte des Graphen annähert, wodurch bessere
strahlungsoptische Eigenschaften erreicht werden. Obwohl nicht gezeigt, wurde die Tendenz
festgestellt, daß mit der Annäherung des Mischungsverhältnisses an die Mitte des Graphen
auch die Lichtdurchlässigkeit größer wurde.
-
Im oben genannten Beispiel bezog sich die. Beschreibung hauptsächlich auf die
strahlungsoptischen Eigenschaften im Zusammenhang mit der Biegung der optischen Faser im
tatsächlichen Gebrauch. Da allerdings ein Abfall der strahlungsoptischen Eigenschaften wie
ein Anstieg des Strahlungsstreuwinkels und ein Abfall der Lichtdurchlässigkeit auch durch
die während der Herstellung der optischen Infrarotfaser aufgebrachten Spannung bei der
Extrusion und dem Endpolierverfahren verursacht werden kann, wird die am besten
geeignete optische Infrarotfaser in dem Konzentrationsbereich von 30 bis 70 Gewichtsprozent
Silberchlorid - Silberbromid erzielt, wo eine große Zugspannungsbelastung bereitgestellt
wird.
-
Das Nachfolgende wird den Laserstrahlabsorptionskoeffizienten und das
Leistungsübertragungsvermögen der optischen Infrarotfaser beschreiben. Der Absorptionskoeffizient wurde
aus der Längenausdehnung der optischen Infrarotfaser durch kalorimetrische Messungen
ermittelt, wohingegen das Leistungsübertragungsvermögen durch Leistungssteigerung des
eingestrahlten Laserstrahis und Messen des abgeschwächten Laserstrahlausgangssignals
erfolgte. Als Ergebnis des Vergleichs dieser beiden Eigenschaften wurde festgestellt, daß
die Laserstrahlausgangsleistung von 10 W einen Absorptionskoeffizienten der optischen
Infrarotfaser von 10&supmin;³ (1/cm) oder weniger erfordert. Hieraus kann man ersehen, daß eine
optische Infrarotfaser mit einem Absorptionskoeffizienten von 10&supmin;³ (1/cm) oder weniger
erforderlich ist, um eine Laserstrahlübertragungsleistung von 10 W zu erhalten, die für das
Schneiden und Verdampfen der erkrankten Stelle als notwendig erachtet wird.
Industrielle Anwendbarkeit
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, wenn für das für die optische
Infrarotfaser verwendete Material ein Mischungsverhältnis gewählt wird, das eine große
Zugspannungsbelastung bereitstellt, und wenn der Durchmesser der dünnen optischen
Infrarotfaser zu 0,35 mm oder weniger gewählt wird, eine optische Infrarotfaser zu erhalten,
die große mechanische Festigkeit aufweist, so daß sie selbst nach 10.000fachem
wiederholten Biegen mit einem Krümmungsradius von 20 mm, was den tatsächlichen
Betriebsbedingungen entspricht, aufgrund des Abfalls in der Laserstrahlübertragungsfahigkeit nicht
brennt und hervorragende optische Eigenschaften wie Übertragungsfahigkeit und
Strahlungsstreuwinkel aufweist. Durch Aufbringen einer geeigneten Zugbelastung an der
optischen Infrarotfaser während des Extrudierens kann eine optische Infrarotfaser stabil und
mit kurzer Produktionszeit hergestellt werden, die eine gerade Form aufweist, frei von
Wellen ist und hervorragende optische Eigenschaften hat.