WO1996030157A1 - Verfahren zur reinigung des austrittsfensters eines gepulsten laserstrahls und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur reinigung des austrittsfensters eines gepulsten laserstrahls und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO1996030157A1
WO1996030157A1 PCT/EP1996/001249 EP9601249W WO9630157A1 WO 1996030157 A1 WO1996030157 A1 WO 1996030157A1 EP 9601249 W EP9601249 W EP 9601249W WO 9630157 A1 WO9630157 A1 WO 9630157A1
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laser
water jet
pulse
exit window
fluid
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PCT/EP1996/001249
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Karolj NEMES^¿
Marjan Kunstelj
Roman Debeljak
Matjaz^¿ LUKAC^¿
Original Assignee
Fotona D.D.
Medys Medical & Dental Systems Distribution Gmbh
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/03—Constructional details of gas laser discharge tubes
    • H01S3/034—Optical devices within, or forming part of, the tube, e.g. windows, mirrors
    • H01S3/0346—Protection of windows or mirrors against deleterious effects
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/70—Cleaning devices specially adapted for surgical instruments
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C1/00—Dental machines for boring or cutting ; General features of dental machines or apparatus, e.g. hand-piece design
    • A61C1/0046—Dental lasers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/142—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C19/00—Dental auxiliary appliances
    • A61C19/002—Cleaning devices specially adapted for dental instruments

Definitions

  • the invention relates to a method for cleaning the exit window of a pulsed laser beam according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out the method according to the preamble of the claim
  • a supply line for water runs through the laser handpiece, the water jet being directed at the tooth to be treated for cleaning and cooling.
  • a further water jet is therefore provided for cleaning the exit window, which is directed onto the head of the laser handpiece and rinses the exit window and cleans it of deposits.
  • the water film deposited on the window surface during the rinsing process causes the laser beam to be absorbed, as a result of which the laser power to be transmitted is reduced; in particular when the window is cleaned periodically, the laser beam is regularly weakened by the water, so that the laser beam must be directed longer at the tooth to be treated in order to achieve the necessary removal.
  • the treatment time is increased and the patient is exposed to greater stress. There is also the risk of thermal damage to the exit window as a result of the laser energy absorbed in the water film on the window surface.
  • the invention has for its object to provide a method for cleaning the exit window of a pulsed laser beam, with which a high level of laser energy is made available for the ablation process when the exit window is periodically cleaned, and to provide a device for carrying out the method.
  • a device for performing the method with is specified in claim 15.
  • the exit window is cleaned by changing the direction of the water jet directed towards the exit window. Since the exit window is only cleaned intermittently between two laser pulses, no weakening of the laser pulse can occur, so that faster tooth ablation and a shorter treatment time is achieved, especially when using dental laser handpieces. Since the change in direction of the water jet is independent of the type of water pumping, higher cycle frequencies can be achieved in particular with periodic changes in direction, since structural devices for changing the direction of the water jet can be operated at higher frequencies than devices / with which a water jet without direction can be operated steering is pulsed on and off.
  • the clock frequency of the laser pulses can also be increased, it being ensured in particular when the direction of the water jet changes in the clock frequency of the laser pulses that the outlet window is regularly cleaned of deposits between two successive laser pulses.
  • the laser power to be transmitted can be increased by increasing the clock frequency, as a result of which the treatment time and the associated burden on the patient are further reduced.
  • the water jet is advantageously directed onto the object to be treated during the duration of a laser pulse, so that the same water jet can be used to rinse the exit window and to clean and cool the object to be treated.
  • the water jet is continuously conveyed, so that a structurally complex device for periodically switching the water jet on and off can be dispensed with.
  • A can be used to change the direction of the water jet
  • Fluid pulse are used, which is directed at the water jet at an angle to its direction of flow.
  • the fluid pulse in particular a gas or air pulse, can be directed at a high frequency out of phase with the laser pulse onto the water jet and deflect the water jet from its direction pointing towards the exit window, so that the laser pulse can emerge unhindered.
  • the fluid pulse expediently sets in between two successive laser pulses and is dimensioned in terms of height, start and end such that the water jet directed onto the exit window is deflected during the duration of the laser pulse.
  • the fluid pulse is conveyed intermittently between two successive laser pulses through the supply line, the end of a fluid pulse may coincide with the start of a laser pulse.
  • the fluid pulse is only interrupted while the following laser pulse is still being emitted. In this case it must be ensured that the exit window is free of water and impurities during the duration of a laser pulse so that the laser pulse is not weakened by absorption.
  • the water jet directed onto the object to be treated for about the duration of a laser pulse wets the irradiated surface with water or water vapor and ensures adequate cooling and cleaning.
  • thermal damage to the tissue layers surrounding the treatment area is avoided, the water depending on the laser frequency used at the point of impact of the Laser beam on the tooth can absorb laser energy, which further increases the ablation rate.
  • a higher cycle frequency of the gas pulses is possible due to the low inertia of the gas compared to liquid pulses.
  • the clock frequency of the gas pulses is approximately 10 Hz; the frequency of the direction of the water jet pointing to the exit window can be changed without any problems despite the greater inertia of water;
  • a second gas pulse is directed in phase with the first gas pulse at the exit window, whereby the exit window is cleaned of adhering liquid and dried.
  • the beginning and end of the second gas pulse expediently match those of the first gas pulse, so that the first and second gas pulses emerge in phase.
  • the second gas pulse dries the window surface, so that absorption of laser energy on the window surface is avoided.
  • the device according to the invention for carrying out the method provides a deflection device by means of which the direction of the water jet emerging from the water supply line can be changed.
  • the deflection device preferably comprises a fluid supply line, the line end piece of which is directed at an angle to the emerging water jet.
  • the fluid pulse emerging from the line end piece strikes the water jet, with a deflection of the water jet being effected by the pulse of the fluid pulse.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail of the head from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a pulse-time diagram with laser and fluid pulses and the course of the water jet directed onto the exit window
  • Fig. 4 shows another pulse-time diagram.
  • the medical laser handpiece 1 shown in FIG. 1 is used in the dental field for the removal of tooth material.
  • the laser beam 2 generated by a laser source is guided through the interior of the laser handpiece 1 to the head 3 and is directed via a deflecting and focusing mirror 13 through an exit window 4 onto the object 9 to be treated, for example a tooth.
  • the laser beam strikes object 9 in the form of individual pulses, an Er: YAG laser with a wavelength of 2.94 ⁇ m and a radiation energy of 0.01 to 1 joule per pulse being able to be used as the laser.
  • the pulsed laser beam generated by the laser source is focused at the beginning on the laser handpiece 1 by a lens 14 and then strikes the focusing and deflecting mirror 13 in the head 3 of the laser handpiece in its further course.
  • the laser handpiece can be mounted rotatably about its longitudinal axis 15; for this purpose, the laser handpiece has one or more slide bearings 16 between the lens 14 and the head 3.
  • the laser handpiece is provided with a water supply line 5, which is fed by a central water supply.
  • the water jet 6 guided through the water supply line 5 strikes the exit window 4 in the head 3 of the laser handpiece, which is cleaned by the water jet 6.
  • the direction of the water jet can be changed, the water jet being directed onto the exit window between two laser pulses and away from the exit window during a laser pulse.
  • the water jet 6 cleans the exit window 4 in the intermediate pauses between two successive laser pulses, the direction of the water jet being changed approximately at the time when a laser pulse is inserted, so that the water jet is deflected from the exit window for the duration of a laser pulse and the laser pulse is unimpeded can escape from the water jet.
  • the repetition rate of the laser pulses depends only on the speed at which the direction of the water jet can be deflected, but not on the inertia of the water jet during switching on and off and thereby arising swelling and decay of the water pressure in the water supply line.
  • the water jet is expediently directed onto the tooth 9 to be treated for the duration of a laser pulse 2, so that both the tooth and the exit window 4 can be cooled or cleaned with only one water jet 6.
  • the change of direction advantageously takes place periodically in the clock frequency of the laser pulses 2, so that the water jet 6 is directed onto the exit window 4 in each pause between two successive laser pulses.
  • the cleaning of the exit window 4 is carried out continuously, intermittently to the laser pulses, so that tooth material is removed in the shortest possible time without interrupting the treatment.
  • a deflection device 20 is provided in the head 3 of the laser handpiece 1, which advantageously comprises a fluid supply line 7 which ends in a line end piece 11.
  • the line end piece 11 which is designed as an outlet nozzle with a tapered cross section, is arranged at an angle to the emerging water jet 6 and encloses an angle of approximately 70 "with the water jet.
  • a fluid pulse 8 is in the clock frequency of the laser pulses to the head 3 of the
  • the fluid pulse 8 passes through the outlet nozzle 11, in which the speed of the pulse is increased, and strikes the water jet 6 transversely to its direction of flow, as a result of which the water jet is deflected is deflected from its predetermined direction onto the exit window 4.
  • the water jet is deflected in the rhythm of the fluid pulses 8.
  • the fluid for which gas, in particular air, can be used, can be pulsed at a higher frequency due to its low inertia than would be possible with the water jet. So the cycle frequency is nz or the repetition rate of the laser pulses depends only on the clock frequency of the fluid, which is preferably about 10 Hz to 15 Hz.
  • the fluid supply line 7 is expediently placed parallel to the water supply line 5 along the laser handpiece in the direction of the longitudinal axis 15 and ends at the head 3 of the laser handpiece.
  • the water supply line 5 ends in a channel 17 formed in the laser handpiece.
  • a channel 18 is connected to the channel 17, via which the water jet 6 is directed outside and at a flat angle of approximately 20 "meets the exit window 4.
  • the fluid or air supply line 7 running parallel to the water supply line 5 ends in a channel 19 in the head 3 of the laser handpiece. From the channel 19, the outlet nozzle 11 branches at an angle, the mouth opening of which is placed in such a way that the air pulse 8 exiting through the outlet nozzle 11 cuts the water jet 6 immediately after exiting the water outlet nozzle 18.
  • the outlet nozzle for the air pulse 8 is expediently directed towards the object 9 to be treated, so that the air pulse 8 strikes the object 9 at approximately the same point as the pulsed laser beam 2.
  • the water jet 6 approximately hits the duration of a laser pulse also on the object 9 and can cool the treated area and clean away tooth enamel or dentin. It is also advantageous that a thin film of water can settle on the object 9, through which the ablation rate is increased as a result of absorption of the laser light.
  • the air pulse 8 and the water jet 6 mix to form an air / water Mixture which is deposited on the tissue parts adjacent to the tooth.
  • a second outlet nozzle 12 for a further air pulse 10 can branch off from the channel 19 of the air supply line 7, the second air pulse 10 being directed towards the outlet window 4 and preferably approximately parallel to the window directly above the window surface is led.
  • the air pulse 10 cleans the exit window 10 of dirt or tooth dust deposits and in particular causes the water film to dry, so that the laser light can pass through the exit window, which is preferably made of sapphire glass, without hindrance.
  • the outlet nozzles 11 and 12 branch in the end region of the channel 19; the air pulses 8 and 10 passed through the outlet nozzles 11, 12 are in phase with one another, so that the outlet window 4 is cleaned and dried by the air pulse 10 at exactly the same time by the water jet 6 being deflected by the first air pulse 8 from the outlet window 4. Since the air pulses 8, 10 are expediently conveyed together through the air supply lines 7, there is no need for structural measures for the separate introduction of the air pulses.
  • the size of each air pulse can be determined via the diameter and the shape of each outlet nozzle 11, 12.
  • the outlet nozzle 11 for the air pulse 8 is on the outlet Window 4 directed and arranged such that the Lucas ⁇ pulse 8 cause a change in direction of the water jet 6 from the tooth 9 to be treated on the exit window 4.
  • the air pulses 8 are clocked in such a way that the water jet 6 strikes the exit window 4 approximately in the pause between two successive laser pulses.
  • 3 and 4 each show a pulse-time diagram in which the periodically emitted laser pulses 2 and air pulses 8 are entered in the form of square-wave signals.
  • the pulse curve of the water jet 6 acting on the exit window 4 is entered, a maximum of the pulse curve indicating that the water jet 6 hits the exit window 4; conversely, a minimum means that no water hits the exit window.
  • FIGS. 3 and 4 show that the air pulses 8 are generated with the same repetition rate as the laser pulses 2, but are out of phase with the laser pulses.
  • the beginning of an air pulse 8 advantageously always falls in the period between two successive laser pulses 2.
  • the air pulse 8 is generated intermittently between two successive laser pulses 2; the end of an air pulse expediently coincides with the start of a laser pulse.
  • the air pulse 8 does not end until the following laser pulse has already started. This is particularly advantageous in the case of relatively long-lasting laser pulses and relatively short periods in between. If necessary, the end of an air pulse 8 can coincide with the end of a laser pulse 2.
  • the air pulses are advantageously controlled using the same device which is responsible for controlling the laser pulses, so that only the information about the start and end of a laser pulse is picked up. to generate a phase-shifted signal for generating an air pulse.
  • control elements can also be used to deflect the water jet.
  • a double-sided wall jet element in which, by utilizing flow engineering principles (Coanda effect), the water jet is applied to one of two walls arranged at an angle to one another.
  • One wall is expediently directed in the direction of the exit window, the other wall points in the direction of the tooth to be treated.
  • a corresponding control - externally controlled or self-controlled - the water jet is periodically moved back and forth between the two walls with little expenditure of energy, high frequencies of up to several hundred Hz being able to be achieved.
  • the water jet at the end of the channel can open into two nozzles aligned at an angle to one another, the branching of the water jet into one of the two nozzles being effected by a control element, for example a flutter valve.
  • the laser handpiece is also suitable for cutting or removing jawbones and other tissue.
  • the method and device according to the invention are also suitable for use in industrial laser devices.

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Abstract

Bei dem Verfahren zur Reinigung des Austrittsfensters (4) eines gepulsten Laserstrahls ist ein Wasserstrahl (6) auf das Austrittsfenster (4) gerichtet. Um ein Verfahren zu schaffen, mit dem bei periodischer Reinigung des Austrittsfensters (4) eine hohe Laserenergie für den Abtragvorgang übertragen werden kann, ist vorgesehen, daß die Richtung des Wasserstrahls (6) änderbar ist, wobei der Wasserstrahl (6) in der Pause zwischen zwei Laserpulsen auf das Austrittsfenster (4) gerichtet und während eines Laserpulses vom Austrittsfenster (4) weggerichtet wird.

Description

Verfahren zur Reinigung des Austrittsfensters eines gepul¬ sten Laserstrahls und Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung des Aus¬ trittsfensters eines gepulsten Laserstrahls nach dem Ober¬ begriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durch¬ führung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches
15.
Aus der EP 0 073 617 AI ist ein Laserhandstück zur Behandlung von Zahnmaterial bekannt, bei dem ein gepulster Laserstrahl durch ein Austrittsfenster im Kopf des Laser¬ handstücks austritt und fokussiert auf das abzutragende Zahnmaterial auftrifft.
Durch das Laserhandstück verläuft eine Zufuhrleitung für Wasser, wobei der Wasserstrahl zum Reinigen und Kühlen auf den zu behandelnden Zahn gerichtet ist.
Während des Abtrags der Zahnsubstanz können sich vom Zahn gelöste Partikel, beispielsweise Dentin oder Schmelz, zusammen mit Spritzwasser auf dem Austrittsfenster absetzen, wodurch der Laserstrahl zumindest teilweise absorbiert wird. Durch die Absorption ist die Leistung des auf den Zahn gerichteten Laserstrahls reduziert. Auch kann durch die Absorption der Laserenergie auf der Oberfläche des Austrittsfensters eine hohe lokale Wärmeentwicklung auftreten, durch die das Fenster geschädigt oder sogar zerstört werden kann.
Zur Reinigung des Austrittsfensters ist daher ein weiterer Wasserstrahl vorgesehen, der auf den Kopf des Laserhand¬ stücks gerichtet ist und das Austrittsfenster spült und von Ablagerungen reinigt. Der beim Spülvorgang sich auf der Fensteroberfläche absetzende Wasserfilm bewirkt eine Absorption des Laserstrahls, wodurch die zu übertragende Laserleistung, reduziert ist; insbesondere bei einer periodischen Reinigung des Fensters wird der Laserstrahl durch das Wasser regelmäßig geschwächt, so daß der Laser¬ strahl länger auf den zu behandelnden Zahn gerichtet werden muß, um den notwendigen Abtrag zu erreichen. Die Behandlungszeit ist dadurch erhöht und der Patient einer größeren Belastung ausgesetzt. Zudem besteht die Gefahr einer thermischen Schädigung des Austrittsfensters infolge der auf der Fenεteroberflache im Wasserfilm absorbierten Laserenergie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung des Austrittsfensters eines gepulsten Laser¬ strahls zu schaffen, mit dem bei periodischer Reinigung des Austrittsfensters eine hohe Laserenergie für den Abtragvor¬ gang zur Verfügung gestellt ist sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach Gattungsbegriff mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den ist im Anspruch 15 angegeben. Die Reinigung des Austrittsfensters erfolgt durch Richtungsänderung des auf das Austrittsfenster gerichteten Wasserstrahls. Da das Austrittsfenster nur intermittierend zwischen zwei Laserpulsen gereinigt wird, kann keine Schwächung des Laserpulses eintreten, so daß insbesondere bei Verwendung zahnmedizinischer Laserhandstücke ein schnellerer Zahnabtrag und eine kürzere Behandlungszeit erreicht ist. Da die Richtungsänderung des Wasserstrahls unabhängig von der Art der Wasserförderung ist, können ins¬ besondere bei periodisch erfolgenden Richtungsänderungen höhere Taktfrequenzen erreicht werden, da bauliche Einrich¬ tungen zur Richtungsänderung des Wasserstrahls mit höheren Frequenzen betrieben werden können als Einrichtungen/ mit denen ein Wasserstrahl ohne Richtungsu lenkung pulsierend ein- und ausgeschaltet wird. Demzufolge kann auch die Takt¬ frequenz der Laserpulse erhöht werden, wobei insbesondere bei einer Richtungsänderung des Wasserstrahls in der Takt¬ frequenz der Laserpulse immer gewährleistet bleibt, daß regelmäßig zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen das Austrittsfenster von Ablagerungen gereinigt wird. Ins¬ gesamt kann durch die Erhöhung der Taktfrequenz die zu übertragende Laserleistung gesteigert werden, wodurch die Behandlungszeit und die damit einhergehende Belastung für den Patienten weiter reduziert ist.
Vorteilhaft wird der Wasserstrahl während der Zeitdauer eines Laserpulses auf das zu behandelnde Objekt gerichtet, so daß mit demselben Wasserstrahl eine Spülung des Aus¬ trittsfensters und ein Reinigen und Kühlen des zu behan¬ delnden Objekts möglich ist. In weiterer zweckmäßiger Ausbildung wird der Wasserstrahl kontinuierlich gefördert, so daß eine baulich aufwendige Vorrichtung für ein periodisches An- und Abstellen des Wasserstrahls entfallen kann. Für die Richtungsänderung des Wasserstrahls kann ein Fluidpuls eingesetzt werden, der auf den Wasserstrahl winklig zu dessen Strömungsrichtung gerichtet ist. Der Fluidpuls, insbesondere ein Gas- bzw. Luftpuls, kann mit hoher Frequenz phasenverschoben zum Laserpuls auf den Wasserstrahl gerichtet sein und den Wasserstrahl aus seiner auf das Austrittsfenster weisenden Richtung ablenken, so daß der Laserpuls ungehindert austreten kann. Zweckmäßig setzt der Fluidpuls zwischen zwei aufeinanderfolgenden La¬ serpulsen ein und ist nach Höhe, Beginn und Ende so bemessen, daß der auf das Austrittsfenster gerichtete Wasserstrahl während der Dauer des Laserpulses abgelenkt ist. In Abhängigkeit von Systemparametern wie beispielswei¬ se Trägheit des Wasserstrahls, Zeitdauer eines Laserpulses etc. ist der Fluidpuls intermittierend zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen durch die Zufuhrleitung gefördert, wobei das Ende eines Fluidpulses mit dem Beginn eines Laserpulses zusammenfallen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird der Fluidpuls erst dann unterbrochen, während der folgende Laserpuls noch aus¬ gesandt wird. In diesem Fall muß gewährleistet sein, daß während der Dauer eines Laserpulses das Austrittsfenster frei von Wasser und Verunreinigungen ist, damit der Laser¬ puls durch Absorption keine Schwächung erfährt.
Der etwa während der Dauer eines Laserpulses auf das zu behandelnde Objekt gelenkte Wasserstrahl benetzt die be¬ strahlte Fläche mit Wasser bzw. Wasserdampf und sorgt für eine ausreichende Kühlung und Reinigung. Insbesondere bei Verwendung eines zahnmedizinischen Laserhandstücks ist dabei eine thermische Schädigung der die behandelnde Stelle umgebenden Gewebeschichten vermieden, wobei je nach verwen¬ deter Laserfrequenz das Wasser auf dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Zahn Laserenergie absorbieren kann, wodurch die Ablationsrate weiter erhöht wird.
Bei Verwendung eines Gases wie beispielsweise Luft als Fluid ist infolge der geringen Trägheit des Gases eine höhere Taktfrequenz der Gaspulse im Vergleich zu Flüssig¬ keitspulsen möglich. Die Taktfrequenz der Gaspulse beträgt etwa 10 Hz; in dieser Frequenz kann die Richtung des auf das Auεtrittsfenster weisenden Wasserstrahls trotz der größeren Trägheit von Wasser problemlos geändert werden; in Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein zweiter Gaspuls phasengleich zum ersten Gaspulε auf das Austritts¬ fenster gerichtet ist, wodurch das Austrittsfenster von anhaftender Flüssigkeit gereinigt und getrocknet wird. Beginn und Ende des zweiten Gaspulses stimmen zweckmäßig mit denen des ersten Gaspulses überein, so daß der erste und der zweite Gaspuls phasengleich austreten.
Während der erste Gaspuls den Wasserstrahl vom Austritts¬ fenster ablenkt, erfolgt durch den zweiten Gaspuls eine Trocknung der Fensteroberfläche, so daß eine Absorption von Laserenergie auf der Fensteroberfläche vermieden ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver¬ fahrens sieht eine Umlenkeinrichtung vor, durch die die Richtung des aus der Wasserzufuhrleitung austretenden Wasserstrahls veränderbar ist. Vorzugsweise umfaßt die Um¬ lenkvorrichtung eine Fluidzufuhrleitung, deren Leitungsend¬ stück winklig zum austretenden Wasserstrahl gerichtet ist. Der aus dem Leitungsendstück austretende Fluidpuls trifft auf den Wasserstrahl, wobei durch den Impuls des Fluidpul¬ ses eine Ablenkung des Wasserstrahls bewirkt ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen, der Beschrei¬ bung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Laserhandstück,
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des Kopfes aus Fig. 1,
Fig. 3 ein Impuls-Zeit-Diagramm mit Laser- und Fluidpulsen und dem Verlauf des auf das Austrittsfenster ge¬ richteten Wasserstrahls,
Fig. 4 ein weiteres Impuls-Zeit-Diagramm.
Das in Fig. 1 gezeigte medizinische Laserhandstück 1 wird im Dentalbereich zum Abtragen von Zahnmaterial eingesetzt. Der von einer Laserquelle erzeugte Laserstrahl 2 ist durch das Innere des Laserhandstücks 1 zum Kopf 3 geführt und wird über einen Umlenk- und Fokussierspiegel 13 durch ein Austrittsfenster 4 auf das zu behandelnde Objekt 9, bei¬ spielsweise einen Zahn, gelenkt. Der Laserstrahl trifft in Form einzelner Pulse auf das Objekt 9, wobei als Laser ein Er:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 2,94 μm und einer Strahlungsenergie von 0,01 bis 1 Joule pro Puls zum Einsatz kommen kann. Der von der Laserquelle erzeugte gepulste La¬ serstrahl ist eingangs am Laserhandstück 1 von einer Linse 14 fokussiert und trifft dann in seinem weiteren Verlauf auf den Fokussier- und Umlenkspiegel 13 im Kopf 3 des La¬ serhandstücks.
Das Laserhandstück kann um seine Längsachse 15 drehbar ge¬ lagert sein; das Laserhandstück weist hierfür zwischen der Linse 14 und dem Kopf 3 ein oder mehrere Gleitlager 16 auf. Das Laserhandstück ist mit einer Wasserzufuhrleitung 5 ver¬ sehen, die von einer zentralen Wasserversorgung gespeist wird. Der durch die Wasserzufuhrleitung 5 geleitete Wasser¬ strahl 6 trifft auf das Austrittsfenster 4 im Kopf 3 des Laserhandstücks, das durch den Wasserstrahl 6 gereinigt wird.
Um das Austrittsfenster bei hohen zu übertragenden Laser¬ leistungen periodisch reinigen zu können, ohne daß der Laserstrahl durch Absorption geschwächt wird, ist vorgesehen, daß die Richtung des Wasserstrahls änderbar ist, wobei der Wasserstrahl in der Pause zwischen zwei Laserpulsen auf das Austrittsfenster gerichtet wird und während eines Laserpulses vom Austrittsfenster fortweist. Der Wasserstrahl 6 reinigt das Austrittsfenster 4 in den zwischenliegenden Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen, wobei etwa zum Zeitpunkt des Einsetzens eines Laserpulses die Richtung des Wasserstrahls verändert wird, so daß während der Dauer eines Laserpulses der Wasserstrahl vom Austrittsfenster abgelenkt wird und der Laserpuls un¬ gehindert vom Wasserstrahl austreten kann. Insbesondere bei einem kontinuierlich geförderten Wasserstrahl kann pro Zeiteinheit mehr Laserenergie übertragen werden, da die Taktfrequenz bzw. die Repetitionsrate gegenüber früheren Vorrichtungen erhöht werden kann. Da der Wasserstrahl 6 nicht gepulst, sondern abgelenkt wird, ist die Repetitions¬ rate der Laserpulse nur davon abhängig, in welcher Geschwindigkeit die Richtung des Wasserstrahls umgelenkt werden kann, nicht jedoch von der Trägheit des Wasser¬ strahls während des Ein- und Ausschaltens und dabei entste¬ hendem An- und Abschwellen des Wasserdrucks in der Wasser¬ zufuhrleitung. Der Wasserstrahl wird zweckmäßig während der Dauer eines Laserpulses 2 auf den zu behandelnden Zahn 9 gerichtet, so daß mit nur einem Wasserstrahl 6 sowohl der Zahn als auch das Austrittsfenster 4 gekühlt bzw. gereinigt werden kann. Die Richtungsänderung erfolgt vorteilhaft periodisch in der Taktfrequenz der Laserpulse 2, so daß in jeder Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulse der Wasser¬ strahl 6 auf das Austrittsfenster 4 gerichtet ist. Die Reinigung des Austrittsfensters 4 erfolgt fortlaufend in¬ termittierend zu den Laserpulsen, so daß die Abtragung von Zahnmaterial ohne Unterbrechung der Behandlung in kürzest möglicher Zeit erfolgt.
Um die Richtungsänderung des Wasserstrahls 6 zu bewirken, ist eine Umlenkvorrichtung 20 im Kopf 3 des Laserhandstücks 1 vorgesehen, die vorteilhaft eine Fluidzufuhrleitung 7 umfaßt, die in einem Leitungsendstück 11 mündet. Das Leitungsendstück 11, daß als Austrittsdüse mit verjüngtem Querschnitt ausgebildet ist, ist winklig zum austretenden Wasserstrahl 6 angeordnet und schließt mit dem Wasserstrahl einen Winkel von etwa 70" ein. Durch die Fluidzufuhrleitung 7 ist ein Fluidpuls 8 in der Taktfrequenz der Laserpulse zum Kopf 3 des Laserhandstücks förderbar. Der Fluidpuls 8 tritt durch die Austrittsdüse 11 , in der die Geschwindig¬ keit des Pulses erhöht wird und trifft auf den Wasserstrahl 6 quer zu dessen Strömungsrichtung, wodurch der Wasser¬ strahl abgelenkt wird. Jeder Fluidpuls 8 bewirkt, daß der Wasserstrahl 6 aus seiner vorgegebenen Richtung auf das Austrittsfenster 4 abgelenkt wird. Die Ablenkung des Wasserstrahls erfolgt im Rhythmus der Fluidpulse 8. Das Fluid, für das beispielsweise Gas, insbesondere Luft, ein¬ gesetzt werden kann, kann aufgrund seiner geringen Trägheit mit einer höheren Frequenz gepulst werden als das mit dem Wasserstrahl möglich wäre. Daher ist die Taktfrequenz bzw. die Repetitionsrate der Laserpulse nur von der Taktfrequenz des Fluids abhängig, die vorzugsweise etwa 10 Hz bis 15 Hz beträgt.
Die Fluidzufuhrleitung 7 ist zweckmäßig parallel zur Wasserzufuhrleitung 5 entlang des Laserhandstücks in Richtung der Längsachse 15 gelegt und endet am Kopf 3 des Laserhandstückε. Wie der Ausschnittsvergößerung der Fig. 2 zu entnehmen ist, endet die Wasserzufuhrleitung 5 in einem im Laserhandstück ausgebildeten Kanal 17. An den Kanal 17 schließt sich eine Düse 18 an, über die der Wasserstrahl 6 ins Freie geleitet wird und in einem flachen Winkel von etwa 20" auf das Austrittsfenster 4 trifft.
Die parallel zur Wasserzufuhrleitung 5 verlaufende Fluid- bzw. Luftzufuhrleitung 7 endet in einem Kanal 19 im Kopf 3 des Laserhandstücks. Von dem Kanal 19 verzweigt winklig die Austrittsdüse 11, deren Mündungsöffnung so gelegt ist, daß der durch die Austrittsdüse 11 austretende Luftpuls 8 den Wasserstrahl 6 unmittelbar nach Austreten aus der Wasser¬ austrittsdüse 18 schneidet.
Die Austrittsdüse für den Luftpuls 8 ist zweckmäßig auf das zu behandelnde Objekt 9 gerichtet, so daß der Luftpuls 8 etwa im gleichen Punkt auf das Objekt 9 trifft, wie der gepulste Laserstrahl 2. Infolge der Ablenkung durch den Luftpuls 8 trifft der Wasserstrahl 6 etwa über die Zeitdauer eines Laserpulses ebenfalls auf das Objekt 9 und kann die behandelte Stelle kühlen und von abgetragenem Zahnschmelz bzw. Dentin reinigen. Weiterhin ist vorteil¬ haft, daß sich auf dem Objekt 9 ein dünner Wasserfilm absetzen kann, durch den die Ablationsrate infolge Absorp¬ tion des Laserlichtes erhöht ist. Der Luftpuls 8 und der Wasserstrahl 6 vermischen sich zu einem Luft/Wasser- Gemisch, das sich auf den an den Zahn angrenzenden Gewebe¬ teilen niederschlägt.
Von dem Kanal 19 der Luftzufuhrleitung 7 kann zusätzlich zur Austrittsdüse 11 für den Luftpuls 8 eine zweite Aus¬ trittsdüse 12 für einen weiteren Luftpuls 10 abzweigen, wobei der zweite Luftpuls 10 auf das Austrittsfenster 4 gerichtet ist und vorzugsweise etwa parallel zum Fenster direkt über die Fensteroberfläche geführt ist.
Der Luftpuls 10 reinigt das Austrittsfenster 10 von Schmutz bzw. Zahnstaubablagerungen und bewirkt insbesondere eine Trocknung des Wasserfilms, so daß das Laserlicht ungehin¬ dert durch das vorzugsweise aus Saphirglas bestehende Aus¬ trittsfenster durchtreten kann.
Die Austrittsdüsen 11 und 12 verzweigen im Endbereich des Kanals 19; die durch die Austrittsdüsen 11, 12 geleiteten Luftpulse 8 und 10 sind phasengleich zueinander, so daß das Austrittsfenster 4 genau in dem Moment vom Luftpuls 10 gereinigt und getrocknet wird, indem der Wasserstrahl 6 durch den ersten Luftpuls 8 vom Austrittsfenster 4 abge¬ lenkt wird. Da die Luftpulse 8, 10 zweckmäßig gemeinsam durch die Luftzufuhrleitungen 7 gefördert werden, entfallen bauliche Maßnahmen für die getrennte Heranführung der Luft¬ pulse. Die Größe jedes Luftpulses kann dabei bestimmt werden über den Durchmesser und die Form jeder Austritts¬ düse 11, 12.
Gemäß einer anderen Ausführung kann es zweckmäßig sein, die Wasseraustrittsdüse 18 auf den Zahn 9 zu richten, so daß der Wasserstrahl 6 ohne Einwirkung eines Fluidpulses auf den zu behandelnden Zahn trifft. Bei dieser Ausführung ist die Austrittsdüse 11 für den Luftpuls 8 auf das Austritts- fenster 4 gerichtet und derart angeordnet, daß die Luft¬ pulse 8 eine Richtungsänderung des Wasserstrahls 6 vom zu behandelnden Zahn 9 auf das Austrittsfenster 4 bewirken. Die Luftpulse 8 sind dabei so getaktet, daß der Wasser¬ strahl 6 etwa in der Pause zwischen zwei aufeinanderfolgen¬ den Laserpulsen auf das Austrittsfenster 4 trifft.
Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils ein Impuls-Zeit-Diagramm, in das die periodisch ausgesandten Laserpulse 2 und Luft¬ pulse 8 in Form von Rechtecksignalen eingetragen sind. Als Antwort auf die Luftpulse 8 ist die Impulskurve des auf das Austrittsfenster 4 wirkenden Wasserstrahls 6 eingetragen, wobei ein Maximum der Impulskurve anzeigt, daß der Wasser¬ strahl 6 auf das Austrittsfenster 4 trifft; umgekehrt bedeutet ein Minimum, daß kein Wasser auf das Austrittsfen¬ ster trifft.
Den Diagrammen gemäß Fig. 3 und 4 ist zu entnehmen, daß die Luftpulse 8 mit der gleichen Repetitionsrate wie die Laser¬ pulse 2 erzeugt werden, jedoch gegenüber den Laserpulsen phasenverschoben sind. Der Beginn eines Luftpulses 8 fällt vorteilhaft immer in den Zeitraum zwischen zwei aufeinan¬ derfolgenden Laserpulsen 2. In dem Ausführungsbeispiel ge¬ mäß dem Diagramm nach Fig. 3 ist der Luftpuls 8 intermit¬ tierend zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen 2 erzeugt; das Ende eines Luftpulses fällt dabei zweckmäßig mit dem Beginn eines Laserpulses zusammen.
Nachdem ein Luftpuls 8 erzeugt worden ist und durch die Dü¬ se 11 austritt und auf den Wasserstrahl 6 trifft, wird der Wasserstrahl von seiner Richtung auf das Austrittsfenster 4 in Richtung des zu behandelnden Zahns abgelenkt, was sich in Fig. 3 in einem starken Abfallen der Wasserstrahlkurve bis zur Abszisse ausdrückt. Unmittelbar im Anschluß an den Luftpuls 8 wird der Laserpuls 2 ausgesandt; während der Dauer des Laserpulses 2 ist zwar kein Luftpuls 8 aufge¬ bracht, in diesem Zeitraum ist der Wasserstrahl 6 aber noch nicht wieder auf das Austrittsfenster 4 gerichtet, da das Zurückverschwenken des Wasserstrahls von seiner ausgelenk¬ ten Lage hin zum Austrittsfenster 4 infolge Trägheit einen gewissen Zeitraum in Anspruch nimmt. Während der Dauer eines Laserpulεeε ist daher der Wasserstrahl 6 noch nicht wieder auf das Austrittsfenster 4 gerichtet, so daß keine Behinderung des Laserstrahls durch Absorption zu befürchten ist.
Gemäß dem Diagramm nach Fig. 4 kann es auch je nach Zeit¬ dauer eines Laserpulses bzw. des zwischen zwei Laserpulsen liegenden Zeitraumes vorteilhaft sein, daß der Luftpuls 8 erst dann endet, wenn der folgende Laserpuls bereits begonnen hat. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei relativ lang andauernden Laserpulsen und relativ kurzen zwischen¬ liegenden Zeiträumen. Gegebenenfalls kann das Ende eines Luftpulses 8 mit dem Ende eines Laserpulses 2 zusammenfallen.
Sowohl bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 als auch bei der Ausbildung gemäß Fig. 4 ist sichergestellt, daß während der Dauer eines Laserpulses kein Wasser auf das Austrittsten- ster 4 trifft; eine Reinigung des Austrittsfenεters mit Wasser findet nur zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laser¬ pulsen statt.
Die Steuerung der Luftpulse erfolgt vorteilhaft mit der gleichen Vorrichtung, die für die Steuerung der Laserpulse verantwortlich ist, so daß lediglich die Informationen über Beginn und Ende eines Laserpulses abgegriffen werden üs- sen, um daraus ein phasenverεchobenes Signal für die Er¬ zeugung eines Luftpulses zu generieren.
Anstelle eines Luftpulses können auch andere Steuerungsele¬ mente zur Ablenkung des Wasserstrahls eingesetzt werden. So ist es beispielsweise möglich, ein zweiseitiges Wand¬ strahlelement einzusetzen, bei dem durch Ausnutzen strö- ungstechnischer Prinzipien (Coanda-Effekt) der Wasser- εtrahl εich an eine von zwei winklig zueinander angeordne¬ ten Wänden anlegt. Dabei ist zweckmäßig eine Wand in Rich¬ tung des Austrittsfensters gerichtet, die andere Wand zeigt in Richtung des zu behandelnden Zahns. Durch eine entspre¬ chende Steuerung - fremdgesteuert oder eigengesteuert - wird mit geringem Energieaufwand der Wasserstrahl zwischen den beiden Wänden periodisch hin und her bewegt, wobei hohe Frequenzen bis in Größenordnungen von mehreren Hundert Hz erreicht werden können.
Gemäß einer weiteren nicht gezeigten Ausführung kann der Wasεerstrahl am Ende des Kanals in zwei winklig zueinander auεgerichteten Düsen münden, wobei die Verzweigung des Was¬ serstrahls in eine der beiden Düsen durch ein Steuerungs¬ element, beispielsweise ein Flatterventil, erfolgt.
Das Laserhandstück eignet sich außer für die Zahnbehandlung auch zum Schneiden bzw. Abtragen von Kieferknochen und an¬ derem Gewebe.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Vorrichtung eignet sich auch für den Einsatz in industriellen Lasergeräten.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Reinigung des Austrittsfensters eines gepulsten Laserεtrahls, insbesondere des Austrittsfensters eines Laserhandstücks zum Abtragen von Zahnmaterial, mit einem auf das Austrittsfenster (4) gerichteten Wasserstrahl (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Wasserstrahls (6) änderbar ist, wobei der Wasserstrahl (6) in der Pause zwischen zwei Laserpulsen (2) auf das Austrittsfenster (4) gerichtet und während eines Laserpulses (2) vom Austrittsfenster (4) weg gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahl (6) während eines Laserpulses (2) auf das zu behandelnde Objekt (9) gerichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsänderung periodisch erfolgt, vorzugsweise in der Taktfrequenz der Laserpulse (2).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahl (6) kontinuierlich gefördert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Richtungsänderung deε Wasserstrahls (6) ein Fluidpuls (8) vorgesehen ist, der auf den Wasserεtrahl (6) winklig zu dessen Strömungsrichtung gerichtet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidpuls (8) phasenverschoben zum Laserpuls (2) liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidpuls (8) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen (2) einsetzt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidpuls (8) intermittierend zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen (2) gefördert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidpuls (8) mit Beginn eines Laserpulses (2) endet.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidpuls (8) während eines Laserpulses (2) endet.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstrahl (6) durch den Fluidpuls (8) in Richtung des vom Laserstrahl zu behandelnde Objekts (9) abgelenkt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (8) Gas ist, ins- beεondere Luft.
13. Verfahren nach Anspruch 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz der Fluid- pulεe (8) etwa 10 Hz beträgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Fluidpuls (10) phasengleich zum ersten Fluidpuls (8) auf das Austrittsfenster (4) gerichtet ist.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer zum Kopf des Laserhandstücks geführten Wasserzufuhrleitung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlenkvorrichtung (20) vorgesehen ist, durch die die Richtung des aus der Wasserzufuhrleitung (5) austretenden Wasserstrahls (6) veränderbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (20) eine Fluidzufuhrleitung (7) umfaßt, deren Leitungsendstück (11) winklig zum austretenden Wasserstrahl (6) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsendstück (11) auf das zu behandelnde Objekt (9) gerichtet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites, auf das Austrittsfenster (4) gerichtetes Leitungsendstück (12) zur Übertragung eines zweiten Fluidpulses (10) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Leitungsendstück (11, 12) von einer gemeinsamen Fluidzufuhrleitung (7) verzweigen.
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