WO2012059399A2 - Anordnung zur übertragung von elektromagnetischer strahlung, vorzugsweise zur beaufschlagung biologischer strukturen mit lichtenergie - Google Patents

Anordnung zur übertragung von elektromagnetischer strahlung, vorzugsweise zur beaufschlagung biologischer strukturen mit lichtenergie Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for applying biological structures to light energy, comprising an optical waveguide for generating a light intensity profile dependent on the continuous conductor length and / or a change in shape according to the preamble of claim 1 and a method for producing an optical waveguide for an arrangement for selectively applying biological structures with light energy according to the preamble of claim 13 or 19.
  • Such arrangements are needed, for example, to make under endoscopic control manipulations of tissues of hollow organs or to break up foreign bodies, such as kidney or gallstones, thus facilitating their departure.
  • optical waveguides in order to conduct the radiation endoscopically to its point of action.
  • These optical waveguides either serve only for the radiative transport or they are designed as so-called pump fibers, in which coherent radiation and thus radiation with a high power density is generated.
  • the optical fiber is coupled to an external radiation source. This either generates the laser radiation or emits pump radiation into the optical waveguide.
  • the optical waveguide serves as a fiber laser, which generates the laser radiation itself.
  • the laser radiation must be tuned exactly to the purpose to be achieved. This applies in particular to the design of the beam cross-section, its intensity distribution and the decision as to whether the laser radiation should act continuously or pulsed on the respective area of action.
  • pulsed lasers are mostly used to smash debris, such as kidney or gallstones, because the surrounding tissue does not coagulate.
  • so-called continious wave lasers are used for coagulating and welding tissue parts, for example for the treatment of retinal detachments.
  • Known arrangements for transmitting electromagnetic radiation in particular those for selectively applying biological energy to light structures, thus comprise a laser source and an optical beam shaping system coupled to the laser source.
  • the beam-forming system consists of optical elements, such as lenses, screens or grids.
  • the optical waveguide is coupled to the beam-shaping system.
  • the beamforming system and the optical waveguide produce the light intensity profile that depends on the length of the conductor passed through and / or a change in shape.
  • the optical waveguide comprises a core and a cladding surrounding the core and has a free distal fiber end.
  • both the beam cross-section and the radial intensity distribution of the beam is determined by an interaction of the optical beam shaping system and the optical waveguide. This requires elaborate adjustments. For this reason, the optical beam shaping system is adapted and calibrated to the optical fiber used. As a result, the optical fiber can not be easily replaced and replaced by another optical fiber. The entire arrangement thus represents a specialized unit for a single purpose of treatment.
  • optical fiber must be bent in a tight radius.
  • the light then decouples from the core into the surrounding cladding. This leads to a significantly reduced beam quality.
  • a measure of the assessment of this phenomenon is the increase in attenuation for 2 turns with a radius of curvature of 7.5 mm and a wavelength of 850 nm.
  • the object is to produce a suitable for the particular application beam profile at the distal end of the fiber. In some medical niche applications, for example, the formation of an annular beam profile is desired.
  • a particularly good beam profile is desirable, so that a further task is to achieve an increase in attenuation for 2 turns with a radius of curvature of 7.5 mm and a wavelength of 850 nm of less than 0.2 db.
  • the object is provided with an arrangement for transmitting electromagnetic radiation, preferably for exposing biological structures to light energy, comprising a laser source, an optical beam shaping system, an optical waveguide coupled to the beam shaping system for generating a light intensity profile dependent on the length of the conductor passed through and / or a change in shape a core and a cladding surrounding the core, with a free distal end of the fiber solved, the arrangement being characterized according to the invention by a refractive index trench structure passing through the core and the cladding of a series of concentric zones, wherein the zones as an alternating at least partially in the radial direction Sequence of areas with a relatively reduced refractive index and a relatively increased refractive index are formed.
  • an optical waveguide is used whose cross-sectional structure is not determined solely by the known division of fiber core and cladding. Rather, this structure is superimposed by a refractive index trench structure that modifies and modulates both the refractive index of the core and of the cladding.
  • a refractive index trench structure that modifies and modulates both the refractive index of the core and of the cladding.
  • the sequence of concentric zones within the refractive index trench structure is formed differently at different locations in the longitudinal direction of the optical waveguide.
  • a first refractive index trench structure is present, which with increasing length of the optical waveguide via a transitional rich passes into a second section where another refractive index trench structure is present.
  • the light in the first section propagates in different ways compared to the propagation in the second section.
  • the light can be coupled into the core in the first section and is transferred into the cladding in the second section.
  • a point-shaped can be converted into an annular intensity distribution.
  • the refractive index trench structure is determined by an upper envelope, a lower envelope, and a zonal function oscillating between the lower and upper envelopes.
  • the upper envelope has a bell-shaped form of a Gaussian curve, a Lorentz curve, a parabola or the like running at least in sections gradually to lower refractive indices and a constant course in the region of the cladding.
  • the term "parabola” includes any curve sections formed by polynomials.
  • the lower envelope has a linear, preferably constant, or gradual course in the region of the core and the cladding.
  • the zone function determines the periodicity of the refractive index trench structure as well as the widths of the trenches and the widths of the intermediate stages, but also the shape of the trenches themselves over the entire fiber cross section.
  • every function with a periodic course and an arbitrary period form can be used as a zone function.
  • Such functions are described above all with regard to their period length, the distances between the zeros and the values of the maxima or minima, i. characterized by their amplitude.
  • functions with a sinusoidal profile, but especially rectangular functions or even sawtooth functions are used as zone functions.
  • the zone function thereby generates the trench width, the trench spacing, i. the width of the existing between the trenches stages and the trench shapes in the refractive index profile over the entire fiber cross-section.
  • Envelopes define the maximum possible trench depths and the maximum possible heights of the trenches and thus, to a certain extent, the "amplitudes" of the trenches.
  • the envelopes do not always determine the size of each individual amplitude of the zone function, although it is of course possible. It is also possible to define the envelopes as discrete point sequences, each point of the point sequence being assigned to an at least local maximum or at least a local minimum of the zone function.
  • the envelopes provide lower and upper bounds at least for the local maxima and minima of the zone function.
  • the refractive index curve thus jumps between a local maximum and a local minimum.
  • the size of the local maxima and the local minima is determined by the upper and lower envelopes.
  • the upper envelope is bell-shaped in the region of the core, i. in particular in the form of a power or exponential function as well as parabolic, Lorentz or Gaussian curve-shaped.
  • the local maxima of the refractive index curve are therefore larger in the core and decrease towards cladding.
  • the upper envelope In the area of the cladding, the upper envelope has a linear course or is preferably constant.
  • the local maxima of the refractive index curve are therefore the same size in the latter case.
  • the lower envelope determines the depth of the local minima of the radial refractive index curve. It is linear and can be constant or gradual. With a constant lower envelope, all local minima in the refractive index curve are equally deep. In a gradual process, the depth of the local minima depends on the radius of the optical waveguide and decreases with the radius to or from.
  • the refractive index trench structure has a constant upper envelope while the lower envelope has a linear, preferably constant, or gradual profile. In such a case, there is no difference in the maxima of the refractive index profile between the core and the cladding of the optical waveguide.
  • the oscillating zone function has a first sinusoidal or cosinusoidal and / or rectangular course oscillating in the radial direction.
  • the zone function has a local maximum in the radial zero point.
  • the optical waveguide thus has a core with a high Refractive index in the center.
  • Such an optical waveguide initially collects the coupled light in the core.
  • the course of the sine or rectangular function forms an area in the form of an integral with the refractive index of the reference matrix. It has been found that an area amounting to between 20 10 3 and 60 10 3 [ ⁇ ⁇ ⁇ ], in particular surfaces between 25 10 3 and 30 10 3 [ ⁇ ⁇ ⁇ ] relative to the fiber are particularly advantageous.
  • the sinusoidal or Recheckverlauf is interrupted in sections with at least one zone with refractive index of the matrix.
  • the oscillating zone function has a second sinusoidal or rectangular course which oscillates in the radial direction, the zone function having a local minimum at the radial zero point.
  • the refractive index in the center of the core is lowered compared to the environment.
  • An optical waveguide formed in this way displaces the coupled-in light into the edge regions of the core or also partially into the cladding.
  • a transition region extending in the longitudinal direction of the optical waveguide is provided, in which the zone function transitions from the first sinusoidal or rectangular course into the second sinusoidal rectangular course.
  • the optical waveguide first conducts the coupled-in light in the core region of the fiber and subsequently transfers it into the edge of the core and / or into the cladding.
  • the zone function has a periodicity dependent on the radial and / or longitudinal direction of the optical waveguide, with a trench width and / or trench depth depending on the radial direction and / or the longitudinal direction.
  • the width of the local maxima and / or local minima is within the zone function and thus the refractive index trench structure depends on the radius. The widths of the maxima and / or the minima can therefore increase or decrease towards the edge of the optical fiber.
  • the frequency of the modulation is constant. This leads to structures with equal distances.
  • the frequency of the modulation is modulated as a function of the radius.
  • the modulation may follow a regularity or be without a mathematical connection.
  • the concentric zones may in one embodiment have a cross-sectional geometry that depends on the longitudinal direction of the optical waveguide.
  • a first cross-sectional geometry for example a circular shape
  • another cross-sectional geometry for example a hexagon
  • the cladding consists of a concentric arrangement of an inner first cladding and the second cladding enclosing the first cladding on the outside, wherein preferably one of these claddings contains laser-active element compounds.
  • the optical waveguide acts as a fiber laser, which is exposed to pump light and emits laser radiation.
  • the first cladding and / or the concentric zones have a polygonal, in particular an octagonal, a quadrilateral or a hexagonal cross-sectional symmetry and / or a non-centrosymmetric structure. These embodiments are based on the vibrational modes to be excited and / or propagating within the optical waveguide.
  • a method for producing an optical waveguide for an arrangement for targeted exposure of biological structures to light energy is characterized in that a variable refractive index profile with respect to the longitudinal direction of the optical waveguide is produced with the following production steps. At first, provision is made of a glass tube having a first refractive index and coating of the glass tube with at least one coating having a second refractive index. The coated glass tube is then pulled and a capillary is created. The capillary is then collapsed within a certain range and within a certain collapse length. In this case, a collapsed portion is generated.
  • the collapse of the capillary can be carried out in a first embodiment in an on-line process, while pulling a continuous capillary is performed in a drawing section, which is prevented by a pressure difference between external and Kapillarinnendruck their uncontrolled collapse.
  • the endless capillary is introduced without interruption into a collapsing section and there alternately collapses and does not collapse.
  • the collapse of the capillary can be done in an offline process.
  • a separating step for producing at least one single capillary piece is carried out.
  • the capillary single piece is partially collapsed, wherein the optical fiber single piece is produced with at least one collapsed portion and at least one capillary.
  • section-wise collapse is expediently carried out by an induced collapse process with the following steps:
  • a pressure difference is created between the capillary outer and the capillary inside and / or along the longitudinal axis of the capillary. This is preferably done by applying a vacuum to the inner wall of the capillary and / or by performing a point from the outside acting compressed air blast on the heated capillary.
  • the pressure difference along the Kapillarl Kunststoffsachse results from the fact that the capillary is flowed through, resulting in a pressure gradient between the capillary beginning and the capillary end due to the flow resistance within the capillary. Characterized a capillary longitudinally passing through Kollabierwelle is triggered, which extends within the heat path.
  • variable refractive index profile with respect to the longitudinal direction of the optical waveguide can also take place with the following production steps:
  • a core rod having a first refractive index or a first refractive index profile is provided.
  • the successive Aufkollabieren the tubes and the execution of the direct coating is carried out alternately and / or in repeated process steps, so that gradually the desired refractive index profile is built up.
  • FIG. 2 shows an exemplary upper envelope and an exemplary lower envelope.
  • FIG. 5 shows another relative course of the refractive index by superposition of the envelopes with another zone function
  • FIG. 7 shows an exemplary refractive index profile with a trench with a gradual trench edge and at least one further trench
  • FIG. 8 shows a refractive index profile with a trench immediately following a core, an intermediate stage and at least one further outer trench, FIG.
  • FIG. 9 shows a refractive index profile according to FIG. 8, wherein the trench adjoining the core and the at least one outer trench have the same depth, FIG.
  • FIG. 10 shows a refractive index profile according to FIG. 8 or 9, wherein the at least one outer trench has a greater depth
  • 10a shows a refractive index profile according to the embodiment from FIG. 10 with a direct transition between step 16 and trench 17, FIG.
  • FIG. 11 shows a refractive index profile with a graduated transition from a central core zone to an adjoining outer trench
  • FIG. 13 is a schematic optical waveguide with different refractive index profiles at different points of the optical waveguide
  • Fig. 15 is a device for section collapse by applying a
  • 16 shows an exemplary construction of an optional laparoscopic or endoscopically usable device.
  • the optical waveguide is not constructed primarily from a core and a surrounding cladding, but rather that the entire cross section of the conductor has a modified refractive index profile, in particular a refractive index trench profile, which covers both the central region of the optical waveguide as well as the surrounding mantle zone. This is particularly important in those embodiments in which some areas located at a first location in the center of the fiber within the optical waveguide merge into areas located at a second location of the fiber in its edge area.
  • the refractive index trench profile can change over the length of the optical waveguide. This means that the optical waveguide at a first location in the vicinity of the light source or the location of the light coupling has a first refractive index trench profile, which in the region of a further away from the coupling point transition zone finally into a second refractive index trench profile in the region of an end portion or Light exit point of the optical waveguide passes.
  • the course of a relative refractive index ⁇ as a function of the radius R of the optical waveguide is shown in the following diagrams.
  • the relative refractive index ⁇ describes a refractive index difference related to a standard value. It can therefore be both positive and negative.
  • the standard value of the refractive index expediently corresponds to the refractive index of a pure quartz glass matrix or of another glass or else of an artificial material used as base material of the optical waveguide.
  • the refractive index trench profile consists of a superposition of a zone function and one or more envelopes.
  • the zone function determines the periodicity of the refractive index trench structure and the widths of the trenches and the widths of the intermediate stages but also the shape of the trenches themselves, while by envelopes the trench depths and heights of the stages and thus determined so to speak the "amplitudes" of the trenches are.
  • the exact course of the radius-dependent refractive index graduation in the center of the fiber can be selected in various ways or described by functions of the radius. Expedient here is a recourse to power functions of the following type, wherein the parameters a and ⁇ can be assigned depending on the application purpose with different values that are specifically valid for a special preform or a special optical waveguide.
  • This function represents an exemplary envelope for the course of the refractive index profile fiber center.
  • first exemplary zone function 1 shows a first exemplary zone function 1.
  • this consists of a periodic rectangular function consisting of a sequence of relative maxima 2 and relative minima 3, which merge into one another in a jump-like manner.
  • the zone function consists of a periodic sequence of trenches of the width b and arranged therebetween steps of the width a.
  • the zone function is symmetrical with respect to the zero point of the radius because of the axial symmetry of the optical fiber.
  • FIG. 2 shows exemplary envelopes 4.
  • an upper envelope 5 and a lower envelope 6 are specified.
  • the lower envelope 6 has in this example a constant for all radii and here negative value D.
  • FIG. 3 shows a representation with a zone function 1 and the superimposed envelopes 5 and 6.
  • the envelopes correspond to the representation from FIG. 2.
  • the refractive index profile arising from these three curves results from a suitable multiplicative and / or additive superposition of all three curves.
  • the zone function is modulated by the upper and lower envelopes.
  • the upper envelope limits the maxima contained in the zone function and the lower envelope limits the minima contained in the zone function.
  • the upper envelope 5 corresponds in its shape to the course of the envelopes of Figures 2 and 3.
  • the lower envelope 6 has in this Example, a central stage 7 and falls outside the central area to a value D.
  • the zone function consists of a series of rectangular maxima and minima.
  • the superposition of the envelopes and the zone function now leads to a refractive index trench profile 8 with a central trench 9 within a region 10 with a relatively increased refractive index on the one hand and a sequence of trenches within a zone 11 located outside the central region on the other.
  • the refractive index trench profile formed in this way corresponds conventionally to an optical waveguide with a refractive index-increased core and a refractive index-reduced cladding, the core region being relatively lower in its center.
  • the central refractive index reduction leads to an annular intensity distribution within the core region and at the same time prevents propagation of the light into the region of the cladding or influences the propagation in the cladding as a function of the wavelength of the light by selective Bragg reflections within the trench profile present there.
  • FIG. 5 shows a superimposition of envelopes and zone function, in which a gradual, in particular a parabolic, refractive index profile is given in the vicinity of the central region 10, which merges with growing radii into a trench structure influenced by the zone function in the cladding region 11.
  • the central area has no local minimum.
  • the refractive index profile corresponds in this respect to a classical optical waveguide made of refractive index-enhanced core and refractive index-reduced cladding, in which the optical waveguide takes place within the core and results in a point-like intensity distribution, which is influenced by Bragg reflections within the trench structure of the cladding.
  • the zone function can also be formed only in sections and in particular limited to only a specific interval of the radius.
  • only a limited number of trenches for example one, two or three, are present only within a certain part of the cross-section of the optical waveguide.
  • Figures 6 to 11 show examples thereof.
  • FIG. 6 shows a refractive index profile 8, formed by a parabolic upper envelope 5 and a constant lower envelope 6, in which the zonal function having a central local minimum 9 and an outer local minimum located at a finite radius in the form of a trench 12.
  • the central local minimum 9 can also be omitted.
  • the refractive index profile has a subsequent to the central parabolic course stage 13 with a width a, which merges into a gradual trench edge 14 of the width c.
  • the gradual flank may in particular also be parabolic in shape and follow in its course to the gradual drop in the central region.
  • the trench 12 has a width b in its minimum.
  • the upper envelope 5 corresponds to the upper envelope of FIG. 6.
  • the lower envelope 6 is designed as a linearly increasing envelope, while the zone function contains two minima.
  • the resulting refractive index profile has a parabolic course within a central portion of the optical fiber cross section, which merges into a step 13 of the width a and gradually merges into the first trench 12 with the width b.
  • another trench 14a with the width d adjoins.
  • the linearly rising lower envelope causes a decreasing depth of the trench 14a compared to the trench 12.
  • the central trench 9 is optional and can also be omitted depending on the desired Lichtpropagation.
  • FIG. 8 shows a related example.
  • the upper envelope 5 in this example consists of a parabolic section in the center and two partial curves 5a and 5b.
  • these partial curves limit the relative height of a local maximum of the zone function and, on the other hand, provide a zero line for the relative refractive index profile.
  • the parabolic shape of the refractive index transitions seamlessly into a first trench 15 with a width c.
  • the trench is separated by a step of the width b of a further trench 17, whose depth is significantly lower by a linearly rising lower envelope.
  • the trench 17 has a width d.
  • the position of the trench 17 with respect to the step 16 may be variable.
  • FIGS. 9, 9a, 10 and 10a show corresponding examples for this purpose.
  • the lower envelope 6 is constant.
  • the trench 15 and the trench 17 thus have the same depth.
  • the lower envelope 6 is formed sloping. The depth of the trench 17 is therefore greater than that of the trench 15.
  • the upper envelope 5 is formed in the central region of the optical waveguide such that it opens into a step 15 a, but does not immediately merge into the first trench 15.
  • the graduated course of the upper envelope continues in the region of an inner flank 15b of the inner trench.
  • FIGS. 9a and 10a show corresponding examples for this purpose.
  • Fig. 11 shows a lower envelope 6 with a stepped configuration and a decreasing profile.
  • the upper envelope corresponds to the previous embodiments.
  • the lower envelope consists of a stepwise sloping sequence of individual steps of the width a, occupying a total width c and finally open into a single trench of the width b.
  • the refractive index profile is determined exclusively by the two envelopes.
  • the zone function is constant to the edge of the optical waveguide.
  • the upper envelope has a downwardly open parabolic shape.
  • a refractive index profile 8 is thereby formed in which a trench 18 is present in the center of the optical waveguide, which is located within a refractive index gradually parabolic sloping core region 18a.
  • This gradual core region opens into a trench 19 which concentrically surrounds the core region.
  • the refractive index present therein is lower than the refractive index of the central trench 18.
  • the entire arrangement of central trench, gradual core and outer trench 19 is surrounded by a sheath 20 having a refractive index increased step 20a.
  • two refractive index differences are important.
  • a first refractive index difference ⁇ describes the depth of the central trench 18 with respect to the refractive index maximum of the gradual core region 18a.
  • a second refractive index difference ⁇ 2 indicates the difference between the refractive index of the central trench and the refractive index of the concentric outer trench 19.
  • the location-dependent intensity distribution within the light guide resulting from this refractive index profile is schematically shown below.
  • the illustration shows different points Li to L 4 with the intensity distributions Ii to I 4 present there.
  • the light within the optical waveguide propagates in this example from left to right, it enters at a point L 0 and passes through the optical fiber to point L 4 and beyond.
  • the light is coupled into the central region of the optical waveguide at point L 0 . Therefore, there is still an intensity distribution Ii of the light limited to the core of the optical waveguide at the point Li lying shortly behind.
  • the coupled-in light from the center of the optical waveguide increasingly propagates to the outside, so that after a certain distance under the influence of the outer concentric trench 19 at the location L 2 an intensity distribution I 2 within the core is established the light increasingly propagated to the outside.
  • the trench 19 has a finite width lying in the region of the light wavelength. The light thus propagates into the cladding region 20. Therefore, an intensity distribution I 3 occurs at the location L 3 at which the light is partially propagated into the cladding region 20, in particular into the step 20a, which has a higher refractive index.
  • the design of the refractive index profile for the speed of radia ⁇ len propagation of light is of particular importance.
  • the first refractive index difference ⁇ determines the speed of propagation of the Kernbe ⁇ rich 18a of the optical waveguide, and therefore the distance between the locations, Li and L 2 of the optical waveguide.
  • the radia ⁇ le propagation running within the core region takes place the faster and the distance of the locations Li and L 2 is the shorter, the greater the refractive index difference ⁇ .
  • an optical fiber which transfers first central light coupled from a point-like or disk-shaped intensity distribution in a narrow annular and a widened annular intensity distribution and whose length can be secondly tailored to the necessary intensity ⁇ distributions.
  • a refractive index profile of each ⁇ of any point of the optical fiber is necessary, which is also along the optical waveguide, that is, does not change at the places to Li L. 4
  • the entire transformation of the intensity profile is carried out within the optical waveguide, without additional complex downstream or upstream optics are necessary.
  • the size of the optical waveguide can be tuned very precisely to the exact manner in which an intervention on the biological tissue is to be performed.
  • FIG. 13 shows a schematic optical waveguide 22 whose refractive index profile has different configurations at different points of the optical waveguide.
  • the optical waveguide is divided in its length into three sections. In a first section 22a, the light propagation takes place with a point or disk-shaped intensity profile. A light propagation transversely to the longitudinal direction of the optical waveguide does not take place. In a second section 23, the propagated light has an annular intensity distribution. The light propagates either additionally transversely to the longitudinal direction of the optical waveguide or within an annular region.
  • the point or disk-shaped intensity distribution merges into the annular intensity distribution.
  • the intensity profile is transformed by three different refractive index profiles 25, 26 and 27.
  • the first refractive index profile 25 is based on a step-shaped refractive index profile without trench structure.
  • an annular refractive index profile is present in the second refractive index profile 26 within the second section 23, in this case, in the center of the optical waveguide, a region with a refractive index n 3 is provided, which is annularly surrounded by a region with the refractive index ni.
  • ni> n is 3 .
  • the entire area is surrounded by an outer shell with the refractive index n 2 .
  • a transition core 28 with the refractive index ni is present, which is divided by a gap 29. This column widens in the direction of the second section 23 and has the refractive index n 3 .
  • the first portion 22 is formed as a fiber having a solid cross-section, while the second portion 23 is present as a capillary.
  • the transition section 24 in this case forms a transition from the capillary-like section which has collapsed in the direction of the first section 22.
  • the gap 29 is formed as an air gap, which widens in the direction of the portion 23 to a Kapillarinnenvolumen or to a cavity.
  • FIGS. 14 and 15 show different production steps for this purpose.
  • Fig. 14 shows a device structure for partially collapsing by external pressurization.
  • the initially capillary-like fiber is introduced from the right into a collapsing device 30.
  • This has expediently a cylindrical, in particular a hollow cylindrical structure. It consists of a heating device 31 which is arranged on all sides around the fiber and is designed, for example, in the form of a heating coil, a hot air device or a burner.
  • the collapsing device can also consist of open structures, such as plates or semicircular elements, which offers advantages in terms of clamping the capillary in one embodiment.
  • a device for exerting a Kollabierimpulses is provided.
  • a compressed air device 32 which expediently also surrounds the fibers passing through within the collapsing device on all sides.
  • the compressed air device is preferably concentrated in a section of the collapsing device.
  • a capillary-type fiber is introduced into the collapsing device and heated there by the heating device 31 until the material of the fiber softens and becomes fluid.
  • the softened tubular form is selectively collapsed at one point. Because the heated and flowable fiber is in an unstable state, the collapse continues undulating across the heated and flowable fiber region until all of the fiber contained within the collapsing device has collapsed. In this case, the capillary-like portion located outside the collapsing device remains uncollapsed and transitions into the collapsed region 22a.
  • Longer collapsed portions extending beyond the region of the collapsing device can be made by progressively moving the fiber into the collapsing device and progressively collapsing it.
  • the collapsing device shown in FIG. 14 is suitable for the production of
  • Optical waveguides with a basically unlimited length are Optical waveguides with a basically unlimited length.
  • Fig. 15 shows another embodiment of the collapsing apparatus 30.
  • the collapsing apparatus is divided into two in this case. It consists of a cylindrical heating device 31, which surrounds the fiber on all sides and cylindrical, and a vacuum device 33, which is located at the end of the capillary-like fiber 22. This has a suction device 34 which is activated at intervals.
  • the collapsing device shown in FIG. 15 is mainly suitable for partially collapsing optical waveguides with an already prefabricated length.
  • the capillary-like fiber is introduced at one end into the heater 31 and heated there to the pour point.
  • For insertion can recourse to a feed device 35, which is formed as part of the vacuum device 33.
  • the feeder encloses the capillary-like end of the fiber airtight.
  • the orientation of the arrangements shown in Figures 14 and 15 is basically arbitrary. Although the fibers are guided horizontally according to the figures, it may be useful to arrange the entire devices vertically. In such a case, the heater is designed so that the fiber is immersed in its cylindrical body, in particular, in the embodiment of Fig. 15, the feeder is shown as vertically displaceable, i. lowerable component, is executed.
  • a preform is first prepared, the cross-sectional size is reduced accordingly in a subsequent drawing process.
  • the result of this drawing process is then either the optical fiber with the previously explained refractive index profiles or provided for the section collapse capillary.
  • the preform can be made of a number of known production methods.
  • this relates to providing a starting rod or core rod having a predetermined refractive index or a doping determining the refractive index.
  • Successively more glass tubes with the desired refractive indices will be collapsed onto this starting rod and connected in a heating process to the output bar.
  • an interface diffusion of the dopants present in the individual tubes takes place, which leads to the gradual refractive index profiles in the examples mentioned above.
  • This interfacial diffusion may also be omitted depending on the specific manufacturing conditions.
  • sharply limited refractive index regions are formed in the preform, which lead to the mentioned refractive index trenches within the fiber cross-section during subsequent pulling of the optical waveguide.
  • thermophoretically deposition of glass material takes place in a hot air or flame stream.
  • targeted layer thicknesses can be set with a predetermined refractive index.
  • This coated tube can be either itself collapsed to an optical waveguide, so even to a fiber, or in turn pushed onto an output rod or a composite rod and capillary and collapsed.
  • production and treatment processes can also be combined with gas phase precipitation processes, in particular with chemical vapor deposition processes and / or plasma deposition processes.
  • gas phase precipitation processes in particular with chemical vapor deposition processes and / or plasma deposition processes.
  • an either solid or tubular starting rod or a composite of starting rod and collapsed tubes is clamped in a rotating device and, for example, placed in the flame area of a longitudinally moving plasma torch.
  • the refractive index of the glass material deposited in the plasma stream can be influenced in a targeted manner.
  • FIG. 16 shows an exemplary structure of an optional laparoscopically or endoscopically usable device for the destruction of renal or gallstones by means of light energy.
  • the device consists of a radiation source unit 37, which is designed in particular as a laser unit, and a Lichtleitbündel 38 with a terminal output optics 39.
  • the Lichtleitbündel is by means of a connector 40 with the radiation source unit 37 connected. It is thus interchangeable with differently designed Lichtleitbündel.
  • a light source 41 which selectively emits laser radiation or incoherent radiation in the optical spectral range. This is connected via a coupling optics 43 to an optical output 44 and thus to the Lichtleitbündel 38.
  • the Lichtleitbündel is composed of several optical fibers.
  • a central optical waveguide 45 carries the light generated by the radiation source unit, in particular the laser radiation generated there.
  • This contains a core 46 and a jacket zone 47 with a corresponding refractive index profile, in particular one of the abovementioned refractive index profiles.
  • the refractive index profile of the optical waveguide is designed such that the light generated by the light source 41 and coupled to the core 46 propagates largely within the core and at the end illuminates the tissue 49 with an annular beam cross section.
  • the light guide is surrounded by a series of imaging or tissue illuminating optical fibers 48, through which an image of the surgical field can be directed outward via the fiber optic bundle, or over which the tissue is illuminated.
  • the light-conducting bundle 38 is advanced to the surgical area 49 by endoscopy.
  • the Lichtleitbündel is first acted upon by the light source 41 with incoherent optically visible light.
  • the light propagates through the core 46 of the pumplight conductor and / or the optical fibers 48 and illuminates the tissue lying in front of the fiber optic bundle.
  • the operating area is viewed via the imaging optical fibers 48 and can be targeted.
  • the light source 41 is set in a laser mode.
  • the laser light coupled into the core of the central optical waveguide 45 propagates in its cladding zone 47, exits at an output optical system 39 with an annular intensity profile and acts on the tissue 49 there.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Beaufschlagen biologischer Strukturen mit Lichtenergie, umfassend einen eine Pumplicht und/oder eine Laserquelle, ein optisches Strahlformungssystem, einen an das Strahlformungssystem gekoppelten Lichtwellenleiter zum Erzeugen eines von der durchlaufenen Leiterlänge und/oder einer Formänderung abhängenden Lichtintensitätsprofils umfassend einen Kern und ein den Kern umgebendes Cladding, mit einem freien distalen Faserende. Die Anordnung zeichnet sich durch eine den Kern und das Cladding durchziehende Brechzahl-Grabenstruktur aus einer Folge konzentrischer Zonen, wobei die Zonen als eine in radialer Richtung zumindest abschnittsweise alternierende Folge aus Bereichen mit einer relativ erniedrigten Brechzahl und einer relativ erhöhten Brechzahl ausgebildet sind. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters für eine Anordnung zum gezielten Beaufschlagen biologischer Strukturen mit Lichtenergie erfolgt das Erzeugen eines bezüglich der Längsrichtung des Lichtwellenleiters variablen Brechzahlprofils durch ein Bereitstellen eines Glasrohres mit einer ersten Brechzahl und Beschichten des Glasrohres mit mindestens einer eine zweite Brechzahl aufweisenden Beschichtung, ein Ziehen des beschichteten Glasrohres zum Erzeugen einer Kapillare, und ein Kollabieren der Kapillare innerhalb eines bestimmten Bereiches und innerhalb einer bestimmten Kollabierlänge zum Erzeugen eines kollabierten Abschnittes.

Description

Anordnung zur Übertragung von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise zur Beaufschlagung biologischer Strukturen mit Lichtenergie
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Beaufschlagen biologischer Strukturen mit Lichtenergie, umfassend einen Lichtwellenleiter zum Erzeugen eines von der durchlaufenen Leiterlänge und/oder einer Formänderung abhängenden Lichtintensitätsprofils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters für eine Anordnung zum gezielten Beaufschlagen biologischer Strukturen mit Lichtenergie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 oder 19.
Derartige Anordnungen werden beispielsweise dazu benötigt, um unter endoskopischer Steuerung Manipulationen an Geweben von Hohlorganen vornehmen zu können oder Fremdkörper, beispielsweise Nieren- oder Gallensteine zu zertrümmern und damit deren Abgang zu erleichtern.
Für derartige Vorrichtungen wird auf Lichtwellenleiter zurückgegriffen, um die Strahlung endoskopisch an ihren Einwirkungsort zu leiten. Diese Lichtwellenleiter dienen entweder nur dem reinen Strahlungstransport oder sie sind als so genannte Pumpfasern ausgebildet, in denen kohärente Strahlung und damit Strahlung mit einer hohen Leistungsdichte erzeugt wird. In beiden Fällen ist der Lichtwellenleiter mit einer externen Strahlungsquelle gekoppelt. Diese erzeugt entweder die Laserstrahlung oder gibt Pumpstrahlung in den Lichtwellenleiter ab. In einem derartigen Fall dient der Lichtwellenleiter als Faserlaser, der die Laserstrahlung selbst generiert.
Die Laserstrahlung muss dabei genau auf den zu bewirkenden Zweck abgestimmt sein. Dies betrifft insbesondere die Gestaltung des Strahlquerschnittes, dessen Intensitätsverteilung und die Entscheidung, ob die Laserstrahlung kontinuierlich oder gepulst auf das jeweilige Wirkungsgebiet einwirken soll. So werden beispielsweise gepulste Laser zumeist zum Zertrümmern von Ablagerungen, beispielsweise von Nieren- oder Gallensteinen verwendet, weil dabei das umgebende Gewebe nicht koaguliert. Hingegen werden zum Koagulieren und zum Verschweißen von Gewebeteilen, wie zum Beispiel zur Behandlung von Netzhautablösungen so genannte continious wave-Laser verwendet. Bekannte Anordnungen zum Übertragen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere solcher zum gezielten Beaufschlagen biologischer Strukturen mit Lichtenergie, umfassen somit eine Laserquelle und ein an die Laserquelle gekoppeltes optisches Strahlformungssystem. Das Strahlformungssystem besteht aus optischen Elementen, wie beispielsweise Linsen, Blenden oder Gittern. An das Strahlformungssystem ist der Lichtwellenleiter angekoppelt. Das Strahlformungssystem und der Lichtwellenleiter erzeugen das von der durchlaufenen Leiterlänge und/oder einer Formänderung abhängende Lichtintensitätsprofil. Der Lichtwellenleiter umfasst einen Kern und ein den Kern umgebendes Clad- ding und weist ein freies distales Faserende auf.
Bei den bekannten Anordnungen wird sowohl der Strahlquerschnitt als auch die radiale Intensitätsverteilung des Strahls durch ein Zusammenwirken aus dem optischen Strahlformungssystem und dem Lichtwellenleiter bestimmt. Dies erfordert aufwändige Justierarbeiten. Aus diesem Grund ist das optische Strahlformungssystem auf den verwendeten Lichtleiter angepasst und geeicht. Als Folge davon lasst sich der Lichtwellenleiter nicht einfach austauschen und durch einen anderen Lichtwellenleiter ersetzen. Die gesamte Anordnung stellt somit eine auf einen einzigen Behandlungszweck spezialisierte Einheit dar.
Ein weiteres Problem ist, dass für bestimmte medizinische Anwendungen, der Lichtwellenleiter in einem engen Radius gebogen werden muss. Bei herkömmlichen passiven Lichtleitfasern koppelt dann das Licht aus dem Kern in das umgebende Cladding aus. Dies führt zu einer deutlich verminderten Strahlqualität. Ein Maß zur Beurteilung dieses Phänomens ist der Dämpfungsanstieg bei 2 Windungen mit Krümmungsradius 7,5mm und einer Wellenlänge von 850nm.
Es besteht somit die Aufgabe, eine Anordnung zum Einleiten von Lichtenergie in biologisches Gewebe anzugeben, bei der im wesentlichen nur eine Laser- oder Pumplichtquelle und ein optisches Strahlformungssystem mit vielen unterschiedlichen Lichtwellenleitern so kombiniert werden kann, dass eine derartige Anordnung an den jeweils gewünschten Einsatz schnell und flexibel anpassbar ist. Es soll insbesondere möglich werden, einen Lichtwellenleiter gegen einen anderen auszutauschen, um somit die Anordnung einmal für einen ersten und das nächste Mal für einen anderen Einsatzzweck verwenden zu können. Des weiteren besteht die Aufgabe darin, ein für den jeweiligen Anwendungszweck geeignetes Strahlprofil am distalen Faserende zu erzeugen. In manchen medizi- nischen Applikationen ist beispielsweise die Ausbildung eines ringförmigen Strahlprofils gewünscht.
Bei besonders präzisen Anwendungen, wie dem Laserskalpell, ist ein besonders gutes Strahlprofil wünschenswert, so dass eine weitere Aufgabe darin besteht eine Dämpfungserhöhung bei 2 Windungen mit Krümmungsradius 7,5mm und einer Wellenlänger von 850nm von kleiner 0,2 db zu erreichen.
Die Aufgabe wird mit einer Anordnung zur Übertragung von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise zur Beaufschlagung biologischer Strukturen mit Lichtenergie, umfassend eine Laserquelle, ein optisches Strahlformungssystem, einen an das Strahlformungssystem gekoppelten Lichtwellenleiter zum Erzeugen eines von der durchlaufenen Leiterlänge und/oder einer Formänderung abhängenden Lichtintensitätsprofils, umfassend einen Kern und ein den Kern umgebendes Cladding, mit einem freien distalen Faserende gelöst, wobei die Anordnung sich erfindungsgemäß durch eine den Kern und das Cladding durchziehende Brechzahl-Grabenstruktur aus einer Folge konzentrischer Zonen auszeichnet, wobei die Zonen als eine in radialer Richtung zumindest abschnittsweise alternierende Folge aus Bereichen mit einer relativ erniedrigten Brechzahl und einer relativ erhöhten Brechzahl ausgebildet sind.
Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen kommt erfindungsgemäß somit ein Lichtwellenleiter zur Anwendung, dessen Querschnittsstruktur nicht allein durch die bekannte Zweiteilung aus Faserkern und Cladding bestimmt ist. Vielmehr ist diese Struktur durch eine Brechzahl-Grabenstruktur überlagert, die sowohl die Brechzahl des Kerns als auch des Claddings modifiziert und moduliert. Dadurch kann sowohl die Ausbreitung der Lichtwellen in Richtung des Lichtwellenleiters als auch deren Propagation in das Cladding hinein sehr genau beeinflusst werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, über eine fest vorgegebene Länge des Lichtwellenleiters eine an dessen Ende definierte Intensitätsverteilung des Strahlflecks zu erreichen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist die Folge der konzentrischen Zonen innerhalb der Brechzahl-Grabenstruktur an verschiedenen Orten in Längsrichtung des Lichtwellenleiters verschieden ausgebildet. Das bedeutet, dass in einem ersten Abschnitt des Lichtwellenleiters eine erste Brechzahl-Grabenstruktur vorhanden ist, die mit zunehmender Länge des Lichtwellenleiters über einen Übergangsbe- reich in einen zweiten Abschnitt übergeht, bei dem eine andere Brechzahl- Grabenstruktur vorhanden ist. Dadurch propagiert das Licht in dem ersten Abschnitt im Vergleich zur Propagation in dem zweiten Abschnitt auf verschiedene Weise. So kann das Licht zum Beispiel im ersten Abschnitt im Kern eingekoppelt werden und wird im zweiten Abschnitt in das Cladding verlagert. Dadurch lässt sich zum Beispiel eine punktförmige in eine ringförmige Intensitätsverteilung überführen.
Zweckmäßigerweise ist die Brechzahl-Grabenstruktur durch eine obere Hüllkurve, eine untere Hüllkurve und eine zwischen der unteren und der oberen Hüllkurve oszillierende Zonenfunktion bestimmt. Dabei weist die obere Hüllkurve eine im Bereich des Kerns zumindest abschnittweise graduell zu niedrigeren Brechzahlen verlaufende glockenförmige Form einer Gaußkurve, einer Lorentz- kurve, einer Parabel oder dergleichen Form und im Bereich des Claddings einen konstanten Verlauf auf. Der Ausdruck„Parabel" schließt dabei jegliche, durch Polynome gebildete Kurvenabschnitte ein. Die untere Hüllkurve besitzt im Bereich des Kerns und des Claddings einen linearen, vorzugsweise konstanten, oder graduellen Verlauf.
Dabei bestimmt die Zonenfunktion die Periodizität der Brechzahl-Grabenstruktur sowie die Breiten der Gräben und die Breiten der dazwischen gelegenen Stufen aber auch die Form der Gräben selbst über den gesamten Faserquerschnitt. Als Zonenfunktion kann prinzipiell jede Funktion mit einem periodischen Verlauf und einer beliebigen Periodenform verwendet werden. Derartige Funktionen werden vor allem in Hinblick auf deren Periodenlänge, die dabei eingenommenen Abstände der Nullstellen und die Werte der Maxima bzw. der Minima, d.h. durch deren Amplitude, charakterisiert. Als Zonenfunktionen kommen insbesondere Funktionen mit einem sinusartigen Verlauf, aber vor allem Rechteckfunktionen oder auch Sägezahnfunktionen in Anwendung. Die Zonenfunktion generiert dabei die Grabenbreite, die Grabenabstände, d.h. die Breite der zwischen den Gräben vorhandenen Stufen und die Grabenformen im Brechzahlprofil über dem gesamten Faserquerschnitt.
Durch die Hüllkurven werden die maximal möglichen Grabentiefen und die maximal möglichen Höhen der Stufen und damit gewissermaßen die„Amplituden" der Gräben festgelegt. Die Hüllkurven bestimmen dabei nicht in jedem Fall die Größe jeder einzelnen Amplitude der Zonenfunktion, obwohl es natürlich mög- lieh ist, die Hüllkurven auch als diskrete Punktfolgen zu definieren, wobei jeder Punkt der Punktfolge einem zumindest lokalen Maximum bzw. einem zumindest lokalen Minimum der Zonenfunktion zugeordnet ist.
Im Allgemeinen geben die Hüllkurven jedoch untere und obere Schranken zumindest für die lokalen Maxima und Minima der Zonenfunktion vor.
In radialer Richtung alternieren somit Zonen aus unterschiedlichen Brechzahlen. Der Brechzahlverlauf springt somit zwischen einem lokalen Maximum und einem lokalen Minimum. Die Größe der lokalen Maxima und der lokalen Minima wird dabei durch die obere bzw. die untere Hüllkurve bestimmt. Die obere Hüllkurve ist im Bereich des Kerns glockenförmig, d.h. insbesondere in Form einer Potenz- oder Exponentialfunktion sowie parabel-, lorentz- oder gaußkurvenförmig ausgebildet. Die lokalen Maxima des Brechzahlverlaufs sind daher im Kern größer und nehmen zum Cladding hin ab. Im Bereich des Claddings besitzt die obere Hüllkurve einen linearen Verlauf oder ist bevorzugt konstant. Die lokalen Maxima des Brechzahlverlaufs sind also in letzterem Fall gleich groß.
Die untere Hüllkurve bestimmt die Tiefe der lokalen Minima des radialen Brechzahlverlaufs. Sie ist linear ausgebildet und kann konstant oder graduell sein. Bei einer konstanten unteren Hüllkurve sind alle lokalen Minima im Brechzahlverlauf gleich tief. Bei einem graduellen Verlauf ist die Tiefe der lokalen Minima abhängig vom Radius des Lichtwellenleiters und nimmt mit dem Radius hin zu oder auch ab.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Brechzahl-Grabenstruktur eine konstante obere Hüllkurve auf, während die untere Hüllkurve einen linearen, vorzugsweise konstanten, oder graduellen Verlauf besitzt. Bei einem derartigen Fall gibt es in den Maxima des Brechzahlverlaufs keinen Unterschied zwischen dem Kern und dem Cladding des Lichtwellenleiters.
Für die oszillierende Zonenfunktion können zwei wesentliche Grundformen realisiert sein. Bei einer ersten Ausführungsform weist die oszillierende Zonenfunktion einen in radialer Richtung oszillierenden ersten sinus- bzw. cosinusartigen und/oder Rechteckverlauf auf. Bei diesem ersten Cosinus- bzw. Rechteckverlauf hat die Zonenfunktion im radialen Nullpunkt ein lokales Maximum. In einem derartigen Fall weist der Lichtwellenleiter somit einen Kern mit einer hohen Brechzahl im Zentrum auf. Ein derartiger Lichtwellenleiter sammelt das eingekoppelte Licht zunächst im Kern. Durch eine geeignete Modulation der Brechzahl kann eine niedrige Dämpfungserhöhung von kleiner als 0,2 db bei 2 Windungen mit Krümmungsradius 7,5mm erreicht werden.
Die Verlauf der Sinus- bzw. Rechteckfunktion bildet dabei mit der Brechzahl der Bezugsmatrix eine Fläche in Form eines Integrals. Es hat sich herausgestellt, dass eine Fläche betraglich zwischen 20 103 und 60 103 [μιη·Δη], insbesondere Flächen zwischen 25 103 und 30 103 [μιη·Δη] bezogen auf die Faser besonders vorteilhaft sind.
Bei einer Ausführungsform ist der Sinusförmige- bzw. Recheckverlauf abschnittsweise mit wenigstens einer Zone mit Brechzahl der Matrix unterbrochen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die oszillierende Zonenfunktion einen in radialer Richtung oszillierenden zweiten Sinusförmigen oder Rechteckverlauf auf, wobei die Zonenfunktion im radialen Nullpunkt ein lokales Minimum aufweist. In einem derartigen Fall ist die Brechzahl im Zentrum des Kerns im Vergleich zur Umgebung abgesenkt. Ein so ausgebildeter Lichtwellenleiter verdrängt das eingekoppelte Licht in die Randbereiche des Kerns oder auch teilweise in das Cladding hinein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein sich in Längsrichtung des Lichtwellenleiters erstreckender Übergangsbereich vorgesehen, bei dem die Zonenfunktion von dem ersten Sinusförmigen- oder Rechteckverlauf in den zweiten Sinusförmigen- Rechteckverlauf übergeht. In einem derartigen Fall leitet der Lichtwellenleiter das eingekoppelte Licht zunächst im Kernbereich der Faser und überführt es anschließend in den Rand des Kerns und/oder in das Cladding hinein. Ein so ausgebildeter Lichtwellenleiter ermöglicht es somit, innerhalb des Lichtwellenleiters ein punkt- oder gausförmiges Strahlprofil in ein ringförmiges Strahlprofil umzusetzen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist die Zonenfunktion eine von der radialen und/oder der Längsrichtung des Lichtwellenleiters abhängende Periodizität mit einer von der radialen Richtung und/oder der Längsrichtung abhängenden Grabenbreite und/oder Grabentiefe auf. In einem solchen Fall ist die Breite der lokalen Maxima und/oder der lokalen Minima innerhalb der Zonenfunktion und damit der Brechzahl-Grabenstruktur vom Radius abhängig. Die Breiten der Ma- xima und/oder der Minima können daher zum Rand der Lichtleitfaser hin zu- oder abnehmen.
Weiterhin ist es bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Frequenz der Modulation konstant ist. Das führt zu Strukturen mit gleichen Abständen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Frequenz der Modulation in Abhängigkeit vom Radius moduliert. Dabei kann die Modulation einer Gesetzmäßigkeit folgen oder aber auch ohne einen mathematischen Zusammenhang sein.
Die konzentrischen Zonen können bei einer Ausführungsform eine Querschnittsgeometrie aufweisen, die von der Längsrichtung des Lichtwellenleiters abhängt. Dabei ist an einer ersten Stelle des Lichtwellenleiters eine erste Querschnittsgeometrie, beispielsweise eine Kreisform, vorhanden, während an einer zweiten Stelle des Lichtwellenleiters eine andere Querschnittsgeometrie, zum Beispiel ein Hexagon, vorhanden ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform besteht das Cladding aus einer konzentrischen Anordnung aus einem inneren ersten Cladding und einem das erste Cladding außen umschließenden zweiten Cladding, wobei vorzugsweise eines dieser Claddings laseraktive Elementverbindungen enthält. In diesem Fall wirkt der Lichtwellenleiter als Faserlaser, der mit Pumplicht beaufschlagt wird und Laserstrahlung emittiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform weisen das erste Cladding und/oder die konzentrischen Zonen eine polygonale, insbesondere eine oktagonale, eine viereckige oder eine hexagonale Querschnittssymmetrie und/oder eine nicht zentrosymmetrische Struktur auf. Diese Ausgestaltungen richten sich nach den innerhalb des Lichtwellenleiters anzuregenden und/oder sich ausbreitenden Schwingungsmoden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters für eine Anordnung zum gezielten Beaufschlagen biologischer Strukturen mit Lichtenergie zeichnet sich dadurch aus, dass ein bezüglich der Längsrichtung des Lichtwellenleiters variables Brechzahlprofil mit folgenden Herstellungsschritten erzeugt wird. Es erfolgt zunächst ein Bereitstellen eines Glasrohres mit einer ersten Brechzahl und Beschichten des Glasrohres mit mindestens einer eine zweite Brechzahl aufweisenden Beschichtung. Anschließend wird das beschichtete Glasrohr gezogen und es wird eine Kapillare erzeugt. Die Kapillare wird im Anschluss daran innerhalb eines bestimmten Bereiches und innerhalb einer bestimmten Kollabierlänge zum Kollabieren gebracht. Dabei wird ein kollabierter Abschnitt erzeugt.
Bei einer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens erfolgt nach dem Erzeugen der Kapillare ein Aufkollabieren mindestens eines weiteren Rohres mit dem gewünschten Brechzahlverlauf.
Das Kollabieren der Kapillare kann bei einer ersten Ausführungsform in einem online-Prozess erfolgen, dabei wird in einem Ziehabschnitt das Ziehen einer Endloskapillare ausgeführt, wobei durch eine Druckdifferenz zwischen Außen- und Kapillarinnendruck deren unkontrolliertes Zusammenfallen verhindert wird. Die Endloskapillare wird unterbrechungsfrei in einen Kollabierabschnitt eingeführt und dort alternierend kollabiert und nicht kollabiert. Abschließend erfolgt ein Konfektionieren von Lichtleiter-Einzelstücken, wobei jedes Lichtleiter- Einzelstück jeweils mindestens einen kollabierten Abschnitt und mindestens einen Kapillarabschnitt enthält.
Alternativ dazu kann das Kollabieren der Kapillare in einem offline-Prozess erfolgen. Dabei wird nach dem Erzeugen der Kapillare ein Vereinzelungsschritt zum Erzeugen mindestens eines Kapillaren-Einzelstückes ausgeführt. Das Kapillaren-Einzelstück wird abschnittsweise kollabiert, wobei das Lichtleiter- Einzelstück mit mindestens einem kollabierten Abschnitt und mindestens einem Kapillarabschnitt erzeugt wird.
Das abschnittsweise Kollabieren wird zweckmäßigerweise durch einen induzierten Kollabiervorgang mit folgenden Schritten ausgeführt:
Es erfolgt ein Erwärmen oder ein Beibehalten einer Erweichungstemperatur in der Kapillare mittels einer Wärmestrecke. Als nächstes wird eine Druckdifferenz zwischen der Kapillaraußen- und der Kapillarinnenseite und/oder entlang der Längsachse der Kapillare erzeugt. Dies erfolgt vorzugsweise durch das Anlegen eines Vakuums an die Innenwand der Kapillare und/oder durch ein Ausführen eines punktuell von außen einwirkenden Druckluftstoßes auf die erwärmte Kapillare. Die Druckdifferenz entlang der Kapillarlängsachse ergibt sich dadurch, dass die Kapillare durchströmt wird, wobei sich infolge des Strömungswiderstandes innerhalb der Kapillare ein Druckgefälle zwischen dem Kapillarenanfang und dem Kapillarenende ergibt. Dadurch wird eine die Kapillare in Längsrichtung durchlaufende Kollabierwelle ausgelöst, die innerhalb der Wärmestrecke verläuft.
Bei dieser Vorgehensweise wird somit der mechanisch instabile Zustand einer erwärmten und erweichten Kapillare dahingehend ausgenutzt, dass auf den Körper der Kapillare eine Störung ausgeübt wird. Die Kapillare fällt in sich zusammen und dieser Prozess setzt sich über den erweichten Kapillarabschnitt hinweg fort. Im Ergebnis liegt dann ein kollabierter Abschnitt vor, der in einen nicht kollabierten Abschnitt übergeht.
Das Erzeugen eines bezüglich der Längsrichtung des Lichtwellenleiters variablen Brechzahlprofils mit folgenden Herstellungsschritten kann auch mit folgenden Fertigungsschritten erfolgen:
Es wird zunächst ein Kernstab mit einer ersten Brechzahl oder einem ersten Brechzahlverlauf bereitgestellt. Anschließend erfolgt ein sukzessives Aufkollabieren von Rohren mit verschiedenen Rohrbrechzahlen zum Erzeugen eines Brechzahlverlaufs auf den Kernstab und/oder ein Ausführen einer Direktbe- schichtung des Kernstabs mit wenigstens einer Glasschicht mit einer gewünschten Brechzahl mit Hilfe des Chemical vapor deposition Verfahrens und/oder des Plasma outside Vapor deposition Verfahrens und/oder der Flammenpyrolyse und/oder durch ein Zusammensintern entsprechender Glasrußschichten.
Zweckmäßigerweise wird das sukzessive Aufkollabieren der Rohre und das Ausführen der Direktbeschichtung im Wechsel und/oder in wiederholten Prozessschritten ausgeführt, sodass dadurch nach und nach das gewünschte Brechzahlprofil aufgebaut wird.
Die Anordnung und das Verfahren zum Herstellen der Anordnung sollen nachfolgend anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Figuren 1 bis 16. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile die selben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt:
Fig. 1 eine beispielhafte Zonenfunktion mit einem zentralen lokalen Maximum,
Fig. 2 eine beispielhafte obere Hüllkurve und eine beispielhafte untere Hüllkurve,
Fig. 3 eine übereinander gelegte Darstellung einer Zonenfunktion mit einem lokalen Minimum mit einer oberen und einer unteren Hüllkurve,
Fig. 4 einen durch die Überlagerung der unteren Hüllkurve, der oberen Hüllkurve und der Zonenfunktion beschriebenen relativen Brechzahlverlauf,
Fig. 5 einen anderen relativen Brechzahlverlauf durch Überlagerung der Hüllkurven mit einer anderen Zonenfunktion,
Fig. 6 einen beispielhaften Brechzahlverlauf mit einer graduellen Grabenflanke,
Fig. 7 einen beispielhaften Brechzahlverlauf mit einem Graben mit einer graduellen Grabenflanke und mindestens einem weiteren Graben,
Fig. 8 einen Brechzahlverlauf mit einem unmittelbar an einen Kern anschließenden Graben, einer Zwischenstufe und mindestens einem weiteren äußeren Graben,
Fig. 9 einen Brechzahlverlauf nach Fig. 8, wobei der an den Kern anschließende Graben und der mindestens eine äußere Graben eine gleiche Tiefe aufweisen,
Fig. 9a einen Brechzahlverlauf mit einer unmittelbar an den Kern anschließenden Stufe und einer Fortsetzung des graduellen Brechzahlverlaufs des Kerns im angrenzenden Graben,
Fig. 10 einen Brechzahlverlauf gemäß der Figur 8 oder 9, wobei der mindestens eine äußere Graben eine größere Tiefe aufweist, Fig. 10a einen Brechzahlverlauf gemäß der Ausführungsform aus Fig. 10 mit einem direkten Übergang zwischen Stufe 16 und Graben 17,
Fig. 11 einen Brechzahlverlauf mit einem abgestufen Übergang von einer zentralen Kernzone zu einem daran anschließenden äußeren Graben,
Fig. 12 ein beispielhaftes weiteres Brechzahlprofil mit einer ortsabhängigen
Lichtintensitätsverteilung innerhalb des Lichtleiters,
Fig. 13 einen schematischen Lichtwellenleiter mit verschiedenen Brechzahlprofilen an verschiedenen Stellen des Lichtwellenleiters,
Fig. 14 eine Vorrichtung zum abschnittsweisen Kollabieren mittels einer äußeren Druckbeaufschlagung,
Fig. 15 eine Vorrichtung zum abschnittsweisen Kollabieren durch Anlegen eines
Unterdrucks,
Fig. 16 einen beispielhaften Aufbau einer wahlweise laparoskopisch oder endoskopisch verwendbaren Einrichtung.
Nachfolgend sollen zunächst einige beispielhafte Brechzahlverläufe für Lichtwellenleiter beschrieben werden, mit denen sich ein von der Länge des Lichtwellenleiters bzw. der Pumpfaser abhängiges radiales Lichtintensitätsprofil erzeugen lässt. Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass der Lichtwellenleiter nicht primär aus einem Kern und einem umgebenden Cladding aufgebaut ist, sondern dass der gesamte Querschnitt des Leiters ein modifiziertes Brechzahlprofil, insbesondere ein Brechzahl-Grabenprofil, aufweist, das sowohl den zentralen Bereich des Lichtwellenleiters als auch die umgebende Mantelzone durchzieht. Dies ist besonders bei solchen Ausführungsformen von Bedeutung, bei denen innerhalb des Lichtwellenleiters einige an einem ersten Ort im Zentrum der Faser gelegene Bereiche in Bereiche übergehen, die sich an einem zweiten Ort der Faser in deren Randbereich befinden. Das Brechzahl-Grabenprofil kann sich über die Länge des Lichtwellenleiters hinweg ändern. Das bedeutet, dass der Lichtwellenleiter an einer ersten Stelle in der Nähe der Lichtquelle oder dem Ort der Lichteinkopplung ein erstes Brechzahl-Grabenprofil aufweist, das im Bereich einer weiter vom Einkoppelpunkt entfernten Übergangszone schließlich in ein zweites Brechzahl- Grabenprofil im Bereich eines Endabschnittes bzw. des Lichtaustrittspunktes des Lichtwellenleiters übergeht.
In den nachfolgenden Darstellungen ist der Verlauf einer relativen Brechzahl Δη in Abhängigkeit vom Radius R des Lichtwellenleiters gezeigt. Die relative Brechzahl Δη beschreibt eine auf einen Normwert bezogene Brechzahldifferenz. Sie kann daher sowohl positiv als auch negativ sein. Der Normwert der Brechzahl entspricht zweckmäßigerweise der Brechzahl einer reinen Quarzglasmatrix oder eines anderen als Grundmaterial des Lichtwellenleiters verwendeten Glas- oder auch Kunstwerkstoffes.
Das Brechzahl-Grabenprofil besteht aus einer Überlagerung aus einer Zonenfunktion und einer oder mehrerer Hüllkurven. Dabei bestimmt die Zonenfunktion die Periodizität der Brechzahl-Grabenstruktur sowie die Breiten der Gräben und die Breiten der dazwischen gelegenen Stufen aber auch die Form der Gräben selbst, während durch Hüllkurven die Grabentiefen und die Höhen der Stufen und damit gewissermaßen die„Amplituden" der Gräben festgelegt sind.
Der genaue Verlauf der vom Radius abhängenden Brechzahlgraduierung im Zentrum der Faser kann auf verschiedene Weise gewählt bzw. durch Funktionen des Radius beschrieben werden. Zweckmäßig ist hier ein Rückgriff auf Potenzfunktionen der folgenden Art, wobei die Parameter a und α je nach Anwendungszweck mit verschiedenen Werten belegt werden können, die konkret für eine spezielle Preform oder einen speziellen Lichtwellenleiter gültig sind.
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Dabei beschreibt Anmax die maximale Brechzahldifferenz bei R = 0, also im Zentrum der Faser, und a den Radius eines vorgesehenen Zentralbereichs der Faser. Diese Funktion stellt eine beispielhafte Hüllkurve für den Verlauf des Brechzahlprofils Faserzentrum dar.
Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Zonenfunktion 1. Diese besteht in diesem Beispiel aus einer periodischen Rechteckfunktion aus einer Folge von relativen Maxima 2 und relativen Minima 3, die sprungförmig ineinander übergehen. Die Zonenfunktion besteht aus einer periodischen Folge aus Gräben der Breite b und dazwischen angeordneten Stufen der Breite a.
Die Zonenfunktion ist wegen der axialen Symmetrie des Lichtwellenleiters bezüglich des Nullpunktes des Radius symmetrisch. Im hier vorliegenden Fall weist die Zonenfunktion ein bei R = 0 gelegenes lokales Minimum auf.
Fig. 2 zeigt beispielhafte Hüllkurven 4. Im hier vorliegenden Fall ist eine obere Hüllkurve 5 und eine untere Hüllkurve 6 vorgegeben. Die obere Hüllkurve weist zwei Abschnitte auf. In einem ersten, in der Umgebung des Zentrums des Lichtwellenleiters gelegenen Abschnitt, ist die obere Hüllkurve parabelförmig ausgebildet. Sie weist bei R = 0 einen Scheitelpunkt S auf und fällt auf einen Wert C bei einem Radius Rc ab. Die obere Hüllkurve bleibt schließlich für wachsende Radien konstant.
Die untere Hüllkurve 6 weist in diesem Beispiel einen für alle Radien konstanten und hier negativen Wert D auf.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung mit einer Zonenfunktion 1 und den übereinander gelegten Hüllkurven 5 und 6. Im hier vorliegenden Beispiel weist die Zonenfunktion 1 in der Umgebung von R = 0 ein zentrales Minimum auf. Die Hüllkurven entsprechen der Darstellung aus Fig. 2. Der aus diesen drei Kurven entstehende Brechzahlverlauf ergibt sich durch eine geeignete multiplikative und/oder additive Überlagerung aller drei Kurven. Die Zonenfunktion wird mit anderen Worten durch die obere und die untere Hüllkurve moduliert. Dabei beschränkt die obere Hüllkurve die in der Zonenfunktion enthaltenen Maxima und die untere Hüllkurve die in der Zonenfunktion enthaltenen Minima.
Ein Beispiel für diese Überlagerung, insbesondere der Modulation, ist in Fig.4 dargestellt. Die obere Hüllkurve 5 entspricht in ihrer Form dem Verlauf der Hüllkurven aus den Figuren 2 und 3. Die untere Hüllkurve 6 weist in diesem Beispiel eine zentrale Stufe 7 auf und fällt außerhalb des zentralen Bereichs auf einen Wert D ab. Die Zonenfunktion besteht aus einer Folge rechteckförmiger Maxima und Minima.
Die Überlagerung der Hüllkurven und der Zonenfunktion führt nun zu einem Brechzahl-Grabenprofil 8 mit einem zentralen Graben 9 innerhalb eines Bereiches 10 mit einer relativ erhöhten Brechzahl einerseits und einer Folge von Gräben innerhalb einer außerhalb des zentralen Bereiches gelegenen Zone 11 andererseits. Das so gebildete Brechzahl-Grabenprofil entspricht klassisch einem Lichtwellenleiter mit einem brechzahlerhöhten Kern und einem brechzahlerniedrigten Cladding, wobei der Kernbereich in seinem Zentrum relativ brechzahlerniedrigt ist. Die zentrale Brechzahlerniedrigung führt zu einer ringförmigen Intensitätsverteilung innerhalb des Kernbereiches und verhindert zugleich eine Propagation des Lichtes in den Bereich des Claddings oder beeinflusst durch selektive Bragg-Reflexionen innerhalb des dort vorhandenen Grabenprofils die Propagation im Mantel in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts.
Fig. 5 zeigt eine Überlagerung aus Hüllkurven und Zonenfunktion, bei der in der Umgebung des zentralen Bereiches 10 ein gradueller, insbesondere ein parabel- förmiger, Brechzahlverlauf gegeben ist, der bei wachsenden Radien in eine durch die Zonenfunktion beeinflusste Grabenstruktur im Mantelbereich 11 übergeht. In dem hier gegebenen Beispiel weist der zentrale Bereich kein lokales Minimum auf. Das Brechzahlprofil entspricht insofern einem klassischen Lichtwellenleiter aus brechzahlerhöhtem Kern und brechzahlerniedrigtem Cladding, bei dem die Lichtwellenleitung innerhalb des Kerns erfolgt und eine punktförmige Intensitätsverteilung zur Folge hat, die durch Bragg-Reflexionen innerhalb der Grabenstruktur des Claddings beeinflusst ist.
Die Zonenfunktion kann natürlich auch nur abschnittsweise ausgebildet und insbesondere nur auf ein bestimmtes Intervall des Radius begrenzt sein. Als Folge davon sind nur innerhalb eines bestimmten Teils des Querschnitts des Lichtwellenleiters nur eine begrenzte Anzahl von Gräben, beispielsweise einer, zwei oder drei, vorhanden. Die Figuren 6 bis 11 zeigen diesbezügliche Beispiele.
Fig. 6 zeigt ein Brechzahlprofil 8, gebildet aus einer parabelförmigen oberen Hüllkurve 5 und einer konstanten unteren Hüllkurve 6, bei der die Zonenfunkti- on ein zentrales lokales Minimum 9 und ein bei einem endlichen Radius gelegenes äußeres lokales Minimum in Form eines Grabens 12 aufweist. Das zentrale lokale Minimum 9 kann auch entfallen. Das Brechzahlprofil weist eine an den zentralen parabelförmigen Verlauf anschließende Stufe 13 mit einer Breite a auf, die in eine graduelle Grabenflanke 14 der Breite c übergeht. Die graduelle Flanke kann dabei insbesondere ebenfalls parabelförmig ausgebildet sein und sich in seinem Verlauf an den graduellen Abfall im zentralen Bereich anschließen. Der Graben 12 weist in seinem Minimum eine Breite b auf.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Brechzahlprofil entspricht die obere Hüllkurve 5 der oberen Hüllkurve aus Fig. 6. Die untere Hüllkurve 6 ist in diesem Beispiel aber als linear ansteigende Hüllkurve ausgebildet, während die Zonenfunktion zwei Minima enthält. Das entstehende Brechzahlprofil weist einen parabelförmigen Verlauf innerhalb eines zentralen Abschnittes des Lichtwellenleiterquerschnitts auf, der in eine Stufe 13 der Breite a übergeht und graduell in den ersten Graben 12 mit der Breite b einmündet. Weiter außen schließt sich ein weiterer Graben 14a mit der Breite d an. Die linear ansteigende untere Hüllkurve bedingt eine abnehmende Tiefe des Grabens 14a im Vergleich zum Graben 12. Der zentrale Graben 9 ist optional und kann je nach gewünschter Lichtpropagation auch entfallen.
Es können auch mehrere obere oder untere Hüllkurven vorgesehen sein. Fig. 8 zeigt ein diesbezügliches Beispiel. Die obere Hüllkurve 5 besteht in diesem Beispiel aus einem parabelförmigen Abschnitt im Zentrum und zwei Teilkurven 5a und 5b. Diese Teilkurven grenzen zum einen die relative Höhe eine lokalen Maximums der Zonenfunktion ein und geben andererseits eine Nulllinie für den relativen Brechzahlverlauf vor. Bei dem hier gezeigten Beispiel geht der parabel- förmige Verlauf der Brechzahl übergangslos in einen ersten Graben 15 mit einer Breite c über. Der Graben wird durch eine Stufe der Breite b von einem weiteren Graben 17 getrennt, dessen Tiefe durch eine linear ansteigende untere Hüllkurve deutlich geringer ist. Der Graben 17 weist eine Breite d auf. Die Lage des Grabens 17 in Bezug auf die Stufe 16 kann variabel sein. So ist es insbesondere möglich, dass der Graben 17 unmittelbar an die Stufe anschließt. Im hier vorliegenden Fall ist der Graben 17 zur Stufe 16 beabstandet. Der in Fig. 8 gezeigte Verlauf kann durch Verschiebungen und Änderungen der Anstiege der Hüllkurven in weiten Bereichen modifiziert sein. Die Figuren 9, 9a, 10 und 10a zeigen hierzu entsprechende Beispiele.
Im in Fig. 9 vorliegenden Beispiel ist die untere Hüllkurve 6 konstant. Der Graben 15 und der Graben 17 weisen dadurch die gleiche Tiefe auf. Bei dem Beispiel aus Fig. 10 ist die untere Hüllkurve 6 abfallend ausgebildet. Die Tiefe des Grabens 17 ist daher größer als die des Grabens 15.
Bei der in Fig. 9a gezeigten Ausführungsform ist die obere Hüllkurve 5 im zentralen Bereich des Lichtwellenleiters so ausgebildet, dass diese in eine Stufe 15a einmündet, aber nicht sofort in den ersten Graben 15 übergeht. Darüber hinaus setzt sich der graduierte Verlauf der oberen Hüllkurve im Bereich einer inneren Flanke 15b des inneren Grabens fort.
Sowohl in dem in Fig. 9 als auch in dem in Fig. 10 gezeigten Beispiel kann der Graben 17 auch unmittelbar an die Stufe 16 anschließen oder auch wie hier vorliegend zur Stufe beabstandet sein. Die Figuren 9a und 10a zeigen hierzu entsprechende Beispiele.
Fig. 11 zeigt eine untere Hüllkurve 6 mit einer stufenförmigen Gestaltung und einem abnehmenden Verlauf. Die obere Hüllkurve entspricht den vorherigen Ausführungsbeispielen. Die untere Hüllkurve besteht aus eine stufenförmig abfallenden Folge aus Einzelstufen der Breite a, die insgesamt eine Breite c einnehmen und schließlich in einen Einzelgraben der Breite b einmünden. In diesem Fall ist das Brechzahlprofil ausschließlich durch die beiden Hüllkurven bestimmt.
Fig. 12 zeigt ein beispielhaftes Brechzahlprofil für eine Lichtpropagation quer zur Längsachse des Lichtwellenleiters mit einer schematischen Darstellung der Intensitätsverteilung an verschiedenen Orten innerhalb des Lichtleiters. Dem hier vorliegenden Brechzahlprofil liegt eine Zonenfunktion mit einem relativen Minimum 3 im Zentrum des Lichtwellenleiters bei R = 0, und relativen Maxima 2 für größere Radien zugrunde. Diese werden wiederum von weiter außen gelegenen relativen Minima 3 begrenzt. Die Zonenfunktion ist zum Rand des Lichtwellenleiters konstant. Die untere Hüllkurve 6 weist im Zentrum bei R = 0 ein Maximum auf und fällt für größere Radien linear ab. Die obere Hüllkurve weist eine nach unten offene parabelförmige Gestalt auf.
Im Ergebnis wird dadurch ein Brechzahlprofil 8 gebildet, bei dem im Zentrum des Lichtwellenleiters ein Graben 18 vorhanden ist, der sich innerhalb eines hinsichtlich der Brechzahl graduell parabelförmig abfallenden Kernbereichs 18a befindet. Dieser graduelle Kernbereich mündet in einen den Kernbereich konzentrisch umgebenden Graben 19 ein. Die dort vorliegende Brechzahl ist niedriger als die Brechzahl des zentralen Grabens 18. Die gesamte Anordnung aus zentralem Graben, graduellem Kern und äußerem Graben 19 ist von einem Mantel 20 umgeben, der eine brechzahlerhöhte Stufe 20a aufweist. Dabei sind vor allem zwei Brechzahldifferenzen von Bedeutung. Eine erste Brechzahldifferenz Δηι beschreibt die Tiefe des zentralen Grabens 18 in Bezug auf das Brechzahlmaximum des graduellen Kernbereichs 18a. Eine zweite Brechzahldifferenz Δη2 gibt die Differenz zwischen der Brechzahl des zentralen Grabens und der Brechzahl des konzentrischen äußeren Grabens 19 an.
Die sich durch dieses Brechzahlprofil ergebende ortsabhängige Intensitätsverteilung innerhalb des Lichtleiters ist darunter schematisch dargestellt. Die Darstellung zeigt unterschiedliche Stellen Li bis L4 mit den dort vorliegenden Intensitätsverteilungen Ii bis I4. Das Licht innerhalb des Lichtwellenleiters propagiert in diesem Beispiel von links nach rechts, es tritt an einem Punkt L0 ein und durchläuft den Lichtwellenleiter bis zum Punkt L4 und darüber hinaus. Das Licht wird am Punkt L0 in den zentralen Bereich des Lichtwellenleiters eingekoppelt. An dem kurz dahinter liegenden Punkt Li liegt daher noch eine auf den Kern des Lichtwellenleiters begrenzte Intensitätsverteilung Ii des Lichts vor. Unter dem Einfluss des zentralen Grabens 18 propagiert das eingekoppelte Licht aus dem Zentrum des Lichtwellenleiters zunehmend nach außen, so dass sich nach einer bestimmten Wegstrecke unter dem Einfluss des äußeren konzentrischen Grabens 19 am Ort L2 eine Intensitätsverteilung I2 innerhalb des Kerns einstellt, bei der das Licht zunehmend nach außen propagiert. Der Graben 19 weist eine endliche, im Bereich der Lichtwellenlänge liegende Breite auf. Das Licht propagiert somit in den Mantelbereich 20 hinein. Daher stellt sich am Ort L3 eine Intensitätsverteilung I3 ein, bei der das Licht teilweise in den Mantelbereich 20, und zwar insbesondere in die dort brechzahlerhöhte Stufe 20a propagiert ist. Diese in den Mantel übergehende Propagation setzt sich fort, sodass am Ort L4 eine Intensitätsverteilung vorliegt, bei der die ursprünglich in den Kern eingekoppelte Anfangsintensität teilweise in den Mantel des Lichtwel¬ lenleiters übergetreten ist. Dabei ist die anfänglich punkt- bzw. scheibenförmige Intensitätsverteilung in eine ringförmige Verteilung umgeformt worden. Im äußersten Bereich des Lichtwellenleiters wird ein Heraustreten der gesamten Lichtintensität aus der Leiterflanke dadurch verhindert, indem der gesamte Lichtleiter mit einem oberflächlichen Coating aus einem Material mit einer besonders niedrigen Brechzahl, insbesondere einem Acrylat oder einem vergleichbaren Kunststoff überdeckt ist.
Zum Erreichen einer selektive und Mehrfachringverteilung kann noch ein weiterer und hier nicht gezeigter Graben angeschlossen werden. Dessen Brechzahlabsenkung würde im Vergleich zu der Brechzahldifferenz Δη2 noch ein wenig tiefer sein. Der Graben wäre überdies breiter. Es könnten dann mehrere konzentrische Ringe erzeugt werden.
Dabei ist die Gestaltung des Brechzahlprofils für die Geschwindigkeit der radia¬ len Propagation des Lichtes von besonderer Bedeutung. Die erste Brechzahldifferenz Δηι bestimmt dabei die Geschwindigkeit der Propagation den Kernbe¬ reich 18a des Lichtwellenleiters und daher den Abstand zwischen den Orten Li und L2 des Lichtwellenleiters. Die innerhalb des Kernbereichs verlaufende radia¬ le Propagation erfolgt umso schneller und der Abstand der Orte Li und L2 ist umso kürzer, je größer die Brechzahldifferenz Δηι ist. Das bedeutet, dass die Länge des Lichtwellenleiters, die mindestens dafür benötigt wird, um eine auf den Kern beschränkte und damit enge ringförmige Intensitätsverteilung zu er¬ reichen, über die Brechzahldifferenz Δηι und damit letztlich über die Zonenfunktion und die Hüllkurven festgelegt werden kann.
Es lässt sich somit ein Lichtwellenleiter schaffen, der erstens zentral eingekoppeltes Licht von einer punkt- oder scheibenförmigen Intensitätsverteilung in eine enge ringförmige und einer aufgeweitet ringförmige Intensitätsverteilung überführt und dessen Länge zweitens genau auf die notwendigen Intensitäts¬ verteilungen abgestimmt werden kann. Dabei ist nur ein Brechzahlprofil an je¬ der beliebigen Stelle des Lichtwellenleiters notwendig, das auch entlang des Lichtwellenleiters, d.h. an den einzelnen Orten Li bis L4 nicht wechseln muss. Weiterhin wird die gesamte Transformation des Intensitätsprofils innerhalb des Lichtwellenleiters ausgeführt, ohne dass zusätzliche aufwändige nach- oder vorgeschaltete Optiken notwendig werden. Dadurch kann der Lichtwellenleiter in seiner Dimensionierung sehr genau auf die genaue Art und Weise abgestimmt werden, in der ein Eingriff am biologischen Gewebe ausgeführt werden soll. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn erstens eine bestimmte Intensitätsverteilung an ein an einem bestimmten Ort im Körper gelegenes Gewebe einwirken soll, aber zweitens übermäßig große Längen des Lichtwellenleiters aus Intensitätsgründen oder auch aus praktischen Anwendungsgründen vermieden werden sollen oder, beispielsweise bei durch die Bauchdecke ausgeführten laparoskopischen Eingriffen im Bauchraum, zum Beispiel bei der Zertrümmerung von Gallensteinen, nicht zweckmäßig oder nicht erwünscht sind. Umgekehrt kann es natürlich auch wünschenswert sein, dass eine bestimmte Mindestlänge des Lichtwellenleiters gesichert wird. Dies ist besonders dann der Fall, wenn der Lichtwellenleiter endoskopisch, d.h. über die Körperhöhlen, insbesondere über den Magen-Darm-Trakt, zugeführt werden soll. Hier kann über die Gestaltung des Brechzahlprofils eine entsprechende Längenanpassung erreicht werden.
Fig. 13 zeigt einen schematischen Lichtwellenleiter 22, dessen Brechzahlprofil an unterschiedlichen Stellen des Lichtwellenleiters unterschiedliche Gestaltungen aufweist. Der Lichtwellenleiter ist in seiner Länge in drei Abschnitte unterteilt. In einem ersten Abschnitt 22a erfolgt die Lichtpropagation mit einem punkt- bzw. scheibenförmigen Intensitätsprofil. Eine Lichtpropagation quer zur Längsrichtung des Lichtwellenleiters findet nicht statt. In einem zweiten Abschnitt 23 weist das propagierte Licht eine ringförmige Intensitätsverteilung auf. Das Licht propagiert dabei entweder zusätzlich quer zur Längsrichtung des Lichtwellenleiters oder innerhalb eines ringförmigen Bereichs.
In einem zwischen dem ersten und dem dritten Abschnitt gelegenen Übergangsabschnitt 24 geht die punkt- oder scheibenförmige Intensitätsverteilung in die ringförmige Intensitätsverteilung über.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des Lichtwellenleiters erfolgt die Transformation des Intensitätsprofils durch drei verschiedene Brechzahlprofile 25, 26 und 27. Bei dem ersten Brechzahlprofil 25 wird im einfachsten Fall auf ein stufenförmiges Brechzahlprofil ohne Grabenstruktur zurückgegriffen. Hierbei liegt im Zentrum des Lichtwellenleiters eine erste Brechzahl ni und außerhalb eines gewissen Radius eine zweite niedrigere Brechzahl n2 vor. Bei dem zweiten Brechzahlprofil 26 innerhalb des zweiten Abschnitts 23 liegt ein ringförmiges Brechzahlprofil vor. Dabei ist im Zentrum des Lichtwellenleiters ein Bereich mit einer Brechzahl n3 vorgesehen, der ringförmig von einem Bereich mit der Brechzahl ni umgeben ist. Es gilt dabei, dass ni > n3 ist. Der gesamte Bereich ist von einem äußeren Mantel mit der Brechzahl n2 umgeben. Dabei ist n2 < nlf wobei n2 kleiner, gleich oder auch größer als n3 sein kann.
Bei dem dritten Brechzahlprofil 27 innerhalb des Übergangsbereiches 24 ist ein Übergangskern 28 mit der Brechzahl ni vorhanden, der durch einen Spalt 29 aufgeteilt ist. Dieser Spalte erweitert sich in Richtung des zweiten Abschnitts 23 und weist die Brechzahl n3 auf.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der erste Abschnitt 22 als Faser mit einem massiven Querschnitt ausgebildet, während der zweite Abschnitt 23 als eine Kapillare vorliegt. Der Übergangsabschnitt 24 bildet in diesem Fall einen Übergang von dem kapillarartigen Abschnitt, der in Richtung des ersten Abschnitts 22 kollabiert ist. In diesem Fall ist der Spalt 29 als ein Luftspalt ausgebildet, der sich in Richtung des Abschnitts 23 zu einem Kapillarinnenvolumen bzw. zu einem Hohlraum erweitert.
Eine derartige Gestaltung des Lichtwellenleiters lässt sich durch ein abschnittsweises Kollabieren erreichen. Die Figuren 14 und 15 zeigen hierzu verschiedene Herstellungsschritte.
Für das abschnittsweise Kollabieren bieten sich verschiedene Vorgehensweisen an. Fig. 14 zeigt einen Vorrichtungsaufbau für ein abschnittsweise Kollabieren mittels äußerer Druckbeaufschlagung. Bei diesem Beispiel wird die zunächst kapillarartige Faser von rechts kommend in eine Kollabiervorrichtung 30 eingeführt. Diese besitzt zweckmäßigerweise einen zylindrischen, insbesondere einen hohlzylindrischen Aufbau. Sie besteht aus einer allseitig um die Faser herum angeordneten Heizeinrichtung 31, die beispielsweise in Form einer Heizwendel, einer Heißlufteinrichtung oder eines Brenners ausgebildet ist. Natürlich kann die Kollabiervorrichtung auch aus geöffneten Strukturen, wie z.B. Platten oder halbkreisförmigen Elementen bestehen, was hinsichtlich des Einspannens der Kapillare bei einer Ausführungsform Vorteile bietet. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Ausüben eines Kollabierimpulses vorgesehen. Diese ist insbesondere in Form einer Drucklufteinrichtung 32 ausgeführt, die die innerhalb der Kollabiereinrichtung durchlaufende Faser zweckmäßigerweise ebenfalls allseitig umgibt. Während aber die Heizeinrichtung über eine bestimmte Länge der Kollabiervorrichtung verteilt ist, ist die Drucklufteinrichtung vorzugsweise in einem Abschnitt der Kollabiervorrichtung konzentriert.
Zum Betreiben der Kollabiervorrichtung wird beispielsweise wie folgt verfahren: Zunächst wird eine kapillarartige Faser in die Kollabiervorrichtung eingeführt und dort durch die Heizeinrichtung 31 erwärmt, bis das Material der Faser erweicht und fließfähig wird. Durch eine kurze Beaufschlagung der Faser durch die Drucklufteinrichtung 32 wird die erweichte Röhrenform an einem Punkt gezielt zum Kollabieren gebracht. Da sich die erwärmte und fließfähige Faser in einem instabilen Zustand befindet, setzt sich der Kollabiervorgang wellenförmig über den erwärmten und fließfähigen Faserbereich hinweg fort, bis der gesamte innerhalb der Kollabiervorrichtung enthaltene Teil der Faser kollabiert ist. Dabei bleibt der außerhalb der Kollabiervorrichtung befindliche kapillarartige Abschnitt unkollabiert und geht in den kollabierten Bereich 22a über.
Längere kollabierte Abschnitte, die über den Bereich der Kollabiervorrichtung hinausreichen, können hergestellt werden, indem die Faser schrittweise in die Kollabiervorrichtung hineinbewegt und fortschreitend kollabiert wird.
Die in Fig. 14 gezeigte Kollabiervorrichtung eignet sich zur Fertigung von
Lichtwellenleitern mit einer grundsätzlich nicht begrenzten Länge.
Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kollabiervorrichtung 30. Die Kollabiervorrichtung ist in diesem Fall zweigeteilt. Sie besteht aus einer zylinderförmigen Heizeinrichtung 31, die die Faser allseitig und zylindrisch umschließt, und einer Vakuumeinrichtung 33, die sich am Ende der kapillarartigen Faser 22 befindet. Diese verfügt über eine Absaugeinrichtung 34, die intervallartig aktiviert wird.
Die in Fig. 15 gezeigte Kollabiervorrichtung eignet sich vorwiegend für das teilweise Kollabieren von Lichtwellenleitern mit einer bereits fertig konfektionierten Länge. Die kapillarartige Faser wird mit einem Ende in die Heizeinrichtung 31 eingeführt und dort bis zum Fließpunkt erwärmt. Zum Einführen kann auf eine Zuführeinrichtung 35 zurückgegriffen werden, die als ein Teil der Vakuumeinrichtung 33 ausgebildet ist. Die Zuführeinrichtung umschließt das kapillarartige Ende der Faser luftdicht.
Zum Kollabieren wird nun die Absaugeinrichtung 34 aktiviert. Dadurch strömt Luft durch das kapillarartige Faserstück. Der dabei am offenen Ende innerhalb der Heizeinrichtung befindliche Faserabschnitt wird durch die bei der Strömung auftretenden Turbulenzen zum Kollabieren gebracht und diese Kollabierbewegung setzt sich wellenartig durch den erwärmten Bereich der Faser hinweg fort. Die Faser kann nun über die Zuführeinrichtung aus der Heizeinrichtung herausgezogen werden.
Die Verwendung einer Kollabiereinrichtung nach Fig. 15 empfiehlt sich dann, wenn vorwiegend kurze Faserstücke mit fertigen Längen teilkollabiert werden sollen.
Die Orientierung der in den Figuren 14 und 15 gezeigten Anordnungen ist grundsätzlich beliebig. Obwohl die Fasern gemäß den Figuren horizontal geführt werden, kann es sich als zweckmäßig erweisen, die gesamten Vorrichtungen vertikal anzuordnen. In einem derartigen Fall ist die Heizeinrichtung so ausgeführt, dass die Faser in deren zylindrischen Körper eintaucht, wobei insbesondere bei der Ausführungsform aus Fig. 15 die Zuführeinrichtung als vertikal verschiebbare, d.h. absenkbare Komponente, ausgeführt ist.
Zur Fertigung sowohl der später abschnittsweise kollabierten Kapillare gemäß der Ausführungsformen aus den Figuren 13 bis 15 als auch der davor erläuterten Brechzahlprofile wird zunächst eine Preform hergestellt, deren Querschnittsgröße in einem nachfolgenden Ziehprozess entsprechend verkleinert wird. Das Ergebnis dieses Ziehprozesses ist dann entweder die Lichtleitfaser mit den vorher erläuterten Brechzahlprofilen oder die zum abschnittsweisen Kollabieren vorgesehene Kapillare.
Zur Fertigung der Preform kann auf eine Reihe an sich bekannter Herstellungsverfahren zurückgegriffen werden. Die betrifft insbesondere ein Bereitstellen eines Ausgangs- oder Kernstabes mit einer vorbestimmten Brechzahl bzw. einer die Brechzahl bestimmenden Dotierung. Auf diesen Ausgangsstab werden nun sukzessive weitere Glasrohre mit den gewünschten Brechzahlen aufkollabiert und in einem Wärmeprozess mit dem Ausgangsstab verbunden. Dadurch findet insbesondere eine Grenzflächendiffusion der in den einzelnen Rohren vorhandenen Dotanden statt, die zu den graduellen Brechzahlprofilen in den vorhergehend erwähnten Beispielen führt.
Diese Grenzflächendiffusion kann in Abhängigkeit von den konkret gegebenen Fertigungsbedingungen auch unterbleiben. In einem derartigen Fall bilden sich in der Preform scharf begrenzte Brechzahlbereiche heraus, die beim nachfolgenden Ziehen des Lichtwellenleiters zu den erwähnten Brechzahlgräben innerhalb des Faserquerschnitts führen.
Bei einer anderen Art und Weise der Preformfertigung wird auf einen röhrenförmigen Ausgangsstab zurückgegriffen, auf dessen Innenseite eine thermopho- retisch Abscheidung von Glasmaterial in einem Heißluft- oder Flammenstrom erfolgt. Hierbei lassen sich gezielte Schichtdicken mit einer vorbestimmten Brechzahl einstellen. Dieses inwändig beschichtete Rohr kann entweder selbst zu einem Lichtwellenleiter, also selbst zu einer Faser, kollabiert werden oder seinerseits auf einen Ausgangstab oder einen Verbund aus Stab und Kapillare aufgeschoben und aufkollabiert werden.
Diese Herstellungs- und Behandlungsverfahren können ebenso mit Gasphase- nabscheideverfahren, insbesondere mit chemischen Gasphasenabscheideverfah- ren und/oder Plasma-Abscheideverfahren kombiniert werden. Hierbei wird ein entweder massiver oder röhrenförmiger Ausgangsstab oder ein Verbund aus Ausgangsstab und aufkollabierten Röhren in eine Drehvorrichtung eingespannt und beispielsweise in den Flammenbereich eines sich darunter in Längsrichtung bewegenden Plasmabrenners gebracht. Über eine Zuführung verschiedener Dotanden und weiterer Zusätze kann die Brechzahl des im Plasmastrom abgeschiedenen Glasmaterials gezielt beeinflusst werden.
Fig. 16 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer wahlweise laparoskopisch oder endoskopisch verwendbaren Einrichtung zur Zertrümmerung von Nieren- oder Gallensteinen mittels Lichtenergie. Die Einrichtung besteht aus einer Strahlenquelleneinheit 37, die insbesondere als eine Lasereinheit ausgeführt ist, und einem Lichtleitbündel 38 mit einer endständigen Ausgangsoptik 39. Das Lichtleitbündel ist mittels einer Steckverbindung 40 mit der Strahlenquelleneinheit 37 verbunden. Sie ist somit gegen anders gestaltete Lichtleitbündel austauschbar.
Innerhalb der Strahlenquelleneinheit befindet sich eine Lichtquelle 41, die wahlweise Laserstrahlung oder inkohärente Strahlung im optischen Spektralbereich abgibt. Diese wird über eine Koppeloptik 43 an einen optischen Ausgang 44 und damit auf das Lichtleitbündel 38 geschaltet.
Das Lichtleitbündel ist aus mehreren Lichtwellenleitern zusammengesetzt. Ein zentraler Lichtwellenleiter 45 führt das von der Strahlenquelleneinheit erzeugte Licht, insbesondere die dort erzeugte Laserstrahlung. Dieser enthält einen Kern 46 und eine Mantelzone 47 mit einem entsprechenden Brechzahlprofil, insbesondere einem der vorhergehend genannten Brechzahlprofile. Das Brechzahlprofil des Lichtwellenleiters ist so ausgebildet, dass das von der Lichtquelle 41 erzeugtes und auf den Kern 46 eingekoppeltes Licht weitgehend innerhalb des Kerns propagiert und am Ende das Gewebe 49 mit einem ringförmigen Strahlquerschnitt beleuchtet.
Der Lichtleiter ist von einer Reihe von bildgebenden oder das Gewebe beleuchtenden Lichtleitfasern 48 umgeben, über die ein Bild des Operationsgebietes über das Lichtleitbündel nach außen geleitet werden kann, oder über die das Gewebe beleuchtet wird.
Zur Durchführung des Eingriffs wird das Lichtleitbündel 38 auf endoskopischem Wege zum Operationsgebiet 49 vorgeschoben. Dabei wird das Lichtleitbündel von der Lichtquelle 41 zunächst mit inkohärentem optisch sichtbaren Licht beaufschlagt. Das Licht propagiert durch den Kern 46 des Pumplichtleiters und/oder die Lichtleitfasern 48 und erhellt das vor dem Lichtleitbündel liegende Gewebe. Das Operationsgebiet wird über die bildgebenden Lichtleitfasern 48 betrachtet und kann anvisiert werden.
Zum Ausführen des operativen Eingriffs wird die Lichtquelle 41 in einen Lasermodus versetzt. Das in den Kern des zentralen Lichtwellenleiters 45 eingekoppelte Laserlicht propagiert in dessen Mantelzone 47, tritt mit einem ringförmigen Intensitätsprofil an der Ausgangsoptik 39 aus und wirkt dort auf das Gewebe 49 ein. Der Gegenstand der Erfindung wurde anhand beispielhafter Ausführungsformen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Zonenfunktion
2 relatives Maximum
3 relatives Minimum
4 Hüllkurve
5 obere Hüllkurve
5a, b Teilkurven
6 untere Hüllkurve
7 zentrale Stufe
8 Brechzahl-Grabenprofil
9 zentraler Graben
10 Kernbereich
11 Mantelbereich
12 Graben als äußeres lokales Minimum
13 Stufe, anschließend an zentralen Bereich
14 graduelle Grabenflanke
14a weiterer äußerer Graben
15 übergangslos anschließender erster Graben
15a Zwischenstufe
15b innere Flanke
16 Stufe
17 weiterer Graben
18 zentraler Graben
18a parabelförmig abfallender Kernbereich
19 umgebender Graben
20 Mantelbereich
20a Mantelstufe
22 Lichtwellenleiter mit unterschiedlichen Brechzahlprofilen
22a Abschnitt mit scheibenförmigem Intensitätsprofil
23 Abschnitt mit ringförmigem Intensitätsprofil
24 Übergangsabschnitt
25 erstes Brechzahlprofil zweites Brechzahlprofil
drittes Brechzahlprofil
Übergangskern
Spalt
Kollabiervorrichtung
Heizeinrichtung
Drucklufteinrichtung
Vakuumeinrichtung
Absaugeinrichtung
Zuführeinrichtung
Strahlenquelleneinheit
Lichtleitbündel
Ausgangsoptik
Steckverbindung
Lichtquelle
Koppeloptik
optischer Ausgang
zentraler Lichtwellenleiter
Kern des zentralen Lichtwellenleiters Mantelzone des zentralen Lichtwellenleiters bildgebende Lichtleitfasern
Gewebe

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Übertragung von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise zur Beaufschlagung biologischer Strukturen mit Lichtenergie, umfassend eine Pumplicht- und/oder eine Laserquelle, ein optisches
Strahlformungssystem, einen an das Strahlformungssystem gekoppelten Lichtwellenleiter zum Erzeugen eines von der durchlaufenen Leiterlänge und/oder einer Formänderung abhängenden Lichtintensitätsprofils
umfassend einen Kern und ein den Kern umgebendes Cladding, mit einem freien distalen Faserende,
gekennzeichnet durch
eine den Kern und das Cladding durchziehende Brechzahl-Grabenstruktur (8) aus einer Folge konzentrischer Zonen, wobei die Zonen als eine in radialer Richtung zumindest abschnittsweise alternierende Folge aus
Bereichen mit einer relativ erniedrigten Brechzahl und einer relativ erhöhten Brechzahl ausgebildet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Folge der konzentrischen Zonen innerhalb der Brechzahl-Grabenstruktur an verschiedenen Orten in Längsrichtung des Lichtwellenleiters verschieden ausgebildet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brechzahl-Grabenstruktur durch eine obere Hüllkurve (5), eine untere Hüllkurve (6) und eine zwischen der unteren und der oberen Hüllkurve oszillierende Zonenfunktion (1) bestimmt ist, wobei die obere Hüllkurve eine im Bereich des Kerns zumindest abschnittweise graduell zu niedrigeren Brechzahlen verlaufende glockenförmige Gestaltung in Form einer
Exponentialfunktion, einer Potenzfunktion, einer Gaußkurve, einer
Lorentzkurve, einer Parabel oder dergleichen Form und im Bereich des Claddings einen konstanten Verlauf aufweist und die untere Hüllkurve im Bereich des Kerns und des Claddings einen linearen, vorzugsweise
konstanten, oder graduellen Verlauf besitzt.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brechzahl-Grabenstruktur (8) eine konstante obere Hüllkurve aufweist und die untere Hüllkurve einen linearen, vorzugsweise konstanten, oder einen graduellen Verlauf besitzt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die oszillierende Zonenfunktion (1) einen in radialer Richtung oszillierenden ersten Rechteckverlauf aufweist, bei dem die Zonenfunktion im radialen Nullpunkt ein lokales Maximum hat.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die oszillierende Zonenfunktion (1) einen in radialer Richtung oszillierenden zweiten Rechteckverlauf aufweist, wobei die Zonenfunktion im radialen Nullpunkt ein lokales Minimum aufweist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein sich in Längsrichtung des Lichtwellenleiters erstreckender
Übergangsbereich (24) vorgesehen ist, bei dem die Zonenfunktion von dem ersten Rechteckverlauf in den zweiten Rechteckverlauf übergeht.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zonenfunktion (1) eine von der radialen und/oder der Längsrichtung des Lichtwellenleiters abhängende Periodizität mit einer von der radialen
Richtung und/oder der Längsrichtung abhängenden Grabenbreite und/oder Grabentiefe aufweist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die konzentrischen Zonen eine von der Längsrichtung des Lichtwellenleiters abhängende Querschnittsgeometrie aufweisen.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Cladding aus einer konzentrischen Anordnung aus einem inneren ersten Cladding und einem das erste Cladding außen umschließenden zweiten Cladding besteht, wobei vorzugsweise eines dieser Claddings laseraktive Elementverbindungen enthält.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Cladding und/oder die konzentrischen Zonen eine polygonale, insbesondere eine oktagonale, eine viereckige oder eine hexagonale
Querschnittssymmetrie und/oder eine nicht zentrosymmetrische Struktur aufweisen.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungserhöhung des Lichtwellenleiters kleiner als 0,2 db bei 2 Windungen mit Krümmungsradius 7,5mm und einer Wellenlänge von 850nm ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters für eine Anordnung zum gezielten Beaufschlagen biologischer Strukturen mit Lichtenergie, gekennzeichnet durch
das Erzeugen eines bezüglich der Längsrichtung des Lichtwellenleiters variablen Brechzahlprofils mit folgenden Herstellungsschritten:
- Bereitstellen eines Glasrohres mit einer ersten Brechzahl und
Beschichten des Glasrohres mit mindestens einer eine zweite Brechzahl aufweisenden Beschichtung,
- Ziehen des beschichteten Glasrohres zum Erzeugen einer Kapillare,
- Kollabieren der Kapillare innerhalb eines bestimmten Bereiches und innerhalb einer bestimmten Kollabierlänge zum Erzeugen eines
kollabierten Abschnittes.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Erzeugen der Kapillare ein Aufkollabieren mindestens eines weiteren Rohres mit dem gewünschten Brechzahlverlauf erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kollabieren der Kapillare in einem online-Prozess erfolgt, wobei in einem Ziehabschnitt das Ziehen einer Endloskapillare erfolgt, die
Endloskapillare unterbrechungsfrei in einen Kollabierabschnitt eingeführt und dort alternierend kollabiert und nicht kollabiert wird und abschließend ein Konfektionieren von Lichtleiter-Einzelstücken erfolgt, wobei jedes Lichtleiter-Einzelstück jeweils mindestens einen kollabierten Abschnitt und mindestens einen Kapillarabschnitt enthält.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kollabieren der Kapillare in einem offline-Prozess erfolgt, wobei nach dem Erzeugen der Kapillare ein Vereinzelungsschritt zum Erzeugen mindestens eines Kapillaren-Einzelstückes ausgeführt wird und das
Kapillaren-Einzelstück abschnittsweise kollabiert wird, wobei das Lichtleiter- Einzelstück mit mindestens einem kollabierten Abschnitt und mindestens einem Kapillarabschnitt erzeugt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
das abschnittsweise Kollabieren durch einen induzierten Kollabiervorgang mit folgenden Schritten ausgeführt wird
- Erwärmen oder Beibehalten einer Erweichungstemperatur in der
Kapillare mittels einer Wärmestrecke,
- Anlegen einer Druckdifferenz zwischen der Kapillaraußen- und innenseite vorzugsweise durch Anlegen eines Vakuums an die Innenwand der
Kapillare und/oder durch ein Ausführen eines punktuell von außen einwirkenden Druckluftstoßes auf die erwärmte Kapillare und Auslösen einer die Kapillare in Längsrichtung durchlaufenden Kollabierwelle innerhalb der Wärmestrecke.
18. Verfahren nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Anlegen der Druckdifferenz mindestens teilweise ein Anlegen einer Druckdifferenz in Richtung der Kapillarlängsachse mit einer Ausbildung eines Staudrucks innerhalb der Kapillare beinhaltet.
19. Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters,
gekennzeichnet durch
das Erzeugen eines bezüglich der Längsrichtung des Lichtwellenleiters variablen Brechzahlprofils mit folgenden Herstellungsschritten:
- Bereitstellen eines Kernstabs mit einer ersten Brechzahl oder einem ersten Brechzahlverlauf,
- sukzessives Aufkollabieren von Rohren mit verschiedenen
Rohrbrechzahlen zum Erzeugen eines Brechzahlverlaufs auf den Kernstab und/oder
- Ausführen einer Direktbeschichtung des Kernstabs mit wenigstens einer Glasschicht mit einer gewünschten Brechzahl mit Hilfe des Chemical vapor deposition Verfahrens und/oder des Plasma outside Vapor deposition Verfahrens und/oder der Flammenpyrolyse und/oder durch zusammensintern entsprechender Glasrußschichten.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das sukzessive Aufkollabieren der Rohre und das Ausführen der
Direktbeschichtung im Wechsel und/oder in wiederholten Prozessschritten ausgeführt wird.
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