DE3218739A1

DE3218739A1 - Optische wellenleitervorrichtung

Info

Publication number: DE3218739A1
Application number: DE3218739A
Authority: DE
Inventors: Hiromasa Ikoma Ishiwatari
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-05-19
Filing date: 1982-05-18
Publication date: 1982-12-09
Also published as: DE3218739C2

Description

Optische Wellenleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Wellenleitervorrichtung, die speziell geeignet ist zur Verwendung für einen Laser mit hoher Ausgangsenergie (im folgenden einfach starker Laser genannt) , wie einen CO₂~Laser.

Die Erfindung besteht in einer optischen Wellenleitervorrichtung zum Aufteilen des Lichtstrahlenbündels eines starken Lasers in mehrere Lichtstrahlenbündel und zu deren Weiterleitung mit jeweiligen Lichtwelienleitungsvorrichtungen, um Übertragungen von Lichtstrahlenbündeln an mehrere verschiedene Objekte zu ermöglichen, wie zu mehreren chirurgischen Laserskalpellen oder zu mehreren Lasers-chneidvorrichtungen oder Laserwerkzeugen.

Bisher hat man bei einer Laserwerkzeugvorrichtung oder bei einem chirurgischen Skalpellgerät, bei denen ein Lichtstrahlenbündel hoher Energie, beispielsweise von einem CO^-Laser verwendet wird, als optischen Wellenleiter für ein energiereiches Laserlichtstrahlenbündel ein mitteJLsSgiegeln. refjLeJct^ierjendes System mit einstellbaren Armen benutzt, das mehrere Spiegel zur Lichtstrahlenbündelleitung umfaßt. Ein solches herkömmliches System weist die Nachteile auf, daß die Arbeitsweise nicht glatt und reibungslos ist und daß ein Vibrieren des oder der Spiegel eine unerwünschte Änderung der Richtung des Lichtstrahlenbündels verursacht. Zur Lösung dieses Problems ist die Verwendung einer speziellen optischen Faser einer_JCRS-_5. (Mischkristall aus T/B und_TJCI) genannten Substanz in Betracht gezogen worden.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer früheren optischen Wellenleitervorrichtung, bei der eine optische Faser 3 für ein Laserbearbeitungsgerät oder ein chirurgisches Lasergerät verwendet

wird. In der optischen Wellenleitervorrichtung wird ein Lichtstrahlenbündel 5, das in einem CO^-Laser 1 erzeugt worden ist, mittels einer Fokussierlinse 2 fokussiert, und das fokussierto Strahlenbündel 6 gelangt in das Eingangsende der optischen Faser 3. Das in der optischen Faser 3 übertragene Lichtstrahlenbündel tritt aus der Endfläche der optischen Faser 3 aus und wird von einer zweiten Fokussierungslinse scharf auf einen Objektpunkt 8 fokussiert, wo ein Werkstück oder ein einer chirurgischen Operation zu unterziehender Teil plaziert und bearbeitet oder operiert wird.

Wenn die Laserbearbeitung durchgeführt wird, ist es oft_wünschenswert, mehrere Teile gleichzeitig bearbeiten zu können, und dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine sehr schnelle und genaue Bearbeitung beabsichtigt ist. Verwendet man für einen solchen Zweck eine erforderliche Mehrzahl der in Fig.1 gezeigten Systeme,.treten Probleme hinsichtlich der Arbeitsabläufe, der Wartungen, des Platzbedarfs und der Kosten auf. Zudem führt die Verwendung einer optischen Faser mit großem Durchmesser für den Zweck der übertragung größerer Lichtenergie, die auf einen einzigen Fleck gerichtet wird, unvermeidlich zu einer schlechten Flexibilität des Wellenleiters, wodurch der Vorteil der optischen Faser verloren geht.

Wenn man andererseits eine Mehrzahl optischer Fasern 20a, 20b und 20c bündelt, wie es in Fig.2 durch eine Frontansicht gezeigt ist, und wenn man auf dieses Bündel ein Laserlichtstrahlenbündel mit einer Querschnittsfläche richtet, wie sie mit der gestrichelten Linie 22 dargestellt ist, dann führt ein beträchtlicher Teil der Laserlichtenergie, die in leere Teile 22a, 22b und 22c eintritt, die außerhalb der Querschnittsflächen der optischen Fasern 20a, 20b und 20c liegen, zu einem Kopplungsverlust. Ein solcher Kopplungsverlust bedeutet nicht nur eine Verschwendung der Laserlichtenergie sondern ist auch nachteilig im Hinblick auf eine Beschädigung des optischen

-s-

Faserbündels, und im Hinblick auf eine Erhitzung und ein Verbrennen des Füllmaterials in den leeren Teilen 22a, 22b und 22c, wodurch es zu einem Schmelzen des Eingangsendteils der optischen Fasern 20a, 20b und 20c kommen kann.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die geschilderten Probleme überwunden werden.

Eine erfindungsgemäße optische Wellenleitervorrichtung umfaßt:

einen Strahlenbündelteiler zum Aufteilen eines einzigen Lichtstrahlenbündels in eine Mehrzahl Teillichtstrahlenbündel,

eine Mehrzahl optischer Fasern,

und eine Fokussierungsvorrichtung zum Fokussieren der Teillichtstrahlenbündel auf jeweilige Eingangsenden der optischen Fasern.

Die erfindungsgemäße optische Wellenleitervorrichtung ermöglicht durch die Verwendung mehrerer optischer Fasern die gleichzeitige Benutzung des Laserlichtes eines einzigen gemeinsamen Hochenergielasers an verschiedenen Bearbeitungsstellen und schafft eine optische Wellenleitervorrichtung mit einer praktischen Flexibilität.

Im folgenden werden die Erfindung und Vorteile der Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines früheren optischen Wellenleiters mit einer einzigen optischen Faser;

Fig. 2 eine Frontansicht eines hypothetischen früheren optischen Bündelwellenleiters;

Fig. 3 ein Blockdiagramm des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 eine Seitenansicht einer tatsächlichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Wellenleitervorrichtung;

Fig. 5 eine Draufsicht zur Darstellung der Anordnung der optischen Wellenleitervorrichtung nach Fig. 4 im Verhältnis zu den Räumen eines Gebäudes;

Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren tatsächlichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Wellenleitervorrichtung zur Übertragung eines Strahlenbündel besonders hoher Energie an einen einzigen Fleck;

Fig. 7 (a) eine Frontansicht eines speziell geformten Prismas als Strahlenbündelteiler;

Fig. 7(b) eine Seitenansicht des Prismas in Fig. 7(a); und

Fig. 7(c) eine Seitenansicht, einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Wellenleitervorrichtung, bei der das Verbundprisma gemäß den Fig. 7 (a) und 7{b) verwendet wird.

Fig. 3 zeigt einen grundlegenden Aufbau einer erfindungsgemäßen optischen Wellenleiteranordnung, wobei Bezugsziffer 9 einen starken Laser, wie einen CO^-Laser bezeichnet. Das vom Laser 9 ausgesendete Lichtstrahlenbündel 13 wird mittels eines Strahlteilers 10 in mehrere Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c aufgeteilt. Die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c werden dann in eine Fokussiervorrichtung 12 geführt, welche die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c auf Eingangsendflächen 11a, 11b und 11c der optischen Fasern 11 fokussiert. Von Ausgangs-

endflachen der optischen Fasern 11 ausgehende Lichtstrahlenbündel 17a, 17b und 17c werden dann durch zweite Foküssiervorrichtungen 16a, 16b und 16c fokussiert,um scharfe Lichtflecken auf Bearbeitungspunkten 19a, 19b und 19c zu bilden, wodurch gleichzeitige Bearbeitungsvorgänge, wie Schneiden usw., relevanter Teile eines Werkstücks (oder auch mehrerer Werkstücke) ermöglicht werden. Das Merkmal,

(1) mehrere Teile eines Werkstücks gleichzeitig bearbeiten zu können und

(2) an mehreren verschiedenen Positionen gleichzeitig aktiv sein zu können,

ist vorteilhaft, da durch eine einzige Ausrichtung eines Werkstücks mehrere Positionen genau bearbeitet werden, was genaue Abmessungen zwischen diesen sicherstellt, und da chirurgische Operationen gleichzeitig in verschiedenen Operationsräumen durchgeführt werden können.

Die Anzahl der optischen Fasern 11 braucht nicht auf drei beschränkt zu sein sondern kann zwei oder vier oder auch größer sein. Der Radius und die Anzahl der Fasern 11 sollte in Abhängigkeit von dem Zweck des Gerätes bestimmt werden. Die wirklichen optischen Fasern 11 sind mit Kunststoffbeschichtungen umhüllt, wenn dies auch in der Zeichnung nicht gezeigt ist. Um die zuvor erwähnten Probleme der Beschädigung des Bündelformungsteils, des Hüllenteils oder der Enden der optischen Fasern durch Hitze zu vermeiden, sollten die auf die Eingangsendflächen 11a, 11b und 11c der optischen Fasern 11 fokussierten Lichtflecke genügend innerhalb der Umfange der Eingangsendflächen der optischen Fasern liegen. Als Folge der zuvor beschriebenen Konfiguration können Verluste beim Koppeln eines einzigen Lichtstrahlenbündels in mehrere optische Fasern nahezu ausgeschaltet werden.

Fig. 4 zeigt eine tatsächliche optische Wellenleiteranordnung gemäß der Erfindung. Dabei wird das Lichtstrahlenbündel 13, das von einem (hier nicht gezeigten) CO₂-Laser emittiert wird, in einen Strahlenbündelteiler 10 geführt, der einen ersten Strahlenbündelspalter 23a, einen zweiten Strahlenbündelspalter 23b und einen Spiegel 24 aufweist. Der erste Strahlenbündelspalter 23a und der zweite Strahlenbündelspalter 23b sind Halbspiegel, die Strahlen langer Wellenlänge zu übertragen ver~.-· gen und beispielsweise aus ZnSe-Kristall mit geeigneten optischen Beschichtungen hergestellt sind. Das Lichtstrahlenbündel 13 gelangt teilweise durch den ersten Strahlenbündelspalter 23a, unter Bildung eines Strahlenbündels 14a, und wird teilweise vom ersten Strahlenbündelspalter 23a reflektiert, wodurch ein reflektiertes Strahlenbündel 25 gebildet wird. Das reflektierte Strahlenbündel 25 wird dann von dem Spiegel 24 reflektiert und gelangt teilweise durch den zweiten Strahlenbündelspalter 23b, unter Bildung eines Strahlenbündels 14b, und wird teilweise vom zweiten Strahlenbündelspalter 23b reflektiert, unter Bildung eines reflektierten Strahlenbündels 26. Das reflektierte Strahlenbündel 26 wird dann von dem Spiegel 24 unter Bildung eines Strahlenbündels 14c reflektiert. Die Strahlenbündel 14a, 14b und 14c gelangen durch eine gemeinsame Fokussierungslinse 27, und die fokussierten Strahlenbündel 15a, 15b und 15c treten in entsprechende Eingangsenden 11a, 11b und 11c.der optischen Fasern 11 ein. Wenn man den Durchlässigkeitskoeffizienten und den Reflexionskoeffizienten des ersten Strahlenbündelspalters 23a zu 33% bzw. 67% wählt, den Durchlässigkeitskoeffizienten und den Reflexionskoeffizienten des zweiten Strahlenbündelspalters 23b zu 49% bzw. 51% und den Reflexionskoeffizienten des Spiegels 24 zu im wesentlichen 100%, werden die Verhältnisse der Intensitäten der Strahlenbündel 14a, 14b und 14c zum Eingangslichtstrahlenbündel 13 etwa je 30%, d.h., das einzige Eingangsstrahlenbündel wird in drei im wesentlichen gleiche Teile aufgeteilt. Genau gesagt tritt in den Strahlenbündelspaltern 23a und 23b eine

Absorption von etwa 1% auf, was jedoch einen vernachlässigbaren, unbedeutenden Gesichtspunkt darstellt. Natürlich kann man das Verhältnis der Energieaufteilung nach Wunsch der Benutzungsanforderung der geteilten Strahlenbündel entsprechend wählen. Wenn der erste Strahlenbündelspalter 23a und der zwei te Strahlenbündelspalter 23b in derselben Ebene angeordnet sind, wie es in Fig.4 gezeigt ist, und wenn die Ebene der Strahlenbündelspalter bezüglich der Ebene des reflektierenden Spiegels 24 um einen Winkel θ geneigt ist, sind die Winkel zwischen den Lichtstrahlenbündeln 14a und 14b oder zwischen 14b und 14c gleich 2 θ , und folglich verlaufen diese Lichtstrahlenbündel 14a, 14b und 14c so, daß sie sich nahezu in einem Punkt treffen. Die Mitte der ersten fokussierenden Linse 27 ist so gewählt, daß sie diesen Punkt trifft, wie es in Fig.4 gezeigt ist. Jedes Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c besteht aus parallelen Strahlen, und daher werden diese Teilstrahlenbündel von der gemeinsamen Fokussierungslinse 27 auf die Eingangsenden 11a, 11b und 11c der jeweiligen optischen Faser 11 fokussiert. Natürlich sind die Eingangsenden 11a, 11b und 11c im wesentlichen in der Brennebene der Linse 27 angeordnet. Wie zuvor erwähnt, ist die Linse 27 so gewählt oder konzipiert, daß Lichtflecken gebildet werden, die genügend kleiner sind als die Fläche der Eingangsenden 11a, 11b und 11c. Somit liegen die Umfange der Lichtflecken genügend weit ab von den Umfangen der optischen Fasern im Inneren, so daß keine Lichtstrahlenbündel über die Eingangsendfläche hinaus streuen und die optischen Fasern beschädigen Experimente zeigen: Wenn die Lagen und Größen der Lichtstrahlenbündelflecken sorgfältig dem Vorausgehenden entsprechend konzipiert sind, ist der Kopplungsverlust vom Strahlenbündelteiler in die optische Faser nahezu Null, und der Gesamtverlust ist 2 bis 3%, wenn man die Energieverluste der Linse 27, der Strahlenbündelspalter 23a und 23b und des Reflektors 24 zusammenzählt, die je weniger als 1% betragen.

Da bei der Ausführungsform nach Fig. 4 die Ebene der Strahlenbündelspalter 23a und 23b gegenüber der Ebene des reflektierenden. Spiegels 24 geneigt angeordnet sind, nehmen die Teilstrahlenbündel 14a, 14b und 14c einen solchen Weg ein, daß sie nahezu in der Mitte der ersten Fokussierungslinse zusammenlaufen. Da ferner alle Teilstrahlenbündel im wesentlichen die gleiche Größe haben und in dieselbe Fläche der Linse 27 eintreten, kann eine einzige Fokussierungslin^ 27 verwendet werden, um die Teilstrahlenbündel auf die einzelnen Eingangsflächen der optischen Fasern zu fokussieren. Da die Fokussierungslinse 27, die für einen CO₂~Laser langer Wellenlänge beispielsweise aus ZnSe Kristal hergestellt ist, und Justierungsvorrichtungen zum Positionieren des Strahlenbündelteilers, der Linse und der Eingangsflächen der Fasern sehr teuer sind, bedeutet es einen großen Vorteil bei der Einsparung von Kosten, Raum und Wartung, daß nur eine einzige gemeinsame Linse 27 zum Fokussieren mehrerer Strahlenbündel, wie 14a, 14b und 14c, verwendet wird. Wählte man die geneigten Anordnungen der Strahlenbündelspalter 23a und 23b gegenüber dem (Reflexions-)Spiegel 24 nicht, konzentrierten sich die Teilstrahlenbündel nicht auf einer einzigen gemeinsamen Linse, und daher wurden mehrere Linsen erforderlich und die zuvor erwähnten Vorteile wären nicht erreichbar.

Obwohl die Eingangsendflächen 11a, 11b und 11c der optischen Fasern 11 in derselben Brennebene der Linse 27 liegen sollten, können die mittleren.Teile und Ausgangsendteile der optischen Fasern 11 so angeordnet werden, daß sie dem Zweck des Gerätes genügen.

Bei der Ausführungsform nach Fig.4 ist eine Gruppe zweiter Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c zu dem Zweck, die Bedürfnisse einer jeden Verwendung zu erfüllen, jenseits der Ausgangsendflächen 11x, 11y und 11z der optischen Fasern 11 angeordnet. Die zweiten Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c sind bezüglich der Ausgangsendflächen 11x, 11y bzw.11z

mittels einer (nicht gezeigten) Fixierungshülse festgelegt. Und die Verbundkonstruktion aus jeder optischen Faser in der Nähe ihres Ausgangsendes und der entsprechenden Fixierhülse einschließlich der zweiten Fokussierungslinse 16a, 16b oder 16c ist einstückig bewegbar. Daher können die Fixierhalterungen an den Ausgangsenden für gewünschte Teile eines Werkstücks oder von Werkstücken angewendet werden, die konzentriert oder mit weiteren Abstand voneinander angeordnet sind, unter Ausnutzung des Vorteils der Flexibilität der einzelnen optischen Faser 11. Die fckussierten Lichtflecken 19a, 19b und 19c werden zum Schneiden oder für ähnliche Arbeiten verwendet.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer Anordnung einer Ausführungsform des Gerätes in Räumen eines Gebäudes einer Fabrik, eines Labors oder eines Krankenhauses. Mit 30 ist ein Laserraum bezeichnet, in dem ein starker CO^-Laser 9 installiert ist. Das Ausgangslichtstrahlenbündel wird mit Hilfe eines Strahlenbündelteilers 10 aufgeteilt und die Teillichtstrahlenbündel werden mittels einer Fokussierungslinse 12 fokussiert, um fokussierte Lichtflecken auf die Eingangsenden der optischen Fasern 11, 11 und 11 zu projizieren, die dann durch Wände 28, 28 und 28 oder in.Fußboden- oder Deckenhohlräumen zu den einzelnen Räumen 29a, 29b und 29c geführt werden, um dort Werkstücke zu bearbeiten oder chirurgische Operationen durchzuführen. Mit 31 ist ein Korridor zwischen den Räumen bezeichnet. Die Ausgangslichtstrahlenbündel von den jeweiligen Ausgangsenden der optischen Fasern werden mittels zweiter Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c fokussiert, um fokussierte Lichtflecken zur Verwendung bei den Bearbeitungen oder Operationen zu bilden.

Die zweiten Fokussierungslinsen 16a, 16b und 16c sind bezüglich der Ausgangsenden der jeweiligen optischen Fasern mit Hilfe der Fixierungshülsen festgelegt. Und eine geeignete

Länge der Endteile der optischen Fasern 11, 11 und 11 ist frei beweglich im jeweiligen Raum angeordnet, so daß die Fixierungshülsen zum Bearbeiten oder Operieren frei bewegt werden können. Bei manchen genau bearbeitenden Maschinen sind die Fixierungshülsen auf einer Positionierungsvorrichtung der Maschine montiert, um eine hochgenaue Ausrichtung mit dem Werkstück zu erhalten, oder alternativ dazu sind die Fixierungshülsen an der Maschine befestigt, wobei das Werkstück an einer Roboter-Bewegungsmaschine montiert ist. In der gesamten Beschreibung werden gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche oder im wesentlichen gleiche Komponenten oder Teile zu bezeichnen, und demgemäß gelten die Beschreibungen für die gleichen Komponenten oder Teile auch ohne besonderen Hinweis.

Das leistungsstarke Laserlichtstrahlenbündel vom CO~-Laser 9 wird also vom Strahlenbündelteiler 10 aufgeteilt, mittels der gemeinsamen Fokussierungslinse 12 fokussiert, in die Eingangsenden der optischen Fasern 11, 11, 11 geführt, von deren Ausgangsenden abgenommen, mittels der zweiten Linsen 16a, 16b und 16c fokussiert und für die jeweiligen Zwecke verwendet. Wenn man gemäß der vorliegenden Ausführungsform lediglich einen starken Laser 9 verwendet,, kann man daher mehrere Bearbeitungen oder chirurgische Operationen unabhängig in verschiedenen Räumen durchführen. Daher ist die Vorrichtung vorteilhaft hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des Lasers, einer leichten, zentralisierten Wartung, Einsparung von Raum und hinsichtlich der Ausschaltung von Rauschen und Hitze, die vom Betrieb des starken CO^-Lasers stammen.

F_ig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der zwei oder mehr Ausgangsenden der optischen Fasern in ein Bündel zusammengefaßt sind, um auf diese Weise einen sehr hoch konzentrierten Laserlichtfleck zu erzeugen. In Fig. 6 ist mit

13 ein einziges Laserlichtstrahlenbündel bezeichnet, mit 10 ein Strahlenbündelteiler, mit 23a und 23b ein erster und ein zweiter Strahlenbündelspalter, mit 24 ein Reflektor, mit 27 eine gemeinsame Fokussierungslinse zum Fokussieren dreier Teilstrahlenbündel auf Eingangsenden von optischen Fasern 32, 32 und 32. Ausgangsenden der optischen Fasern 32, 32 und 32_sind zu einem Bündel zusammengefaßt, im Unterschied zur vorausgehenden Ausführungsform nach Fig.3.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform nach Fig.6 wird nun erläutert. Ein einziges, energiereiches Strahlenbündel 13 wird mittels des Strahlenbündelteilers 10 in drei Teilstrahlenbündel aufgeteilt, und zwar in der gleichen Weise, wie sie im Zusammenhang mit Fig.3 beschrieben worden ist. Die Teilstrahlenbündel werden mittels der gemeinsamen Fokussierungslinse 27 fokussiert und je in ein Eingangsende der drei optischen Fasern 32 geführt. Die Teilstrahlenbündel werden dann von den Ausgangsenden emittiert, die zusammengefaßt sind, um eine Fläche kleinen Querschnitts zu bilden. Die Ausgangsstrahlenbündel von den zusammengefaßten Ausgangsenden werden dann mit einer gemeinsamen zweiten Fokussierungsvorrichtung 33 fokussiert, um einen Lichtfleck 81 mit sehr hoher Lichtenergie zu bilden. Da die Laserlichtenergien von drei optischen Fasern in den einzigen Lichtfleck 81 konzentriert sind, ist die Energie dieses einzigen Lichtflecks 81 sehr hoch, und zwar im wesentlichen dreimal so hoch wie der Energiegrenzwert, der von jeder einzigen optischen Faser 32 übertragen werden kann.

Wenn man die Ausführungsform nach Fig.6 mit dem herkömmlichen Fall gemäß Fig.1 vergleicht, bei dem für die übertragung derselben Energiemenge eine einzige optische Faser verwendet wird, braucht der Durchmesser einer jeden optischen Faser 32 dieser Ausführungsform nur 1/ "jT ( = 0,58) mal so groß wie

AS

Yt -

derjenige der einzigen optischen Faser 3 in Fig.1 zu sein. Da der Durchmesser der optischen Fasern klein wird, ist die Flexibilität der Gesamtheit der optischen Fasern 32 stark verbessert, und daher ist auch die Handhabbarkeit__des Ausgangsendes mit der Fixierungshülse stark verbessert.

Es folgen nun einige Betrachtungen hinsichtlich der Flexibilität der aufgeteilten und gebündelten optischen Fasern.

Es gilt einerseits: Wenn ein bestimmtes Biegemoment auf eine optische Faser ausgeübt wird, stehen der Krümmungsradius ρ der gebogenen Faser und der Faserdurchmesser d in folgender Beziehung:

p-d⁴.

Das heißt, bei gleichem auf die Faser wirkenden Biegemoment erhöht sich der Krümmungsradius P 16 mal oder verringert sich die Flexibilität auf 1/16, wenn sich der Faserdurchmesser verdoppelt. Mit anderen Worten, die Auswirkung des Faserdurchmessers auf die Flexibilität ist von großem Einfluß.

Andererseits gilt: Der Energiegrenzwert, der von einer optischen Faser übertragen werden kann, ist proportional zur Querschnittsfläche der Faser, und daher erhöht sich die Energieübertragungsfähigkeit 4mal, wenn sich der Faserdurchmesser verdoppelt. Wenn der Faserdurchmesser halbiert wird, verringert sich die Energieübertragungsgrenze auf 1/4, und daher werden vier Fasern erforderlich, um die gleiche Energie zu übertragen. Vergleicht man eine einzige optische Faser mit dem Durchmesser a und eine gebündelte optische Faser mit vier optischen Fasern des Durchmessers a/2, sind die Energieübertragungsfähigkeit und die Verluste im wesentlichen gleich. Die Flexibilität der gebündelten Faser ist jedoch viermal so groß wie diejenige der einzigen optischen Faser. Das heißt,

der Krümmungsradius ρ der gebündelten Faser ist für ein bestimmtes Biegemoment 1/4 desjenigen der einzigen Faser. Das bedeutet, durch Bündeln von η optischen Fasern mit einem

Durchmesser, der - mal so klein ist wie der Durchmesser

der einzigen optischen Faser, verbessert sich die Flexibilität n² mal. Durch die Verwendung solcher Fasern mit kleinerem Durchmesser verbessert sich außerdem in großem Maß die Widerstandsfähigkeit gegen wiederholte Biegeaktionen, und zwar derart, daß.sich bei einer Verringerung des Durchmessers auf -==r die Widerstandsfestigkeit der Faser etwa zehnmal erhöht. Es ist daher offensichtlich, daß die gebündelten dünnen optischen Fasern von größerem Vorteil sind als die dickere optische Faser. Besonders für bei CO_-Lasern verwendete Metallhalogenidkristallfasern, wie KRS-Ei_-, mit schlechter Flexibilität ist das beschriebene Bündel dünner Fasern von enormer Nützlichkeit. Obwohl die Eingangsenden und die Ausgangsenden der dünnen optischen Fasern zusammengebündelt werden müssen, sollten die Mittelteile der optischen Fasern möglichst lose gehalten werden, um deren Flexibilität zu erhalten. Solche lose gehaltenen optischen Fasern sind nicht nur' vorteilhaft hinsichtlich der Flexibilität sondern auch hinsichtlich der Wärmeableitung, und sie sind hoch widerstandsfähig selbst dann, wenn einige mechanische Defekte oder Unreinheiten an einer oder zwei der Einzelfasern auftreten, da die an einem solchen Defekt erzeugte Wärme kaum zu den anderen Einzelfasern geführt wird.

Wenn es die Umstände oder Zwecke erlauben oder erfordern, können bei den Ausführungsformen der Figuren 3, 4, 5 und 6 die zweiten· Fokussierungslinsen weggelassen werden, so daß das Ausgangslichtstrahlenbündel oder die Ausgangslichtstrahlenbündel direkt auf die Objekte auftreffen.

Die Figuren_J7 (a) , (b) und (cj zeigen ein weiteres Beispiel

der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt Fig. 7(c) den Gesamt-

-H-

aufbau und die Fig. 7(a) und 7(b) zeigen den Aufbau eines Strahlenbündelteilers dieser Ausführungsform. Der Strahlenbündelteiler 34 ist ein Polyederprisma aus einer Substanz, die für das Laserstrahlenbündel transparent ist und einen Brechungsindex aufweist, der von demjenigen von Luft verschieden ist. Falls ein CO₂~Laser verwendet wird, besteht das Polyederprisma aus ZnSe-Kristall. Die Eintrittsfläche ?4a des Strahlenbündelteilers 34 ist eine Ebene, die im wesentlichen senkrecht zum auftreffenden Laserstrahlenbündel verläuft. Die Austrittsfläche 34b des Strahlenbündelteilers 34 weist vier Flächen auf, die gegenüber der Eintrittsfläche geneigt sind, wie es in Fig. 7(b) gezeigt ist. Die Anzahl der Ebenen der Austrittsfläche ist durch die Anzahl der benötigten Teillichtstrahlenbündcl bestimmt. Eine Fokussierungslinse 37..ist zwischen der Austrittsfläche 34b des Strahlenbündelteilers 34 und Eintrittsenden optischer Fasern 39 angeordnet, und zwar derart, daß die Fokussierungslinse 37 die Teilstrahlenbündel 36a und 36b auf die Eintrittsenden der optischen Fasern 39 fokussiert.

Die Arbeitsweise und der Vorteil der optischen Wellenleiteranordnung gemäß dieser Ausführungsform sind folgende:

Wenn das Lichtstrahlenbündel 35 in den Strahlenbündelteiler 34 gelangt, werden die von ihm ausgehenden Ausgangslichtstrahlenbündel 36a und 36b gebrochen, da die Ebenen der Austrittsfläche 34b gegenüber der Eintrittsfläche 34a geneigt sind. Und daher werden die Teilstrahlenbündel 36a und 36b (in Wirklichkeit sind dies vier Lichtstrahlenbündel) auf einen Fleck zentriert, in dem die Mitte der Fokussierungslinse 37 angeordnet ist. Daher werden die Teillichtstrahlen 36a, 36b ... ■ genauso wie bei den vorausgehenden Ausführungsformen von der gleichen gemeinsamen Fokussierungslinse 37 auf die Eintrittsenden 39a, 39b ... der einzelnen optischen

Fasern 39 fokussiert.

Bei dieser Ausführungsform sind die Querschnitte der Teillichtstrahlenbündel fächerförmig, da sie von den fächerförmigen Ebenen der Austrittstlache 34b des Strahlenbündelteilers 34 emittiert werden, im Gegensatz zu den vorausgehenden Ausführungsformen, bei denen die Querschnittsformen der Teillichtstrahlenbündel im wesentlichen gleich denjenigen des einfallenden Lichtstrahlenbündels 13 sind. Wenn das System konzipiert wird, sollte man dafür sorgen, daß die fokussierten Lichtstrahlenbündelflecken auf den Eintrittsenden der optischen Fasern 39 genügend kleiner sind als die Fläche der Eintrittsenden der optischen Fasern 39, und durch eine solche Wahl kann man den Energieverlust bei der optischen Kopplung nahezu auf Null verringern.

Die Nützlichkeit und Ersetzbarkeit der von den Ausgangsenden der optischen Fasern 39 ausgehenden Lichtstrahlenbündel ist die gleiche wie bei den vorausgehenden Ausführungsformen.

Man kann den Strahlenbündelteiler 34 auch mit umgekehrter Vorder- und Rückseite verwenden, das heißt, man kann die Fläche mit den vier Ebenen auf der Lichteinfallsseite und die Fläche mit der flachen Ebene auf der Lichtaustrittsseite anordnen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur für CO^-Laser oder YAG-Laser (Ytrium-Aluminium-Granat-Laser) verwendbar sondern für jegliche Art energiereicher Laser.

Mit der vorliegenden Erfindung erreicht man eine Einsparung von Kosten, Raum und Wartung und eine Verbesserung von Zuverlässigkeit und Lebensdauer der optischen Wellenleitervorrichtung.

Mit der vorliegenden Erfindung werden auch die Kopplingsverluste der optischen Fasern verringert, da die Eintrittsenden mehrerer optischer Fasern jeweils Teillichtstrahlenbündel über eine Fokussierungslinse empfangen und daher keine Anteile der Lichtstrahlenb.ündel verloren gehen, im Gegensatz zu dem hypothetischen herkömmlichen Fall, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Unter Verwendung einer optischen Wellenleitervorrichtung wird das Lichtstrahlenbündel eir.es Lasars 9, beispielsweise eines CO -Lasers, mittels eines Strahlenbündelteilers 10 in mehrere Lichtstrahlenbündel 14a, 14b, 14c aufgeteilt, und dann werden die mehreren Teillichtstrahlenbündel 14a, 14b, 14c auf Eingangsenden 11a, 11b, 11c einzelner optischer Fasern 11 fokussiert, und von den Ausgangsenden 11x, 11y, 11z der optischen Fasern 11 ausgehende Lichtstrahlenbündel 17a, 17b, 17c werden auf jeweilige Objekte projiziert, und zwar mit Hilfe jeweiliger optischer Lichtprojektionsvorrichtungen 16a, 16b, 16c, die an den jeweiligen Ausgangsenden vorgesehen sind. Durch Verwendung einer solchen optischen Wellenleitervorrichtung wird sehr energiereiches Licht durch einen relativ flexiblen Wellenleiter übertragen, der aus mehreren einzelnen optischen Fasern 11 besteht.

Wenn man zudem die Ausgangsenden der einzelnen optischen Wellenleiter mit mehreren Endverbrauchergeräten verbindet, ist die Ausgangsenergie eines gemeinsamen starken Lasers (beispielsweise C0_-Lasers) wirtschaftlich für mehrere Geräte verwendbar. -■-....

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Claims

u.Z.: S 015 M3 (Hi/ba) Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 1006/ Oaza-Kadoma/Kadoma-shi, Osaka-fu, Japan Optische Wellenleitervorrichtung Beanspruchte Prioritäten: 19.Mai 1981 Japan Nr. Sho 56-76254 (76254/1981) 22.April 1982 Japan Nummer noch nicht bekannt Patentansprü cn e

1. Optische Wellenleitervorrichtung zum Einbringen von Lichtstrahlenbündeln in eine Mehrzahl von optischen Fasern (11; 32; 39),

gekennzeichnet durch einen Strahlenbündelteiler (10; 34) zum Aufteilen eines einzigen Lichtstrahlenbündels (13; 35) in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlenbündeln (14a, 14b, 14c; 36a, 36b),

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und eine Fokussierungsvorrichtung (12; 27; 37) zum Fokussieren der Teillichtstrahlenbündel (14a, 14b, 14c; 36a, 36b) auf jeweilige Eingangsenden (11a, 11b, 11c; 39a, 39b) der optischen Fasern (11; 32; 39).

2. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenbündelteiler (10; 34) derart beschaffen ist, daß er die Teillichtstrahlenbündel (14a, 14b, 14c; 36a, 36b) im wesentlichen auf einen einzigen Punkt richtet, und daß die Fokussiervorrichtung (27; 37) solchermaßen angeordnet ist, daß sie eine optische Mitte im wesentlichen an diesem einzigen Punkt aufweist.

3. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenbündelteiler (10) zur Erzeugung von η Teillichtstrahlenbündeln (14a, 14b, 14c) ausgebildet ist und (n-1) in einer ersten Ebene angeordnete Strahlenbündelspalter (23a, 23b) und einen gemeinsamen Reflexionsspiegel (24) mit einer zweiten Ebene, die mit der ersten Ebene einen Winkel θ bildet, aufweist, um η Teillichtstrahlenbündel zu erzeugen, die mit einer Winkeldifferenz von 2 θ zwischen sich im wesentlichen auf einen einzigen Punkt gerichtet werden.

4. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Strahlenbündelteiler (34) zur Erzeugung von η Teillichtstrahlenbündeln (36a, 36b) ausgebildet ist und ein Polyederprisma (34) aus einer läserlichttransparenten Substanz mit einer Lichteintrittsebene (34a) und η Lichtaustrittsebenen (34b) ist.

5. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsenden (11a, 11b, 11c; 39a, 39b) der optischen' Fasern

(11; 39) so angeordnet sind, daß sie die jeweiligen fokussierten Lichtflecken der Teillichtstrahlenbündel empfangen.

6. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ausgangsende (11x) der optischen Fasern (11) so angeordnet ist, daß ein emittiertes Lichtstrahlenbündel'auf
ein Objekt auftrifft, das von einem oder mehreren anderen Objekten verschieden ist, auf das bzw. die Lichtstrahlenbur.c.ivon Ausgangsenden (lly, 11z) von anderen der optischen Fasern

(11) auftreffen.

7. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Ausgangsenden der optischen Fasern (32) zusammengebündelt sind, um ein Lichtstrahlenbündel in konzentrierter Weise zu emittieren;

8. Optische Wellenleitervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ausgangsenden der optischen
Fasern (32) zusammengebündelt sind, um ein Lichtstrahlenbündel in konzentrierter Weise zu emittieren.

9. Optische Wellenleitervorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine oder
mehrere zweite Fokussierungsvorrichtungen (16a, 16b, 16c;
33) zum Fokussieren der von den Ausgangsenden der optischen
Fasern (11; 32; 39) emittierten Lichtstrahlenbündel.