DE4308474C2

DE4308474C2 - Strahlverteiler zur schnellen flächendeckenden Distribution eines gebündelten Laserstrahls

Info

Publication number: DE4308474C2
Application number: DE4308474A
Authority: DE
Inventors: Andrei Sommer
Original assignee: Individual
Current assignee: Sommer Andrei Dr 89075 Ulm De
Priority date: 1993-03-17
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: DE4308474A1

Description

Problemstellung

Zur Bestrahlung einer Fläche welche größer ist als der typische Querschnitt eines gebündelten Laserstrahls mit Laserlicht, bieten sich prinzipiell zwei Lösungswege an:

a) Der gebündelte Laserstrahl wird mittels eines einfachen Systems bestehend aus einer oder mehreren optischen Linsen aufgeweitet.
b) Ein mehr oder weniger schneller Abtaster (Scanner) transportiert den gebündelten Laserstrahl über die einzelnen Punkte der zu bestrahlenden Fläche.

Ein für viele konkrete Situationen unerwünschter Nachteil des Lösungswegs vom Typ (a) ist der enorme Intensitätsverlust der aus der Systembedingten Divergenz des Laserlichts kommt. Damit geht eine der für Laserlicht typischen Qualitäten (hohe Energiestromdichte, bzw. hohe Strahlungsleistung pro Fläche) verloren!

Ein gemeinsamer Nachteil der aktuellen Lösungswege vom Typ (b) ist - zusätzlich zu der sich im Preis wiederspiegelnden relativ aufwendigen technischen Realisierungen -, dass sich an der Peripherie der bestrahlten Fläche eine höhere Energiedichte (J/m²) ergibt als in jenen Bereichen die sich mehr im Inneren der bestrahlten Fläche befinden. Dieses ist ohne weiteres einzusehen, wenn man beachtet, dass die durchschnittliche Verweildauer des Laserstrahls an seinen Umkehrpunkten am Rand der bestrahlten Fläche (Scannergeschwindigkeit Null) größer ist als beim Überstreichen eines vergleichbar langen Streckenabschnitts aus den inneren Gebieten der bestrahlten Fläche.

Optisch-mechanische Abtastsysteme die sich insbesondere als lineare Scanner eignen, sind nach Druckschrift DE 31 28 350 A1 bekannt. Wie dort dargestellt, wird über der Drehbewegung einer rotierenden Kurvenscheibe ein daran federnd anliegendes Abgriffsglied, und darüber, ein Schwingspiegel für die Vertikalabtastung angetrieben. Dabei ist die mittels Abgriffsglied realisierte Abtastung ausschließlich entlang einer Linie vorgesehen und möglich (Vertikalabtastung), und das über ein relativ komplexes System. Entsprechend der in obiger Druckschrift geforderten Genauigkeit, sind Seitenbewegungen des Abgriffsglieds des optisch- mechanischen Abtastsystems auf ein Minimum reduziert. Diese Restriktion der Freiheitsgrade der Abtastbewegung auf eine Dimension, bedeutet jedoch, dass sich größere Flächen, wie sie etwa für medizinische Laserlichtapplikationen relevant sind, mit einem derartigen System nicht ohne weiteres mit einem gebündelten Laserstrahl flächendeckend bestrahlen lassen.

Der gegenwärtigen Erfindung liegt damit die technische Aufgabe zugrunde, einen robusten Strahlverteiler zu realisieren, der, beim geringst möglichen technischem Aufwand bereits zur flächendeckenden Bestrahlung größerer Areale mit einem gebündelten Laserstrahl - bei annähernd homogener Energiedichte - wie für biomedizinischen Applikationen erforderlich, geeignet ist. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, indem die Bewegungskomponenten des Übertragungsgestänges, nicht auf eine Dimension eingeschränkt sind.

Die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung stellt eine neue Lösungsmöglichkeit der obigen Problemstellung dar, insbesondere gelingt es - bei Umgehung der hervorgehobenen Nachteile der Lösungswege (a) und/oder (b) -, die maximal mögliche Flächenbezogene Leistungsdichte mit einem minimalen technischen Aufwand zu erreichen! Darüber hinaus wird eine homogene Strahlungsintensität (Energieflussdichte) über der gesamten Fläche, inklusive deren Peripherie realisiert.

Eine ideale Lösungsmöglichkeit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Strahlverteiler besteht im wesentlichem aus folgenden Komponenten:

1. Ein kleiner hochdrehender Elektromotor mit stufenloser Drehzahlregulierung ist mit dem Gehäuse eines Lasers vibrationsgedämpft verbunden. 2. Eine fest mit der Motorachse verbundene und damit rotierende, am Außenrand mit einem ringförmigen, periodischen Wellenprofil (Fig. 2) versehene Fassung für den Reflektorspiegel S₂, ist über leichten mechanischen Druckkontakt - damit nicht an eine räumliche Schwingungsebene gebunden - mit einem schwingungsfähigen und vibrationsgedämpft mit dem Gehäuse des Lasers verbundenen Gestänge, über das die (drehzahlabhängigen) Wellenbewegungen der rotierenden Spiegelfassung auf die Fassung des Spiegels S₁ übertragen werden, gekoppelt. 3. Ein kleiner Umlenkspiegel S₁ und ein etwas größerer Reflektorspiegel S₂.

Die Komponenten lassen sich zwar beliebig kombinieren, besonders günstig erscheint jedoch jene Konstellation bei der die Motorachse des Elektromotors nur wenig von der Richtung der optischen Achse des Lasers abweicht (Fig. 1). Hierdurch kann erreicht werden, dass der von S₁ umgelenkte Laserstrahl, je nach der Drehzahl des Motors, ein beliebig dichtes flächendeckendes Muster auf den Reflektorspiegel zeichnet, welches bei einem Laser mit einer sichtbaren Wellenlänge, von einem Beobachter als ein dichtes und vom Reflektorspiegel ausgehendes Strahlenbündel wahrgenommen wird.

Durch Variation des Wellenmusters der rotierenden Spiegelfassung, der Position des mitrotierenden Reflektorspiegels in der Spiegelfassung, der Länge des einseitig fixierten, idealerweise konform Fig. 1 konstruierten Übertragungsgestänges und durch den eventuellen Einsatz von gekrümmten Spiegel, lassen sich die Eigenschaften der hier beschriebenen Anordnung für die gewünschte Situation optimieren.

Anwendungsgebiete

Vom besonderen Interesse sind jene Anwendungsgebiete bei denen es auf eine hohe und homogen verteilte Strahlungsintensität über eine größere Fläche ankommt. Gerade hier bietet sich die Erfindung als ideale Alternative zum gängigsten Lösungsweg an: Durch die Kombination der Erfindung mit einem leistungsschwachen Laser, dimensioniert für das gegebene Problem, könnte künftig auf die Verwendung eines leistungsstarken Lasers (hohe Anschaffungskosten, in der Regel unhandlich) bei einigen Problemen verzichtet werden. Beispielsweise könnte in der Medizin oder in der Biochemie wo zu Stimulationszwecken oder zum Auslösen bestimmter biochemischer Prozesse, kurzzeitige, periodische oder kontinuierliche, hohe und flächendeckende Strahlungsintensitäten (mit homogener Dichteverteilung und einer lokalen Energieflussdichte, die einen zum Auslösen einer Reaktion notwendigen Schwellen Wert erreicht) erforderlich sind, bereits mit der Kombination der Erfindung mit einem He/Ne-Laser von einigen Milliwatt, dasselbe biologische Wirkungsspektrum erzielt werden wie mit einem leistungsstarken Laser von einigen Watt und entsprechend vorgeschalteter Strahlaufweitung zur Reduzierung der flächenbezogenen Leistungsdichte - einer Bestrahlungsmethode mit der zur Zeit in vielen Labors gearbeitet wird.

Zusammenfassend lässt sich feststellen

Die beschriebene Erfindung erlaubt eine einfache Realisation der dargestellten Problemstellung, wobei die Vorteile der Linsentechnik und die Vorteile der traditionellen Scannertechnik optimal miteinander verknüpft werden. Das Ergebnis ist eine schnelle Flächenbedeckung durch ein dichtes Paket von gebündelten Laserstrahlen maximaler und gleichbleibender Strahlungsintensität bis in die Randgebiete der bestrahlten Fläche. Da der erforderliche technische Aufwand gering ist, dürften die Herstellungskosten niedrig sein!

Claims

1. Strahlverteiler zur schnellen flächendeckenden Distribution eines gebündelten Laserstrahls bei annähernder Homogenität der Intensitäts- und Energiedichtevereilung in der bestrahlten Fläche, insbesondere zur Beschleunigung der Ossifikation bei Knochenbrüchen und/oder zur Biostimulation von Wundheilungen, wobei der Strahlverteiler, aus einem am Gehäuse eines Lasers befestigten Elektromotor, einer fest mit der Rotationsachse dieses Motors verbundenen Fassung mit ringförmig periodischem Wellenprofil und Reflektorspiegel (S₂), sowie einem nur am Gehäuse des Lasers fixierten schwingfähigen und aus einem Stück gefertigten Übertragungsgestänge besteht, über das die vom Wellenprofil der rotierenden Fassung des Reflektorspiegels induzierten periodischen Bewegungen auf die Fassung eines mit diesem Gestänge fest verbundenen Umlenkspiegels (S₁) via leichtem mechanischen Druckkontakt am Wellenprofil übertragen werden, derart, dass eine Rotation des Reflektorspiegels den Umlenkspiegel in solche Schwingungen versetzt, dass ein vom Laser emittierter und auf den Umlenkspiegel gerichteter Laserstrahl ein weitgehend den Schwingungen des Umlenkspiegels entsprechendes, flächendeckendes Laserlichtmuster auf den Reflektorspiegel zeichnet, bzw. abbildet und von dort wiederum ins Applikationsgebiet reflektiert.

2. Strahlverteiler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit mit der der Laserstrahl über der Fläche des Reflektorspiegels geführt wird, in keinem Punkt innerhalb dieser Fläche gleich Null wird.

3. Strahlverteiler nach Patentanspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl, geführt von den schwingenden Bewegungen des Umlenkspiegels (S₁), nicht über den Rand des Reflektorspiegels (S₂) tritt.