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Dokumentenidentifikation DE3622565A1 08.01.1987
Titel Baugruppe mit optischen Fasern
Anmelder Pilkington Medical Systems Ltd., Clydebank, Schottland/Scotland, GB
Erfinder Burston, Ronald James, Ayrshire, Schottland/Scotland, GB
Vertreter Diehl, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 8000 München; Glaeser, J., Dipl.-Ing., 2000 Hamburg; Hiltl, E., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Burger, E., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 04.07.1986
DE-Aktenzeichen 3622565
Offenlegungstag 08.01.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.01.1987
IPC-Hauptklasse G21K 5/00
IPC-Nebenklasse H01S 3/10   G02B 6/36   B23K 26/00   
IPC additional class // A61N 5/06,A61B 1/06,17/36  

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft eine Baugruppe mit optischen Fasern zum Übertragen von Laserstrahlen mit hoher Energie und eine Koppelvorrichtung zum Ankoppeln einer derartigen Faserbaugruppe an eine Laserstrahlungsquelle.

Laserstrahlung mit hoher Energie wird zunehmend im medizinischen Bereich eingesetzt, wobei sie an die zu bestrahlende Stelle durch eine optische Faserbaugruppe transportiert wird, deren externe Abmessungen so gewählt sind, daß sie in ein Endoskop passen und an eine Laserstrahlungsquelle angeschlossen werden können. Laserstrahlung mit geringer Energie wird ebenfalls für den medizinischen Einsatz benötigt, und zwar hauptsächlich für Beleuchtungszwecke; während jedoch Strahlung mit geringer Energie durch eine optische Faserbaugruppe mit einem Faserbündel übertragen werden kann, muß Laserstrahlung mit hoher Energie über eine einzige Faser übertragen werden und das Ankoppeln dieser Faser an die Laserstrahlungsquelle ist von kritischer Bedeutung, wenn die Faser eine vernünftige nutzbare Lebensdauer aufweisen soll. Die kollimierte Ausgangsstrahlung der Laserstrahlungsquelle muß daher durch eine Fokussierlinse geleitet werden und das Ende der einzelnen optischen Faser muß in kritischer Weise im Brennpunkt der Fokussierlinse angeordnet sein, so daß die Laserstrahlung nur auf den Kernteil der einzelnen Faser auftrifft.

Eine bekannte Form von Koppelvorrichtungen für optische Fasern enthält eine Fokussierlinse in Kombination mit dem Einspeisungsende einer einzelnen optischen Faser, um einen Zapfen zu bilden, der lösbar mit einer Buchse einer Laserstrahlungsquelle verbunden werden kann, deren kollimierter Strahlungsausgang durch einen Verschlußmechanismus geschützt ist. Der Verschlußmechanismus wird durch die Koppelvorrichtung geöffnet, wenn letztere voll in die Buchse eingeführt ist. Diese Art einer Koppelvorrichtung, die in der U.K. Patentschrift Nr. 20 76 993 beschrieben ist, wurde seit mehreren Jahren kommerziell verwendet, erfordert jedoch von Zeit zu Zeit eine Aufarbeitung, da das entfernt gelegene Ende der einzelnen Faser Verunreinigungsstoffen in der Nähe der bestrahlten Stelle ausgesetzt ist, und somit eine Qualitätsverschlechterung erleidet. Daher ist eine vollständige Ersatzeinrichtung erforderlich, was zu relativ hohen Kosten führt. Das Sterilisieren dieser Art von Einrichtung ist nur mit Schwierigkeiten möglich, ohne die Linse zu beeinträchtigen, muß aber notwendigerweise bei medizinischen Arbeiten durchgeführt werden, wenn eine gegenseitige Ansteckung von Patienten vermieden werden soll.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Baugruppe mit optischen Fasern zur Übertragung von Laserstrahlung mit hoher Energie anzugeben, deren Herstellung relativ einfach und kostengünstig ist, um eine nur einmalige Verwendung zu gestatten, so daß derartige Baugruppen vorsterilisiert werden können.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft eine verbesserte Form einer Koppeleinrichtung für eine optische Faseranordnung zur Übertragung von Laserstrahlung mit hoher Energie an eine Laserstrahlungsquelle.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 dargestellte Erfindung gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Faserbaugruppe der vorliegenden Erfindung kann einfach und kostengünstig hergestellt werden, da nur eine Komponente aus Metall besteht (z. B. ein Abschlußstück aus Messing), während die anderen aus Kunststoff bestehen, beispielsweise PTFE oder Polysulfan, und da der Zusammenbau der Komponenten relativ einfach ist, da der Kunststoffschlauch im Gleitsitz innerhalb der Bohrung des Handgriffes angeordnet ist. Während des Zusammenbaus wird daher ein Ende der Faser durch eine Quetschverbindung an dem Abschlußstück befestigt, wonach der Handgriff über die Länge der Faser bis zur Berührung mit dem Abschlußstück vorgeschoben wird. Die Länge des Schlauchs wird dann über die Faser geführt und in die Bohrung des Handgriffs eingeführt. Wenn das Endstück ein getrimmtes Element darstellt, reicht diese Gleitbewegung aus, um das entfernt gelegene Ende der Faser freizulegen, das an dem Endstück befestigt wird; anschließend wird der Schlauch in umgekehrter Richtung bis zur Berührung mit dem Endstück aufgeschoben. Ein unter Wärmeeinfluß schrumpfbarer Kunststoffmantel wird dann aufgebracht und anschließend auf den Handgriff aufgeschrumpft, um den Schlauch in seiner endgültigen Lage zu fixieren.

Die optische Faser weist zweckmäßigerweise einen Kern aus hartem Siliciumdioxid auf und kann mit einem Kunststoffüberzug versehen sein, über dem ein relativ dicker Kunststoffüberzug angebracht ist, der die Grundlage für die Quetschverbindung bildet. Eine geeignete Faserform wird von Ensign Bickford Inc., 660 Hopmeadow Street, Simsbury, Connecticut, USA, unter der Produktbezeichnungsnummer HC-412T hergestellt.

Die Buchse der Laserstrahlungsquelle muß einen relativ großen Innendurchmesser aufweisen, um die bekannten Ausführungsformen von Faserbaugruppen aufzunehmen, da die Fokussierlinse, die Teil dieser Baugruppe ist, einen Durchmesser aufweisen muß, der ausreichend groß ist, um von der gesamten kollimierten Laserausgangsstrahlung der Quelle beleuchtet zu werden. Demgegenüber genügt zur Aufnahme der Form der Faserbaugruppe der vorliegenden Erfindung ein relativ kleiner Durchmesser für die Bohrung der Buchse, in die die Faserbaugruppe eingeführt werden soll. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Adaptereinheit für eine Laserstrahlungsquelle mit hoher Energie, die es erlaubt, die Quelle zur Abgabe von Strahlung entweder an eine bekannte Faserbaugruppe anzuschließen oder unter Verwendung des Adapters an eine Faserbaugruppe der vorliegenden Erfindung.

Diese weitere Teilaufgabe der Erfindung wird durch Anspruch 7 gelöst, dessen weitere Ausgestaltungen in den davon abhängigen Ansprüchen enthalten sind.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beispielshalber mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Baugruppe mit optischen Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 ein Detail der Baugruppe von Fig. 1 in größerem Maßstab zeigt;

Fig. 3, 4 und 5 alternative Ausgestaltungen eines weiteren Details der Baugruppe in Fig. 1 darstellen;

Fig. 6 eine modifizierte Ausgestaltung eines Details der Baugruppe in Fig. 1 zeigt;

Fig. 7 die Baugruppe von Fig. 1 darstellt, die in die Koppelvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eingeführt ist;

Fig. 8 eine modifizierte Version der Koppelvorrichtung von Fig. 7 zeigt;

Fig. 9 einen Querschnitt der Einrichtung von Fig. 8 darstellt, und zwar längs der Linie A-A in Fig. 8;

Fig. 10 einen Querschnitt einer Adaptereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 11 einen Querschnitt der Einheit darstellt, der längs der Linien II-II in Fig. 10 gelegt ist;

Fig. 12 die Adaptereinheit darstellt, die in eine Laserstrahlungsquelle eingeführt ist; und

Fig. 13 eine Wegwerf-Baugruppe mit optischen Fasern zeigt, die in eine Adaptereinheit eingeführt ist.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 enthält eine Baugruppe 10 mit optischen Fasern einen röhrenförmigen Handgriff 1 aus Spritzguß-Kunststoff, an dessen einem Ende ein röhrenförmiger metallischer Abschluß 2 befestigt ist; dieser Abschluß 2 ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt. Eine Länge des Kunststoffschlauchs 4 ist an dem anderen Ende des Handgriffs 1 befestigt, wobei die endgültige Lage des Schlauchs 4 bezüglich des Handgriffs 1 durch eine wärmegeschrumpfte Kunststoffmuffe 6 festgelegt ist, und einen Teil des Handgriffs 1 und einen Teil des Schlauchs 4 überlappt. Am entfernten Ende des Schlauchs 4 ist ein Endglied 5 vorgesehen, dessen alternative Ausführungsformen genau in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellt sind. Eine kunststoffüberzogene optische Faser 3 mit Glaskern ist am Abschluß 2 und am Glied 5 befestigt, und verläuft innerhalb des Schlauchs 4, des Handgriffs 1 und des Elements 2. Die Faser 3 ist am Abschluß 2 über eine Quetschverbindung an der Stelle 8 befestigt, wobei diese Quetschverbindung so ausgeführt ist, daß der dünnwandige Teil des Abschlusses 2 bis zur mechanischen Berührung mit dem Kunststoffüberzug der Faser 3 deformiert wird, wobei die Deformation aber nicht ausreicht, um die optischen Eigenschaften der Fasern zu beeinflussen. Das andere Ende der optischen Faser 3 ist an dem Endstück 5 gemäß irgendeiner der Konfigurationen befestigt, die später unter Bezug auf die Fig. 3, 4 und 5 erläutert werden. Jedes Ende der Faser 3 ist über eine sehr geringe Länge vom Kunststoffuberzug befreit und jede der Endflächen der Faser stellt eine Bruchfläche dar.

Abschluß 2 ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß der Abschluß eine röhrenförmige Struktur aufweist und aus einem Kopfteil 2A mit einer ausgeprägten Vertiefung 2B besteht, in die das gebrochene Ende von Faser 3 hineinragt. Das Kopfteil enthält eine Bohrung 2C, um die Faser 3 in konzentrischer Weise festzuhalten. Mit dem Kopfteil 2A ist in einstückiger Bauweise ein röhrenförmiger Schaft 2D verbunden, dessen Abmessungen einen Preßsitz mit der Bohrung 7 des Handgriffs 1 bilden, einen dünnwandigen Schaftteil 2E, der einstückig mit dem Schaft 2D ausgeführt ist und die Quetschstelle 8 enthält.

Um die Faser 3 mit dem Abschluß 2 zu verbinden, wird der Kunststoffüberzug zu Beginn vom Ende der Faser abgezogen, die dann in Abschluß 2 eingeführt wird, bis die abgebrochene Endfläche der Faser genau axial innerhalb der Vertiefung 2B liegt. Anschließend wird ein (nicht dargestelltes) Quetschwerkzeug auf das dünnwandige Teilstück 2E angewandt, um den Abschluß 2 auf den Kunststoffüberzug der Faser 3 zu quetschen. Handgriff 1 wird anschließend über die Länge der Faser 3 geführt und bis zur Berührung mit Schaft 2D gezwungen, der zweckmäßigerweise mit zahnförmigen Erhebungen ausgestattet werden kann, um ein Lösen zu verhindern. Die erforderliche Länge des Schlauchs 4 wird anschließend über das freie Ende der Faser 3 gezogen und so lang über Bohrung 7 des Handgriffs 1 geführt, bis das freie Ende der Faser 3 aus dem Schlauch 4 herausragt. Anschließend wird das Endstück 5 an der Faser 3 befestigt und Schlauch 4 in umgekehrter Richtung bezüglich Handgriff 1 gezogen bis sie Endstück 5 berührt. Schließlich wird eine Länge einer Kunststoffmuffe aus wärmeschrumpfbarem Material über das Äußere des Schlauchs 4 geschoben bis es einen Teil des Handgriffs 1 und einen Teil des Kunststoffschlauchs 4 überlappt, und sodann dem Einfluß von Wärme ausgesetzt wird, um die Muffe 6 an dem gewünschten Ort zum Schrumpfen zu bringen.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 3 umfaßt eine Form des Endstücks 15 ein Kopfteil 15A mit einer Vertiefung 15B, in der das abgebrochene Ende der Faser 3 liegt, wobei das Kopfteil 15A einstückig mit einem relativ dünnwandigen Schaftteil 15C ausgeführt ist und der an der Stelle 16 durch Quetschen deformiert wird, so daß er den Kunststoffüberzug der Faser 3 berührt. Die äußere Oberfläche des Kopfteils 15A ist mit Zähnen 15D versehen, die in den Kunststoffschlauch 4 eingreifen, um diesen an Ort und Stelle festzuhalten.

In Fig. 4 ist eine weitere Form des Endstücks 25 dargestellt, das ein Kopfteil 25A mit einer Vertiefung 25B aufweist, um das abgebrochene Ende der Faser 3aufzunehmen, sowie ein Schaftteil 25C, das in sich nach innen erstreckenden Zähnen 25D ausläuft, die so angeordnet sind, daß sie den Plastiküberzug der Faser 3 in der Art von Schraube und Gewinde umfassen. Die äußere Oberfläche des Kopfteils 25A ist mit Zähnen 25E versehen, die in den Kunststoffschlauch 4 eingreifen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Form eines Endstücks 35 in Form einer Schraubenfeder, deren äußere Abmessungen so gewählt sind, daß sie in den Kunststoffschlauch 4 paßt und diese festhält, und deren innere Abmessungen so gewählt sind, daß sie den Kunststoffüberzug der Faser 3 aufnimmt und diesen festhält. In diesem Fall ist Schlauch 4 in axialer Richtung über das Endstück 25 hinaus verlängert, um eine Vertiefung 35A für das abgebrochene Ende der Faser 3 zur Verfügung zu stellen.

Fig. 6 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung für das entfernt gelegene Ende der Faser 3, bei der der Kunststoffschlauch 4 in radialer Richtung mit vier Vertiefungen 38 vorgequetscht ist, und eine in axialer Richtung liegende Lücke läßt, die ausreicht, um das Ende der Faser 3 mittig zu lagern, ohne die Faser zu umfassen. Bei dieser Anordnung wird der Schlauch 4 nur am Handgriff 1 durch die wärmegeschrumpfte Muffe 6 gehaltert, wobei Schlauch 4 in axialer Richtung über die Endstück 38 hinaus verlängert ist, um eine Vertiefung 39 für das abgebrochene Ende der Faser zu bilden. Die genaue axiale Länge der Vertiefung 39 ist relativ unwichtig und kann ausreichend übergroß gewählt werden, um gegen eine Beschädigung während des Transports der Baugruppe 10 zu schützen; in diesem Fall wird vorzugsweise der Benutzer die ungewünschte Länge des Schlauchs 4 abschneiden, bevor die Baugruppe 10 verwendet wird, wobei dies leicht durchgeführt werden kann, da Schlauch 4 aus Kunststoff besteht. Außerdem ist es beim Zusammenbau der Komponenten für die Anordnung nach Fig. 6 nicht erforderlich, den Schlauch 4 in entgegengesetzter Weise zu verschieben, da dort kein getrenntes Endstück vorhanden ist, und somit natürlich keine Gefahr besteht, daß während der Benutzung der Baugruppe 10 eine Ablösung des Endstücks erfolgt und dieses verlorengeht, da überhaupt kein Endstück vorhanden ist.

Die im obigen beschriebene Baugruppe 10 ist ausreichend billig und leicht herzustellen, so daß sie als Wegwerfartikel verwendet werden kann. Sie ist außerdem leicht in Spulenform aufzuwickeln, zu verpacken und zu sterilisieren, beispielsweise durch eine Äthylenoxidsterilisation.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 7 wird Baugruppe 10 an eine (nicht dargestellte) Laserquelle über eine Baugruppe 40 angeschlossen, die ein Buchsenelement 41 enthält, in das das Vorderteil des Handgriffs 1 im Gleitsitz eingeführt wird. Innerhalb der Buchse des Elements 41 ist ein fester Endanschlag 42 vorgesehen, der eine Anschlagfläche 42A aufweist, gegen die der Abschluß 2 in elastischer Weise von federbelasteten Feststellvorrichtungen 43 gedrückt wird, die im Element 41 montiert sind, und eine sich in radialer Richtung erstreckende Schulter 43A des Handgriffs 1 berühren. Der Endanschlag 42 weist selbst eine axiale Öffnung auf und die Oberfläche 42A wird im Herstellwerk auf einen kritischen Abstand von einer Fokussierlinse 44 eingestellt, die in einer Halterung 45 so gehaltert wird, daß ihre optische Achse genau mit der Längsachse der Buchse ausgerichtet ist, die innerhalb des Elements 41 geformt ist.

Element 41 ist mit einem Abschlußflansch 41A versehen, der X-, Y-Einstellvorrichtungen 41B aufweist, so daß der Flansch an dem Gehäuse einer (nicht dargestellten) Laserstrahlungsquelle befestigt werden kann, so daß die optische Achse der Linse 42 genau mit der Achse der empfangenen Strahlung ausgerichtet ist.

Eine elektrische Sperrvorrichtung 46 ist am Element 41 befestigt und enthält einen Mikroschalter 46A, der vom Abschluß 2 betätigt wird; die Sperrvorrichtung 46 ist während des Betriebs so ausgelegt, daß die Laserstrahlungsquelle in Betriebsbereitschaft gesetzt wird, wenn Baugruppe 10 in Element 41 eingeführt ist, und um die Laserstrahlungsquelle außer Betriebsbereitschaft zu setzen, wenn die Baugruppe 10 nicht eingeführt ist.

Es ist bekannt, daß bei medizinischen Anwendungen der Ort, an den die Strahlung geführt werden soll, eine Vielzahl von Flüssigkeiten enthält, die bezüglich der optischen Faser 3 Verunreinigungen darstellen. Um das Bruchende der Faser von derartigen Verunreinigungen freizuhalten, ist es wünschenswert, die Endfläche der Faser mit einem oder mehreren Strahlen von Inertgasen zu umspülen. Um einen derartigen Gasstrom zur Verfügung zu stellen, enthält Handgriff 1 eine Öffnung 50, die nach Einführen des Handgriffs in Element 41 mit einem röhrenförmigen Kanal 51 ausgerichtet ist, an den der Anschluß 52 ein Gas aus einem (nicht dargestellten) Vorrat abgibt. Eine axiale Strömung von Gas innerhalb des Elements 41 wird durch O-Ringdichtungen 53, 54 verhindert. In Handgriff 1 eintretendes Gas strömt längs des ringförmigen Kanals, der zwischen der Faser 3 und dem Inneren des Schlauchs 4 gebildet wird, und tritt am Ende der Baugruppe über Endstück 5 aus. Zu diesem Zweck ist das Endstück 15 (Fig. 3) mit einem ausgeschnittenen Teil 15E versehen; das Endstück 25 (Fig. 4) ist mit einem ausgeschnittenen Teil 25F versehen; und das Endstück 35 (Fig. 5) ist mit getrennten Spulen versehen, so daß ein schraubenförmiger Durchgang 35B entsteht. Im Fall der Fig. 6 bieten die Umfangsrichtungen zwischen den vier Vertiefungen 38 Durchgänge für die Gasströmung.

Die in den Fig. 8 und 9 dargestellte Koppelvorrichtung 60 ist eine Modifikation der Einrichtung von Fig. 7 und enthält ein im allgemeinen zylindrisches Element 61 aus rostfreiem Stahl, in dem eine Bohrung 62 enthalten ist. Ein Ende der Bohrung 62 ist zur Aufnahme des zapfenförmigen Abschlußendes einer Baugruppe mit optischen Fasern ausgerüstet, die, der besseren Klarheit wegen, in Fig. 8 gestrichelt bei Bezugszeichen 1 dargestellt ist. Das andere Ende der Bohrung 62 ist zum Anschluß an eine (nicht dargestellte) Laserstrahlungsquelle vorgesehen und enthält eine Fokussiervorrichtung für die Laserstrahlung, die allgemein mit Bezugszeichen 65 dargestellt ist.

Um Element 61 an eine Laserstrahlungsquelle anzuschließen, ist die Endfläche 61A des Elements 61 mit drei Buchsen 66A, 66B, 66C versehen, wobei sich die Buchsen 66B und 66C diametral gegenüberliegen und elektrische Anschlüsse enthalten, deren Funktion im folgenden beschrieben wird. Buchse 66A enthält keinerlei elektrische Verbindungen und dient dazu, die richtige Winkellage des Elements 61 bezüglich der Laserstrahlungsquelle sicherzustellen. Innerhalb der Bohrung 62 und benachbart zur Oberfläche 61A enthält die Fokussiervorrichtung 65 eine Linse 65A, die zwischen einer Schraubenfeder 65B und einem Muffenelement 65C liegt, wobei das Muffenelement 65C und die Linse 65A beide in einem beschränkten Maß axial innerhalb der Bohrung 12 gleitend bewegt werden können. Bei dieser Anordnung drückt Feder 65B nicht direkt auf die Linse 65A, sondern ist zwischen einem Kragen 65D gehaltert, der gegen Linse 65A drückt, und einem Anschlagkragen 65E, der auf Bohrung 62 geschraubt ist.

Element 61 trägt an seinem, der Fläche 61A abgewandten Ende, eine federbelastete Feststellvorrichtung 70 mit einem Feststellstift 70A mit abgerundeter Nase, der radial in die Bohrung 62 eingreift, um gegen eine flanschähnliche Anordnung zu stoßen, die einen Teil des Zapfenabschlusses der Baugruppe 10 bildet, so daß dieser Abschluß innerhalb der Bohrung 62 mit seiner Endfläche gegen die Muffe 65C gedrückt wird. Da die Fokussiervorrichtung 65A nachgiebig ist, können daher Abschlüsse von Faserbaugruppen mit unterschiedlichen Längen in der Bohrung 62 aufgenommen werden. Dies ist auf die Lage der Feststellvorrichtung 70 und durch das Nachgeben der Feder 65B bedingt, so daß in allen Fällen die Linse 65A in einem vorbestimmten Abstand von der nahegelegenen Endfläche des Abschlusses angeordnet ist. Bei der Herstellung der Baugruppe mit optischen Fasern sind daher die Anforderungen an die kritischen Abmessungen des Abschlusses herabgesetzt mit Ausnahme der axialen Position der Endfläche der Faser bezüglich der Endfläche des Abschlusses. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung der Baugruppe mit optischen Fasern in gewisser Weise; bezüglich der Koppelvorrichtung 60 muß nur das Muffenelement 65C mit kritischen Toleranzen hergestellt werden.

Um eine Gasströmung (beispielsweise ein Inertgas oder Luft) längs des ringförmigen Zwischenraums zwischen der einzigen optischen Faser und der Ummantelung der optischen Faserbaugruppe zu ermöglichen, ist Element 61 mit einer Gaseintrittsöffnung 72 versehen, die von einer O-Ringdichtung 72A umgeben ist, wobei die Öffnung 72 mit einem ringförmigen Raum 72B in Verbindung steht, der sich um einen Teil der Bohrung 62 in dem Bereich erstreckt, an dem eine Öffnung in der Ummantelung der Baugruppe 10 vorgesehen ist. Um ein unerwünschtes Entweichen des Gases aus der Bohrung 62 zu vermeiden, ist eine Gummidichtung 74 in einem vergrößerten Teil der Bohrung 62 vorgesehen; um diese Dichtung 74 einzupassen und/oder zu ersetzen, ist Element 61 mit einem abnehmbaren Endteil 61B versehen, welches bei Normalbetrieb durch Schrauben 61C in seiner Position fixiert ist.

Element 61 ist weiter mit einem um eine Achse drehbaren Verschluß 76 ausgestattet, der Bohrung 62 bei Abwesenheit des Abschlusses der Faserbaugruppe unterbricht, so daß bei unabsichtlichem oder fehlerhaftem Eintritt von Laserstrahlung in Bohrung 62 ein Austritt der Strahlung aus Bohrung 62 durch den Verschluß verhindert wird. Der Verschluß 76 ist mit einer einfachen Drehaufhängung versehen, so daß beim Einführen der Faserbaugruppe deren Abschlußende den Verschluß 76 nach oben und aus der Bohrung 62 herausdreht. Der Verschluß 76 ist mit einer Rückstellfeder 76A versehen, um zusätzlich zu Gravitationskräften sicherzustellen, daß Verschluß 76 in die Bohrung 62 des Blockes zurückkehrt, wenn der Abschluß der Faserbaugruppe aus der Bohrung 62 entnommen wird.

Um eine elektrische Sperre für das Steuersystem der Laserstrahlungsquelle zur Verfügung zu stellen, enthalten die Buchsen 64B, 64C elektrische Anschlüsse, die innerhalb des Elements 61 miteinander verbunden sind und Teil eines geschlossenen Schaltkreises sind. Zu diesem Zweck erstrecken sich elektrische Verbindungen 78B, 78C von den Buchsen 66B, 66C zu Schaltkontakten 79B bzw. 79C und das Muffenelement 65C ist aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Messing, hergestellt, so daß das Muffenelement 65C die Schaltkontakte 79B, 79Cüberbrückt, wenn kein Abschluß einer Faserbaugruppe innerhalb der Bohrung 62 vorhanden ist. Wird jedoch ein derartiger Abschluß in Bohrung 62 eingeführt, so verschiebt sich Muffenelement 65C in axialer Richtung und entfernt somit die überbrückende Verbindung zwischen den Schalterkontakten 79B, 79C. Der elektrische geschlossene Schaltkreis kann entweder auf der Basis betrieben werden, daß Muffenelement 65C einen offenen Schaltkreis oder einen Kurzschluß zwischen den Buchsen 66B, 66C hervorruft. Mit einem geeigneten Wert eines Widerstandes, der permanent zwischen den Schaltkontakten 79B, 79C geschaltet ist, kann aber auch eine Unterscheidung auf der Grundlage eines Spannungspegels erfolgen, um eine unterbrochene elektrische Verbindung 78B, 78C festzustellen, wobei derartige Leiter in diesem Fall einen Widerstand aufweisen.

In der Einrichtung 60 können die folgenden Materialien verwendet werden: der Körper 61 besteht aus rostfreiem Stahl, das Muffenelement 65C aus Messing, Kragen 65D aus einem Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Delrin (eingetragenes Warenzeichen), und derjenige Teil der Bohrung 62 längs dessen das Muffenelement 65C axial verschiebbar ist, wird vorzugsweise mit einem Delrinüberzug ausgeschlagen. Der Anschlagkragen 65E besteht zweckmäßigerweise aus Messing und die Schaltkontakte 79B, 79C werden in einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Gummi, untergebracht.

Wie sich am deutlichsten aus Fig. 12 ergibt, enthält die im allgemeinen mit Bezugszeichen 110 bezeichnete Laserstrahlungsquelle ein Blechgehäuse 111, durch das eine Buchseneinheit 112 ragt, deren Bohrung mit dem Strahlungsausgang eines Lasers 113 ausgerichtet ist. Zur Ausbildung einer Sicherheitssperre unterbricht ein gleitender, mechanischer Verschluß 114 die Ausgangsöffnung 115 des Lasers 113, wenn keine Faserbaugruppe in die Buchseneinheit eingeführt ist. Ein Anschluß 116 zur Abgabe von Luft oder Inertgas ist an der Wand der Buchseneinheit 112 befestigt und es ist ein Orientierungsstift 117 benachbart zum Verschluß 114 vorgesehen, um die eintretende Faserbaugruppe in Winkelrichtung auszurichten, so daß sie eine Verbindung mit dem Anschluß 116 herstellt. Außen am Gehäuse 111 ist ein Deckelring 118 vorgesehen, der an seiner Endfläche 118A eine Indikatormarke trägt, die die Winkellage des Stiftes 117 anzeigt. Der Deckelring ist an der Buchseneinheit 112 mit einer Innensechskantschraube 119 befestigt. Eine ungefähre Ausrichtung der Indikatormarke auf der Fläche 118A ist ohne Schwierigkeiten möglich, da der Teil des Gehäuses 111, auf dem der Ring 118 sitzt, in nicht senkrechter Weise zur Achse der Buchseneinheit 112 geneigt ist, während die Endfläche 118A senkrecht zur Achse der Buchseneinheit 112 liegen soll. Innerhalb des Gehäuses 111 ist die Wand der Buchseneinheit 112 mit einem federbelasteten Kugelelement 120 versehen, das als Feststellvorrichtung zum Zurückhalten einer optischen Faserbaugruppe der bekannten Art dient (d. h., die ihre eigene Fokussierlinse enthält), wenn eine derartige Baugruppe eingeführt wird. Es versteht sich, daß das Vorderteil dieser Baugruppe die Nockenfläche des Verschlusses 114 berührt, um den Verschluß 114 in radialer Richtung zu verschieben, so daß die Ausgangsöffnung 115 des Lasers 113 für die Faserbaugruppe freigegeben wird.

Um die Laserquelle 110 zur Aufnahme einer Faserbaugruppe nach der vorliegenden Erfindung vorzubereiten, ist eine Adaptereinheit 130, die getrennt in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist, auf die Buchseneinheit 112 aufgesetzt und in diesem Zustand in Fig. 12 dargestellt.

Einheit 130 enthält eine röhrenförmige Trommel 131 mit einer darin untergebrachten Fokussierlinse 132, die zwischen einem verschiebbaren Abstandselement 133 und einer Anordnung 134 liegt, die zur Aufnahme einer Feder dient. Die Trommel 131 ist an ihrem anderen Ende verschiebbar an einem Deckelring 135 befestigt, und zwar mittels einer Stift- und Schlitzverbindung 136, und ein Paar von verriegelbaren, federbelasteten Feststellvorrichtungen 137, 138, die bei Abwesenheit einer Faserbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung in Positionen verriegelt sind, die sich radial nach außen erstrecken; dies wird im folgenden noch genauer beschrieben. Die Einheit 130 wird an der Buchseneinheit 112 befestigt, indem zuerst der Deckelring 118 (Fig. 12) abgenommen wird und anschließend Trommel 131 in die Bohrung der Buchseneinheit 112 eingeführt, und Deckelring 135 mit der Innensechskantschraube 139 an der Endfläche 135A des Deckelrings befestigt wird, der ungefähr senkrecht zur Achse der Buchseneinheit 112 angeordnet ist. Diese Lage ist in Fig. 12 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß die Endfläche 131A der Trommel 131 nicht in Kontakt mit dem Verschluß 114 steht, so daß bei Abwesenheit der Faserbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung eine mechanische Sperre gegen das Austreten von Laserstrahlung aus der Einheit 130 besteht.

In Fig. 12 ist die nach innen gerichtete axiale Bewegung der Trommel 131 durch die verriegelbaren Feststellvorrichtungen 137, 138 verhindert, die deutlicher in Fig. 11 dargestellt sind. Diese Feststellvorrichtungen werden durch Stäbe 141, 142 verriegelt, die von sich in radialer Richtung erstreckenden Armen 143, 144 getragen werden; diese sind an einem Abstandselement 133 befestigt.

Wenn eine Faserbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung in die Adaptereinheit 130 eingeführt wird und dabei das Abstandselement 133 berührt, bewirkt die axiale Bewegung dieses Elementes, daß die Stäbe 141 aus der Berührung mit den Feststellvorrichtungen 137, 138 weggezogen werden, so daß die weitere Bewegung der Baugruppe eine Bewegung der Trommel 131 in Richtung auf den Laser 113 erfolgt. Die Feststellvorrichtungen 137, 138 werden dabei radial nach innen über eine Nockenwirkung gegen die Nockenoberflächen des Deckelrings 135 bewegt, so daß sie hinter einem vorspringenden Rückhaltegebilde eingreifen, das auf der Faserbaugruppe ausgebildet ist. Während der Bewegung der Feststellvorrichtungen 137, 138 von ihrer radial am weitesten außenliegenden zu ihrer radial am weitesten innenliegenden Stellung, bewirkt die axiale Verschiebung der Trommel 131 eine Gleitverschiebung des Verschlusses 114, um so die Ausgangsöffnung 115 des Lasers 113 freizumachen.

Die Funktion des Stiftes 117 besteht darin, die Trommel 131 in radialer Richtung so auszurichten, daß der Anschluß 116 mit den Gasdurchgängen 145 ausgerichtet ist, die in der Trommel 131 ausgebildet sind. Ein Austreten des Gases aus der Bohrung der Trommel 131 wird einerseits wirksam durch das Abstandselement 133 und andererseits durch eine gummiüberzogene Abdeckung verhindert.

Fig. 13 zeigt eine Faserbaugruppe 150 gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf die Adaptereinheit 130 aufgesetzt ist, wobei die letztere im Querschnitt entsprechend Fig. 11 dargestellt ist, um die Bedingung der Stäbe 141, 142 bezüglich der Feststellvorrichtungen 137, 138 darzustellen, während der Verschlußmechanismus 114 in seiner offenen Stellung dargestellt ist, bei der die Laserausgangsöffnung 115 ungeschützt ist. Es ist dabei klar, daß diese Anordnung des Verschlußmechanismus 114 nur der Klarheit wegen in der Position von Fig. 13 dargestellt ist, während er in Wirklichkeit senkrecht zu der Darstellung in Fig. 13 liegt. Die Faserbaugruppe 150 enthält eine einzige optische Faser, die innerhalb einer flexiblen Umhüllung 151 liegt, die ihrerseits mit einem aus starrem Kunststoff bestehenden Handgriffteil 152 verbunden ist, der externes Profil aufweist und mit einem metallischen Abschlußende 153 versehen ist, in dem das abgebrochene Ende der einzelnen optischen Faser liegt. Dieses Abschlußende stößt gegen das Abstandselement 133 und bewirkt eine Kompression der Anordnung 134 zur Halterung einer Feder. Während das Abschlußende 153 gegen das Abstandselement 133 drückt, liegt das abgebrochene Ende der einzelnen optischen Faser in einem vorbestimmten Abstand von der Fokussierlinse 132, nämlich im Abstand der Brennweite der Linse 132. Wenn das Abschlußende 153 anfänglich gegen das Abstandselement 133 drückt, bewirkt die anfängliche Bewegung des Abstandselements 133, daß die Stäbe 141, 142 von den Feststellvorrichtungen 137, 138 zurückgezogen werden. Das weitere Einführen des Handgriffteils 152 bewirkt, daß die Trommel 131 bezüglich des Deckelringes 135 in Richtung auf den Verschlußmechanismus 114 wandert, da die Verriegelung der Feststellvorrichtungen 137, 138 nicht mehr besteht. Diese Feststellelemente 137, 138 haben eine elastische Vorspannkraft in radial nach außen gerichteter Richtung und werden radial nach innen durch eine Nockenbewegung gedrückt, die von den inneren Oberflächen des Deckelrings 135 ausgeübt wird, so daß Teile der Feststellvorrichtungen 137, 138 radial nach innen auf die Bohrung der Trommel 131 hinter einer in radialer Richtung vorstehenden Schulter 152A vordringen, die Teil des Handgriffs 152 ist, und auf diese Weise die Faserbaugruppe 150 innerhalb der Adaptereinheit 130 befestigen. Während dieser Bewegung der Trommel 131 berührt die Endfläche 131A der Trommel die abfallende Nockenfläche des Verschlußmechanismus 114 und bewirkt, daß der Verschlußmechanismus sich in radial nach außen gerichteter Richtung bewegt, um die Abdeckung der Öffnung 115 freizumachen. Wenn der Verschlußmechanismus seine äußerste Stellung erreicht hat, berührt er einen Mikroschalter 154, der eine elektrische Sperre darstellt und den Betrieb des Lasers 113 freigibt. Der Verschlußmechanismus 114 ist eine plattenähnliche Struktur, die zur Gewichtsersparnis einen großen kreisförmigen Ausschnitt in ihrem nichtschützenden Teil aufweist.

Es ist nun deutlich geworden, daß es die Adaptereinheit 130 ermöglicht, Faserbaugruppen nach der vorliegenden Erfindung mit einer Laserquelle 110 zu verwenden, die ursprünglich für den Einsatz mit Faserbaugruppen der bekannten Art ausgelegt wurde, und zwar ohne Änderung der mechanischen und elektrischen Verriegelungsvorrichtungen. Ist also die Adaptereinheit 130 auf die Quelle 110 aufgesetzt, so verhindert der Verschlußmechanismus, der Öffnung 115 schützt, daß Laserausgangsstrahlung austritt. Wenn jedoch eine Faseranordnung 150 gemäß der vorliegenden Erfindung in die Einheit 130 eingeführt wird, ist die Laserquelle 110 voll betriebsfähig. In ähnlicher Weise wird beim Zurückziehen einer Faserbaugruppe 150 gemäß der vorliegenden Erfindung von der Adaptereinheit 130 die Trommel 131 von dem Verschlußmechanismus 114 weggezogen, der in seine Schutzposition für Öffnung 115 zurückkehrt. Bei Entfernen der Faserbaugruppe 150 kehren auch die Feststellvorrichtungen 137, 138 in ihren verriegelten Zustand zurück, indem Trommel 131 mit dem Deckelring 135 verriegelt ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Eine Baugruppe mit optischen Fasern zur Übertragung von Laserstrahlung mit hoher Energie, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppe (10) einen röhrenförmigen Kunststoffhandgriff (1) aufweist, an dessen einem Ende ein röhrenförmiger metallischer Abschluß (2) vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein Stück eines Kunststoffschlauchs (4) befestigt ist, wobei das entfernte Ende des Schlauches (4) eine Endkonfiguration (5) aufweist, sich eine einzige kunststoffbeschichtete optische Faser (3) mit einem Glaskern durch das Innere des Abschlusses (2), des Handgriffs (1), des Schlauches (4) und der Endkonfiguration (5) erstreckt, und an dem Abschluß (2) befestigt ist, daß der Kunststoffschlauch (4) im Gleitsitz innerhalb der Bohrung (7) des Handgriffs (1) verläuft, und am Handgriff (1) durch eine wärmegeschrumpfte Kunststoffmuffe (6) befestigt ist, daß die Faser (3) an jedem Ende eine Bruchfläche aufweist, und bezüglich des Abschlusses (2) genau positioniert ist mit Hilfe einer Quetschbefestigung (8) des Abschlusses (2) auf dem Kunststoffüberzug der Faser (3).
  2. 2. Eine Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkonfiguration (5) durch Vorquetschen (38) des Kunststoffschlauches (4) erzeugt wurde oder mit Hilfe eines getrennten Elements (15), das eine einzelne Faser (3) im Kunststoffschlauch (4) mittig anordnen kann.
  3. 3. Eine Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Handgriff (1) auf seiner äußeren Oberfläche einen Flansch (43A) aufweist, der in einem vorbestimmten Abstand vom Abschluß (2) angeordnet ist, so daß der Handgriff (1) in elastischer Weise mit seinem Abschluß (2) gegen einen mechanischen Anschlag (42) gedrückt werden kann, der zu einer Laserstrahlungsquelle gehört, um das gespaltene Faserende genau im Brennpunkt der eintreffenden Laserstrahlung zu positionieren.
  4. 4. Einrichtung zum Koppeln einer optischen Faserbaugruppe (10) nach Anspruch 1 an eine Laserstrahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40) ein Element (41) enthält, das eine Buchse zur Aufnahme des Handgriffs (1) und des Abschlusses (2) der Baugruppe (10) enthält, einen Anschlagkragen (42), der in der Buchse gehaltert ist und eine Anschlagfläche (42A) aufweist, die in einem vorbestimmten Abstand von einer Fokussierlinse (44) liegt, die in der Buchse gehaltert ist, wobei die optische Achse der Linse (44) mit der Längsachse der Buchse ausgerichtet ist, und daß Vorrichtungen (41A, 41B) vorgesehen sind, um das Element (41) am Gehäuse einer Laserstrahlungsquelle zu befestigen.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Sperreinrichtung (46) mit einem Mikroschalter (46A) auf dem Element (41) montiert und so angeordnet ist, daß es zur Freigabe oder Sperre der Laserstrahlungsquelle verbunden werden kann entsprechend der Anwesenheit oder der Abwesenheit der Faserbaugruppe (10), die in die Buchse eingeführt ist, wobei der Abschluß (2) die Anschlagfläche (42A) berührt.
  6. 6. Einrichtung zum Koppeln einer optischen Faserbaugruppe zur Übertragung von Laserstrahlung mit hoher Energie von einer Laserstrahlungsquelle, wobei die Faserbaugruppe an ihrem einen Ende einen zapfenförmigen Abschluß (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung (60) ein Element (61) enthält, in dem eine Bohrung (62) zur koaxialen Aufnahme des Zapfenabschlusses (1) an einem Ende der Bohrung (62) vorgesehen ist, und eine Fokussiervorrichtung (65) für die Strahlung, die koaxial am anderen Ende der Bohrung (62) angeordnet ist, wobei das andere Ende der Bohrung (62) zur Ankopplung an eine Laserstrahlungsquelle ausgerüstet ist, daß das Element (61) eine Feststellvorrichtung (70) enthält, die sich in radialer Richtung in die Bohrung (62) an deren einem Ende erstreckt, um einen Zapfenabschluß (1) festzuhalten, daß die Fokussiereinrichtung (65) eine Fokussierlinse (65A) für Laserstrahlung aufweist, die zwischen einem Muffenelement (65C) und einer elastischen Vorspannvorrichtung (65B) angeordnet ist, wobei die Abmessungen des Muffenelements (65C) so vorbestimmt sind, daß beim Anstoßen eines Zapfenabschlusses (1) gegen das Muffenelement (65C) die Fokussierlinse (65A) in einem vorbestimmten Abstand von der nahegelegenen Endfläche des Abschlusses (1) liegt, und daß die elastischen Vorspannvorrichtungen (65B) Abschlüsse von verschiedenen Längen aufnehmen, die in der Bohrung (62) durch die Feststellvorrichtung (70) festgehalten werden.
  7. 7. Eine Adaptereinheit für eine Laserstrahlungsquelle (110) mit hoher Energie, die eine kollimierte Laserstrahlung längs der Bohrung einer Buchseneinheit (112) abgibt, die durch einen Verschlußmechanismus (114) dagegen geschützt ist, Laserstrahlung bei Abwesenheit einer Faserbaugruppe (150) abzugeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptereinheit (130) eine röhrenförmige Trommel (131) aufweist, in der eine Fokussierlinse (132) enthalten ist, die zwischen einem verschiebbaren Abstandselement (133) und einer elastischen Halterung (134) liegt, daß die Trommel (131) im Gleitsitz innerhalb der Bohrung der Buchseneinheit (112) liegt, und durch einen Deckelring (135) gehaltert wird, der an der Buchseneinheit befestigt werden kann, daß die Trommel (131) und der Deckelring (135) durch eine Anordnung (136, 137, 138) miteinander verbunden sind, zu denen eine verriegelbare Feststellvorrichtung (137, 138) gehört, die im verriegelten Zustand eine axiale Bewegung der Trommel längs der Bohrung der Buchseneinheit in Richtung auf den Verschlußmechanismus (114) verhindert, daß Auslösemechanismen (141-144) für die Verriegelung innerhalb der Trommel (131) vorgesehen und mit dem verschiebbaren Abstandselement (133) verbunden sind, und daß die Anordnung so gewählt ist, daß die Bohrung der Trommel (131) Abmessungen aufweist, um eine Faserbaugruppe gemäß Anspruch 1 aufzunehmen, die bei Einführung das verschiebbare Abstandselement (133) in axialer Richtung verschiebt, um den Auslösemechanismus (141-144) vor der Verriegelung zu betätigen und die Verschiebung der Trommel (131) relativ zum Deckelring (135) bis zur Berührung mit dem Verschlußmechanismus (114) zu ermöglichen.
  8. 8. Eine Adaptereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verriegelbare Feststellvorrichtung (137, 138) in der Trommel (131) gehaltert ist und ein Teilstück aufweist, das in die Bohrung der Trommel eindringt, wenn der Auslösemechanismus (141-144) für die Verriegelung betätigt wird, wobei das Teilstück dazu dient, eine Faserbaugruppe in der Bohrung der Trommel festzuhalten.
  9. 9. Adaptereinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Verbindung (136-138) eine Stift- und Schlitzverbindung (136) enthält, mit der die Bewegung der Trommel (131) weg vom Verschlußmechanismus (114) begrenzt wird.






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