DE102011016852A1

DE102011016852A1 - Device for detecting light in cavities or lumens in medical catheters, has light waves leading fiber whose end portion is formed as concave mirror at predetermined angle with respect to longitudinal axis

Info

Publication number: DE102011016852A1
Application number: DE102011016852A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Südmeyer Heinrich; Dipl.-Phys. Schmitt Franz-Josef; Dipl.-Ing. Cappius Hans-Joachim; Prof. Dr. Ing. Eichler Hans Joachim; Norbert Zielinski
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-10-11

Abstract

The device has light waves leading fiber (200) provided with integrated micro-optics from which light is directed. The end portion of fiber is formed as concave mirror (220) at predetermined angle with respect to longitudinal axis (230). The molded fiber end is provided with reflective coating (270) such as aluminum coating. An independent claim is included for method for manufacturing micro-optics.

Description

Aufgabenstellungtask

Es ist bekannt, dass Applikatoren zur Erfassung von Streulicht, Fluoreszenzemissionen oder zur Absorptionsspektroskopie in Reflexionsanordnung z. B. in der Messtechnik, Autoindustrie, medizinischen Anwendungen, Spektroskopie, Telekommunikation, usw. zur Anwendung kommen. Bei dem Versuch, Licht an schwer zugängliche Orten zu leiten oder große Strecken überwinden zu lassen, stellt das gerichtete und möglichst vollständige Ein- und Auskoppeln aus der Lichtwellenleitfaser eine große Herausforderung dar. Das breite Anwendungsfeld dieser Faseroptiken erfordert eine Vielzahl von speziellen Ausführungsformen, die teilweise mit baulich getrennten Optiken gekoppelt werden müssen. Der hier offengelegten Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass Applikatoren mit Faserleitung zur Erfassung von Streulicht, Fluoreszenzemissionen oder Absorptionsspektroskopie in Reflexionsanordnung in Lumen oder Hohlräume eingeführt werden sollen. Hierbei beschränkt der Durchmesser der Vorrichtung den Durchmesser des zu untersuchenden Lumens oder Hohlraumes. Mit dem Einsatz von Mikrooptiken am distalen Ende der Lichtwellenleitfaser, die den Durchmesser der Lichtwellenleitfaser aufweisen, können sehr enge Lumina untersucht werden. Ein weiteres der hier offengelegten Erfindung zugrunde liegendes Problem ist, dass Lumen und langgestreckte Hohlräume in ihren Durchmessern variieren. Es ist deshalb Ziel dieser Erfindung den Durchmesser von Strahlformungselementen an Faserapplikatoren auf den Durchmesser der Lichtwellenleitfasern zu begrenzen, bzw. Faserapplikatoren mit einer veränderlichen Brennweite herzustellen, die in Lumen und Hohlräumen mit variierenden Durchmessern zum Einsatz kommen können.It is known that applicators for detecting scattered light, fluorescence emissions or for absorption spectroscopy in reflection arrangement z. B. in metrology, automotive, medical applications, spectroscopy, telecommunications, etc. are used. In an attempt to guide light to hard-to-reach locations or to overcome long distances, the directional and as complete as possible coupling and uncoupling from the optical fiber is a major challenge. The broad field of application of these fiber optics requires a variety of special embodiments, some must be coupled with structurally separate optics. The invention disclosed herein is based on the problem that fiber-optic applicators for detecting scattered light, fluorescence emissions or absorption spectroscopy in reflection arrangement in lumens or cavities are to be introduced. Here, the diameter of the device limits the diameter of the lumen or cavity to be examined. With the use of micro-optics at the distal end of the optical waveguide, which have the diameter of the optical waveguide, very narrow lumens can be examined. Another problem underlying the invention disclosed herein is that lumens and elongated cavities vary in their diameters. It is therefore an object of this invention to limit the diameter of beam shaping elements on fiber applicators to the diameter of the optical fibers, or to produce fiber applicators with a variable focal length, which can be used in lumens and cavities with varying diameters.

Stand der TechnikState of the art

Die dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur seitlichen Auskopplung von Licht aus Lichtwellenleitfasern ohne zusätzliche Vorrichtung, die einen größeren Durchmesser als die Lichtwellenleitfaser aufweisen, sind auf ein unfokussiertes Auskoppeln beschränkt. Eine dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung, bei der Licht seitlich aus Lichtwellenleitfasern ausgekoppelt wird, beschreibt das US Patent 5,537,499 mit dem Titel „Side-Firing Laser Optical Fiber Probe and Method of Making Same”. In der Patentschrift werden Anforderungen genannt, die sich hauptsächlich auf die unfokussierte seitlich Auskopplung beschränken, sowie der Minimierung von Lichtstreuung und Reflexionen. Diese Vorrichtungen sind nicht auf das Detektieren von Licht optimiert. Laut dem Laser Laboratorium Göttingen ( http://www.llg-ev.de/produkte-und-dienstleistungen/thematischer-index.html , Stand 30.03.2011) sind dem Stand der Technik bekannte Herstellungsverfahren die zur Ausformung der Lichtwellenleitfaser Laser verwenden, Laserablation oder Photoablation, wobei durch intensive Laserstrahlung ohne weitere Hilfsmittel Material abgetragen wird. Im Allgemeinen werden hierfür gepulste Laser verwendet. Unter Verwendung dieses Prozesses kann man die Ablation zur gezielten Mikro- und Nanostrukturierung von Materialoberflächen einsetzen. Nach dem Stand der Technik werden hierfür Excimerlaser aufgrund ihrer Strahleigenschaften zur Bearbeitung mittels Maskenprojektion eingesetzt. Es ist auch möglich Bearbeitungsmuster in Form einer Maske in den Strahl einzubringen; durch Abbildung der Maske wird diese Struktur als Abtragsmuster auf der Werkstückoberfläche reproduziert. So können einfache Lochraster gebohrt, mikrofluidische Kanäle gezogen oder auch komplexe, optische wirksame Reliefstrukturen hergestellt werden. Die Wellenlänge der Excimerlaser im ultravioletten Spektralbereich ermöglicht dabei Strukturdetails mit Abmessungen von weniger als 100 nm. So erfolgt eine Mikro- und Nano-Laserstrukturierung mit Laser kurzer Wellenlängen (ultravioletten Spektralbereich) und kurzer Pulsdauer (0.5 ps bei 248 nm). Ein Verfahren, nach dem das Ende einer Lichtleitwellenfaser zunächst unter einem Winkel geschnitten wird, dann durch kurze Laserimpulse auf die Endform abgetragen wird und zusätzlich eine Politur der Endfläche erfolgt, mit der die Endfläche geglättet wird, ist nicht bekannt.The solutions known from the prior art for the lateral extraction of light from optical fibers without additional device, which have a larger diameter than the optical waveguide fiber, are limited to an unfocussed decoupling. A device known from the prior art in which light is coupled out laterally from optical waveguides describes this U.S. Patent 5,537,499 titled "Side-Firing Laser Optical Fiber Probe and Method of Making Same". The patent mentions requirements that are primarily limited to the unfocused outward coupling, as well as the minimization of light scattering and reflections. These devices are not optimized for detecting light. According to the Laser Laboratory Göttingen ( http://www.llg-ev.de/produkte-und-dienstleistungen/thematischer-index.html , Stand 30.03.2011) are known in the prior art manufacturing processes that use for shaping the optical fiber laser laser ablation or photoablation, which is removed by intensive laser radiation without further aids material. In general, pulsed lasers are used for this purpose. Using this process, ablation can be used for targeted micro- and nanostructuring of material surfaces. According to the prior art, excimer lasers are used for processing by means of mask projection because of their beam properties. It is also possible to introduce processing patterns in the form of a mask in the beam; By imaging the mask, this structure is reproduced as a removal pattern on the workpiece surface. For example, simple hole patterns can be drilled, microfluidic channels drawn, or even complex, optically effective relief structures produced. The wavelength of the excimer laser in the ultraviolet spectral range allows structure details with dimensions of less than 100 nm. Thus, a micro- and nano-laser structuring with laser short wavelengths (ultraviolet spectral range) and short pulse duration (0.5 ps at 248 nm). A method in which the end of a fiber optic fiber is first cut at an angle, then ablated by short laser pulses on the final mold and additionally polishing the end surface to smooth the end surface is not known.

Das dem Stand der Technik entsprechende Patent DE 695 25 392 T2 mit dem Titel „Mit Linse versehende Kappe für medizinische Laserlichtabgabevorrichtungen” beschreibt eine Vorrichtung, die auf eine Lichtwellenleitfaser mit schräg liegender planer Endfläche gesteckt ist. Diese Vorrichtung ist mit verschiedenen Linsen versehen, um eine feste vorgewählte Brennweite der emittierten Strahlung zu gewährleisten. Diese Erfindung verbreitert den Durchmesser der Vorrichtung, dass er breiter wird als der Durchmesser der Lichtwellenleitfaser, wodurch ein Einführen in ein enges Lumen oder das Passieren einer Engstelle nicht mehr möglich ist. Zusätzlich ergeben sich Probleme mit der mechanischen Haltekraft der Vorrichtung auf dem Faserende.The prior art patent DE 695 25 392 T2 entitled "Lens-providing cap for medical laser light delivery devices" describes a device which is mounted on an optical fiber with an inclined plane end surface. This device is provided with different lenses to ensure a fixed preselected focal length of the emitted radiation. This invention broadens the diameter of the device so that it becomes wider than the diameter of the optical fiber, making insertion into a narrow lumen or passing a constriction impossible. In addition, there are problems with the mechanical holding force of the device on the fiber end.

Eine Vorrichtung die beide Eigenschaften kombiniert, einen Durchmesser im Bereich des Durchmessers der Lichtwellenleitfaser und eine seitlich fokussierte Emission, ist nicht bekannt.A device combining both properties, a diameter in the range of the diameter of the optical fiber and a laterally focused emission, is not known.

Eine weitere Problematik stellen Hohlräume und biologische Lumina mit nicht durchgängig gleichem Durchmesser dar, da hier zum effizienten Einsammeln der Strahlung aus der Lumenoberfläche eine variable Fokussierung auf die Lumenoberfläche notwendig ist.Another problem is cavities and biological lumens with not uniformly equal diameter, since a variable focusing on the luminal surface is necessary here for the efficient collection of the radiation from the luminal surface.

Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik sind mehrere verschiedene Ausführungsformen für Linsen und Spiegel mit veränderlicher Brennweite bekannt. Eine dieser Linsenformen besteht aus einem Flüssigkeitstropfen, an den eine Spannung angelegt wird, wodurch dieser seinen Krümmungsradius ändert, wie z. B. veröffentlicht in „Tunable liqid microlens” APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 82, NUMBER 3 20 JANUARY 2003 . In Langmuir 2009, Volume 25, No. 6, Page 3876–3879 wird ein adaptiver Hohlspiegel vorgestellt, der auf einem ähnlichen Prinzip mit der Zugabe von an der Grenzfläche als Schicht selbstausrichtenden Spiegelplättchen („Janus-Tiles”) funktioniert. Commander et al. stellten 1995 auf der EOS Third Microlens Arrays Conference eine feste Linse mit einem Flüssigkristallbereich mit variablen Brechungsindex vor, veröffentlicht unter http://eprints.ucl.ac.uk/2629/ . In the current state of the art, several different embodiments of lenses and variable focal length mirrors are known. One of these lens forms consists of a drop of liquid to which a voltage is applied, whereby this changes its radius of curvature, such. B. published in "Tunable liqid microlens" APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 82, NUMBER 3 20 JANUARY 2003 , In Langmuir 2009, Volume 25, no. 6, Page 3876-3879 An adaptive concave mirror is presented that works on a similar principle with the addition of interfacial as a layer of self-aligning mirror plates ("Janus tiles"). Commander et al. introduced in 1995 at the EOS Third Microlens Arrays Conference a solid lens with a variable refractive index liquid crystal region, published under http://eprints.ucl.ac.uk/2629/ ,

Keiner dem Stand der Technik bekannten Faserapplikatoren verengen über eine Mikrooptik mit variabler Brennweite.None of the prior art known fiber applicators narrow over a micro-optics with variable focal length.

Erfindungsgemäße LösungInventive solution

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur gerichteten Applikation und Detektion von Licht in Hohlräumen oder Lumen. Ebenfalls erfindungsgemäß sind an einem oder beiden Enden der Lichtwellenleitfaser angebrachte Mikrooptiken mit veränderlichen Brennweiten. Adaptive Linsen und/oder Spiegel werden als veränderliche Elemente verwendet. Diese seitlich fokussiert abstrahlenden sowie konfokal detektierenden Faseroptiken eignen sich zur Inspektion von langen Lumen mit kleinster oder variierenden Durchmessern.The invention relates to devices for the directed application and detection of light in cavities or lumens. Also according to the invention are mounted on one or both ends of the optical fiber micro-optics with variable focal lengths. Adaptive lenses and / or mirrors are used as variable elements. These side-focused radiating and confocal-detecting fiber optics are suitable for inspection of long lumens with smallest or varying diameters.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine seitlich fokussiert abstrahlende sowie konfokal detektierende Faseroptik ohne größeren Durchmesser als den der Lichtwellenleitfaser entsteht. Dies wird dadurch erreicht, dass an der Lichtwellenleitfaser zumindest ein Endstück in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser als Hohlspiegel ausgeformt ist, wobei das ausgeformte Faserende mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein kann. Durch geeignete reflektierende Beschichtungen (im einfachsten Fall beispielsweise eine Aluminium-Bedampfung) wird ein hoher Grad an Reflektivität erreicht. Die Verwendung von Beschichtungen erlaubt eine flexiblere Ausformung der Lichtwellenleitfaserendfläche und Auslegung des Strahlenganges, da die Bedingungen für eine Totalreflexion an der Grenzfläche des distalen Lichtwellenleitfaserendes nicht wie in vielen dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen berücksichtigt werden muss. Damit kann die Ausformung des Hohlspiegels rein mit Hinblick auf die geforderte Brennweite, Brennfleckform und dessen Lage gestaltet werden. Durch die Verwendung von Beschichtungen kann die Form des Hohlspiegels durch beinahe jede geometrische Form ersetzt werden wie z. B. Keile, Pyramiden mit und ohne Stufen oder segmentierte Anordnungen, die positiv oder negativ aus mindestens einem Ende der Lichtwellenleitfaser geformt werden. Dies ermöglicht es, einen Brennfleck an der Lichtwellenleitfasermantelfläche zu positionieren, wodurch Lichtwellenleitfasern mit maximal einführbaren Durchmesser in Lumen zum Einsatz kommen, was zu einem höheren Lichtdurchsatz und damit einer besseren Sensitivität der angewendeten Verfahren führt. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Durchmesser der Lichtwellenleitfaser dem Lumen genau angepasst ist, wodurch eine Defokussierung durch ein Entfernen von der Lumenwandung, d. h. aus der Fokuslage des Faserapplikators, vermieden wird.A device according to the invention is characterized in that a laterally focused radiating and confocal-detecting fiber optics without larger diameter than that of the optical waveguide fiber is formed. This is achieved in that at least one end piece is formed on the optical waveguide fiber at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber as a concave mirror, wherein the shaped fiber end can be provided with a reflective coating. By suitable reflective coatings (in the simplest case, for example, an aluminum vaporization), a high degree of reflectivity is achieved. The use of coatings allows more flexible shaping of the optical fiber end face and design of the beam path, since the conditions for total reflection at the interface of the distal optical fiber end need not be considered as in many devices known in the art. Thus, the shape of the concave mirror can be designed purely with regard to the required focal length, focal spot shape and its location. Through the use of coatings, the shape of the concave mirror can be replaced by almost any geometric shape such. B. wedges, pyramids with and without steps or segmented arrangements that are positively or negatively formed from at least one end of the optical fiber. This makes it possible to position a focal spot on the optical waveguide cladding surface, whereby optical fibers with a maximum insertable diameter in lumens are used, which leads to a higher light throughput and thus a better sensitivity of the methods used. Furthermore, it is advantageous if the diameter of the optical fiber is precisely adapted to the lumen, whereby a defocusing by removal from the lumen wall, d. H. from the focal position of the fiber applicator is avoided.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Vorrichtung ist mindestens ein Lichtwellenleitfaserende als Zylinderlinse ausgeformt, wobei die Lichtwellenleitfasermantelfläche als zweite orthogonal dazu stehende Linse dient. So entsteht eine anamorphotische Abbildung, wie durch gekreuzte Zylinderlinsen. Werden beide Brennweiten auf den gleichen Punkt gelegt, ist aus dem gemeinsamen Brennfleck eine effiziente Ein- und Auskopplung möglich.In a further embodiment of the device according to the invention, at least one optical fiber end is formed as a cylindrical lens, the optical fiber cladding surface serving as a second orthogonal lens. The result is an anamorphic image, such as through crossed cylindrical lenses. If both focal lengths are set to the same point, an efficient coupling and decoupling is possible from the common focal spot.

Die oben genannten, erfindungsgemäßen Vorrichtungen können, da die Optik aus der Lichtwellenleitfaser selbst geformt ist, schnell, kostengünstig und gut reproduzierbar an mehreren Lichtwellenleitfaserendflächen gleichzeitig, vor einem eventuellen Beschichten, in einer oder mehreren Polier- oder Präge-Formen gefertigt werden. Die Lichtwellenleitfasern können hier aus Polymer oder Glasmaterialien bestehen. Zur Herstellung der Optik ist außer dem Beschichtungsmaterial kein weiteres Fremdmaterial nötig, das eine potentiellen Fehlerquelle, z. B. durch störende Absorption oder Eigenfluoreszenz, darstellen könnte.The above-mentioned devices according to the invention, since the optics are formed from the optical fiber itself, can be manufactured quickly, inexpensively and reproducibly on several optical fiber end surfaces simultaneously, before any coating, in one or more polishing or embossing molds. The optical fibers may consist of polymer or glass materials here. For the production of the optics, no further foreign material is required except the coating material, which is a potential source of error, eg. B. by disturbing absorption or autofluorescence, could represent.

Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtwellenleitfasermantelfläche im Bereich des Strahlungsdurchtritts in einer oder zwei Ebenen definiert gekrümmt ist, so dass eine zusätzliche Linsenwirkung entsteht. Dadurch wird der Brennfleck des seitlich ausgekoppelten Lichtes zusätzlich geformt und somit der Abstand des Brennflecks von der Lichtwellenleitfaser eingestellt. Bei Nutzung einer so aufgebauten Mikrooptik zur Einkopplung von Licht, wird das von der Lichtquelle emittierte Licht effizient in die Lichtwellenleitfaser eingekoppelt. Durch Krümmung der Lichtwellenleitfasermantelfläche nur in einer Ebene senkrecht zur Achse der Lichtwellenleitfaser wird eine Zylinderlinse ausgeformt, deren Brennlinie mit einstellbarem Abstand parallel zur Achse der Lichtwellenleitfaser liegt.A further device according to the invention is characterized in that the optical waveguide cladding surface is curved in a defined manner in one or two planes in the region of the radiation passage, so that an additional lens effect is produced. As a result, the focal spot of the laterally decoupled light is additionally shaped and thus set the distance of the focal spot of the optical waveguide. When using such a built micro-optics for coupling light, the light emitted by the light source is efficiently coupled into the optical fiber. Due to the curvature of the optical waveguide cladding surface only in a plane perpendicular to the axis of the optical waveguide fiber, a cylindrical lens is formed whose focal line is at an adjustable distance parallel to the axis of the optical waveguide fiber.

Ein weiteres Bearbeitungsverfahren zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass auf eine Oberfläche der Lichtwellenleiterfaser ein Laserstrahl gerichtet wird. Die mit ultra-kurzen Laserimpulsen erzielbare hohe Leistungsdichte des Laserstrahls induziert am definierten Ort im Material eine lokale Energieeinwirkung. Abhängig von der Materialkombination und der Leistungsdichte des Laserstrahls kann so am definierten Ort ein gezieltes Abtragen von Material erzielt werden. Eine Leistungsdichte ab ca. 10¹⁰ W/cm² bewirkt eine effiziente Einkopplung der Laserenergie überwiegend über nicht-lineare optische Effekte der Multiphotonen-Absorption, Tunnel- und Kaskaden-Ionisation. Diese Grenze der Leistungsdichte wird bei der Fokussierung von Laserstrahlung mit Laserimpulsen von 1 ns bereits mit Einzelpulsenergie unter 10 nJ erreicht. Dieses Bearbeitungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es insbesondere für Lichtwellenleiter aus Glas oder aus Polymer geeignet ist. Another processing method for producing a device according to the invention is characterized in that a laser beam is directed onto a surface of the optical waveguide fiber. The achievable with ultra-short laser pulses high power density of the laser beam induced at the defined location in the material, a local energy impact. Depending on the material combination and the power density of the laser beam, targeted removal of material can be achieved at the defined location. A power density from about 10 ¹⁰ W / cm ² causes an efficient coupling of the laser energy predominantly via non-linear optical effects of multiphoton absorption, tunneling and cascade ionization. This power density limit is already achieved with single-pulse energy below 10 nJ when laser radiation with laser pulses of 1 ns is focused. This processing method is characterized in that it is particularly suitable for optical fibers made of glass or polymer.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß der Lichtwellenleitfasermantel definiert ausgeformt wird, nachdem ein Endstück der Lichtwellenleitfaser in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser so bearbeitet ist, dass das im Lichtwellenleitfaserkern propagierende Licht durch die bearbeitete Mantelfläche geleitet wird. Auch ist es erfindungsgemäß, dass das ausgeformte Faserende ein zylindrischer Hohlspiegel ist, wobei das ausgeformte Faserende eine Zylinderlinse in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausbildet, und in Kombination mit der bearbeiteten Lichtwellenleitfaserwand einen gemeinsamen Brennfleck, wie durch gekreuzte Zylinderlinsen, erzeugt.The object is achieved by a method of the type mentioned in that according to the invention the Lichtwellenleitfasermantel defined is formed after an end of the optical fiber is processed at an angle to the longitudinal axis of the optical fiber so that the light propagating in Lichtwellenleitfaserkern light is passed through the machined lateral surface. It is also according to the invention that the shaped fiber end is a cylindrical concave mirror, wherein the shaped fiber end forms a cylindrical lens at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide, and in combination with the processed optical waveguide fiber wall creates a common focal spot, such as by crossed cylinder lenses.

Durch das oben genannte Verfahren kann für eine bessere seitlich fokussiert abstrahlende sowie konfokal detektierende Faseroptik die durchstrahlte Mantelflächen zusätzlich ausgeformt oder abgetragen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren, wird mit einem Laser geeigneter Pulslänge durchgeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegen die Laserimpulsdauern zwischen 0,1 und 50 ps. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Fokussierung des Laserlichtes mit Hilfe eines Mikroskopobjektivs in einem Winkel von 90° zur Achse der Lichtwellenleitfaser so, dass die Laserstrahlung durch den Fasermantel auf die Grenzfläche zum Faserkern auftrifft und der Fasermantel gezielt abgetragen werden kann. Andere Ausführungsformen der Laserstrahlführung sind denkbar, z. B. andere Winkel, Einsatz von Immersionsflüssigkeiten, andere Fokussierungshilfen (Spiegeloptik); Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine für die Plasmaentstehung ausreichende Leistungsdichte an definierten Orten der Lichtwellenleitfaser. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hängt die Anordnung und Struktur der Modifikationen der Lichtwellenleitfaser von den gewünschten Eigenschaften der Mikrooptik ab. So ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, die Modifikationen an beliebiger Stelle und in beliebiger Form als Brechungsindexänderung auszuführen.As a result of the abovementioned method, the irradiated lateral surfaces can be additionally shaped or removed for a better laterally focused emission and confocal detection of fiber optics. The method according to the invention is carried out with a laser of suitable pulse length. In a further preferred embodiment, the laser pulse durations are between 0.1 and 50 ps. In a preferred embodiment, the focusing of the laser light with the aid of a microscope objective at an angle of 90 ° to the axis of the optical waveguide fiber so that the laser radiation impinges through the fiber cladding on the interface with the fiber core and the fiber cladding can be selectively removed. Other embodiments of the laser beam guide are conceivable, for. Other angles, use of immersion liquids, other focusing aids (mirror optics); Decisive for the method according to the invention is a power density sufficient for plasma formation at defined locations of the optical waveguide fiber. In the method according to the invention, the arrangement and structure of the modifications of the optical waveguide depends on the desired properties of the micro-optics. Thus, in one embodiment of the invention, it is intended to carry out the modifications at any position and in any desired form as refractive index change.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Brennweite durch mindestens ein veränderliches Element an mindestens einem Ende der Lichtwellenleitfaser variabel ist. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass Applikatoren mit einer veränderlichen Brennweite ein breiteres Anwendungsfeld abdecken und bei Nutzung in den einzelnen Anwendungsgebieten flexibler sind. Durch die verwendeten erfindungsgemäßen Faseroptiken ist durch Miniaturisierung die Erweiterung der Anwendungsbereiche optischer Verfahren z. B. zur Kontaminationskontrolle möglich.A further embodiment of the device according to the invention is characterized in that the focal length is variable by at least one variable element at at least one end of the optical waveguide fiber. The advantages achieved with the device according to the invention are, in particular, that applicators with a variable focal length cover a broader field of application and are more flexible when used in the individual fields of application. Due to the fiber optics of the invention used by miniaturization, the extension of the application of optical methods z. B. possible for contamination control.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass an der Lichtwellenleitfaser zumindest ein Endstück in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt ist, wobei das ausgeformte Faserende mit einem reflektierenden Beschichtung versehen sein kann, damit Licht auf ein an der Seitenfläche der Lichtwellenleitfaserwand befestigtes veränderliches Element geleitet wird. Eine plane Fläche an mindestens einem Ende der Lichtwellenleitfaser kann derart in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt werden, dass an ihrer Grenzfläche Totalreflexion auftritt. Durch Unterschreiten des Winkels ε_g wird gezielt nur ein bestimmter Anteil des in der Lichtwellenleitfaser propagierenden Lichts ausgekoppelt, durch einen größeren Winkel als ε_g wird der Austrittswinkel des Lichtes aus der Lichtwellenleitfaser variiert. Wie schon oben beschrieben kann auch bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform, durch die Verwendung von Beschichtungen, die Form der planen Fläche durch beinahe jede geometrische Form, die positiv oder negativ gekrümmt und aus mindestens einem Ende der Lichtwellenleitfaser geformt wird, ersetzt werden.A further embodiment of the device according to the invention is characterized in that at least one end piece is formed on the optical waveguide at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber, wherein the formed fiber end may be provided with a reflective coating, so that light on a fixed to the side surface of the optical waveguide fiber wall variable element is passed. A planar surface at at least one end of the optical waveguide fiber may be formed at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide such that total reflection occurs at its interface. By dropping below the angle ε _g , only a certain portion of the light propagating in the optical waveguide is intentionally coupled out; by a larger angle than ε _g , the exit angle of the light from the optical waveguide fiber is varied. As described above, also in this embodiment of the invention, by the use of coatings, the shape of the planar surface can be replaced by almost any geometric shape that is positively or negatively curved and formed from at least one end of the optical fiber.

Auch ist es eine erfindungsgemäße Vorrichtung, dass an mindestens einem Ende der Lichtwellenleitfaser mindestens ein veränderliches Element positioniert ist, wodurch das in der Lichtwellenleitfaser propagierende Licht auf mindestens ein weiteres an der Seitenfläche der Lichtwellenleitfaser positioniertes veränderliches Element gelenkt wird.It is also a device according to the invention that at least one variable element is positioned at at least one end of the optical waveguide, whereby the light propagating in the optical waveguide fiber is directed to at least one further variable element positioned on the side surface of the optical waveguide fiber.

Es besteht durch die oben genannten erfindungsgemäßen Vorrichtungen die Möglichkeit, einen Applikator in verschiedenen Lumina mit unterschiedlichen Durchmessern oder in einem Lumen mit variierendem Durchmesser einzusetzen. Eine gerichtet und fokussierte, seitliche Anwendung von Licht führt dazu, dass zum einen anstatt einer Vielzahl von Applikatoren für verschiedene Lumina mit unterschiedlichen Durchmessern, nur ein einzelner Applikator ausreichend ist, und zum anderen, dass es möglich ist, Licht gerichtet und fokussiert, seitlich von einer (Lumen-)Oberfläche mit variablem Durchmesser aus- und/oder einzukoppeln. Eine Defokussierung, durch ein Entfernen von der Lumenwandung, d. h. aus der Fokuslage des Applikators, kann mit Hilfe einfacher Programme automatisch ausgeglichen werden (Autofokus, z. B. über die Maximierung der Intensität des rückgestrahlten Lichtanteils).It is possible by means of the abovementioned devices according to the invention to use an applicator in different lumens with different diameters or in a lumen with a varying diameter. A directed and focused, lateral application of light, on the one hand, that instead of a plurality of applicators for different lumens of different diameters, only a single applicator is sufficient, and on the other hand that it is possible to direct and focus light, to the side of one (Lumen) surface with variable diameter out and / or to couple. Defocusing, by removal from the lumen wall, ie from the focus position of the applicator, can be automatically compensated with the aid of simple programs (autofocus, eg by maximizing the intensity of the reflected light component).

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das veränderliche Element aus einer Linse besteht, die in Flüssigkristall eingebettet ist, wobei der Brechungsindex des Flüssigkristalls durch das Anlegen einer elektrischen Spannung variiert wird. Je nachdem ob die Ausformung der Linse konkav oder konvex ist hat das veränderliche Element eine variable negative oder positive Brennweite. Die Linse kann aus der Lichtwellenleitfaser oder aus einem aufgebrachten Fremdmaterial geformt sein; Es ist auch erfindungsgemäß, dass sie bereits im veränderlichen Element integriert ist.A further embodiment of the device according to the invention is characterized in that the variable element consists of a lens which is embedded in liquid crystal, wherein the refractive index of the liquid crystal is varied by the application of an electrical voltage. Depending on whether the shape of the lens is concave or convex, the variable element has a variable negative or positive focal length. The lens may be formed of the optical fiber or an applied foreign material; It is also according to the invention that it is already integrated in the variable element.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das veränderliche Element eine Flüssiglinse aus mindestens zwei sich nicht mischenden Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Brechzahlen und elektrischen Eigenschaften besteht, wobei die Krümmung der Grenzfläche durch das Anlegen einer elektrischen Spannung variiert wird. An der Grenzfläche zwischen den zwei Flüssigkeiten kann mindestens ein reflektierendes Material positioniert sein. Dieses veränderliche Element ermöglicht eine gerichtete, fokussierte oder aufgeweitete Auskopplung von Licht aus der Lichwellenleitfaser. Bei Flüssiglinsen die aus mindestens zwei nicht mischenden Flüssigkeiten von möglichst gleicher spezifischer Dichte (lageunabhängiger Betrieb), unterschiedlichen Brechzahlen und elektrischen Eigenschaften bestehen, reicht die Brennweite vom negativen bis in den positiven Bereich an einem gegebenen veränderlichen Element. Ein veränderlicher Spiegel (Flüssiglinse mit reflektierendem Material an der Grenzfläche) kann sich konvex, plan und konkav ausformen. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich durch eine Ansteuerung der elektrisch veränderlichen Elemente aus. Die veränderlichen Elemente werden z. B. durch leitende Ummantelungen (260) der Lichtwellenleitfasern angesteuert. Auch ist es erfindungsgemäß, dünne Drähte an der Lichtwellenleitfaser anzubringen oder Schutzummantelungen (570) mit integrierten elektrischen Leitern zu verwenden.Another embodiment of the device according to the invention is characterized in that the variable element consists of a liquid lens of at least two non-mixing liquids with different refractive indices and electrical properties, wherein the curvature of the interface is varied by the application of an electrical voltage. At least one reflective material may be positioned at the interface between the two liquids. This variable element allows directional, focused or expanded outcoupling of light from the Lichwellenleitfaser. In liquid lenses consisting of at least two non-mixing liquids of the same specific density (position-independent operation), different refractive indices and electrical properties, the focal length ranges from the negative to the positive range at a given variable element. A variable mirror (liquid lens with reflective material at the interface) may be convex, plane and concave. An embodiment of the device according to the invention is characterized by a control of the electrically variable elements. The variable elements are z. B. by conductive sheaths ( 260 ) of the optical fibers. It is also according to the invention to attach thin wires to the optical fiber or protective sheaths ( 570 ) with integrated electrical conductors.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das veränderliche Element eine Grenzfläche aus einem flexiblen Material hat, welches transparent oder reflektierend ist, wobei die Krümmung des flexiblen Materials durch Variation eines Fluid- oder Gasdrucks geändert wird. Dies ermöglicht, eine variable, gerichtete und fokussierte Anwendung von Licht ohne elektrische Bauelemente am Applikator. Geeignete Fluide können gleichzeitig zur Kühlung des flexiblen Materials genutzt werden. Die erfindungsgemäße Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Gas oder Fluid durch Kapillare zum veränderlichen Element geleitet wird, oder eine zweite geeignete Lichtwellenlänge in der Faser propagiert, die bei dem flexiblen Material, Gas oder Fluid zu einer Erwärmung führt, wodurch sich die Krümmung der Oberfläche ändert.A further embodiment of the device according to the invention is characterized in that the variable element has an interface of a flexible material which is transparent or reflective, the curvature of the flexible material being altered by variation of a fluid or gas pressure. This allows a variable, directional and focused application of light without electrical components to the applicator. Suitable fluids can be used simultaneously for cooling the flexible material. The embodiment of the device according to the invention is characterized in that a gas or fluid is conducted through capillaries to the variable element, or propagates a second suitable wavelength of light in the fiber, which leads to heating in the flexible material, gas or fluid, whereby the Curvature of the surface changes.

In den erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden die veränderlichen Elemente durch Kleben, Stecken oder Schmelzen direkt an der Lichtwellenleitfaser zu befestigen. Weiterhin ist es erfindungsgemäß, die Mikrooptiken in separaten Halterungen (im folgenden Vorsatz genannt) zu fertigen und sie mit einer der oben genannten Möglichkeiten an der Lichtwellenleitfaser zu befestigen.In the embodiments of the invention, the variable elements are attached by gluing, plugging or melting directly to the optical fiber. Furthermore, it is according to the invention, the micro-optics in separate holders (hereinafter referred to intent) to manufacture and attach them with one of the above options on the optical fiber.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform wird in der Längsachse der Lichtwellenleitfaser Material in Form eines Kegels mit einem Öffnungswinkel (α) (etwa 90° beim Übergang von SiO₂ zu Luft) entfernt, wobei α so zu wählen ist, dass α kleiner als der doppelte Winkel ε_g ist. Andere Winkel ergeben sich daher bei Einsatz des Faserapplikators eingetaucht in Wasser oder spezielle Fluide. Das in der Lichtwellenleitfaser geführte Licht wird orthogonal (radial) zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgekoppelt. Durch ein ringförmiges veränderliches Element bildet sich ein radialer (360° umschließender) Fokus mit einer variablen Brennweite bevorzugt in 90° zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser. Wird die Lichtwellenleitfaser in ein Lumen eingeführt ist die Lumenwand am distalen Ende mit einem Ring (dünner Streifen) beleuchtet. Reflektiertes, von Fluoreszenz oder durch Raman-Prozesse isotrop von der Lumenwand abgestrahltes Licht wird mit einer hohen Effizienz von der gleichen beleuchteten Stelle seitlich in das distale Ende der Lichtwellenleitfasereingekoppelt. Die Kombination der Aus- und Einkoppeleigenschaften dieser Ausführungsform ermöglicht hoch sensitive, radial wirkende, konfokale Spektroskopie in Lumen mit der Möglichkeit, gezielt hohe Lichtintensitäten an die Stelle der Detektion zu fokussieren.A further embodiment according to the invention is in the longitudinal axis of the optical waveguide material in the form of a cone with an opening angle (α) (about 90 ° in the transition from SiO ₂ to air) removed, where α is to be chosen so that α is smaller than twice the angle ε _g is. Other angles therefore result when using the fiber applicator dipped in water or special fluids. The light guided in the optical waveguide light is coupled out orthogonally (radially) to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber. By means of an annular variable element, a radial (360 ° enclosing) focus with a variable focal length preferably forms at 90 ° to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber. When the optical fiber is inserted into a lumen, the lumen wall at the distal end is illuminated with a ring (thin strip). Reflected light radiated isotropically from the lumen wall by fluorescence or by Raman processes is laterally coupled into the distal end of the optical fiber with high efficiency from the same illuminated location. The combination of the coupling-in and coupling-in properties of this embodiment enables highly sensitive, radially acting, confocal spectroscopy in lumens with the possibility of specifically focusing high light intensities on the place of the detection.

Beschreibung der Zeichnungen Description of the drawings

1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Lichtwellenleitfaser, an der ein Endstück als Hohlspiegel ausgeformt ist. 1 shows a three-dimensional representation of an optical waveguide on which an end piece is formed as a concave mirror.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, einen Längsschnitt einer Lichtwellenleitfaser, an der ein Endstück als Hohlspiegel ausgeformt und mit einem reflektierenden Material beschichtet ist. 2 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, a longitudinal section of an optical waveguide on which an end piece is formed as a concave mirror and coated with a reflective material.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, einen Querschnitt (A-A 2) einer Lichtwellenleitfaser, an der ein Endstück als Hohlspiegel ausgeformt und mit einem reflektierenden Material beschichtet ist. 3 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, a cross section (AA 2 ) of an optical fiber, on which an end piece is formed as a concave mirror and coated with a reflective material.

4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, eine Lichtwellenleitfaser, an der ein Endstück als zylindrischen Hohlspiegel in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt ist. 4 shows a three-dimensional view of a preferred embodiment of the invention, an optical waveguide on which an end piece is formed as a cylindrical concave mirror at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, einen Längsschnitt einer Lichtwellenleitfaser an der ein Endstück als zylindrischen Hohlspiegel in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt und mit einem reflektierenden Material beschichtet ist. 5 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, a longitudinal section of an optical waveguide on which an end piece is formed as a cylindrical concave mirror at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide and coated with a reflective material.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, einen Querschnitt (B-B 4) einer Lichtwellenleitfaser, an der ein Endstück als zylindrischer Hohlspiegel in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt und mit einem reflektierenden Material beschichtet ist. 6 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, a cross section (BB 4 ) an optical waveguide fiber on which an end piece is formed as a cylindrical concave mirror at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber and coated with a reflective material.

7 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, einen Querschnitt (B-B 4) einer Lichtwellenleitfaser, an der ein Endstück als zylindrischen Hohlspiegel in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt, mit einem reflektierenden Material beschichtet ist und zusätzlich die Krümmung der Lichtwellenleitfasermantelfläche im Bereich des Strahlungsdurchtritts in Richtung einer kürzeren Brennweite angepasst ist. 7 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, a cross section (BB 4 ) of an optical waveguide fiber on which an end piece is formed as a cylindrical concave mirror at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber, coated with a reflective material and in addition the curvature of the optical waveguide cladding surface is adapted in the region of the radiation passage in the direction of a shorter focal length.

8 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, einen Querschnitt einer Lichtwellenleitfaser, an der ein Endstück als Hohlspiegel in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt, mit einem reflektierenden Material beschichtet ist und zusätzlich die Krümmung der Lichtwellenleitfasermantelfläche im Bereich des Strahlungsdurchtritts in Richtung einer längeren Brennweite angepasst ist. 8th shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, a cross section of an optical waveguide on which an end piece is formed as a concave mirror at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide fiber, coated with a reflective material and in addition the curvature of the optical waveguide cladding surface in the region of the radiation passage in the direction of a longer Focal length is adjusted.

9 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, eine Lichtwellenleitfaser mit einem veränderlichen Element an einem Endstück, bestehend aus einer Linse, die in Flüssigkristall eingebettet ist, wobei der Brechungsindex des Flüssigkristalls durch das Anlegen einer elektrischen Spannung variiert wird. 9 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, an optical waveguide with a variable element at an end piece, consisting of a lens which is embedded in liquid crystal, wherein the refractive index of the liquid crystal is varied by the application of an electrical voltage.

10 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, eine Lichtwellenleitfaser mit elektrisch leitender Ummantelung im Querschnitt (C-C von 9). 10 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, an optical waveguide fiber with electrically conductive sheath in cross-section (CC of 9 ).

11 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, eine Lichtwellenleitfaser mit elektrisch leitender Ummantelung im Querschritt (C-C von 9). 11 shows a schematic representation of another preferred embodiment of the invention, a fiber optic cable with electrically conductive sheath in the transverse step (CC of 9 ).

12 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei an der Lichtwellenleitfaser ein Endstück in einem Winkel zur optischen Achse der Lichtwellenleitfaser ausgeformt ist, wobei das ausgeformte Faserende mit einer reflektierenden Beschichtung versehen ist, wodurch das in der Lichtwellenleitfaser propagierende Licht auf ein an der Mantelfläche der Lichtwellenleitfaser angebrachtes, veränderliches Element, bestehend einer Flüssiglinse mit zwei sich nicht mischenden, für die Strahlung transparenten Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Brechzahlen und elektrischen Eigenschaften, wobei die Krümmung der Grenzfläche durch das Anlegen einer elektrischen Spannung variiert, gelenkt wird. 12 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, wherein on the optical fiber an end piece is formed at an angle to the optical axis of the optical waveguide fiber, wherein the molded fiber end is provided with a reflective coating, whereby the light propagating in the optical fiber to a on the lateral surface the optical waveguide attached variable element consisting of a liquid lens with two non-mixing, transparent to the radiation liquids having different refractive indices and electrical properties, wherein the curvature of the interface varies by the application of an electrical voltage is steered.

13 zeigt die Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform, den in 40 angegebenen Querschnitt D-D. 13 shows the representation of a preferred embodiment, the in 40 specified cross-section DD.

14 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei an der Lichtwellenleitfaser ein Endstück in einem Winkel zur optischen Achse der Lichtwellenleitfaser mit einem veränderlichen Element angebracht ist, wodurch das in der Lichtwellenleitfaser propagierende Licht auf ein an der Mantelfläche der Lichtwellenleitfaser positioniertes weiteres veränderliches Element gelenkt wird. 14 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, wherein on the optical fiber an end piece at an angle to the optical axis of the optical waveguide with a variable element is mounted, whereby the light propagating in the optical waveguide light directed to a positioned on the lateral surface of the optical fiber further variable element becomes.

15 zeigt die Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform, den in 50 angegebenen Querschnitt E-E. 15 shows the representation of a preferred embodiment, the in 50 specified cross section EE.

16 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei an der Lichtwellenleitfaser ein Vorsatz mit integrierter Mikrooptik befestigt ist. 16 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, wherein attached to the optical fiber, a header with integrated micro-optics.

17 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei an der Lichtwellenleitfaser an einem Endstück ein reflektierendes Bauteil in Kegelform angebracht ist, bzw. Material unter Unterschreiten des Grenzwinkels ε_g für eine Totalreflexion entfernt ist, wodurch das in der Lichtwellenleitfaser propagierende Licht auf ein an der Mantelfläche der Lichtwellenleitfaser positioniertes, veränderliches Element gelenkt wird. 17 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, wherein on the optical fiber at one end a reflective component is mounted in cone form, or material is removed below the critical angle ε _g for total reflection, whereby the light propagating in the optical fiber on a the lateral surface of the optical fiber positioned, variable element is directed.

18 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, den in 70 angegebenen Querschnitt E-E. 18 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the invention, the in 70 specified cross section EE.

Eine erfindungsgemäße Ausührungsform ist in 1, 11 und 12 gezeigt. Das im Lichtwellenleiter propagierende Licht ist hier idealisiert durch Lichtstrahlen dargestellt, die sich parallel zur Lichtwellenleitfaserachse ausrichten. Die grundsätzlichen Überlegungen gelten aber auch für Lichtwellenleitfasern mit reeller Lichtpropagation, die unter einem Winkel zur Lichtwellenleitfaserachse erfolgt. Die Lichtwellenleitfaser (200) mit integrierter Faseroptik ist an einem Faserende wie ein Hohlspiegel (120) ausgeformt und reflektierend beschichtet (270). 2 zeigt in einem Längsschnitt das im Kern (240) popagierende Licht (280), wie es gerichtet und fokussiert seitlich auf einen Brennfleck (190), der eine räumliche Ausdehnung besitzt, am äußeren Rand der Lichtwellenleitfasermantelfläche (150) ausgekoppelt und/oder von dort eingekoppelt wird, ohne das die Faseroptik den Durchmesser (215) der Lichtwellenleitfaser (200) überschreitet. In 3 ist in einem Querschnitt (Schnitt A-A von 2) der Lichtwellenleitfaser zu sehen, wie das Licht allein durch die Ausformung in Hohlspiegelform in den Brennfleck gelenkt wird.An embodiment of the invention is in 1 . 11 and 12 shown. The propagating light in the optical waveguide is here idealized represented by light rays, which align themselves parallel to the optical fiber axis. However, the basic considerations also apply to optical fibers with real light propagation, which takes place at an angle to the optical fiber axis. The optical fiber ( 200 ) with integrated fiber optics is at a fiber end like a concave mirror ( 120 ) formed and reflective coated ( 270 ). 2 shows in a longitudinal section that in the core ( 240 ) populating light ( 280 ), as it focuses and focuses laterally on a focal spot ( 190 ), which has a spatial extent, at the outer edge of the optical waveguide jacket surface ( 150 ) is coupled and / or coupled from there, without the fiber optic diameter ( 215 ) of the optical fiber ( 200 ) exceeds. In 3 is in a cross section (section AA of 2 ) of the optical fiber to see how the light is directed solely by the formation in concave mirror shape in the focal spot.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung einer Faseroptik mit fester Brennweite ist in 4, 21 und 22 gezeigt. 4 ist eine dreidimensionale Darstellung. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Faserende zu einem zylindrischer Hohlspiegel (220) ausgeformt und reflektierend beschichtet (270) (z. B. mit Aluminium), wobei das ausgeformte Faserende eine Zylinderlinse mit Krümmung orthogonal zur Längsachse (230) der Lichtwellenleitfaser ausbildet. Diese Zylinderlinse (220) erzeugt in Kombination mit der Lichtwellenleitfaserwand (221) (z. B. Mantel (250)) einen Brennfleck (290) wie durch gekreuzte Zylinderlinsen. 5 zeigt einen Längsschnitt der Ausführungsform. Das durch die Lichtwellenleitfaser (200) propagierende Licht (280) wird an der Beschichtung (270) des zylindrischen Hohlspiegels (220) gebündelt, reflektiert und durch den Lichtwellenleitfasermantel (250) geleitet. Der in 6 dargestellte Schnitt A-A von 5 zeigt, wie das in der Lichtwellenleitfaser (200) propagierende Licht (280) an der Beschichtung (270) reflektiert wird. Das Licht (271) wird durch den optischen Mantel (250) zur Lichtwellenleitfaserwand (210) geleitet, dort gebrochen und in einem Brennfleck (290) fokussiert. Die in 7 und 8 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsformen zeigen zusätzlich eine Bearbeitung des optischen Mantels (250) der Lichtwellenleitfaser. In 7 ist Mantelfläche (221) gezielt so entfernt worden, dass der verbleibende Teil eine zusätzliche Linsenwirkung mit kurzer Brennweite ausbildet. Dadurch wird der Arbeitsabstand für den Brennfleck (290) des seitlich ausgekoppelten Lichtes verringert, wodurch bei Nutzung einer so aufgebauten Mikrooptik Lichtwellenleitfasern mit einem größeren Durchmesser (215) eingesetzt werden können. Die in 8 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsform vergrößert den Arbeitsabstand der Mikrooptik dadurch, dass der optische Mantel (250) der Lichtwellenleitfaser im Bereich des Lichtdurchtrittes durch das Abtragen abgeflacht wird. Ein größer Arbeitsabstand ist für Anwendungen bei denen es zu einer Kontamination der Mikrooptik kommen kann, von großem Nutzen.Another embodiment of a fiber optic with fixed focal length according to the invention is shown in FIG 4 . 21 and 22 shown. 4 is a three-dimensional representation. In this embodiment of the invention, the fiber end to a cylindrical concave mirror ( 220 ) formed and reflective coated ( 270 ) (eg with aluminum), the shaped fiber end having a cylindrical lens with curvature orthogonal to the longitudinal axis (FIG. 230 ) of the optical fiber is formed. This cylindrical lens ( 220 ) in combination with the optical fiber wall ( 221 ) (eg coat ( 250 )) a focal spot ( 290 ) like crossed cylinder lenses. 5 shows a longitudinal section of the embodiment. That through the optical fiber ( 200 ) propagating light ( 280 ) is applied to the coating ( 270 ) of the cylindrical concave mirror ( 220 ), reflected and through the fiber optic cable jacket ( 250 ). The in 6 illustrated section AA of 5 shows how that works in the optical fiber ( 200 ) propagating light ( 280 ) on the coating ( 270 ) is reflected. The light ( 271 ) is through the optical sheath ( 250 ) to the fiber optic wall ( 210 ), broken there and in a focal spot ( 290 ) focused. In the 7 and 8th embodiments of the invention shown additionally show a processing of the optical jacket ( 250 ) of the optical fiber. In 7 is lateral surface ( 221 ) was deliberately removed so that the remaining part forms an additional lens effect with a short focal length. This will increase the working distance for the focal spot ( 290 ) of the laterally decoupled light, whereby when using a micro-optics thus constructed, optical fibers with a larger diameter ( 215 ) can be used. In the 8th embodiment of the invention shown increases the working distance of the micro-optics in that the optical sheath ( 250 ) of the optical waveguide is flattened in the region of the light passage through the ablation. A long working distance is of great benefit for applications where micro-optic contamination may occur.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung ist in 9 im Längsschnitt gezeigt. An einer Lichtwellenleitfaser wird an einem Endstück ein veränderlichen Element, bestehend aus einem elektrisch nicht leitendem Gehäuse (325), in dem eine Linse (320) sitzt, die in einem Flüssigkristall (323) eingebettet ist, und das z. B. mit optischem Kleber (321) befestigt ist. Der Brechungsindex des Flüssigkristalls (323) wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung variiert, wodurch sich die Brennweite der Mikrooptik ändert. Die elektrische Ansteuerung des veränderlichen Elements erfolgt z. B. über elektrisch leitende Lichtwellenleitfaserummantelungen (360 und 361) die, wie in 10 und schematisch in 11 als Schnitt C-C von 9 gezeigt, an zwei Stellen (362) entlang der Längsachse der Lichtwellenleitfaser separiert sind. Die elektrische Spannung wird über leitfähige Verbindungen (324) z. B. durch ITO-Schichten (322) an den Flüssigkristall angelegt. Damit das veränderliche Element gezielt angesteuert werden kann, wird an einem Ende einer ITO-Schicht (322) ein Isolator (326) eingefügt.Another embodiment of the invention is in 9 shown in longitudinal section. On an optical fiber is at one end a variable element consisting of an electrically non-conductive housing ( 325 ), in which a lens ( 320 ) sitting in a liquid crystal ( 323 ) is embedded, and the z. B. with optical adhesive ( 321 ) is attached. The refractive index of the liquid crystal ( 323 ) is varied by the application of an electrical voltage, which changes the focal length of the micro-optics. The electrical control of the variable element is z. B. over electrically conductive Lichtwellenleitfaserummantelungen ( 360 and 361 ), as in 10 and schematically in 11 as a section CC of 9 shown in two places ( 362 ) are separated along the longitudinal axis of the optical fiber. The electrical voltage is transmitted via conductive connections ( 324 ) z. By ITO layers ( 322 ) is applied to the liquid crystal. So that the variable element can be targeted, one end of an ITO layer ( 322 ) an insulator ( 326 ).

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit seitlich gerichteter Abstrahlung und variabler Brennweite ist in 12 beschrieben. Ein Endstück der Lichtwellenleitfaser wird in einem definierten Winkel (hier 45°) zur optischen Achse der Lichtwellenleitfaser als plane Fläche (420) ausgeformt, wobei das ausgeformte Faserende mit einer reflektierenden Beschichtung (270) versehen ist. Das in der Lichtwellenleitfaser propagierende Licht wird so auf ein an der Lichtwellenleitfasermantelfläche angebrachtes veränderliches Element, bestehend aus zwei transparenten Fenstern (425), elektrischen Kontakten (422) an den Seitenflächen mit dazwischen liegender Isolatorschicht (423) und einer Flüssiglinse mit zwei sich nicht mischenden Flüssigkeiten (431 und 432), gelenkt. Das Licht trifft auf transparente Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Brechzahlen und elektrischen Eigenschaften, wobei die Krümmung der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten durch das Anlegen einer elektrischen Spannung variiert wird, und so die Brennweite des veränderlichen Elements eingestellt wird. Eine elektrische Ansteuerung des veränderlichen Elementes geschieht wie in 41, Schnitt D-D von 12, gezeigt auf ähnliche Weise, wie oben (9 ff) beschrieben über elektrische Lichtwellenleitfaserummantelungen (360 und 361). Der Querschnitt zeigt schematisch die Befestigung mit Kleber (421) und die genaue Ansteuerung über die elektrischen Kantakte (422).An inventive embodiment with laterally directed radiation and variable focal length is in 12 described. An end piece of the optical waveguide fiber is at a defined angle (in this case 45 °) to the optical axis of the optical waveguide as a plane surface ( 420 ), wherein the molded fiber end with a reflective coating ( 270 ) is provided. The light propagating in the optical waveguide is thus applied to a variable element attached to the optical waveguide cladding surface, consisting of two transparent windows (FIG. 425 ), electrical contacts ( 422 ) on the side surfaces with intervening insulator layer ( 423 ) and a liquid lens with two non-mixing liquids ( 431 and 432 ), steered. The light strikes transparent liquids with different refractive indices and electrical properties, the curvature of the interface between the two liquids being varied by the application of an electrical voltage, thus adjusting the focal length of the variable element. An electrical control of the variable element happens as in 41 , Section DD of 12 shown in a similar manner as above ( 9 ff) described over electrical optical fiber sheaths ( 360 and 361 ). The cross-section shows schematically the attachment with adhesive ( 421 ) and the exact control via the electrical cadence ( 422 ).

Die in 14 gezeigte, erfindungsgemäße Ausführungsform zeichnet sich durch zwei veränderliche Elemente an einem Ende der Lichtwellenleitfaser aus. Durch die Kombination von zwei veränderlichen Elementen ist eine flexiblere Gestaltung des Strahlenganges außerhalb der Lichtwellenleitfaser möglich. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird anstelle einer reflektierenden Beschichtung ein veränderliches Element verwendet, um das in der Lichtwellenleitfaser propagierende Licht auf ein weiteres an der Lichtwellenleitfaserummantelung befestigtes veränderliches Element zu lenken. Das in einem Winkel zur Längsachse der Lichtwellenleitfaser stehende veränderliche Element besteht aus zwei transparenten Fenstern (425), elektrischen Kontakten (422) an den Seitenflächen mit dazwischen liegender Isolatorschicht (423) und einem variablen adaptiven Spiegel mit zwei sich nicht mischenden Flüssigkeiten (431 und 432) zwischen denen sich an der Grenzfläche angeordnetes, reflektierendes Material als Membran oder reflektierende Plättchen (531) befinden. Eine Ansteuerung der veränderlichen Elemente geschieht über elektrische Kabel (560 bis 563), die in eine zusätzliche Schutzummantelung (570) eingebettet werden können. In 15, Schnitt E-E von 14, ist eine Klemmhalterung (521) zu sehen, die der Vorrichtung zusätzlich zu dem verwendeten Kleber (421) Stabilität verleiht.In the 14 shown embodiment of the invention is characterized by two variable elements at one end of the optical fiber. By combining two variable elements, a more flexible design of the beam path outside the optical fiber is possible. In this embodiment of the invention, instead of a reflective coating, a variable element is used to direct the light propagating in the optical fiber to another variable element attached to the optical fiber cladding. The variable element standing at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide consists of two transparent windows ( 425 ), electrical contacts ( 422 ) on the side surfaces with intervening insulator layer ( 423 ) and a variable adaptive mirror with two non-mixing liquids ( 431 and 432 ) between which at the interface arranged, reflective material as a membrane or reflective platelets ( 531 ) are located. A control of the variable elements is done via electrical cables ( 560 to 563 ) embedded in an additional protective coating ( 570 ) can be embedded. In 15 , Cut EE by 14 , is a clamp ( 521 ), in addition to the adhesive used ( 421 ) Gives stability.

Bei der in 16 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform handelt es sich um einen Vorsatz mit integrierter Mikrooptik (600), welche aus einem reflektierenden (670) und einem veränderlichen Element (632) besteht. Der Vorsatz kann durch kleben, aufschmelzen oder Glaslot (621) direkt an eine Lichtwellenleitfaser befestigt werden.At the in 16 shown embodiment is a header with integrated micro-optics ( 600 ), which consist of a reflective ( 670 ) and a variable element ( 632 ) consists. The attachment can be glued, melted or soldered ( 621 ) are attached directly to an optical fiber.

Einen weitere erfindungsgemäße Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass an der Lichtwellenleitfaser ein Endstück eingebracht ist, das aus einem reflektierenden Bauteil in Kegelform (770) besteht, bzw. Material unter Unterschreiten des Grenzwinkels (90° – α / 2) = ε_g für eine Totalreflexion in Kegelform entfernt ist. Durch die Mantelfläche des Kegels (770) wird das in der Lichtwellenleitfaser propagierende Licht auf ein an der Mantelfläche der Lichtwellenleitfaser positioniertes, sich um die ganze Faser herum erstreckendes, veränderliches Element gelenkt. In 18 ist der Querschnitt F-F aus 17 gezeigt. Hieraus wird ersichtlich, dass eine radiale fokussierte Aus- und Einkopplung mit variabler Brennweite, z. B. durch ein Autofokus-System gesteuert, erfolgt, was einen Einsatz in Rohr- oder Schlauchsystemen mit verschiedenen Innendurchmessern ermöglicht. Das Anwendungsfeld reicht von der Reinigungskontrolle in Krankenhäusern (langgestreckte Lumen in Medizinprodukten), über die Detektion von Biofilmen in Gasversorgungsleitungen bis hin zur Lebensmittelindustrie, wo es in Rohrleitungen in Molkereien und Brauereien zum Einsatz kommen kann.A further embodiment according to the invention is characterized in that an end piece is made on the optical waveguide and is made of a reflective component in the form of a cone ( 770 ), or material falls below the critical angle (90 ° - α / 2) = ε _g is removed for a total reflection in cone shape. Through the lateral surface of the cone ( 770 ), the light propagating in the optical waveguide fiber is directed to a variable element positioned on the lateral surface of the optical waveguide and extending around the entire fiber. In 18 the cross section FF is off 17 shown. It can be seen that a radial focused coupling and coupling with variable focal length, z. B. controlled by an autofocus system, takes place, which allows use in pipe or hose systems with different inner diameters. The field of application ranges from hospital cleaning (elongated lumens in medical devices) to the detection of biofilms in gas supply lines to the food industry, where it can be used in pipelines in dairies and breweries.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

ε_g ε _g: Grenzwinkel der TotalreflexionLimit angle of total reflection
αα: Öffnungswinkel des KegelsOpening angle of the cone
120120: Als Hohlspiegel ausgeformtes FaserendeAs a concave mirror shaped fiber end
150150: LichtwellenleitfasermantelflächeLichtwellenleitfasermantelfläche
180180: Im Kern propagierendes LichtAt the core propagating light
190190: Brennfleck des HohlspiegelsFocal spot of the concave mirror
200200: LichtwellenleitfaserLichtwellenleitfaser
210210: LichtwellenleitfaserwandLichtwellenleitfaserwand
215215: Durchmesser der LichtwellenleitfaserDiameter of the optical fiber
220220: Als zylindrischen Hohlspiegel ausgeformtes FaserendeAs a cylindrical concave mirror shaped fiber end
221221: Entfernte (bearbeitete) MantelflächeRemoved (machined) lateral surface
230230: Längsachse der LichtwellenleitfaserLongitudinal axis of the optical fiber
240240: Kern der LichtwellenleitfaserCore of the optical fiber
250250: Optischer Mantel der LichtwellenleitfaserOptical sheath of optical fiber
260260: LichtwellenleitfaserummantelungLichtwellenleitfaserummantelung
270270: Reflektierende BeschichtungReflective coating
271271: Lichtweg des reflektierten LichtesLight path of the reflected light
280280: Im Kern propagierendes LichtAt the core propagating light
281281: Strahlengang des Lichts außerhalb der LichtwellenleitfaserBeam path of the light outside of the optical fiber
290290: Brennfleckfocal spot
320320: Optische LinseOptical lens
321321: Optischer KleberOptical glue
322322: transparente, elektrisch leitfähige Schicht, z. B. ITO (Indiumzinnoxid (englisch indium tin oxide))transparent, electrically conductive layer, for. B. ITO (indium tin oxide)
323323: Brechungsindex-ändernder FlüssigkristallRefractive index-changing liquid crystal
324324: Leitende VerbindungLeading connection
325325: elektrisch nicht leitfähiges Gehäuseelectrically non-conductive housing
326326: Isolatorinsulator
360360: Elektrisch leitfähige LichtwellenleitfaserummantelungElectrically conductive optical fiber sheath
361361: Elektrisch leitfähige LichtwellenleitfaserummantelungElectrically conductive optical fiber sheath
362362: Isolator, bzw. entfernte elektrisch leitfähige LichtwellenleitfaserummantelungInsulator, or removed electrically conductive optical fiber sheath
420 420: Als plane Flächen ausgeformten FaserendeAs flat surfaces shaped fiber end
421421: KleberGlue
422422: Elektrischer KontaktElectric contact
423423: Isolatorinsulator
425425: Transparente FensterTransparent windows
431431: Flüssigkeit 1Liquid 1
432432: Flüssigkeit 2Liquid 2
521521: Klemmhalterungclamp
531531: Schicht reflektierender PlättchenLayer of reflective platelets
560–563560-563: Elektrische Kabel zur Ansteuerung der veränderlichen ElementeElectrical cables for controlling the variable elements
570570: Schutzummantelungprotective sheathing
600600: Vorsatz mit integrierter MikrooptikAttachment with integrated micro-optics
621621: Klebe-, Schmelzverbindung bzw. GlaslotAdhesive, fusion or glass solder
632632: Veränderliches ElementVariable element
670670: Reflektierendes ElementReflecting element
680680: Lichtweg im LichtwellenleitfaseraufsatzLight path in the fiber optic attachment
681681: Lichtweg des am reflektierenden Element umgelenkten LichtesLight path of the deflected light at the reflective element
770770: Kegel aus reflektierendem Material, bzw. entferntes MaterialCone of reflective material, or removed material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5537499 [0002]
DE 69525392 T2 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

http://www.llg-ev.de/produkte-und-dienstleistungen/thematischer-index.html [0002]
"Tunable liqid microlens" APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 82, NUMBER 3 20 JANUARY 2003 [0006]
Langmuir 2009, Volume 25, no. 6, Page 3876-3879 [0006]
Commander et al. [0006]
http://eprints.ucl.ac.uk/2629/ [0006]

Claims

Apparatus comprising an optical waveguide fiber with integrated micro-optics, from which light is directed and focused laterally coupled out and / or coupled, characterized in that at least one end piece is formed on the optical waveguide at an angle to the longitudinal axis of the optical waveguide as a concave mirror, wherein the molded fiber end with a reflective coating may be provided.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the shaped fiber end a cylindrical concave mirror, the surface of which is at an angle to the longitudinal axis of the optical fiber, and in combination with the Lichtwellenleitfasermantelfläche a common focal spot as generated by crossed cylindrical lenses.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the Lichtwellenleitfasermantelfläche in the region of the radiation passage in one or two planes defined curved, so that an additional lens effect is formed, whereby the focal spot of the laterally decoupled light additionally shaped and the distance of the focal spot of the optical fiber is set.

Method for the production of micro-optics on end pieces of optical fibers, characterized in that the fiber material is first cut at an angle and then removed by short laser pulses to the defined final shape; In addition, a polishing of the end surface can be done.

Device comprising an applicator made of an optical waveguide fiber with integrated micro-optics, is directed out of the light and focused coupled and / or coupled, characterized in that the focal length is variable by at least one variable element at least one end of the optical waveguide, and by gluing, Plugging or melting is attached to the optical fiber and an electrical control by electrically conductive in the sheath integrated leads.

Apparatus according to claim 5, characterized in that at least one end piece is formed on the optical waveguide at an angle to the optical axis of the optical waveguide fiber, wherein the formed fiber end may be provided with a reflective coating or at least one variable element, whereby the propagating in the optical waveguide fiber Light is directed to at least one of the outer surface of the optical fiber positioned variable element.

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the variable element consists of a lens formed of the optical waveguide material or by applied foreign material which is embedded in liquid crystal, wherein the refractive index of the liquid crystal is varied by the application of an electrical voltage.

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the variable element consists of a liquid lens of at least two non-mixing, transparent to the radiation liquids having different refractive indices and electrical properties, wherein the curvature of the interface is varied by the application of an electrical voltage ,

Apparatus according to claim 8, characterized in that at least one reflective material is additionally positioned at the interface between the two liquids.

Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the variable element has an interface of a flexible material, which is transparent or reflective to the radiation, wherein the curvature of the flexible material by temperature expansion or variation of a fluid or gas pressure acting thereon will be changed.