AT504868A2 - Vorrichtung und verfahren zur temperierung eines geräts zur erzeugung von laserstrahlung - Google Patents

Description

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Vorrichtung und Verfahren zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung

Technisches Gebiet 5 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung. Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung, welches eine erfindungsgemässe Temperierungsvorrichtung umfasst. Bei dem besagten Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung handelt es sich 10 vorzugsweise um einen Festkörper-Laser. Die Erfindung betrifft ausserdem die Anwendung einer erfindungsgemässen Vorrichtung, des Verfahrens oder des Lasers in der Medizin, insbesondere in der Ophthalmologie und der Dermatologie vorzugsweise für Anwendung in der Medizin. 15 Stand der Technik

Festkörper-Laser werden häufig zur Behandlung von Erkrankungen am menschlichen oder tierischen Körper, insbesondere im Auge und an der Haut mittels Laserstrahlung eingesetzt. Ein Problem, welches sich bei solchen Festkörper-Lasern ergibt, liegt im thermischen Bereich. Der Betrieb 20 eines solchen Lasers erzeugt Wärme, die abgeführt werden muss, um den Laser in einem stabilen Betriebszustand halten zu können. Aus diesem Grund werden solche Laser üblicherweise mit Luft- oder Wasserkühlungen versehen, die meistens über Luftwärmetauscher - in der Regel mit Lüftern / Ventilatoren - die Kühlung gegenüber der umgebenden Raumluft besorgen. 25

Da Behandlungen am menschlichen oder tierischen Körper häufig in steriler Umgebung - z.B. in einem Operationssaal - durchgeführt werden, ist es nachteilig, wenn unnötige Luftverwirbelungen, wie sie z.B. durch solche Ventilatoren erzeugt werden, stattfinden. Diese Luftverwirbelungen zwingen 30 den Benutzer eines solchen Geräts, das Gerät möglichst weit vom laminaren

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Luftstrom und somit von der Behandlungszone aufzubauen, womit auch die Bedienung des Gerätes während einer operativen Behandlung erschwert wird. 5 Ein weiteres mögliches Problem bei der Anwendung von Lasern zur Behandlung von menschlichen oder tierischen Körpern kann sich aus der Baugrösse der Laser ergeben. Man versucht Laser möglichst klein zu bauen. Bei der Anwendung von Wasserkühlern und / oder Lüftern ist die Baugrösse jedoch relativ gross. 10

Schliesslich ist bei Lasern - vor allem im Gerätebereich - die Leistungsaufnahme ein Problem, welche ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf die Baugrösse hat. Je grösser die Leistungsaufnahme, umso grösser die Baugrösse. Dieses deshalb, weil elektrische Leitungen, 15 Transformatoren, Umrichter etc. bei einer hohen Leistungsaufnahme entsprechend gross dimensioniert werden müssen. Natürlich erhöht die Leistungsaufnahme auch die Verlustleistung, was wiederum das ersterwähnte Problem der Notwendigkeit einer Kühlung und auch das zweite Problem der Baugrösse nachteilig beeinflussen kann. Je grösser die 20 Leistungsaufnahme ist, umso grösser müssen die Kühlanlagen sein, was wiederum zu einer grösseren Baugrösse führt.

Ein weiteres Problem bei Lasern mit Kühleinrichtungen wie Ventilatoren ist deren Lärmerzeugung. Gerade beim Einsatz in einem Operationssaal ist 25 dieses unerwünscht, da bereits durch die Luftaufbereitung und die Laminarströmung in der sterilen Zone des Operationssaals sowie durch die während einer Operation notwendigen Geräte (Monitore und lebenserhaltende Geräte) eine hohe Geräuscheinwirkung auf den Operator stattfindet. Diese Geräuscheinwirkung wird vom Operator als negativ 30 empfunden. Weitere lärmentwickelnde Geräte wie beispielsweise Laser mit

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Ventilatoren können somit vom Operator als negativ und störend empfunden werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen möglichst kleinen 5 handlichen und geräuscharmen Festkörper-Laser für die Anwendung im OP-Bereich zu schaffen, der die oben erwähnten Nachteile nicht aufweist.

Es sind Laser bekannt, die als Alternative zu Wasser- oder Luftkühlern Peltierelemente als Kühlsysteme einsetzen. Diese Elemente dienen dazu, io durch den Peltiereffekt elektrischen Strom direkt in Kühlleistung umzusetzen. Solche Elemente haben den Vorteil, direkt an den warmen Stellen angebracht zu werden. Um das erste Problem zu lösen, könnte man daher an die Anwendung solcher Peltierelemente denken. Damit wird jedoch automatisch die Leistungsaufnahme der Laser in die Höhe getrieben, da 15 diese Peltierelemente eben zusätzliche Energie verbrauchen und somit diese Methode eigentlich gegen die Erkenntnis der dritten Problemstellung, nämlich der Erhöhung der Baugrösse bei zunehmender Leistungsaufnahme, verstösst. Die Wärme, die durch die Peltierelemente von der warmen Stelle abgeführt wird, sowie die Wärme, die durch die Peltierelemente als 20 Verlustleistung erzeugt wird, müssen nun noch zusätzlich von der warmen Seite der Peltierelemente abgeführt werden. Dieses geschieht für gewöhnlich mittels erzwungener Konvektion durch Ventilatoren.

Gelöst wird die resultierende Aufgabe der Erfindung, nämlich der 25 gleichzeitigen Lösung der vorgenannten drei Problemstellungen, dadurch, dass der Festkörper-Laser und alle seine wärmeerzeugenden bzw. zu kühlenden oder zu temperierenden Bauteile mit einzelnen Temperierungselementen (in der Mehrzahl der Anwendungen zur Kühlung), welche ohne zusätzliches Kühlmedium wie Luft oder Wasser betrieben 30 werden, und Temperatursensoren versehen werden, die, nach einem 220807A264AT ............ • ·· · · · · · · · · • · · · · · ··· to · ·· • * · · ··· · · ··« · · • · · · ··· ··· 4

Programm gesteuert, ein intelligentes Temperaturmanagement betreiben, so dass die Energieaufnahme des Lasers selbst, zur Erreichung und Erhaltung der optimalen Betriebstemperatur, minimiert werden kann und gleichzeitig die Temperierungsleistung (in der Regel Kühlleistung) minimiert 5 werden kann (geringstmöglicher Energieaufwand für die Temperierung bzw. Kühlung), ohne dass ein aktives Kühlelement wie Lüfter oder Wasserkreislauf eingesetzt werden müssen.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird somit das gesamte io Lasergerät, mit allen wärmeerzeugenden Komponenten, überwacht und thermisch optimiert. Dabei wird nicht nur auf eine bestimmte, vorgegebene Temperatur geregelt, sondern die Vorgabetemperatur für den Regler wird gemäss den Randbedingungen angepasst, bzw. in erster Priorität für eine minimale Erwärmung des gesamten Systems optimiert. In zweiter Priorität 15 wird beispielsweise der Spitzenstrom des Gesamtsystems optimiert, wodurch die Grösse des notwendigen Netzteils minimiert werden kann und dessen Abwärme ebenfalls minimiert wird.

Der Vorteil dieses Verzichts auf ein aktives Kühlelement ist, dass vor allem 20 beim Einsatz im Operationssaal keine Luftverwirbelung durch das Gerät stattfindet und das Geräteinnere praktisch nicht in Austausch mit der Umgebungsluft tritt und somit auch das Infektionsrisiko für den Patienten verringert werden kann. Da das Gerät den Fluss der sterilen Luft nicht stört, kann es auch sehr nahe dem operierenden Arzt verwendet werden. Dieses 25 wiederum ist für den Verlauf einer Operation vorteilhaft, da die Handstücke der Lasergeräte systembedingt nur eine möglichst kurze Länge aulweisen sollen. Im Weiteren wird das Gerät durch den Verzicht auf ein aktives Kühlelement kleiner, leichter und leiser, womit die Platz- und Lärmproblematik in OP- und Praxisraum minimiert werden kann.

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Durch die Verwendung des intelligenten Kühlsystems wird jedoch auch der Energieverbrauch des Geräts minimiert, da nur dort Wärme zu- oder abgeführt wird, wo dieses auch zwingend notwendig ist. Im Weiteren kann dadurch der Laser bezüglich seiner Nennleistung sehr klein gebaut werden. 5

Im Weiteren optimiert das intelligente Kühlsystem die Temperaturen der einzelnen Komponenten abhängig von der aus dem Gerät geforderten Leistung (es wird nur dort geregelt, wo zwingend Wärme zu oder abgeführt werden muss). 10

Bisher ist auf dem Markt noch kein Gerät erschienen, das eine ähnliche Optimierung der Wärmeflüsse im Gerät vornimmt. Die meisten Geräte haben einen Lüfter und / oder einen Wasserkreislauf. Typischerweise werden die Soll-Temperaturen bei diesen Geräten nicht situationsgerecht angepasst. 15

Es sind in der Literatur zwar Einzelkomponenten der erfindungsgemässen Vorrichtung bekannt geworden, jedoch nicht in der Kombination und zu dem angestrebten Zweck. 20 In der Lasertechnik wird Temperierung bzw. in der Regel Kühlung mit dem primären Fokus der Stabilisierung von Wellenlänge und Resonatorfunktion verwendet. Dazu nachfolgend einige beispielhafte Referenzen:

In der Patentschrift US-B- 6795453 wird eine Methode zur thermischen 25 Beeinflussung einer Laserquelle zwecks Veränderung der Eigenschaften (Wellenlänge) des Laserlichts beschrieben. Hinweise auf eine prozessorgesteuerte Steuerung durch Vergleich erhobener Messwerte mit einer Bewertungstabelle, entsprechend der dieser Erfindung gemässen Lösung der andersartigen Problemstellungen, gibt es nicht.

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Eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Dioden-gepumpten, schichtweise aufgebauten Lasers mittels Verwendung eines flüssigen Kühlmediums, entsprechend der traditionellen Anwendung von zusätzlichen Kühlmedien, 5 was ausserhalb der Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung liegt, wird in der Patentschrift US-B-7075959 beschrieben.

In der Anmeldung US-A-2005019041 wird eine Temperierungsvorrichtung zur Temperaturmessung und -einstellung durch Vergleich mit einem io Vergleichswert für eine individuelle Photodiode offenbart. Es gibt jedoch keinerlei Hinweise zur Erhebung einer Vielzahl derartiger Messwerte und deren gesamthafter Verarbeitung und Umsetzung in individuelle Steuerungswerte für eine Vielzahl von Leistungsempfängem. Damit ergeben sich auch der Offenbarung dieser Patentanmeldung keine Hinweise auf die 15 dieser Erfindung gemässe Problemlösung. Ähnliche Anordnungen zur Temperaturregelung einzelner oder mehrerer elektronischer Komponenten im allgemeinen oder (Halbleiter-) Laser im speziellen, ohne Hinweis auf eine Problemlösung gemäss der vorliegenden 20 Erfindung, werden beispielsweise auch in den Patentanmeldungen bzw. Patenten EP-B-467359, EP-B-0553867, US-A-4803689, US-A-5187714, US-B-6891278, WO-A-94/03849, US-A-20030178615 und US-A-20020121094 beschrieben. 25 In der Patentschrift EP-B-1023749 werden für spezielle Ausführungsformen (Nachrichtenlaser oder Laser langer Bauart) Anordnungen mit mehreren Temperatursensoren und selektiver Temperierung, allerdings ausschliesslich durch Heizung, beschrieben. Diese Patentschrift liefert aber keinerlei Hinweise auf die Zufuhr und Verarbeitung der Messdaten und deren 30 Vergleich mit einer Bewertungstabelle zur Bestimmung der von einer

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Leistungselektronik abzugebenden Leistung und liefert damit keinen Hinweis auf die der vorliegenden Erfindung gemässe Problemlösung durch gleichzeitige Berücksichtigung und Verarbeitung aller erfassten Messwerte. 5 Damit wird in keiner der vorgenannten Beispiele zum Stand der Technik eine auf die dieser Erfindung zugrunde liegende Lösung der vorgenannten Problemstellungen offenbart. 10

Kurzbeschreibung der Figuren

Figur 1 illustriert schematisch die Funktionsweise des Mess- und Regelsystems der erfindungsgemässen Vorrichtung, mit der insbesondere ein „intelligentes Temperaturmanagement“ erreicht wird. 15

Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung, vorzugsweise einen Festkörper-Laser, welcher mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Temperierung ausgestattet ist. 20 Figur 3 zeigt eine Teilansicht eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung, welche Vorrichtung sich dadurch auszeichnet, dass thermisch bedingte Änderungen der Ausdehnungen zwischen Temperierungselementen und den zu temperierenden Bauteilen 25 durch die Verwendung von Befestigungselementen und Federelementen vermieden werden können.

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Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung, umfassend eine Vielzahl von Temperierungselementen, eine Grundplatte und 5 Kühlkörper (d.h. z. B. eine Grundplatte, welche als Kühlkörper wirken kann), Leistungselektronik (10 gemäss Figur 2) zur Bereitstellung elektrischer Leistung für die Temperierungselemente über Versorgungsleitungen (b gemäss Figur 2), eine Vielzahl von Temperatursensoren, eine Einheit zur Erfassung der Messwerte der Temperatursensoren (11 gemäss Figur 2), io sowie eine Prozessoreinheit zur Verarbeitung der von der Einheit 11 erfassten Messwerte der Temperatursensoren und Ansteuerung der Leistungselektronik 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messwerte sowie optional weitere Messwerte und externe Vorgaben durch den Benutzer durch die Prozessoreinheit mit einer Bewertungstabelle 15 verglichen werden und auf diesem Vergleich basierend die über die Leistungselektronik 10 an die Temperierungselemente abzugebenden Leistungen individuell bestimmt und eingestellt werden.

Dabei wird bevorzugt, dass die Temperierungselemente von der 20 Prozessoreinheit als Kühlelemente oder als Heizelemente geschaltet werden können; neben dem Regelfall einer erforderlichen Kühlung von Bauteilen eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung gibt es auch Fälle, in denen zur Gewährleistung von konstanten Betriebsbedingungen, z. B. der vom Laser ausgestrahlten Wellenlänge, ein Heizen von Bauteilen erforderlich ist. 25

Ausserdem wird bevorzugt, dass es sich bei den Temperierungselementen um Peltierelemente handelt.

Charakteristisch für die erfindungsgemässe Vorrichtung ist, dass sie eine selektive Temperierung von Temperierungselementen nach Bedarf, d.h. nur 30 220807A264AT ............ • 9 « 9 9 ·· 9 · 9 t • · 4 9 9 · 999 9 9 9* • 9 9 9 99 9 · 999 9 t 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 bei Abweichung des von einem jeweils zugehörigen Temperatursensor gemessenen Werts von einem vorgegebenen Sollwert, ermöglicht und / oder es ermöglicht, die Leistungsabgabe an die Temperierungselemente zu minimieren. 5

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist vorteilhaft dadurch ausgezeichnet, dass sie ohne ein zusätzliches Kühlmedium, wie beispielsweise Luft und Wasser und / oder ohne aktive Kühlelemente, wie Lüfter und Ventilatoren, betreibbar ist. So werden auch die in den nachfolgenden Beispielen io beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ohne den Einsatz zusätzlicher Kühlmedien oder derartiger aktiver Kühlelemente betrieben.

Indem der Prozessoreinheit der erfindungsgemässen Vorrichtung zusätzlich zu den Messwerten von Temperatursensoren auch Messwerte des 15 Stromverbrauchs des Gesamtsystems und / oder des Verbrauchs von Einzelverbrauchern wie beispielsweise eines Pumpkörpers bzw. einer Pumpdiode sowie Leistungs- und Energievorgaben durch den User zugeführt und mittels einer Bewertungstabelle bewertet werden, um daraus individuell an verschiedene Verbraucher (z. B. Temperierungselemente, 20 Pumpkörper etc.) abzugebende, individuell für die Vorgaben und mit den aktuellen Messwerten abgestimmte, optimierte Leistungsabgaben zu bestimmen, ermöglicht die erfindungsgemässe Vorrichtung auch eine Optimierung des Spitzenstroms der Gesamtsystems und / oder von Einzelströmen wie beispielsweise für einen Pumpkörper oder eine 25 Pumpdiode.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung (gemäss des in Figur 3 ausführlicher beschriebenen Beispiels) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mit Federelementen, 30 Befestigungselementen (z. B. Schrauben) und optional mit einer 220807A264AT .. .......... • · · 00 · · · · · · • · · · · · »·· · · ·« • 0 0 « ··<* · · ··· 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10

Andruckplatte ausgestattet ist, mit denen Temperierungselemente an die jeweils zugehörigen zu temperierenden Bauteile angedrückt und bei Änderungen der Ausdehnungen zwischen den Temperierungselementen und den zu temperierenden Bauteilen diese Änderungen kompensiert 5 werden können. Dabei wird bevorzugt, dass der Wärmefluss zwischen der optionalen Andruckplatte und der Grundplatte / Kühlkörper durch Verwendung wärmeisolierender Materialien für die Verbindungsteile minimiert wird. io Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung, vorzugsweise zur Anwendung in der Medizin, insbesondere in der Ophthalmologie und der Dermatologie, mit einem Pumpkörper (beispielsweise einer Pumpdiode) einem Resonator, bestehend aus mindestens zwei Spiegeln (Einkoppelspiegel und Auskoppelspiegel) und 15 mindestens einem laseraktiven Material (2, 3), welches im Resonator zwischen den beiden Spiegeln angeordnet ist, wobei besagtes Gerät dadurch gekennzeichnet ist, dass dieses mit einer Vorrichtung zur Temperierung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen ausgestattet ist. 20

Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen erfindungsgemässen Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einem Kristall, d.h. einem Laserkristall oder einem Nichtlinearen Kristall, ausgestattet ist, welcher in einem Kristallhalter so eingebettet ist, 25 dass ein vollständiger Flächenkontakt zwischen dem Kristall und dem Kristallhalter hergestellt ist unter Vermeidung einer Einbringung von signifikanten mechanischen Spannungen in den Kristall.

Es wird bevorzugt, dass es sich bei dem Gerät zur Erzeugung von 30 Laserstrahlung um einen Festkörper-Laser handelt.

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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung unter Verwendung einer erfindungsgemässen Temperierungsvorrichtung nach 5 einer der vorgenannten Ausführungsformen, mindestens umfassend eine Vielzahl von Temperierungselementen, eine Grundplatte / Kühlkörper, Leistungselektronik (10 gemäss Figur 2) zur Bereitstellung elektrischer Leistung für die Temperierungselemente über Versorgungsleitungen (b gemäss Figur 2) sowie optional beispielsweise auch an Pumpkörper bzw. 10 Pumpdioden (über Versorgungsleitungen a gemäss Figur 2), eine Vielzahl von Temperatursensoren, eine Einheit (11 gemäss Figur 2) zur Erfassung der Messwerte der Temperatursensoren sowie eine Prozessoreinheit zur Verarbeitung der von der Einheit 11 erfassten Messwerte der Temperatursensoren und Ansteuerung der Leistungselektronik 10, welches 15 Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die erfassten Messwerte sowie optional weitere Messwerte und externe Vorgaben durch den Benutzer durch die Prozessoreinheit mit einer Bewertungstabelle verglichen werden und auf diesem Vergleich basierend die über die Leistungselektronik 10 an die Temperierungselemente abzugebenden Leistungen sowie optional auch an 20 andere Verbraucher wie beispielsweise eine Pumpdiode abzugebende Leistungen individuell bestimmt und eingestellt werden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemässen Vorrichtung nach einer der vorgenannten 25 Ausführungsformen und / oder eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlen und / oder eines erfindungsgemässen Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen zur Anwendung in der Medizin, insbesondere in der Ophthalmologie und der Dermatologie. 30

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Beispiele

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die vorliegende Erfindung nachfolgend beispielhaft erläutert. s Figur 1 illustriert schematisch die Funktionsweise des Mess- und Regelsystems der erfindungsgemässen Vorrichtung, mit der insbesondere ein „intelligentes Temperaturmanagement“ erreicht wird. Die Temperaturen sowohl von Wärmeerzeugern oder Wärmequellen (z. B. gemäss Figur 2 eines Pumpkörpers oder einer Pumpdiode 1, Laseraktivem Material 2, einer io Grundplatte / eines Kühlkörpers 9) als auch der Umgebung werden gemessen und einer Prozessoreinheit zur Bewertung zugeführt. Ebenfalls werden von dieser Prozessoreinheit die aktuelle Leistungsaufnahme (Stromverbrauch) des Gesamtsystems und / oder von Einzelverbrauchern, wie beispielsweise einer Pumpdiode, die aktuellen Leistungs- und 15 Energievorgaben des Users, der Aktivitätslevei des Users und die Vorgabewerte der Idealtemperaturen der Wärmequellen verarbeitet. Unter der „Messung der User-Aktivitäten“ ist dabei folgendes zu verstehen: Es wird von der Prozessoreinheit registriert, ob aktuell vom Benutzer z. B. Leistungsund Energievorgaben vom Benutzer neu aufgerufen oder eingegeben 20 worden oder der Laser, d.h. insbesondere die Pumpdiode, aktiv bedient worden sind, welche nur bei aktiver Betätigung durch den Benutzer im aktiven Zustand ist.

Vorzugsweise wird (nicht dargestellt) über einen weiteren Temperatursensor 25 auch die Umgebungstemperatur des Systems ("Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung") gemessen und deren Messwert in den Vergleich mit der Bewertungstabelle einbezogen, zur Bestimmung der von der Leistungselektronik abzugebenden Leistungen. • · » · ·· · · · · • · « · · ♦♦♦ · · ·· • · · 904 0 900 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0

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Diese Informationen werden von der Prozessoreinheit mit einer Bewertungstabelle verglichen und so Bewertungsfaktoren für die einzelnen zu regelnden Temperaturen und auch übrige zu regelnde Leistungsabgaben, wie beispielsweise die Leistungsabgabe für weitere Einzelverbraucher wie z. 5 B. eine Pumpdiode (im Diagramm nicht dargestellt) ermittelt. Der Regler (Regeleinrichtung) erzeugt mit diesen Bewertungsfaktoren sowie den aktuell gemessenen Temperaturen der Wärmeerzeuger und den Vorgabewerten der Idealtemperaturen einen Vorgabewert für die Leistungselektronik, die die entsprechenden Leistungen an die Temperierungselemente bzw. 10 Kühlelemente und optional an weitere Einzelverbraucher und / oder das Gesamtsystem abgibt.

Hat sich beispielsweise aus der Messung und Bewertung der User-Aktivitäten ergeben, dass das Gerät (Laser) zwar eingeschaltet wurde, aber 15 keine Hinweise auf eine nachfolgende aktive Benutzung, aufgrund nicht vorgegebener Leistungs- und Energiedaten, vorliegen, so wird beispielsweise die Leistungsabgabe an die Temperierungselemente minimiert oder sogar auf Null gesetzt, um Wärmeerzeugung zu vermeiden. 20 Durch diese spezifische Regelung basierend auf den bewerteten Einflussfaktoren wird insbesondere die in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebene Optimierung des thermischen Managements des Geräts erreicht. 25

Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung, vorzugsweise einen Festkörper-Laser, welcher mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Temperierung ausgestattet ist. Dabei erfüllt die Prozessoreinheit 12 im wesentlichen die Funktionen der 30 Parameterbewertung und Bestimmung der Leistungsabgabefaktoren sowie 220807A264AT ............ • ·· φ · φ · Φ Φ Φ · Φ · · φ φ · ··♦ φ · ·« Φ ΦΦ 9··«· · ·♦♦ · 9 φ φ φ φ φ φ φ Φ·Φ 14 der Regeleinrichtung des Schemas von Figur 1. In Figur 2 ist nur ein Teil der möglichen Mess- und Regelfunktionenen einer erfindungsgemässen Temperierungsvorrichtung, gemäss des Schemas von Figur 1, illustriert. 5 In dem in Figur 2 illustrierten Beispiel einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt eine Pumpdiode 1 als Pumpkörper einen ersten Laserstrahl A mit beispielsweise circa 809 nm Wellenlänge, der durch einen ersten Spiegel 7 des Resonators (Einkoppelspiegel) auf ein Laseraktives Material 2, wie beispielsweise einen Nd:YVO-Kristall, auftrifft und in diesem einen zweiten io Laserstrahl B mit circa 1064 nm generiert, der sich dadurch auszeichnet, dass seine Wellenlänge unterschiedlich zu derjenigen des ersten Laserstrahls A ist. Dieser zweite Laserstrahl B kann nun direkt auf den Auskoppelspiegel 8 geführt weiden, wodurch ein Teil des Laserstrahls B aus dem Resonator austritt und als Laserstrahl C mit gleicher Wellenlänge wie 15 Laserstrahl B für eine Anwendung zur Verfügung steht. Optional kann zwischen dem Laseraktiven Material 2 und dem Auskoppelspiegel 8 ein weiteres Laseraktives Material 3, wie beispielsweise ein Nichtlinearer Kristall (siehe Figur 3) zur Frequenzverdoppelung eingefügt werden, wodurch die Wellenlänge des Laserstrahls B halbiert wird und somit der Laserstrahl C die 20 halbe Wellenlänge des Laserstrahls (B) aufweist. Um einen hohen Wirkungsgrad dieser Anordnung zu erhalten, müssen Pumpdiode 1, Laseraktives Material 2 und Laseraktives Material 3 auf einer bestimmten, individuellen und optimalen Temperatur gehalten werden. Dieses geschieht durch die Messung der individuellen Temperaturen dieser Elemente mittels 25 Temperatursensoren c (wobei diese Temperatursensoren c die zugehörigen Messfühler zusammen mit den Zuleitungen an die Messelektronik 11 bezeichnen sollen) und der Messelektronik 11 als Einheit zur Erfassung der Messwerte, der Verarbeitung der erfassten Messwerte und deren Vergleich sowie optional weiterer Messwerte und externer Benutzervorgaben mit einer 30 Bewertungstabelle sowie der individuellen Berechnung und Einstellung der Versorgungsleistungen durch die Prozessoreinheit 12, und schliesslich die 220807A264AT ............ • · · ·· · « · ♦ · · ♦ · · · · · ♦·· · · «« • · · * ·· ► ♦ * ··♦ · · • · · · · · · · · · 15 individuelle Abgabe der spezifischen Leistungen durch die Leistungselektronik 10 an die Elemente zu Temperierung 4,5,6.

Figur 3 illustriert in einer Teilansicht eine besonders bevorzugte 5 Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung, welche Vorrichtung sich dadurch auszeichnet, dass thermisch bedingte Änderungen der Ausdehnungen zwischen Temperierungselementen und den zu temperierenden Bauteilen durch die Verwendung von io Befestigungselementen und Federelementen vermieden werden können.

In dieser Teilansicht sind die besonderen Merkmale dieser bevorzugten Ausführungsform am Beispiel der Thermostatisierung eines Laserkristalls oder Nichtlinearen Kristalls 28 als Beispiel für die Thermostatisierung des Laseraktiven Materials 2 oder 3 (gemäss Figur 2) sowie von dessen Montage 15 in einer erfindungsgemässen Temperierungsvorrichtung bzw. einem erfindungsgemässen Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung dargestellt. Alle Merkmale dieser erfindungsgemässen Ausführungsform sind aber auch auf andere zu temperierende Bauteile des Geräts sowie deren Montage, wie beispielsweise einer Pumpdiode als Pumpkörper, übertragbar. 20 Im vorliegenden Beispiel ist ein wärmeerzeugender Kristall 28 als ein Laseraktives Material mittels eines weichen Materials, wie Indium, in einen Kristallhalter 26 so eingebettet, dass ein vollständiger Flächenkontakt zwischen den beiden Bauteilen (Kristall 28 und Kristallhalter 26) hergestellt ist und trotzdem keine übermässigen bzw. signifikanten mechanischen 25 Spannungen in den Kristall eingebracht werden. Diese Vorkehrung dient dazu, um die im Kristall 28 erzeugte Wärme möglichst optimal an den Kristallhalter 26 abgeben zu können. Mithilfe von Schrauben 27 als 220807A264AT ............ • · · · t · · · · · · • · · · · · ··· · · ·· • · · f ·9 · · · ··* « * ···· · · · ♦ · · 16

Befestigungselementen ist der Kristallhalter 26 auf einer Andruckplatte 23 befestigt. Auch hier ist darauf zu achten, dass ein maximaler Flächenkontakt erreicht werden kann. Dieses kann durch geeignete Bearbeitung dieser Baueile oder durch Verwendung eines Kontaktmittels wie Wärmeleitpaste 5 oder Indiumfolie erreicht werden. Die Grundplatte 22 wird mithilfe von Schrauben 25 als Befestigungselementen und Federelementen 24 auf ein Peltierelement 21 als Temperierungselement gedrückt, womit auch bei unterschiedlichen Ausdehnungen oder deren Änderungen durch thermischen Einfluss zwischen Befestigungselementen 25 und dem io Peltierelement 21 sowie der Andruckplatte 23 diese Unterschiede bzw. Änderungen ausgeglichen werden können und von der Andruckplatte 23 immer eine nahezu konstanten Kraft auf das Peltierelement wirkt. Damit kann erreicht werden, dass die Lebensdauer des Peltierelements maximiert wird, die Schrauben sich nicht durch thermische Beanspruchungen nach 15 gewisser Zeit lösen und der Wärmetransport von und zum Peltierelement optimiert wird. Dabei ist zu beachten, dass als Federelemente 24 beispielsweise Spiraldruckfedern, Tellerfedern, federnde Massivteile (Gummiteile) oder ähnliche Bauteile verwendet werden können. 20 Um die Effizienz dieser Anordnung hoch zu hatten, muss der Wärmefluss zwischen Andruckplatte (23) und Grundplatte (22) minimiert werden. Dieses kann dadurch erreicht werden, dass die Befestigungselemente 25 aus einem thermisch wenig leitenden oder gut isolierenden, d.h. vorzugsweise einem wärmeisolierenden Material wie beispielsweise Kunststoff bestehen. 25 Alternativ kann der Bereich zwischen Andruckplatte 23, Federelementen 24, Befestigungselementen 25 mit thermisch isolierenden Scheiben und / oder Rohren aus Materialien wie Kunststoff oder Keramik isoliert werden, so dass metallische Befestigungselemente 25 verwendet werden können. Ein Temperatursensor 29 bzw. sein Messfühler sollte möglichst nahe am 30 wärmeerzeugenden Kristall 28 angebracht sein, so dass die aktuelle Temperatur des wärmeerzeugenden Kristalls 28 jederzeit von der Steuer-

220807A264AT • · • * • « • · • + • · • ··· * ♦ • · • · · · • · ·« • ·· · · • · · 17 und Regelelektronik abgefragt werden kann. Mindestens ein weiterer Temperaturbestimmung 30 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Peltierelements 21 im Bereich der Grundplatte 2) angebracht, womit jederzeit die Temperatur der Grundplatte 22 von der Steuer- und 5 Regelelektronik abgefragt werden kann.

Eine analoge Anordnung wie oben beschrieben kann auch zur Temperierung der Pump-Laserdiode im Lasersystem verwendet werden. 10 15 20

Liste der Bezugszeichen:

Die nachfolgende Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung dieser Patentanmeldung. 1 Pumpkörper, z.B. Pumpdiode 2 Laseraktives Material 3 Laseraktives Material (optional) 4 Temperierungselement, z. B. Peltier Element 5 Temperierungselement, z. B. Peltier Element 6 Temperierungselement, z. B. Peltier Element 7 Einkoppelspiegel des Resonators 8 Auskoppelspiegel des Resonators 9 Grundplatte / Kühlkörper 10 Leistungselektronik 11 Messelektronik, z. B. Einheit zur Erfassung der Messwerte von

Temperatursensoren 12 Prozessoreinheit, z. B. mit Programm und Regeleinrichtung A Einkoppelpfad, z. B. erster Laserstrahl als Pumpstrahl 25

18 220807A264AT B C a b 5 C 21 22 23 24 10 25 26 27 28 29 15 30

Zweiter Laserstrahl, im Resonator

Auskoppelpfad, aus dem Resonator austretender Laserstrahl Versorgung der Pumpdiode Versorgung der Temperierungselemente Temperatursensoren

Temperierungselement, z. B. Peltierelement

Grundplatte / Kühlkörper

Andruckplatte

Federelement

Befestigungselement, z. B. Schraube Kristallhalter

Befestigungselement, z. B. Schraube Laserkristall oder Nichtlinearer Kristall Temperatursensor Temperatursensor

Claims (13)

1. 220807A264AT • ♦ · • · · • ♦ · • · · • · · · • Φ · · ' ·· · • · · • ♦ · · • · «t • <* Φ · · ν • · « « 19 Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung, umfassend eine Vielzahl von Temperierungselementen (4, 5, 6, 21), eine Grundplatte und Kühlkörper (9, 22), Leistungselektronik (10) 5 zur Bereitstellung elektrischer Leistung für die Temperierungselemente (4, 5,6, 21) über Versorgungsleitungen (b), eine Vielzahl von Temperatursensoren (29, 30, c), eine Einheit (11) zur Erfassung der Messwerte der Temperatursensoren (29, 30, c), sowie eine Prozessoreinheit (12) zur Verarbeitung der von der Einheit (11) erfassten Messwerte der io Temperatursensoren (29, 30, c) und Ansteuerung der Leistungselektronik (10), dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messwerte sowie optional weitere Messwerte und externe Vorgaben durch den Benutzer durch die Prozessoreinheit (12) mit einer Bewertungstabelle verglichen werden und auf diesem Vergleich basierend die über die Leistungselektronik (10) an die 15 Temperierungselemente (4, 5, 6, 21) abzugebenden Leistungen individuell bestimmt und eingestellt werden.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Temperierungselementen (4, 5, 6, 21) um Peltierelemente handelt.
3. 3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 20 gekennzeichnet, dass sie eine selektive Temperierung von Temperierungselementen (4, 5,6, 21) nach Bedarf, d.h. nur bei Abweichung des von dem zugehörigen Temperatursensor (29, 30, c) gemessenen Werts von einem vorgegebenen Sollwert, ermöglicht und / oder die Leistungsabgabe an die Temperierungselemente ermöglicht zu minimieren.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ohne ein zusätzliches Kühlmedium, wie 9 220807A264AT • · · • 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 99 9 99· 99 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 '99 9 9 9 99 9 20 beispielsweise Luft und Wasser und / oder ohne aktive Kühlelemente, wie Lüfter und Ventilatoren, betreibbar ist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine Optimierung des Spitzenstroms 5 des Gesamtsystems und / oder von Einzelströmen wie beispielsweise des Stroms für einen Pumpkörper (1) ermöglicht.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mit Federelementen (24), Befestigungselementen (25,27) und optional mit einer Andruckplatte (23) io ausgestattet ist, mit denen Temperierungselemente (4, 5, 6, 21) an die zu temperierenden Bauteile (1, 2, 3, 22, 26) angedrückt und bei Änderungen der Ausdehnungen zwischen den Temperierungselementen (4, 5, 6, 21) und den zu temperierenden Bauteilen (1, 2, 3, 22, 26) diese kompensiert werden können.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmefluss zwischen der optionalen Andruckplatte (23) und der Grundplatte / Kühlkörper (9,22) durch Verwendung wärmeisolierender Materialien für die Verbindungsteile minimiert wird.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch 20 gekennzeichnet, dass die Temperierungselemente (4, 5, 6, 21) von der Prozessoreinheit (12) als Kühlelemente oder als Heizelemente geschaltet werden können.
9. 9. Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung, vorzugsweise zur Anwendung in der Medizin, insbesondere in der Ophthalmologie und der Dermatologie, 25 mit einem Pumpkörper (1), einem Resonator, bestehend aus mindestens 220807A264AT • ·· ·· · · · ·· · • · · · · ♦ ♦·· · · ·· • · · ·· · V *·· · · I ·« · ··· · · ♦ 21 zwei Spiegeln (7, 8) und mindestens einem laseraktiven Material (2, 3), dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Temperierung ausgestattet ist.
10. 10. Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung nach Anspruch 9, dadurch 5 gekennzeichnet, dass dieses mit einem Kristall (28) ausgestattet ist, welcher in einem Kristallhalter (26) so eingebettet ist, dass ein vollständiger Flächenkontakt zwischen dem Kristall (28) und dem Kristallhalter (26) hergestellt ist unter Vermeidung einer Einbringung von signifikanten mechanischen Spannungen in den Kristall (28). io
11. 11. Gerät zur Erzeugung von Laserstrahlung nach einem der Ansprüche 9 -10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich hierbei um einen Festkörper-Laser handelt.
12. 12. Verfahren zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der 15 Ansprüche 1 bis 8, mindestens umfassend eine Vielzahl von Temperierungselementen (4, 5,6, 21), eine Grundplatte und Kühlkörper (9, 22), Leistungselektronik (10) zur Bereitstellung elektrischer Leistung für die Temperierungselemente (4, 5, 6, 21) über Versorgungsleitungen (b), eine Vielzahl von Temperatursensoren (29, 30, c), eine Einheit (11) zur Erfassung 20 der Messwerte der Temperatursensoren (29, 30, c), sowie eine Prozessoreinheit (12) zur Verarbeitung der von der Einheit (11) erfassten Messwerte der Temperatursensoren (29, 30, c) und Ansteuerung der Leistungselektronik (10), dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Messwerte sowie optional weitere Messwerte und externe Vorgaben durch 25 den Benutzer durch die Prozessoreinheit (12) mit einer Bewertungstabelle verglichen werden und auf diesem Vergleich basierend die über die Leistungselektronik (10) an die Temperierungselemente (4, 5, 6, 21) abzugebenden Leistungen individuell bestimmt und eingestellt werden. 220807A264AT : · · : ···· « *· ·· Μ 22
13. 13. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und / oder eines Verfahrens nach Anspruch 12 zur Temperierung eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlen und / oder eines Geräts zur Erzeugung von Laserstrahlung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Anwendung in der 5 Medizin, insbesondere in der Ophthalmologie und der Dermatologie.