DE2647618A1 - Safety system for laser working of metals - where pilot laser and opto-electronic safety circuit switch main laser off when removed from workpiece - Google Patents

Safety system for laser working of metals - where pilot laser and opto-electronic safety circuit switch main laser off when removed from workpiece

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Abstract

This is an addn. to 2321137, which described a safety device protecting operators from laser rays, esp. when using a flexible waveguide ending in a handpiece contng. a focussing lens. The beam of the main laser is switched on or off via a beam from a pilot laser, where beam is in the visible spectrum and is linked to an electro-optic lock fitted e.g. on the switch for the pump light used on laser. In this addn. the pilot beam is strongly polarised, and the degree of polarisation of the reflection or back-scattering from the workpiece controls the lock. The handpiece pref. contains two detectors, each with a polarising filter, one with its transmitting direction parallel with the polarising direction of beam, whereas that of the other filter is at 90 degrees to the polarising direction of the beam. The filters are pref. polarising foils.

Description

Sicherheitseinrichtung gegen LaserstrahlungSafety device against laser radiation

Die Erfindung bezieht sich aui eine Sicherheitseinrichtung gegen Laserstrahlung, insbesondere bei Verwendung von flexiblen Lichtleitern mit einer Fokussieroptik in einem HandstÜck am und des Lichtleitkabels, wobei dem Arbeitslaser zur Ereigabe seiner Strahlung ein schwacher, im sichtbaren Spektralbereich emittierender Pilotlichtlaser und ein elektrooptisehe Verriegelungssystem zur Inbetriebnahme des Arbeitslasers zugeordnet ist nach patent .... (Latentanmeldung P 23 21 137. 2-34 vom 26.04.1973).The invention relates to a safety device against laser radiation, especially when using flexible light guides with focusing optics in one hand piece on and the fiber optic cable, with the working laser for Ereigabe its radiation is a weak pilot light laser emitting in the visible spectral range and an electro-optical locking system for starting up the working laser is assigned according to patent .... (latent application P 23 21 137. 2-34 of April 26, 1973).

Wie die Praxis gezeigt hat, sind bei Arbeiten mit Laserstrahlung, vor allem wenn sie durch flexible Handgeräte übertragen wird, die Gefahren für eine Schädigung, beispielsweise des menschlichen Auges, sehr groß. Das hängt damit zusammen, daß das Laserlichtbündel entweder überhaupt nicht oder nur sehr schlecht sichtbar ist und daher das Ausschalten des Gerätes bzw. das Abblenden des Laserstrahls bei kurzer Unterbrechung der Arbeiten sehr häufig vergessen wird. Hinzu kommt noch, daß Laserarbeitsgeräte geräuschlos funktionieren. Vor allem bei Verwendung auf dem medizinischen Sektor, beispielsweise in der Chirurgie, wo sehr häufig das als Skalpell dienende Laserarbeitshandstück zur Seite gelegt und wieder aufgenommen wird, bedeutet ein laufendes Ein- und Ausschalten des Gerätes einen unzumutbaren und zeitraubenden Aufwand, der sich vor allem auf die Konzentration des operierenden Arztes nachteilig auswirken würde. Andererseits aber sind alle bei einer Operation mitwirkenden Personen durch das Laserlicht des momentan zur Seite gelegten Gerätes stark gefährdet. Diese Gefahr bleibt aber auch während des Arbeitsvorganges bestehen. Eine unwillkürliche Körperdrehung, ein ochnehmen der das flexible Übertragungselement haltenden Hand usw. genügen schon, um Schädigungen bei einem Neben-oder Gegenüberstehenden zu verursachen. Jedoch auch bei Materialbearbeitungen durch Laserlicht liegen ähnliche Verhältnisse vor.As practice has shown, when working with laser radiation, especially when transmitted through flexible handheld devices will the The risk of damage, for example to the human eye, is very great. This is due to the fact that the laser light beam either not at all or is only very poorly visible and therefore switching off the device or dimming down of the laser beam is very often forgotten after a short break in work. In addition, laser tools work noiselessly. Especially with Use in the medical sector, for example in surgery, where very often the laser handpiece serving as a scalpel is put to one side and then again is recorded, a continuous switching on and off of the device means a unreasonable and time-consuming effort, which mainly relies on concentration the operating physician would adversely affect. On the other hand, everyone is people involved in an operation through the laser light of the momentary Device placed on its side is endangered. However, this danger remains even during the Work process exist. An involuntary twist of the body, an och taking the hand holding the flexible transmission element etc. are sufficient to avoid damage to cause in a neighbor or an opposing person. But also with material processing similar conditions exist with laser light.

Um diese Gefahren auszuschalten bzw. weitgehend zu vermindern, wurde bereits vorgeschlagen, daß dem leistungsstarken Arbeitslaser zur Freigabe seiner Strahlung ein schwacher, im sichtbaren Spektralbereich emittierender Pilotlichtlaser zugeordnet ist, wobei der vom Pilotlicht beleuchtete Fleck am Operationsfeld auf ein elektrooptisches Verriegelungssystem für die Freigabe der Laserstrahlung des Arbeitslasers wirkt und eine Fokussieroptik mit einer Rückmeldeoptik im Arbeitshandstück des Lasergerätes den Hochleistungslaserstrahl erst dann einscilaltet, wenn das Arbeitshandstück unmittelbar über dem Operatioxisfeld in Arbeitsstellung gebracht ist. Das Gerät wird sofort automatisch ausgeschaltet, wenn es davon weggeführt wird. Hierbei wird das rückgestreute Licht des Pilotlasers mit einem Detektor im Handfü.hrungsstück laufend gemessen. Liegt nun dieses rückgestreute Licht unter einem vorgegebenen Grenzwert, so wird automatisch der Arbeitslaser ausgeschaltet.In order to eliminate or largely reduce these dangers, was already suggested that the powerful working laser to release his Radiation a weak pilot light laser emitting in the visible spectral range is assigned, the spot illuminated by the pilot light on the operating field an electro-optical locking system for the release of the laser radiation of the Working laser works and focusing optics with feedback optics Only then switches on the high-power laser beam in the working handpiece of the laser device when the working handpiece is in the working position directly above the operating area is brought. The device is automatically switched off immediately when it is moved away from it will. Here, the backscattered light from the pilot laser is captured by a detector in the Handguide measured continuously. This backscattered light is now underneath a predetermined limit value, the working laser is automatically switched off.

Diese sich in der Praxis bereits bewehrten Maßnahmen haben die Gefahren einer S Strahlenschädigung schon weitgehend vermindert, jedoch hat es sich gezeigt, daß damit die Fälle, in denen die Laserstrahlung im Arbeitsfeld auf metallische oder andere spiegelnden Gegenstände fällt und dadurch unkontrolliert in die Umgebung reilektiert wird, nicht wirksam ausgeschaltet werden können. Spiegelnde Gegenstände weisen immer einen gewissen diffusen Streuanteil auf, d.h. wird der Laserstrahl vom spiegelnden Gegenstand aus dem Arbeitsfeld etwa seitlich reflektiert, so empfängt der Detektor im Fokussierhandstück noch einen gewissen diffusen Streuanteil von dem Gegenstand, der in vielen Fällen in seiner Intensität EO groß ist, wie derjenige beim normalen Arbeitsvorgang.These measures, which have already been proven in practice, have the dangers radiation damage has already been largely reduced, but it has been shown that that with it the cases in which the laser radiation in the working field on metallic or other reflective objects falls into the environment in an uncontrolled manner can not be effectively switched off. Reflective objects always have a certain diffuse scattering component, i.e. the laser beam becomes Reflected from the reflective object from the working area to the side, so receives the detector in the focusing handpiece still has a certain diffuse scatter component of the object which in many cases is great in its intensity EO, like the one during normal work.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Maßnahmen zu schaffen, die die diffuse Rückstreuung von spiegelnden Materialien von der diffusen Hückstreuung streuender Materialien unterscheidet.The object of the present invention is therefore to create measures the diffuse backscattering of reflective materials from the diffuse backscattering differs between scattering materials.

Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Laserlicht des Piletlasers stark polarisiert ist und daß das Verriegelungssystem in Abhängigkeit von dem Polarisationsgrad des von einem Gegenstand reflektierten oder zurückgestreuten Pilotlaserlichtes steuerbar ist.This task is thereby achieved in a device of the type mentioned at the beginning solved that the laser light of the Pilet laser is strongly polarized and that the locking system dependent on the degree of polarization of an object reflected or backscattered pilot laser light is controllable.

Bei einem HeNe-Laser mit Brewsterfenster wird der Polarisationsgrad etwa 1 : 500 betragen. Wird das Pilotlicht über Spiegel oder ein Linsensystem zum Arbeitsgerät geleitet, so hat der Yilotlichtstrahl beim Austreten u dem Fokussierhandstück noch den gleichen Poldrisationsgrad. Wird der Strahl aber zuerst über eine Lichtleitfaser zum Fokussierhandstück geleitet, wie dies vor allem bei medizinischen Laserarbeitsgeräten der Fall ist, so ist der olarisationsyrad nach dem Austreten des Strahles wegen der Depolarisation im Lichtleiter nur mehr l : 15.In the case of a HeNe laser with a Brewster window, the degree of polarization is be about 1: 500. If the pilot light is used via a mirror or a lens system Guided work device, so the pilot light beam has u the focusing handpiece when exiting still the same degree of polarization. But if the beam is first via an optical fiber directed to the focusing handpiece, as is the case with medical laser tools in particular is the case, then the polarization wheel is due to the exit of the beam the depolarization in the light guide is only 1:15.

Nun unterscheidet sich die diffuse Rückstrahlung von stark streuenden Materlaliers und die diffuse Rückstrahlung von spiegelnden Materi<-lien dadurch, daß im ersten Fall eine vollständige Depolarisation auitritt, und zwar wegen der Mehrfachstreuung im Material selbst.Now diffuse reflection differs from strongly scattering Materlaliers and the diffuse reflection of reflective materials as a result, that in the first case a complete depolarization occurs because of the Multiple scattering in the material itself.

Im zweiten Fall jedoch sinkt der Polarisationsgrad nur etwa um den Faktor 5 - 7 ab, so daß die Restpolarisation beim Austritt des Laserlicht aus der Lichtleitfaser noch l : 2,5 - 3 beträgt. Diese Restpolarisation ist, wie Laborversuche gezeigt haben, weitgehend unabhängig vom Auftreffwinkel des Pilotstrahls auf den Gegenstand bzw. das Operationsfeld oder von dessen Oberflächenbeschaffenheit. Die Polarisationseinrichtung im Rückstreulicht ist identisch mit derjenigen des Pilotlaserlichts.In the second case, however, the degree of polarization only decreases by about Factor 5 - 7, so that the residual polarization when the laser light emerges from the Optical fiber is still 1: 2.5-3. This residual polarization is like laboratory tests have shown, largely independent of the angle of incidence of the pilot beam on the Object or the operating field or its surface properties. the The polarization device in the backscattered light is identical to that of the pilot laser light.

Weitere Maßnahmen der Erfindung sind in den Ansprüchen niedergelegt und in der Beschreibung erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.Further measures of the invention are laid down in the claims and explained in the description. The figure of the drawing shows in schematic Representation of the structure of an embodiment according to the invention.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Energieteil des Laserarbeitsgerätes aus einem in einem Gehäuse 110 befindlichen Hochleistungslaser 111, einem Pilotlaser 112, Umlenkspiegeln 112a und Resonatorspiegeln 111a. Die Strahlen des Pilotlasers 112 und des Arbeitslascrs - werden in das Lichtleitkabel 4 gelenkt, das sich aus einer Lichtleitfaser 115 und einer Rückmeldeleitung 116 zusammensetzt. Im Gehäuse 10 ist weiterhin eine elektrische Verriegelungseinrichtung 118 für die Pumplichtquelle des Lasers 1 : bzw. eines Güteschalters angeordnet. Diese Verriegelungseinrichtung ist mit dem Detektor 119 im Handstück 1 20 über die Rückmeldeleitung 116 verbunden. Der Lichtleiter 115 mündet an seinem freien Ende in dem Handstück 120, das eine Fokussieroptik 117 für den Arbeitsstrahl und eine Rückmeldeoptik 118 für den Pilotlichtstrahl sowie die Detedtoren 119a und 119b mit den Polarisationsfiltern 126, 127 umfaßt. Der Rückmeldeoptik 118 ist außerdem zur Einstellung der Aperturwinkel γ t eine Blendeneinrichtung 121 zugeordnet.In the present exemplary embodiment, there is the energy part of the laser tool from a high-power laser 111 located in a housing 110, a pilot laser 112, deflecting mirrors 112a and resonator mirrors 111a. The beams of the pilot laser 112 and the working laser - are directed into the fiber optic cable 4, which consists of an optical fiber 115 and a feedback line 116 composed. In the case 10 is also an electrical locking device 118 for the pump light source of the laser 1: or a Q-switch arranged. This locking device is connected to the detector 119 in the handpiece 120 via the feedback line 116. The light guide 115 opens at its free end in the handpiece 120, the one Focusing optics 117 for the working beam and feedback optics 118 for the pilot light beam and the detedtors 119a and 119b with the polarization filters 126, 127. The feedback optics 118 is also used to set the aperture angle γ t a diaphragm device 121 is assigned.

Das Polarisationsfilter 126 des Detektors 119a liegt mit seiner Durchlaßrichtung parallel zur Durchlaßrichtung des Pilotlichtes 112; das Polarisationsfilter 127 vor dem Detektor 119b liegt in seiner Durchlaßrichtung senkrecht dazu. Durch einen Vergleich der Signalspannungen der beiden Detektoren 119a, 119b kann nun unterschieden werden, von welcher der beiden Arten von Reflexionsflächen das Streulicht kommt. Die Elektronik 13 zur Betätigung bzw. Verriegelung des Laserschalters wird nun so ausgelegt, daß in den Fällen, in denen kein Streulicht von beiden Detektoren 119a, 119b empfangen wird, der Laser 111 nicht eingeschaltet wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß das Laserarbeitsgerät unmittelbar nach schon geringfügigem Abheben des Laserstrahles vom Operationsfeld automatisch abgeschaltet wird. Es können also keinerlei Gefahren durch direkte Strahlung auf umstehende Personen mehr entstehen. Außerdem wird das Laserarbeitsgerät an nicht eingeschãltet bzw. automatisch ausgeschaltet, wenn die Signalspannung der beiden Detektoren 119a, 119b um den Faktor 1,5 zueinander differiert. Durch diese Maßnahme wird eine Strahlenschädigung durch vom Arbeitsfeld unkontrolliert in die Umgebung reflektierende Laserstrahlung verhindert.The polarization filter 126 of the detector 119a lies with its forward direction parallel to the transmission direction of the pilot light 112; the polarizing filter 127 in front of the detector 119b lies perpendicular thereto in its transmission direction. Through a A distinction can now be made between the signal voltages of the two detectors 119a, 119b which of the two types of reflection surface the scattered light comes from. The electronics 13 for actuating or locking the laser switch will now be like this designed that in cases where no scattered light from both detectors 119a, 119b is received, the laser 111 is not turned on. By this measure it is ensured that the laser tool immediately after already minor Lifting off the laser beam automatically switched off by the operating field will. So there can be no danger from direct radiation on bystanders more arise. In addition, the laser device is not switched on or off. automatically switched off when the signal voltage of the two detectors 119a, 119b differ from each other by a factor of 1.5. This measure causes radiation damage due to laser radiation reflecting uncontrollably from the working area into the environment prevented.

Vor allem bei Materialbearbeitungsfällen - wie Metallschneiden usw. - optimiert die erfindung die Arbeitssicherheit.Especially in material processing cases - such as metal cutting, etc. - the invention optimizes occupational safety.

Der Arbeitslaser 111 kann also nur mehr dann eingeschaltet werden bzw. schaltet sich selbst automatisch ein, wenn die Signalspannungen der beiden Detektoren =79a, 1 9b vergleichbar gleich groß sind. Die im Miilisekundenbereich liegende Ansprechzeit der Elektronik 1 3 gewährleistet ein sofortiges Ausschalten des Arbeitslasers, wenn der Pilotlichtstrahl von stark streuender Auftreffoberfläche - wie beispielsweise die menschliche Haut - auf einen spiegelnden Gegenstand schwenkt, so daß die ausgespiegelte Lichtenergie in dem Zeitintervall bis zum Ausschalten des Lasers auf jeden Fall unter dem Sicherheitswert der Strahlbelastung für die Umgebung liegt. Durch die Erfindung ist damit ein eindeutiges Unterscheiden angestrahlter Gegenstände bzw. reflektierender Flächen gegeben.The working laser 111 can only then be switched on or switches itself on automatically when the signal voltages of the two Detectors = 79a, 19b are comparable in size. Those in the millisecond range The delayed response time of the electronics 1 3 ensures an immediate switch-off of the working laser when the pilot light beam comes from a strongly scattering surface - such as the human skin - swings onto a reflective object, so that the reflected light energy in the time interval up to the switch-off of the laser is definitely below the safety value of the radiation exposure for the Surrounding area. The invention thus enables a clear differentiation between the illuminated Objects or reflective surfaces given.

Patentansprüche:Patent claims:

Claims (4)

1. Sicherheitseinrichtung gegen Laserstrahlung, insbesondere bei Verwendung von flexiblen Lichtleitern mit einer Pokussieroptik in einem Handstück am 'nde des Lichtleitkabels, wobei dem Arbeitslaser zur Preigabe seiner Strahlung ein schwacher, im sichtbaren Spektrolbereich emittierender Pilotlichtlaser und ein elektrooptisches Verriegelungssystem zur Inbetriebnahme des Arbeitslasers zugeordnet ist, nsch Patent.......... (Patentanmeldung p 3 1 137-2-34 vom 26.(4. 973), dadurch @ e k e ri n z e i c h n e t , daß das Laserlicht des Filotlasers stark polarisiert ist und daß das Vcrriegclungssys tem in Abhängigkeit von dem Polarisatiorsgrad des von einem degenstand reflektierten oder zurückgestreuten Piloglaserlichtes steuerbar ist.1. Safety device against laser radiation, especially when in use of flexible light guides with focusing optics in a handpiece at the end of the Fiber optic cable, whereby the working laser has a weak, A pilot light laser emitting in the visible spectral range and an electro-optical one Locking system for commissioning the work laser is assigned, according to patent .......... (Patent application p 3 1 137-2-34 of 26 (4. 973), thereby @ e k e ri n z e i c h n e t that the laser light of the Filotlasers is strongly polarized and that the locking system tem as a function of the degree of polarization of the reflected from an object or backscattered pilot laser light is controllable. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß in dem Fokussierhandstück (120) zwei Detektoren (119a, 119b) angeordnet werden, denen zusätzlich zu Filtern zur Abschwächung von fremdlicht noch Polarisationsfilter (126,127) vorgeschaltet sind. Safety device according to Claim 4, characterized in that it is a -k e n n z e i c h n e t that two detectors (119a, 119b) are arranged in the focusing handpiece (120) which, in addition to filters for attenuating extraneous light, have polarization filters (126,127) are connected upstream. 3. Sicherheitseinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h rl e t , daß das Polarisationsfilter (126) des einen Detektors 119a) mit seiner Durchlanrichtung parallel zur Polarisationsrichtung des Pilotlichts (112) liegt und das Polarisationsfilter (127) vor dem zweiten Detektor (119b) in seiner Durchlaßrichtung senkrecht dazu liegt.3. Safety device according to claims 1 and 2, thereby g e it is not indicated that the polarization filter (126) of the one detector 119a) with its direction of passage parallel to the direction of polarization of the pilot light (112) and the polarization filter (127) in front of the second detector (119b) in its forward direction is perpendicular to it. 4. Sicherheitseinrichtung nach einem oder mehreren der An-@prüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisationsfilter Polarisationsfolien verwendet werden.4. Safety device according to one or more of the claims 1 to 3, characterized in that polarization films are used as polarization filters be used.
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