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

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

Translated fromGerman

Sicherheitseinrichtung gegen LaserstrahlungSafety device against laser radiation

Die Erfindung bezieht sich aui eine Sicherheitseinrichtung gegen Laserstrahlung,insbesondere bei Verwendung von flexiblen Lichtleitern mit einer Fokussieroptikin einem HandstÜck am und des Lichtleitkabels, wobei dem Arbeitslaser zur Ereigabeseiner Strahlung ein schwacher, im sichtbaren Spektralbereich emittierender Pilotlichtlaserund ein elektrooptisehe Verriegelungssystem zur Inbetriebnahme des Arbeitslaserszugeordnet 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 opticsin one hand piece on and the fiber optic cable, with the working laser for Ereigabeits radiation is a weak pilot light laser emitting in the visible spectral rangeand an electro-optical locking system for starting up the working laseris 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 übertragenwird, dieGefahren für eine Schädigung, beispielsweise des menschlichen Auges, sehr groß.Das hängt damit zusammen, daß das Laserlichtbündel entweder überhaupt nicht odernur sehr schlecht sichtbar ist und daher das Ausschalten des Gerätes bzw. das Abblendendes Laserstrahls bei kurzer Unterbrechung der Arbeiten sehr häufig vergessen wird.Hinzu kommt noch, daß Laserarbeitsgeräte geräuschlos funktionieren. Vor allem beiVerwendung auf dem medizinischen Sektor, beispielsweise in der Chirurgie, wo sehrhäufig das als Skalpell dienende Laserarbeitshandstück zur Seite gelegt und wiederaufgenommen wird, bedeutet ein laufendes Ein- und Ausschalten des Gerätes einenunzumutbaren und zeitraubenden Aufwand, der sich vor allem auf die Konzentrationdes operierenden Arztes nachteilig auswirken würde. Andererseits aber sind allebei einer Operation mitwirkenden Personen durch das Laserlicht des momentan zurSeite gelegten Gerätes stark gefährdet. Diese Gefahr bleibt aber auch während desArbeitsvorganges bestehen. Eine unwillkürliche Körperdrehung, ein ochnehmen derdas flexible Übertragungselement haltenden Hand usw. genügen schon, um Schädigungenbei einem Neben-oder Gegenüberstehenden zu verursachen. Jedoch auch bei Materialbearbeitungendurch Laserlicht liegen ähnliche Verhältnisse vor.As practice has shown, when working with laser radiation,especially when transmitted through flexible handheld deviceswill theThe 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 oris only very poorly visible and therefore switching off the device or dimming downof the laser beam is very often forgotten after a short break in work.In addition, laser tools work noiselessly. Especially withUse in the medical sector, for example in surgery, where veryoften the laser handpiece serving as a scalpel is put to one side and then againis recorded, a continuous switching on and off of the device means aunreasonable and time-consuming effort, which mainly relies on concentrationthe operating physician would adversely affect. On the other hand, everyone ispeople involved in an operation through the laser light of the momentaryDevice placed on its side is endangered. However, this danger remains even during theWork process exist. An involuntary twist of the body, an och takingthe hand holding the flexible transmission element etc. are sufficient to avoid damageto cause in a neighbor or an opposing person. But also with material processingsimilar conditions exist with laser light.

Um diese Gefahren auszuschalten bzw. weitgehend zu vermindern, wurdebereits vorgeschlagen, daß dem leistungsstarken Arbeitslaser zur Freigabe seinerStrahlung ein schwacher, im sichtbaren Spektralbereich emittierender Pilotlichtlaserzugeordnet ist, wobei der vom Pilotlicht beleuchtete Fleck am Operationsfeld aufein elektrooptisches Verriegelungssystem für die Freigabe der Laserstrahlung desArbeitslasers wirktund eine Fokussieroptik mit einer Rückmeldeoptikim Arbeitshandstück des Lasergerätes den Hochleistungslaserstrahl erst dann einscilaltet,wenn das Arbeitshandstück unmittelbar über dem Operatioxisfeld in Arbeitsstellunggebracht ist. Das Gerät wird sofort automatisch ausgeschaltet, wenn es davon weggeführtwird. Hierbei wird das rückgestreute Licht des Pilotlasers mit einem Detektor imHandfü.hrungsstück laufend gemessen. Liegt nun dieses rückgestreute Licht untereinem vorgegebenen Grenzwert, so wird automatisch der Arbeitslaser ausgeschaltet.In order to eliminate or largely reduce these dangers, wasalready suggested that the powerful working laser to release hisRadiation a weak pilot light laser emitting in the visible spectral rangeis assigned, the spot illuminated by the pilot light on the operating fieldan electro-optical locking system for the release of the laser radiation of theWorking laser worksand focusing optics with feedback opticsOnly then switches on the high-power laser beam in the working handpiece of the laser devicewhen the working handpiece is in the working position directly above the operating areais brought. The device is automatically switched off immediately when it is moved away from itwill. Here, the backscattered light from the pilot laser is captured by a detector in theHandguide measured continuously. This backscattered light is now underneatha predetermined limit value, the working laser is automatically switched off.

Diese sich in der Praxis bereits bewehrten Maßnahmen haben die Gefahreneiner S Strahlenschädigung schon weitgehend vermindert, jedoch hat es sich gezeigt,daß damit die Fälle, in denen die Laserstrahlung im Arbeitsfeld auf metallischeoder andere spiegelnden Gegenstände fällt und dadurch unkontrolliert in die Umgebungreilektiert wird, nicht wirksam ausgeschaltet werden können. Spiegelnde Gegenständeweisen immer einen gewissen diffusen Streuanteil auf, d.h. wird der Laserstrahlvom spiegelnden Gegenstand aus dem Arbeitsfeld etwa seitlich reflektiert, so empfängtder Detektor im Fokussierhandstück noch einen gewissen diffusen Streuanteil vondem Gegenstand, der in vielen Fällen in seiner Intensität EO groß ist, wie derjenigebeim normalen Arbeitsvorgang.These measures, which have already been proven in practice, have the dangersradiation damage has already been largely reduced, but it has been shown thatthat with it the cases in which the laser radiation in the working field on metallicor other reflective objects falls into the environment in an uncontrolled mannercan not be effectively switched off. Reflective objectsalways have a certain diffuse scattering component, i.e. the laser beam becomesReflected from the reflective object from the working area to the side, so receivesthe detector in the focusing handpiece still has a certain diffuse scatter component ofthe object which in many cases is great in its intensity EO, like the oneduring normal work.

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

Diese Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs genannten Art dadurchgelöst, daß das Laserlicht des Piletlasers stark polarisiert ist und daß das Verriegelungssystemin Abhängigkeit von dem Polarisationsgrad des von einem Gegenstandreflektierten oder zurückgestreuten Pilotlaserlichtes steuerbar ist.This task is thereby achieved in a device of the type mentioned at the beginningsolved that the laser light of the Pilet laser is strongly polarized and that the locking systemdependent onthe degree of polarization of an objectreflected or backscattered pilot laser light is controllable.

Bei einem HeNe-Laser mit Brewsterfenster wird der Polarisationsgradetwa 1 : 500 betragen. Wird das Pilotlicht über Spiegel oder ein Linsensystem zumArbeitsgerät geleitet, so hat der Yilotlichtstrahl beim Austreten u dem Fokussierhandstücknoch den gleichen Poldrisationsgrad. Wird der Strahl aber zuerst über eine Lichtleitfaserzum Fokussierhandstück geleitet, wie dies vor allem bei medizinischen Laserarbeitsgerätender Fall ist, so ist der olarisationsyrad nach dem Austreten des Strahles wegender Depolarisation im Lichtleiter nur mehr l : 15.In the case of a HeNe laser with a Brewster window, the degree of polarization isbe about 1: 500. If the pilot light is used via a mirror or a lens systemGuided work device, so the pilot light beam has u the focusing handpiece when exitingstill the same degree of polarization. But if the beam is first via an optical fiberdirected to the focusing handpiece, as is the case with medical laser tools in particularis the case, then the polarization wheel is due to the exit of the beamthe depolarization in the light guide is only 1:15.

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

Im zweiten Fall jedoch sinkt der Polarisationsgrad nur etwa um denFaktor 5 - 7 ab, so daß die Restpolarisation beim Austritt des Laserlicht aus derLichtleitfaser noch l : 2,5 - 3 beträgt. Diese Restpolarisation ist, wie Laborversuchegezeigt haben, weitgehend unabhängig vom Auftreffwinkel des Pilotstrahls auf denGegenstand bzw. das Operationsfeld oder von dessen Oberflächenbeschaffenheit. DiePolarisationseinrichtung im Rückstreulicht ist identisch mit derjenigen des Pilotlaserlichts.In the second case, however, the degree of polarization only decreases by aboutFactor 5 - 7, so that the residual polarization when the laser light emerges from theOptical fiber is still 1: 2.5-3. This residual polarization is like laboratory testshave shown, largely independent of the angle of incidence of the pilot beam on theObject or the operating field or its surface properties. theThe polarization device in the backscattered light is identical to that of the pilot laser light.

Weitere Maßnahmen der Erfindung sind in den Ansprüchen niedergelegtund in der Beschreibung erläutert. Die Figur der Zeichnung zeigt in schematischerDarstellung den Aufbau eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.Further measures of the invention are laid down in the claimsand explained in the description. The figure of the drawing shows in schematicRepresentation of the structure of an embodiment according to the invention.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Energieteil des Laserarbeitsgerätesaus einem in einem Gehäuse 110 befindlichen Hochleistungslaser 111, einem Pilotlaser112, Umlenkspiegeln 112a und Resonatorspiegeln 111a. Die Strahlen des Pilotlasers112 und des Arbeitslascrs - werden in das Lichtleitkabel 4 gelenkt, das sich auseiner Lichtleitfaser 115 und einer Rückmeldeleitung 116 zusammensetzt. Im Gehäuse10 ist weiterhin eine elektrische Verriegelungseinrichtung 118 für die Pumplichtquelledes Lasers 1 : bzw. eines Güteschalters angeordnet. Diese Verriegelungseinrichtungist 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 eineFokussieroptik 117 für den Arbeitsstrahl und eine Rückmeldeoptik 118 für den Pilotlichtstrahlsowie die Detedtoren 119a und 119b mit den Polarisationsfiltern 126, 127 umfaßt.Der Rückmeldeoptik 118 ist außerdem zur Einstellung der Aperturwinkel γ teine Blendeneinrichtung 121 zugeordnet.In the present exemplary embodiment, there is the energy part of the laser toolfrom a high-power laser 111 located in a housing 110, a pilot laser112, deflecting mirrors 112a and resonator mirrors 111a. The beams of the pilot laser112 and the working laser - are directed into the fiber optic cable 4, which consists ofan optical fiber 115 and a feedback line 116 composed. In the case10 is also an electrical locking device 118 for the pump light sourceof the laser 1: or a Q-switch arranged. This locking deviceis 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 oneFocusing optics 117 for the working beam and feedback optics 118 for the pilot light beamand the detedtors 119a and 119b with the polarization filters 126, 127.The feedback optics 118 is also used to set the aperture angle γ ta diaphragm device 121 is assigned.

Das Polarisationsfilter 126 des Detektors 119a liegt mit seiner Durchlaßrichtungparallel zur Durchlaßrichtung des Pilotlichtes 112; das Polarisationsfilter 127vor dem Detektor 119b liegt in seiner Durchlaßrichtung senkrecht dazu. Durch einenVergleich der Signalspannungen der beiden Detektoren 119a, 119b kann nun unterschiedenwerden, von welcher der beiden Arten von Reflexionsflächen das Streulicht kommt.Die Elektronik 13 zur Betätigung bzw. Verriegelung des Laserschalters wird nun soausgelegt, daß in den Fällen, in denen kein Streulicht von beiden Detektoren 119a,119b empfangen wird, der Laser 111 nicht eingeschaltet wird. Durch diese Maßnahmeist sichergestellt, daß das Laserarbeitsgerät unmittelbar nach schon geringfügigemAbheben des Laserstrahlesvom Operationsfeld automatisch abgeschaltetwird. Es können also keinerlei Gefahren durch direkte Strahlung auf umstehende Personenmehr entstehen. Außerdem wird das Laserarbeitsgerät an nicht eingeschãltet bzw.automatisch ausgeschaltet, wenn die Signalspannung der beiden Detektoren 119a, 119bum den Faktor 1,5 zueinander differiert. Durch diese Maßnahme wird eine Strahlenschädigungdurch vom Arbeitsfeld unkontrolliert in die Umgebung reflektierende Laserstrahlungverhindert.The polarization filter 126 of the detector 119a lies with its forward directionparallel to the transmission direction of the pilot light 112; the polarizing filter 127in front of the detector 119b lies perpendicular thereto in its transmission direction. Through aA distinction can now be made between the signal voltages of the two detectors 119a, 119bwhich 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 thisdesigned that in cases where no scattered light from both detectors 119a,119b is received, the laser 111 is not turned on. By this measureit is ensured that the laser tool immediately after already minorLifting off the laser beamautomatically switched off by the operating fieldwill. So there can be no danger from direct radiation on bystandersmore arise. In addition, the laser device is not switched on or off.automatically switched off when the signal voltage of the two detectors 119a, 119bdiffer from each other by a factor of 1.5. This measure causes radiation damagedue to laser radiation reflecting uncontrollably from the working area into the environmentprevented.

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 werdenbzw. schaltet sich selbst automatisch ein, wenn die Signalspannungen der beidenDetektoren =79a, 1 9b vergleichbar gleich groß sind. Die im Miilisekundenbereichliegende Ansprechzeit der Elektronik 1 3 gewährleistet ein sofortiges Ausschaltendes 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 Ausschaltendes Lasers auf jeden Fall unter dem Sicherheitswert der Strahlbelastung für dieUmgebung liegt. Durch die Erfindung ist damit ein eindeutiges Unterscheiden angestrahlterGegenstände bzw. reflektierender Flächen gegeben.The working laser 111 can only then be switched onor switches itself on automatically when the signal voltages of the twoDetectors = 79a, 19b are comparable in size. Those in the millisecond rangeThe delayed response time of the electronics 1 3 ensures an immediate switch-offof 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-offof the laser is definitely below the safety value of the radiation exposure for theSurrounding area. The invention thus enables a clear differentiation between the illuminatedObjects or reflective surfaces given.

Patentansprüche:Patent claims:

Claims (4)

Translated fromGerman

1. Sicherheitseinrichtung gegen Laserstrahlung, insbesondere bei Verwendungvon flexiblen Lichtleitern mit einer Pokussieroptik in einem Handstück am 'nde desLichtleitkabels, wobei dem Arbeitslaser zur Preigabe seiner Strahlung ein schwacher,im sichtbaren Spektrolbereich emittierender Pilotlichtlaser und ein elektrooptischesVerriegelungssystem 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 hn e t , daß das Laserlicht des Filotlasers stark polarisiert ist und daß das Vcrriegclungssystem in Abhängigkeit von dem Polarisatiorsgrad des von einem degenstand reflektiertenoder zurückgestreuten Piloglaserlichtes steuerbar ist.1. Safety device against laser radiation, especially when in useof flexible light guides with focusing optics in a handpiece at the end of theFiber optic cable, whereby the working laser has a weak,A pilot light laser emitting in the visible spectral range and an electro-optical oneLocking 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 hn e t that the laser light of the Filotlasers is strongly polarized and that the locking systemtem as a function of the degree of polarization of the reflected from an objector backscattered pilot laser light is controllable. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z ei c h n e t , daß in dem Fokussierhandstück (120) zwei Detektoren (119a, 119b) angeordnetwerden, 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 ei 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 ek e n n z e i c h rl e t , daß das Polarisationsfilter (126) des einen Detektors119a) mit seiner Durchlanrichtung parallel zur Polarisationsrichtung des Pilotlichts(112) liegt und das Polarisationsfilter (127) vor dem zweiten Detektor (119b) inseiner Durchlaßrichtung senkrecht dazu liegt.3. Safety device according to claims 1 and 2, thereby g eit is not indicated that the polarization filter (126) of the one detector119a) 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) inits forward direction is perpendicular to it.4. Sicherheitseinrichtung nach einem oder mehreren der An-@prüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisationsfilter Polarisationsfolienverwendet werden.4. Safety device according to one or more of the claims1 to 3, characterized in that polarization films are used as polarization filtersbe used.