DE10115426A1

DE10115426A1 - Vorrichtung und Verfahrens zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material

Info

Publication number: DE10115426A1
Application number: DE2001115426
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Brugger; Anton Kasenbacher; Mark Niemz; Thorsten Bauer
Original assignee: W&H Dentalwerk Buermoos GmbH
Current assignee: W&H Dentalwerk Buermoos GmbH
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: WO2002078558A1; DE10115426C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material, insbesondere zur Verwendung im zahnmedizinischen Bereich, mit einer Laserlichtquelle, einer Erfassungsvorrichtung zum Erfassen zumindest eines Teils einer Plasma-Strahlung, die von dem durch die Laser-Ablation hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, und einem bearbeitungsseitigen Endelement mit einem lichtleitenden Endbereich, wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, daß der lichtleitende Endbereich sowohl das von der Laserlichtquelle erzeugte Laserlicht zur Ablation auf ein zu bearbeitendes Material als auch zumindest einen Teil der erzeugten Plasma-Strahlung zur Erfassungsvorrichtung weiterleitet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material im nicht-medizinischen Bereich, wobei ein Bearbeitungslaserstrahl erzeugt und bei der Ablation des Materials durch den Bearbeitungslaserstrahl ein Plasma erzeugt wird, wobei zumindest ein Teil der durch das Plasma erzeugten Plasma-Strahlung einer Erfassungsvorrichtung zugeführt wird, wobei im wesentlichen der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung zur Erfassungsvorrichtung geleitet wird, der in einem Raumwinkel abgestrahlt wird, in dem auch der auf das zu bearbeitende Material eingestrahlte Bearbeitungsstrahl verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material mit einer Laserlichtquelle, einer Erfassungsvorrichtung zum Erfassen zumindest eines Teils einer Strahlung, die von dem durch die Laser-Ablation hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, und einem bearbeitungsseitigen Endelement mit einem lichtleitenden Endbereich. Eine solche Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung im medizini schen, insbesondere zahnmedizinischen Bereich, ist aber auch in vielen anderen Bereichen einsetzbar.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Laser-Ablation von organischem und anorga nischem Material im nicht-medizinischen Bereich.

Ein Abtragen bzw. eine Ablation von organischem und anorganischem Material wird übli cherweise durch Einwirkung mechanischer Mittel auf das Material erreicht. Insbesondere werden mechanische Bohrer oder ähnliche Werkzeuge eingesetzt.

Es ist im Stand der Technik jedoch auch bekannt, anstelle der mechanischen Bohrer Laservor richtungen einzusetzen. Auch im medizinischen Bereich, insbesondere im zahnmedizinischen Bereich, werden verstärkt Laserbehandlungsgeräte eingesetzt.

Eine Vorrichtung zur Laser-Ablation ist beispielsweise aus der WO 96/34566 bekannt, die ein System mit einem CO₂ Laser umfaßt. Ein weiteres Laserbehandlungsgerät für den Einsatz im medizinischen oder zahnmedizinischen Bereich ist beispielsweise aus der deutschen Pa tentanmeldung (amtl. Aktenzeichen des DPMA: 100 42 220.9) bekannt.

Ferner ist es vorteilhaft, den Zustand des zu bearbeitenden Materials vor und/oder während des Behandelns bzw. Abtragens zu überprüfen. Insbesondere im zahnmedizinischen Bereich ist es sinnvoll festzustellen, ob der Bereich des zu behandelnden Zahnes kariös ist und insbe sondere, wann das kariöses Zahnmaterial vollständig abgetragen worden ist, um zu verhin dern, daß unnötig gesundes Zahnmaterial abgetragen wird.

Eine Vorrichtung zum Erkennen von Karies, Plaque oder bakteriellen Befall Zähnen ist bei spielsweise aus der DE 195 41 686 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird eine Anregungs strahlung erzeugt und auf den zu untersuchenden Zahn gerichtet, wodurch eine Fluoreszens strahlung hervorgerufen wird, die von einer Erfassungseinrichtung aufgenommen wird. Eine Analyse des Fluoreszensspektrums kann über den Zustand des bestrahlten Bereiches Auskunft geben und die Unterscheidung von gesundem und von kariösen Zahnbereichen sowie die Er kennung von Karies erleichtern.

Aus der DE 297 05 934 U1 ist ferner eine ähnliche Vorrichtung bekannt, wobei neben der reinen Diagnosevorrichtung, die in der DE 195 41 686 A1 geschrieben worden ist, auch eine Behandlungslaserstrahlung erzeugt wird. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Untersu chung und Analyse des zu behandelnden Bereiches mittels der an dem Zahngewebebereich erzeugten Fluoreszensstrahlung durchgeführt.

Ein weiteres Verfahren zur Überprüfung des zu behandelnden Materials insbesondere zur Überprüfung des Gesundheitszustandes eines Zahnbereichs, ist die Differenzreflektometrie. Bei diesem Verfahren wird, neben dem Behandlungslaser, eine Xenonlampe zur Verfügung gestellt, die den zu untersuchenden Bereich des Materials bestrahlt, wobei das von dem be strahlten Bereich reflektierte Licht erfaßt und ausgewertet wird.

Nachteil sämtlicher vorgenannter Verfahren ist es, daß grundsätzlich neben dem Behand lungslaser ein zweiter Laser oder zumindest eine zweite Lichtquelle erforderlich ist, die erst die Analyse des zu behandelnden Materials ermöglicht.

Es ist ferner vorgeschlagen worden, daß die Strahlung, die von dem durch die Laser-Ablation hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, zu einer "Online" Analyse, d. h. zu einer gleichzeitig stattfindenden Analyse des gerade ablatierten oder abgetragenen Materials genutzt wird. Ein solches Verfahren ist z. B. in "Investigation and Spectral Analysis of the Plasma-Induced Ablation Mechanism of Dental Hydroxyapatite", M. H. Niemz, Applied Physics B 58, 273- 281(1994) beschrieben.

Bei einem solchen Verfahren wird ein Lichtleiter in die Nähe des zu behandelnden Bereiches gebracht, wobei ein Teil der Plasma-Strahlung von dem Lichtleiter an einer Erfassungsvor richtung, insbesondere ein Spektrometer, weitergeleitet wird. Nachteilig bei einem solchen Verfahren ist es, daß sich zum einen die Position des Lichtleiters relativ zu dem Behand lungsbereich und dem Bearbeitungslaserstrahl und damit zu dem erzeugten Plasma ändert, was zu Schwankungen der Meßergebnisse führen kann, zum anderen daß das Plasma auch je nach Formgebung des zu bearbeitenden oder zu behandelnden Bereiches gegenüber dem Lichtleiter teilweise abgeschirmt wird, was insbesondere im zahnmedizinischen Bereich leicht auftreten kann. Starke Signalschwankungen durch Abschattung, Flanken und Auswandern sind daher die Folge.

Ein weiteres Problem ist es ferner, gleichzeitig die Behandlungsvorrichtung und den Licht leiter der Überwachungsvorrichtung gleichzeitig an eine gute Position zu bringen, was insbe sondere im dentalmedizinischen Bereich von Bedeutung ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material mit einer Lichtquelle und einer Erfassungsvorrich tung zum Erfassen zumindest eines Teils einer Strahlung, die von dem durch die Laser- Ablation hervorgerufenen Plasma erzeugt wird, zur Verfügung zu stellen, die die oben be schriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht oder nur in deutlich geringerem Maße aufweist. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren für den nicht-medizinischen Bereich zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Laser-Ablation gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 9 und 11 bis 1 S betref fen besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung zur Laser-Ablation ein bearbeitungsseitiges End element mit einem lichtleitenden Endbereich, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Laser-Ablation so ausgelegt ist, daß der lichtleitende Endbereich sowohl das von der Laser lichtquelle erzeugte Laserlicht zur Ablation auf ein zu bearbeitendes Material als auch einen Teil der erzeugten Plasma-Strahlung zur Erfassungsvorrichtung weiterleitet.

Damit wird erreicht, daß in die Nähe des zu behandelnden Materials, häufig eines Zahnes im dentalmedizinischen Bereich, lediglich ein Element der Vorrichtung mit einem lichtleitenden Endbereich in die Nähe des bearbeitenden Materials gebracht werden muß. Dadurch wird vermieden, daß neben dem das Laserlicht zur Ablation emittierenden Endbereich der Be handlungsvorrichtung zusätzlich ein weiteres Element zur Aufnahme der Plasma-Strahlung eingesetzt werden muß. Ablations-Laserlicht und Plasma-Strahlung werden durch ein und dasselbe Endelement übertragen und weitergeleitet, wodurch die oben geschilderten Probleme des Standes der Technik vermieden werden.

Durch die Erfindung wird daher zum einen ein sehr kompaktes Gerät zur Verfügung gestellt, das auch bei engen räumlichen Gegebenheiten eingesetzt werden kann, wobei eine hohe Ge nauigkeit der Auswertung der Plasma-Strahlung sichergestellt wird, da diese aus der Richtung vorgenommen wird, aus der auch der Behandlungslaserstrahl auf das zu behandelnde Material eingestrahlt wird, was eine optimale Position zur Vermeidung von Abschattungen darstellt. Da ferner nur eine Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Behandlungslaserstrahls erforderlich ist und keine zusätzlichen Lichtquellen zur Überwachung des zu behandelnden Bereiches notwendig sind, wird ferner ein sehr kostengünstiges und effektives Gerät bereitgestellt.

Als lichtleitender Endbereich können sämtliche im Stand der Technik bekannten Mittel und Vorrichtungen eingesetzt werden, insbesondere lichtleitende Fasern, Hohlleiter oder auch Hohlräume, in denen der Laserstrahl mittels Spiegelelementen gelenkt wird, wie beispielswei se bei dem in der oben genannten deutschen Patentanmeldung 100 42 220.9 gezeigten Hand stück.

Bevorzugt ist die Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserbearbeitungsstrahls so ausgelegt, daß sie in einem Pulsmodus betreibbar ist. Gepulste Laserstrahlung hat den Vorteil, daß sie eine sehr hohe Intensität aufweist und zu in der Regel geringen Eindringtiefen und hoher Ab sorbtion führt, was insbesondere zur Ablation bzw. Abtragung von Material im Vergleich zu anderen Behandlungsverfahren, wie z. B. im medizinischen Bereich die Koagulation, wichtig ist.

Pulsdauer und Pulsfolgefrequenz können in der Regel je nach Anwendung in weiten Berei chen gesteuert werden, es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, eine Laserlichtquelle einzusetzen, die in einem cw (continuous wave)-Betriebsmodus arbeitet.

Bevorzugte Wellenlängen für das von der Laserlichtquelle imitierte Laserlicht liegen je nach Anwendungsgebiet zwischen λ = 700 nm und λ = 1100 nm, wobei typischerweise Laserlicht einer Wellenlänge von λ = 780 nm, λ = 1036 nm oder λ = 1060 nm eingesetzt wird. Die Erfin dung ist aber nicht auf eine bestimmte Wellenlänge oder einer bestimmte Laserlichtquelle eingeschränkt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laser- Ablation einen Strahlteiler zum Auskoppeln eines Teils des erzeugten Laserlichts zur Be handlung (Bearbeitungsstrahl) auf, wodurch ein Referenzstrahl erzeugt wird. Bevorzugt findet eine Auskopplung von etwa 1% bis etwa 40% des erzeugten Laserstrahls statt, bei einer be sonders bevorzugten Ausführungsform werden etwa 10% der Intensität des erzeugten Laser strahls für den Referenzlaserstrahl ausgekoppelt. Der Anteil der ausgekoppelten Leistung hängt sehr von dem Anwendungsgebiet ab, wobei tendenziell bei höherer Leistung ein ledig lich geringerer relativer Anteil ausgekoppelt wird.

Der ausgekoppelte Referenzlaserstrahl kann insbesondere an die Erfassungsvorrichtung wie tergeleitet werden, um mögliche Intensitätsschwankungen des Behandlungslaserstrahls, die sich bei einem konstanten relativen Anteil der Auskopplung auch in dem Referenzlaserstrahl wiederspiegeln, bei der Auswertung zu berücksichtigen. Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung zur Laser-Ablation ferner ein frequenzkonvertierendes Element, durch das der ausgekoppelte Referenzstrahl geleitet wird, wobei die Frequenz des ausgekoppelten Referenzstrahls verän dert wird. Als frequenzkonvertierendes Element eignet sich insbesondere ein Kaliumdihydrogenphosphat-Kristall (KDP-Kristall), der zu einer Frequenzverdoppelung des ihn passieren den Laserlichts führt.

Durch ein solches frequenzkonvertierendes Element wird beispielsweise ermöglicht, daß der Referenzstrahl nicht nur direkt zur Erfassungsvorrichtung weitergeleitet wird, sondern zuerst auf das zu bearbeitende Material gelenkt wird, von dort im wesentlichen auf Grund der geän derten Frequenz und der damit vollständig unterschiedlichen Wechselwirkung mit dem zu behandelnden Material im wesentlichen vollständig reflektiert wird und dann an die Erfas sungsvorrichtung weitergeleitet wird. Dies hat den Vorteil, daß zusätzlich auch die durch die Geometrie und/oder die Positionierung des Endelementes eventuell hervorgerufene Schwan kungen der Intensität der Plasma-Strahlung berücksichtigt werden. Dadurch wird eine noch genauere Überwachung der Ablation und eine dadurch deutlich verbesserte Analyse des gera de abgetragenen Materials ermöglicht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ferner eine Vorrichtung zum Einkoppeln zumin dest eines Teils des Referenzstrahles in den Bearbeitungsstrahl vorgesehen, was insbesondere bei dem oben beschriebenen Vorgang von Bedeutung ist, bei dem der Referenzstrahl ein fre quenzkonvertierendes Element durchläuft.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ferner eine Vorrichtung zum Auskop peln des von dem lichtleitenden Endbereich weitergeleiteten Teils der Plasmastrahlung und/oder des von dem zu behandelnden Materials reflektierten Referenzstrahles zum Weiter leiten an die Erfassungsvorrichtung vorgesehen.

Bei solchen Vorrichtungen werden bevorzugt besonders auf die Wellenlänge abgestimmte Spiegelvorrichtungen eingesetzt, die beispielsweise durchlässig für die Wellenlänge des Refe renzstrahles aber hoch reflektierend für die Wellenlänge des Bearbeitungs- oder Behand lungslaserstrahles sind, oder aber auch Spiegelelemente, die für Licht einer bestimmten Wel lenlänge in der einen Richtung transparent sind, während sie für Licht der gleichen Wellen- Länge, das aus der anderen Richtung auf sie eingestrahlt wird, hoch reflektierend ausgebildet sind.

Für solche Elemente kann auf ein breites Spektrum kommerziell zur Verfügung stehender Spiegel und Beschichtungen zurückgegriffen werden.

Als Erfassungsvorrichtung wird bevorzugt ein Spektrometer eingesetzt, wobei besondere Ausführungsformen ferner eine bevorzugt automatisch arbeitende Analyse-Vorrichtung oder Auswertevorrichtung umfassen. Das Spektrometer bzw. die Auswertevorrichtungen können an einem Computer zur automatischen Analyse und Auswertung der Meßdaten weitergeleitet werden, wobei die Meßdaten im wesentlichen ohne Verzögerung direkt ausgegeben werden können, sei es mittels optischer oder akustischer Anzeigen und Ausgabeelemente.

Es ist ferner möglich, eine automatische Steuerung vorzusehen, die beispielsweise die Ein strahlung des Bearbeitungslaserlichts auf das zu bearebitende Material automatisch unter bricht, wenn das Spektrometer und die angeschlossene Auswertevorrichtung bestimmte vor gegebene Meßwerte erzeugt, die beispielsweise im zahnmedizinischen Bereich anzeigen, daß im wesentlichen gesundes Zahnmaterial abgetragen wird.

Selbstverständlich ist es auch möglich, an Stelle der automatischen Steuerung eine manuelle Steuerung vorzusehen oder auch Mittel vorzusehen, die eine möglicherweise durch die auto matische Steuerung hervorgerufene Sperre aufheben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laser-Ablation umfaßt bevorzugt eine Scannervor richtung, mit der die Feinpositionierung des Bearbeitungsstrahls und/oder des Referenzstrahls gesteuert werden kann. Die Scannervorrichtung kann bestimmte Abtastmuster automatisch oder manuell gesteuert abtasten und ermöglicht dadurch zum einen eine Feinjustierung und zum anderen einen gleichmäßigen, gesteuerten Abtrag einem zu behandelnden Bereich.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Laser-Ablation von organischen und anorgani schen Materialien im nicht-medizinischen Bereich gemäß Anspruch 10. Die Vorteile eines solchen Verfahrens entsprechen im wesentlichen dem bereits oben geschilderten Vorteilen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren in weiten Bereichen der Technik, ins besondere bei der Oberflächenbehandlung etc. eingesetzt werden kann.

Insbesondere dadurch, daß im wesentlichen nur der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung der Erfassungsvorrichtung zugeführt wird, der in einem bevorzugt engem Raumwinkel im we sentlichen in der gleichen Richtung bzw. anti-parallel zu dem einfallenden Bearbeitungslaser strahl verläuft, werden zuverlässige und schwankungsarme Messungen erzeugt.

Der Raumwinkel ist im wesentlichen kegelförmig ausgebildet, wobei die Kegelspitze im we sentlichen dort liegt, wo der Bearbeitungslaserstrahl auf das zu bearbeitende Material trifft, von wo aus sich der Raumwinkel öffnet. Der kegelförmige Raumwinkel, innerhalb dessen die abgestrahlte Plasma-Strahlung von dem lichtleitenden Endbereich aufgenommen und zur Er fassungsvorrichtung weitergeleitet wird, ist bevorzugt symmetrisch zu dem einfallenden Be arbeitungslaserstrahl ausgebildet.

Es soll angemerkt werden, daß es sich bei dem Raumwinkel selbstverständlich nicht um einen streng mathematisch definierten Raumwinkel handelt, insbesondere die Kegelspitze ist nicht punktförmig ausgebildet, sondern umfaßt zumindest eine Fläche, die im wesentlichen dem Durchmesser des einfallenden Bearbeitungslaserstrahls an dieser Stelle entspricht.

Bevorzugt liegen die Raumwinkel in einem Bereich vom 1° bis 20°, insbesondere in einem Bereich von 5° bis 10°, wobei die Raumwinkel nicht allein durch die Vorrichtung an sich auf einen einzigen festen Wert festgelegt sein müssen, da sich der Raumwinkel insbesondere bei spielsweise durch den Abstand der Vorrichtung zur Laser-Ablation, d. h. insbesondere des Endbereiches der Vorrichtung von dem zu bearbeitenden Material, und auch durch die nume rische Apertur der eingesetzten optischen Elemente, ändert.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden schematischen Zeichnungen, die besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, weiter erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Hauptelemente einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zur Laser-Ablation;

Fig. 2 die entsprechenden Hauptelemente einer Vorrichtung zur Laser-Ablation gemäß dem Stand der Technik; und

Fig. 3 detaillierter einige Elemente einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsge mäßen Vorrichtung zur Laser-Ablation.

Fig. 2 zeigt schematisch einige Hauptelemente einer Vorrichtung zur Laser-Ablation gemäß dem Stand der Technik. Dabei wird von einer Laserlichtquelle 210 ein Laserlicht 212 einer bestimmten Wellenlänge als Bearbeitungsstrahl emittiert. Der Bearbeitungsstrahl 212 durch läuft eines oder mehrere Zwischenelemente 220, die hier lediglich schematisch als "Black Box" dargestellt sind, wobei diese insbesondere einen Scanner, Spiegelelemente usw. umfas sen. Eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik umfaßt ferner ein bearbeitungseitiges Endelement 222, das den Bearbeitungsstrahl 212 auf das zu behandelnde Material emittiert.

Beim Auftreffen des Bearbeitungsstrahls 212 auf das Material 230 entsteht durch die Ablation ein Plasma, so daß Plasma-Strahlung 240 erzeugt wird.

Ein Teil der erzeugten Plasma-Strahlung 240 wird von einem Lichtleiter 250, der in die Nähe des Behandlungsbereiches des Materials 230 gebracht wird, zu einem Spektrometer 260 ge leitet, mittels dem die spektrale Zusammensetzung der Plasma-Strahlung analysiert wird, wo durch Rückschlüsse auf den Zustand des zu behandelnden Materials gezogen werden können.

Eine solche Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik weist die bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung geschilderten Nachteile auf.

Fig. 1 dagegen zeigt sehr schematisch die Hauptbestandteile einer Vorrichtung zur Laser- Ablation gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Laserlichtquelle 110 emittiert einen Bear beitungsstrahl 112, der über Zwischenelemente 120 und ein bearbeitungsseitiges Endelement 122 auf das zu behandelnde Material 130 emittiert wird.

Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik wird jedoch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kein zusätzlicher Lichtleiter in die Nähe des zu behandelnden Bereiches zum Weiterleiten eines Teils der Plasma-Strahlung 140 geführt, sondern es wird der Teil der Plasma-Strahlung 140, der im wesentlichen in anti-paralleler Richtung zu dem einfallenden Bearbeitungsstrahl 112 verläuft, durch das bearbeitungseitige Endelement 122 und die Zwischenelemente 120 im wesentlichen auf dem gleichen Weg zu rückgeführt, den auch der Behandlungstrahl 112 zurückgelegt hat. Je nach Abstand des En delementes 122 wird Plasma-Strahlung von dem bearbeitungsseitigen Endelement aufge nommen, die in einem bestimmten Raumwinkel von dem zu bearbeitenden Material abge strahlt wird.

Die Plasma-Strahlung 140 wird dann von einem optischen Element 152, das an sich an belie biger Stelle in den Strahlengang eingesetzt ist, ausgekoppelt und über einen Lichtleiter 154 einer Erfassungseinrichtung, hier einem Spektrometer 160, zugeführt. Das optische Element 152 ist für die Wellenlänge des Behandlungslaserstrahls transparent, so daß zum einen der Behandlungslaserstrahl 112 von der Laserlichtquelle 110 ungehindert das optische Element 152 zu den Zwischenelementen 120 durchlaufen kann, zum anderen kein eventuell teilweise reflektiertes Licht dieser Wellenlänge über den Lichtleiter 154 zu dem Spektrometer 160 ge führt wird, so daß eine Beeinflussung oder Störung der Messung und Auswertung der Plasma- Strahlung vermieden wird.

Fig. 3 zeigt etwas detaillierter einige Elemente einer zweiten Ausführungsform einer erfin gunsgemäßen Vorrichtung zur Laser-Ablation.

Eine Laserlichtquelle 310 emittiert einen Bearbeitungsstrahl 312, der in der Fig. 3 oben rechts in die schematisch dargestellte Anordnung eingestrahlt wird. Ein Strahlteiler 372 kop pelt einen festen relativen Anteil des eingestrahlten Bearbeitungsstrahls aus, bei der gezeigten Ausführungsform etwa 10%, wodurch ein Referenzstrahl 314 erzeugt wird. Der Bearbei tungsstrahl 312, der nun in seiner Intensität auf circa 90% gesenkt worden ist, wird durch ei nen hochreflektierenden Spiegel (HR-Spiegel) 374 auf einen weiteren HR-Spiegel 382 ge lenkt, der wiederum den Bearbeitungsstrahl 312 über weitere Zwischenelemente 320, die auch in dieser Ausführungsform beispielsweise Scanner enthalten, und einen lichtleitenden Endbe reich 324 des bearbeitungsseitigen Endelements 322 auf das in Fig. 3 nicht gezeigte zu bear beitende Material gelenkt.

Der durch den Strahlteiler 372 ausgekoppelte Referenzstrahl 314 durchläuft einen Frequenz konverter 392, der in dieser Ausführungsform ein Kaliumdihydrogenphosphat (KH₂PO₄) KDP-Kristall ist, der zu einer Frequenzverdoppelung des Referenzstrahles 314 führt. Der fre quenzverdoppelte Referenzstrahl 316 wird von einer Spiegelvorrichtung 386 reflektiert und auf eine weitere Spiegelvorrichtung 384 gelenkt. Die Spiegelvorrichtung 384 weist ein kleines Loch bzw. eine schmale Öffnung 385 auf, die der frequenzverdoppelte Referenzstrahl 316 durchläuft, so daß er dahinter auf die Spiegelvorrichtung 382 trifft.

Bei der Spiegelvorrichtung 382 handelt es sich um eine dielektrische Spiegelvorrichtung, die, wie oben erwähnt, das Licht der Wellenlänge des Bearbeitungsstrahls reflektiert, für Licht der frequenzverdoppelten Referenzstrahlung jedoch transparent ist, so daß bei der Spiegelvor richtung 382 der frequenzverdoppelte Referenzstrahl 316 in den Bearbeitungsstrahl 312 ein gekoppelt wird und gemeinsam über die Zwischenelemente 320 und das bearbeitungsseitige Endelement 322 auf das hier nicht gezeigte zu behandelnde Material emittiert wird.

Wie oben bereits erläutert entsteht bei der Ablation ein Plasma, dessen Licht spektral breit bandig von dem zu behandelnden Material 130, 230 abgestrahlt wird (im folgenden Plasma- Strahlung 340 genannt). Die Plasma-Strahlung 340 durchläuft (parallel zu der reflektierten frequnzverdoppelten Referenzstrahlung 316) im wesentlichen anti-parallel zu dem einfallen den bearbeitungslaserstrahl 312 den lichtleitenden Endbereich 324 das bearbeitungsseitige Endelement 322, die Zwischenelemente 320 und trifft dann auf die Spiegelvorrichtung 382, die für die relevanten Wellenlängen der Plasma-Strahlung 340 (wie für die Wellenlänge des frequenzverdoppelten Referenzlaserstrahls) ebenfalls transparent ist, so daß die Plasma- Strahlung 340 mit der reflektierten frequenzverdoppelten Referenzlaserstrahlung 316 von der Spiegelvorrichtung 384, die bezüglich der frequenzverdoppelten Referenzstrahlung 316 und der Plasma-Strahlung 340 hochreflektiv ist (HR-Spiegel), dem Spektrometer 360 zur Analyse und Auswertung zugeführt wird.

Auf Grund der dem Spektrometer 360 zugeführten reflektierten frequenzverdoppelten Refe renzstrahlung 316 kann eine sehr exakte Auswertung und Analyse stattfinden, die sowohl mögliche Intensitätsschwankungen des Bearbeitungsstrahls 312 als auch mögliche Beinflus sungen bei der Detektion der am Material erzeugten bzw. reflektierten Strahlung berücksich tigt.

Die Spiegelvorrichtung 386 ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform ebenfalls eine di elektrische Spiegelvorrichtung, die für die Wellenlänge des frequenzverdoppelten Referenz strahles 316 hochreflektiv ist (HR-Spiegel), während sie für nicht frequenzverdoppelte An teile, die gegebenenfalls durch den Frequenzkonverter 392 nicht konvertiert worden sind, transparent ist, so daß diese Reststrahlung bei der Spiegelvorrichtung 386 ausgekoppelt wird.

Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß die mit der Öffnung 385 versehene Spiegelvorrichtung 384 eine sehr preisgünstige und dennoch zuverlässige Lösung darstellt, wobei die Größe der Öffnung 385 so gewählt ist, daß das von der Spiegelvorrichtung 386 reflektierte Licht direkt die Öffnung 385 durchläuft, während die an dem zu bearbeitenden Material erzeugte Plasma-Strahlung 340 und die reflektierte frequenzverdoppelte Referenz strahlung 316 einen größeren Strahldurchmesser aufweist, so daß die Verluste, die aufgrund der Strahlung, die durch das Loch 385 von der Spiegelvorrichtung 384 nicht in das Spektro meter 360 geleitet werden, vernachlässigt werden können.

Es ist jedoch auch möglich, anstelle der mit der Öffnung 385 versehenen Spiegelvorrichtung 384 eine Spiegelvorrichtung vorzusehen, die für das Licht der frequenzverdoppelten Refe renzstrahlung 316 in einer Richtung, nämlich bei Fig. 3 von rechts nach links, durchlässig ist, während sie in der anderen Richtung, in Fig. 3 von links nach rechts, hochreflektiv ist., was z. B. auch durch polarisationssensitive Schichten realisiert werden könnte. Dabei nutzt man insbesondere den Effekt, daß das Licht, das vom Laser kommt, sehr hoch polarisiert ist, während die Plasma-Strahlung im wesentlichen nicht polarisiert ist. Eine solche Spiegelvor richtung erhöht die Genauigkeit der Messergebnisse noch weiter, nimmt aber größere Kosten in Kauf.

Eine typische Wellenlänge für den Bearbeitungsstrahl 312 liegt bei λ = 780 nm, wodurch ein frequenzverdoppelter Referenzstrahl 316 mit einer Wellenlänge λ = 390 nm erzeugt wird. Selbstverständlich können unterschiedliche Laserlichtquellen eingesetzt werden, die insbe sondere einen Bearbeitungsstrahl mit einer Wellenlänge von λ = 700 nm bis λ = 1100 nm, ins besondere λ = 1036 nm und λ = 1060 nm erzeugen. Darüber hinaus kann selbstverständlich auch die harmonische Frequenz des entsprechenden Laserlichtquelle verwendet werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Bezugszeichenliste

110

Laserlichtquelle

112

Bearbeitungslaserstrahl

120

Zwischenelemente

122

bearbeitungsseitiges Endelement

130

zu behandelndes Material

140

Plasma-Strahlung

150

Lichtleiter

152

optisches Element

154

Lichtleiter

160

Spektrometer

210

Laserlichtquelle

212

Bearbeitungslaserstrahl

220

Zwischenelemente

222

bearbeitungsseitiges Endelement

230

zu behandelndes Material

240

Plasma-Strahlung

250

Lichtleiter

250

Spektrometer

310

Laserlichtquelle

312

Bearbeitungslaserstrahl

314

Referenzstrahl

316

frequenzkonvertierter Referenzstrahl

320

Zwischenelemente

322

bearbeitungsseitiges Endelement

324

lichtleitender Endbereich (des bearbeitungsseitigen Endelements

322

)

340

Plasma-Strahlung

360

Spektrometer

372

Strahlteiler

374

HR-Spiegel

382

Spiegelvorrichtung

384

Spiegelvorrichtung

385

Öffnung

386

Spiegelvorrichtung

392

frequenzkonvertierendes Element

Claims

1. Vorrichtung zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material (130), insbesondere zur Verwendung im zahnmedizinischen Bereich, mit
einer Laserlichtquelle (110, 310)
einer Erfassungsvorrichtung (160, 360) zum Erfassen zumindest eines Teils einer Plasma-Strahlung (140, 340), die von dem durch die Laser-Ablation hervorgerufe nen Plasma erzeugt wird, und
einem bearbeitungsseitigen Endelement (122, 322) mit einem lichtleitenden Endbe reich (324),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung zur Laser-Ablation so ausgelegt ist, daß der lichtleitende Endbereich (324) sowohl das von der Laserlichtquelle (110) erzeugte Laserlicht (112, 312) zur Ab lation auf ein zu bearbeitendes Material (330) als auch zumindest einen Teil der er zeugten Plasma-Strahlung (140, 340) zur Erfassungsvorrichtung (160, 360) weiterleitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (110, 310) im Pulsmodus betreibbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle (110, 310) so ausgelegt ist, daß sie Licht einer Wellenlänge in einem Bereich λ = 700 nm bis λ = 1100 emittiert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Strahlteiler (372) zu Auskoppeln eines Teils des erzeugten Laserlicht (312) zum erzeugen eines Referenzstrahls (314) und eines Bearbeitungsstrahls (312) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein frequenzkon vertierendes Element (392) zur Änderung der Frequenz des ausgekoppelten Referenz strahles (314; 316) umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Vor richtung zum Einkoppeln zumindest eines Teils des Referenzstrahles (314, 316) in den Bearbeitungsstrahl (312) umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Vorrichtung (382, 384) zum Auskoppeln des von dem lichtleitenden Endbereich (324) weitergeleiteten Teils der Plasma-Strahlung (340) und/oder des von dem zu bear beitenden Materials (330) reflektierten Referenzstrahls (316) zum Weiterleiten an die Erfassungsvorrichtung (360) umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung (360) ein Spektrometer ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Scannervorrichtung umfaßt.

10. Verfahren zur Laser-Ablation von organischem und anorganischem Material im nicht medizinischen Bereich, wobei ein Bearbeitungslaserstrahl (112, 312) erzeugt und bei der Ablation des Materials (130) durch den Bearbeitungslaserstrahl (112, 312) ein Plasma erzeugt wird, wobei zumindest ein Teil der durch das Plasma erzeugten Plasma- Strahlung (140, 340) einer Erfassungsvorrichtung (160, 360) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen der Teil der erzeugten Plasma-Strahlung (140, 340) zur Erfassungsvor richtung (160, 360) geleitet wird, der in einem Raumwinkel abgestrahlt wird, in dem auch der auf das zu bearbeitende Material (130) eingestrahlte Bearbeitungsstrahl (112, 312) verläuft.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumwinkel in einem Bereich von 1° bis 20°, bevorzugt in einem Bereich von 5° bis 10° liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Bear beitungslaserstrahls (112, 312) zur Erzeugung eines Referenzstrahls (314, 316) ausge koppelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Referenz strahls (314, 316) verändert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzveränderte Re ferenzstrahl (316) wieder in den Bearbeitungsstrahl eingekoppelt wird und zumindest teilweise von dem zu bearbeitenden Material reflektiert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Plasma-Strahlung und/oder des von dem zu bearbeitenden Material reflek tierten Teils des Referenzstrahles mittels eines Spektrometers analysiert wird.