DE10033787A1

DE10033787A1 - Laserstrahlterminator für Hochleistungslaser

Info

Publication number: DE10033787A1
Application number: DE10033787A
Authority: DE
Inventors: Roland Berger
Original assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Berger Roland 82131 Gauting De
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: DE10033787C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laserstrahlterminator für einen Hochleistungslaser, insbesondere für einen Laser mit einer mittleren Leistung von mehr als 500 W. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass Mittel (2) zum Aufweiten des zu vernichtenden Laserstrahls (5) und Absorber (3) zur Vernichtung des aufgeweiteten Laserstrahls (15, 16) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserstrahlterminator für Hochleistungslaser, insbesondere für Laser mit einer mittleren Leistung von mehr als 500 W.

Bei der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung werden zunehmend Hochleistungslaser eingesetzt, die eine mittlere Leistung von 500 W und mehr aufweisen. Um hierbei das Bedienpersonal vor Schäden aufgrund von einem dejustiertem Strahlengang zu schützen, müssen Absorber vorgesehen werden, mit denen die den Strahlengang verlassende Laserstrahlung vernichtet werden kann. Je nach Anwendungsfall kann es auch vorkommen, daß bewußt ein Teil des Laserstrahls ausgeblendet wird; damit dieser nicht unkonrolliert in den Raum gelangt, sind auch in diesem Fall geeignete Aborber vorzusehen.

Aus der US-PS 5,237,454 ist ein Laserstrahlterminator bekannt, bei der der zu vernichtende Laserstrahl durch ein Loch in einen ansonsten allseits geschlossenen Kasten gelenkt wird und dort auf einen sogenannten schwarzen Spiegel trifft, der einen Großteil der Laserenergie absorbiert. Dieser schwarze Spiegel ist in dem Kasten dem Loch gegenüberliegend angeordnet und zwar unter einem solchen Winkel, daß der von dem Spiegel noch reflektierte Anteil der Laserstrahlung nicht aus dem Loch austreten kann. Der schwarze Spiegel besteht aus einem solchen Material, das Energie bei der Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls absorbiert. Es ist weiterhin vorgesehen, mehrere solcher schwarzen Spiegel in dem Kasten anzuordnen und zwar dergestalt, daß der durch das Loch einfallende Laserstrahl nacheinander an den schwarzen Spiegeln reflektiert und gleichzeitig an jedem schwarzen Spiegel ein Anteil absorbiert wird. Für Hochleistungslaser, also für Laser mit einer mittleren Leistung von mehr als 500 W ist diese Anordnung weniger geeignet, weil die Gefahr besteht, daß sich der Hochleistungslaserstrahl mit der Zeit durch den ersten schwarzen Spiegel hindurchbohren kann und dann aus dem Kasten austritt. Es sind ferner keine Maßnahmen zum Kühlen der Absorptionsflächen vorgesehen. Außerdem besteht aufgrund der diffusen Reflektionen die Gefahr unerwünschter Restrückreflektionen.

Es ist weiterhin bekannt (US-PS 5,083,852), zum Stoppen eines Laserstrahls eine mit einer absorbierenden Flüssigkeit gefüllte Zelle zu verwenden und mit einem unter dem Brewster- Winkel angeordneten Eintrittsfenster zu versehen, damit möglichst keine spiegelnde Reflektionen an dem Eintrittsfenster auftreten. Die Flüssigkeit ist so auf die zu absorbierende Laserstrahlung abgestimmt, daß sie ein Maximum an Absorption bei der in Frage kommenden Laserwellenlänge aufweist. Zur Verwendung bei Hochleistungslasern wird vorgeschlagen, daß die Flüssigkeit eine hohe Wärmekapazität aufweisen soll. Nachteilig an diesem Laserstrahlterminator ist zum einen, daß diese Anordnung nur für linear polarisiertes Laserlicht sinnvoll ist. Nachteilig ist weiterhin, daß die absorbierende Flüssigkeit mit der Zeit altert und die Absorptionsfähigkeit sich verändert. Außerdem besteht bei hohen Laserleistungen die Gefahr, daß die absorbierende Flüssigkeit bis in den Bereich des Siedepunktes oder gar darüberhinaus erhitzt wird. Maßnahmen zur Wärmeabfuhr sind nicht vorgesehen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen speziell für Hochleistungslaser geeigneten Laserstrahlterminator anzugeben, der einfach in der Handhabung ist und bei dem mit einfachen und an sich bekannten Absorbern eine Vernichtung der Laserenergie möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Laserstrahlterminator gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 15.

Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der zu vernichtende Laserstrahl zunächst aufgeweitet wird, wodurch die Intensität abnimmt, sodaß der oder die Absorber kleiner oder weniger stark absorbierend ausgelegt werden können bzw. im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung über entsprechende Sicherheitsreserven verfügen. In vorteilhafter Ausgestaltung wird gemäß Unteranspruch 2 zum Aufweiten und Umlenken auf den Absorber ein Prismenkörper mit einer spitz zulaufenden Ausnehmung verwendet, der so angeordnet ist, daß die Spitze dem zu vernichtenden Laserstrahl zugewandt ist. Der auf den Prismenkörper auftreffende Laserstrahl dringt in diesen ein, wird an der Grenzfläche zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung total reflektiert und nach außen abgelenkt. Bei der Totalreflexion tritt eine Aufweitung und damit verbunden eine deutliche Reduzierung der Energiedichte und der Leistungsdichte ein, wobei dieser Effekt in der unmittelbaren Umgebung der Spitze besonders stark ausgeprägt ist. Der derart aufgeweitete Laserstrahl kann dann einfachen Absorbern, wie z. B. geschwärzten Flächen oder absorbierenden Flüssigkeiten zugeführt werden. Bei einer konischen Ausnehmung, wie im Unteranspruch 3 angegeben, läßt sich der Prismenkörper als Kegelprisma vergleichsweise einfach herstellen. Zur Vermeidung von Beschädigungen des Prismenkörpers an der Spitze der Ausnehmung kann der Laserstrahl ausserzentrisch auf den Prismenkörper auftreffen. In diesem Fall kann anstelle eines vollständigen Prismenkörpers auch nur ein Teilstück, z. B. ein halbes Kegelprisma, vorgesehen werden. Aufgrund der stark reduzierten Energie- und Leistungsdichte kann anstelle einer direkten Kühlung der absorbierenden Flächen eine indirekte Kühlung in dem Absorber vorgesehen werden, sodaß durch das Kühlmittel bedingte Verschmutzungen an den Innenwänden des Absorbers vermieden werden. Durch eine Abdeckplatte mit einem kreisringförmigen Steg zur axialen Fixierung des Prismenkörpers in dem Absorber wird der Hohlraum der Absorption gegenüber dem Raum mit der totalreflektierenden Grenzfläche hermetisch abgedichtet, so daß die für ein einwandfreies Funktionieren des Laserstrahlterminators wichtige Grenzfläche in keinster Weise verunreinigt werden kann (Unteranspruch 12).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Laserstrahlterminator im Querschnitt;

Fig. 2 Ansicht des Laserstrahlterminators aus der Richtung des Pfeils A von Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Laserstrahlterminator 1 besteht im wesentlichen aus einem Kegelprisma 2, einem Absorber 3 und einer Abdeckplatte 4. Der Absorber 3 besitzt auf seiner der einfallenden Laserstrahlung 5 zugewandten Seite eine kreisförmige Öffnung 6, die in eine kreisförmige Ausnehmung 7 übergeht. Das Kegelprisma 2 wird über die Ausnehmung 7 in der Öffnung 6 befestigt und ist damit radial fixiert. Die Abdeckplatte 4 besitzt einen kreisringförmigen Steg 8, mit dem das Kegelprisma 2 in axialer Richtung in dem Absorber 3 fixiert wird. Auf diese Weise werden zwei völlig voneinander getrennte Hohlräume 9 und 10 gebildet. Das Kegelprisma 2 weist auf seiner dem einfallenden Laserstrahl 5 abgewandten Seite eine konische Ausnehmung 11 auf, die entgegen der Einfallsrichtung des Laserstrahls 5 spitz zulaufend ist. Die Justierung des Laserstrahlterminators 1 ist dergestalt, daß die Symmetrieachse 12 der konischen Ausnehmung 11 und die Spitze 13 dieser Ausnehmung auf der optischen Achse des einfallenden und zu vernichtenden Laserstrahls 5 liegen. Die senkrecht auf die dem Laserstrahl zugewandte Oberfläche des Kegelprismas 2 auftreffende Laserstrahlung dringt in den Prismenkörper ein und erfährt an der Kegelfläche 14 eine innere Totalreflektion. Dabei erfährt der Laserstrahl eine beträchtliche Aufweitung, so daß die Energiedichte und die Leistungsdichte erheblich reduziert werden. Der Kegelwinkel ist so gewählt, daß die reflektierten Laserstrahlen im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse abgelenkt werden, wie dies vorliegend für zwei Randstrahlen 15 und 16 dargestellt ist. Die reflektierten Laserstrahlen treten an der Aussenseite 17 des Kegelprismas 2 aus, durchlaufen den äußeren Hohlraum 9 und treffen anschließend auf die Innenseite 18 des Absorbers 3, der beispielsweise aus CrNi-Stahl bestehen kann und dessen Innenseite 18 mit einer geeignet absorbierenden Schicht versehen sein kann. Im oberen Bereich des Absorbers 3 ist ein Kanal 19 zur Durchleitung eines Kühlmediums, beispielsweise Kühlwasser, vorgesehen. Es findet also ein indirekte Kühlung statt, so daß durch das Kühlmittel bedingte Verschmutzungen in dem Hohlraum 9, insbesondere an der Aussenfläche 17 des Kegelprismas 2, vermieden werden. Da jeder der Hohlräume 9 und 10 dicht geschlossen ist, können bei der Vernichtung der Laserstrahlung 5 auftretende Verschmutzungen, beispielsweise durch das Abdampfen von Partikeln der Absorberinnenseite 18, nicht in die konische Ausnehmung 11 gelangen und die Grenzfläche 14 der inneren Totalreflektion verunreinigen, was die Funktion des Laserstrahlterminators beeinträchtigen würde. Die für ein gutes Funktionieren des Laserstrahlterminators wichtige Grenzfläche 14 der inneren Totalreflektion ist also sowohl gegenüber der Umgebung als auch gegenüber dem Hohlraum 9 der Absorption hermetisch abgedichtet, was die Lebensdauer des gesamten Laserstrahlterminators beträchtlich erhöht. Anstelle des hier dargestellten quadratischen Absorbers 3 mit einem Hohlraum 9 mit rechteckigem Querschnitt kann der Absorber auch mit einem torusförmigen Hohlraum ausgebildet sein. Wenn die aus dem Kegelprisma 2 austretenden Laserstrahlen, z. B. 15 und 16, in dem Hohlraum 9 umtaufen sollen, so daß nicht nur einmal Laserstrahlung absorbiert werden muss, dürfen die abgelenkten Laserstrahlen, z. B. 15 und 16, nicht im rechten Winkel auf die Innenseite 18 auftreffen. Der Hohlraum 9 und insbesondere die Innenseite 18 dürfen in diesem Fall nicht zylindersymmetrisch wie in Fig. 1 und 2 ausgebildet sein. Dem Fachmann sind geeignete Ausgestaltungen bekannt, so daß auf deren Erläuterung an dieser Stelle verzichtet werden kann.

Es ist auch möglich, anstelle eines vollständigen Kegelprismas (2) nur ein Teilstück eines derartigen Kegelprismas (2) zu verwenden, so daß nur ein Teil eines die optische Achse umgebenden Kreises als Kegelprisma ausgebildet ist, d. h. das Kegelprisma ist in azimutaler Richtung nicht vollständig. In diesem Fall ist der Laserstrahlterminator so zu positionieren, daß der Laserstrahl (5) ausserzentrisch auf das Kegelprismateilstück auftrifft und die in das Kegelprismateilstück eindringende Laserstrahlung an der Grenzfläche (14) zwischen dem Kegelprismateilstück und der von diesem Teilstück gebildeten Ausnehmung (11) eine innere Totalreflektion erfährt. Mit dieser Ausgestaltung wird bei hohen Energiedichten eine Beschädigung des Kegelprismas an der Spitze der Ausnehmung vermieden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein halbes Kegelprisma in den Absorber eingebaut und der so gebildete Laserstrahlterminator dergestalt ausserhalb der optischen Achse positioniert werden, daß der einfallende Laserstrahl (5) über seinen gesamten Querschnitt eine Grenzfläche (14) zur inneren Totalreflexion zur Verfügung hat.

Bezugszeichenliste

1

Laserstrahlterminator

2

Kegelprisma

3

Absorber

4

Abdeckplatte

5

Laserstrahl

6

Kreisförmige Eintrittsöffnung

7

Kreisförmige Ausnehmung

8

Kreisringförmiger Steg

9

Erster Hohlraum

10

Zweiter Hohlraum

11

Konische Ausnehmung

12

Symmetrieachse

13

Spitze der konischen Ausnehmung

14

Kegelfläche

15

Umgelenkter Laserstrahl

16

Umgelenkter Laserstrahl

17

Aussenseite des Kegelprismas

18

Innenseite des Absorbers

19

Kühlflüssigkeitskanal

Claims

1. Laserstrahlterminator für Hochleistungslaser, insbesondere für Laser mit einer mittleren Leistung von mehr als 500 W, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (2) zum Aufweiten des zu vernichtenden Laserstrahls (5) und Absorber (3) zur Vernichtung des aufgeweiteten Laserstrahls vorgesehen sind.

2. Laserstrahlterminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufweiten ein Prismenkörper (2) vorgesehen ist, der eine erste Oberfläche aufweist, von der ausgehend eine Ausnehmung (11) in dem Prismenkörper (2) vorgesehen ist, und der eine zweite Oberfläche auf der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Seite des Prismenkörpers (2) aufweist, wobei die Ausnehmung (11) von der ersten Oberfläche in Richtung der zweiten Oberfläche derart spitz zulaufend ausgebildet ist, daß Laserstrahlen, die im wesentlichen senkrecht auf die zweite Oberlfäche auftreffen und in den Prismenkörper (2) eindringen, an der Grenzfläche (14) zwischen dem Prismenkörper (2) und der Ausnehmung (11) eine innere Totalreflektion erfahren.

3. Laserstrahlterminator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11) konisch ausgebildet ist, vorzugsweise in Form eines geraden Kegelstumpfs.

4. Laserstrahlterminator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11) pyramidenförmig ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer Vielzahl von Seitenflächen.

5. Laserstrahlterminator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, der Prismenkörper (2) einstückig ausgebildet ist.

6. Laserstrahlterminator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenkörper (2) in azimutaler Richtung mehrstückig ausgebildet ist, wobei die Teilstücke Pyramidenseitenflächen aufweisen derart, daß nach dem Zusammensetzen der Teilstücke eine pyramidenförmige Ausnehmung (11) gebildet wird.

7. Laserstrahlterminator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Prismenkörper (2) in azimutaler Richtung mehrstückig ausgebildet ist, wobei zum Aufweiten ein oder mehrere Teilstücke vorgesehen sind, die derart positioniert sind,
daß der einfallende Laserstrahl ausserzentrisch auf die zweite Oberfläche auftrifft und in dem Prismenkörper an der Grenzfläche (14) zwischen dem Prismenkörperteilstück und der von diesem Teilstück gebildeten Ausnehmung (11) eine innere Totalreflektion erfährt.

8. Laserstrahlterminator nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß als Prismenkörperteilstück ein halber Prismenkörper (2) vorgesehen ist.

9. Laserstrahlterminator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Absorbieren der Laserstrahlung (5) ein Hohlraum vorgesehen ist, vorzugsweise mit absorbierenden Innenseiten (18).

10. Laserstrahlterminator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlrauminnenwand (18) derart gestaltet ist, daß sie in azimutaler Richtung bezogen auf die auf sie auftreffende Laserstrahlung (15, 16) einen Winkel ungleich 90°, mit der auftreffenden Laserstrahlung einschließt.

11. Laserstrahlterminator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum torusförmig ausgebildet ist.

12. Laserstrahlterminator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite der Ausnehmung (11) eine Abdeckplatte (4) an dem Absorber (3) befestigt ist, die einen Steg (8) aufweist, der außerhalb der Ausnehmung (11) an der ersten Oberfläche des Prismenkörpers (2) dicht anliegt.

13. Laserstrahlterminator nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Spitze (13) der Ausnehmung (11) zwischen den beiden Oberflächen eine Öffnung vorgesehen ist, insbesondere eine zylindrische Bohrung, so daß der Laserstrahlterminator zugleich als Blende verwendbar ist.

14. Verwendung eines Laserstrahlterminators nach Anspruch 13 bei der Einkopplung von Laserstrahlung in eine Lichtleitfaser, wobei die Lichtleitfaser auf der Seite der ersten Oberfläche und in der Ausnehmung in der Nähe der Öffnung positioniert wird, wobei die Laserstrahlung auf der Seite der zweiten Oberfläche eingestrahlt wird, wobei die einzukoppelnde Laserstrahlung durch die Öffnung in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird, wobei der Anteil der nicht durch die Öffnung tretenden Laserstrahlung an der Grenzfläche zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung eine innere Totalreflektion erfährt, und wobei die totalreflektierte Laserstrahlung dem Absorber zugeführt wird.

15. Verwendung eines Laserstrahlterminators nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Vernichtung von ausgeblendeten Laserstrahlen bei der Lasermaterialbearbeitung.