DE102008055746B4

DE102008055746B4 - Faserlaser mit speziell gestalteter Ein- und Auskoppeloptik

Info

Publication number: DE102008055746B4
Application number: DE102008055746.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: DE102008055746A1

Abstract

Laseraktive optische Faser (50) für einen Faserlaser (100), mit einem laseraktiven und dotierten Faserkern (26), einen den Faserkern (26) umgebenden undotierten Pumpkern (24) und ein den Pumpkern (24) umgebendes Cladding (22), und mit einem Eintrittsbereich (EB), an dem durch eine Pumplichtquelle ein Pumplicht in den Pumpkern (24) gelangt, sowie mit einem Austrittsbereich (AB), an dem ein Arbeitsstrahl (20) den Faserkern (26) verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich ein erstes Kegelprisma (12) und im Austrittsbereich (AB) ein zweites Kegelprisma (18) vorgesehen ist, wobei das zweite Kegelprisma (18) eine erste konische Innenfläche aufweist, die im Austrittsbereich (AB) der Stirnfläche (SF2) der Faser zugewandt ist, wobei das zweite Kegelprisma (18) eine konische Aptertur mit einer zweiten konischen Fläche aufweist, die an den austretenden Arbeitsstrahl (20) angepasst ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine laseraktive optische Faser für einen Faserlaser, mit einem laseraktiven und dotierten Faserkern, einen den Faserkern umgebenden undatierten Pumpkern und ein den Pumpkern umgebendes Cladding, und mit einem Eintrittsbereich, an dem durch eine Pumplichtquelle ein Pumplicht in den Pumpkern gelangt, sowie mit einem Austrittsbereich, an dem ein Arbeitsstrahl den Faserkern verlässt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Faserlaser sind eine spezielle Form der Festkörperlaser. Der dotierte Kern einer Glasfaser bildet bei einem Faserlaser das aktive Medium. Es handelt sich also um einen Festkörperlaser mit Lichtwellenleitereigenschaften. Das Pumplicht, das durch eine Pumpfaser geleitet wird, bewirkt über die relativ große Länge (hohes Aspektverhältnis) des Faserlasers eine Anregung des aktiven Mediums.
Faserlaser werden optisch gepumpt, indem parallel zum Faserkern in dessen Mantel oder in den Kern selbst Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird. Doppelmantelfasern (engl.: double clad fibers) erlauben höhere Leistungen; aus dem inneren Mantel gelangt die Pumpstrahlung in den aktiven Faserkern.
Ein Faserlaser besteht aus einer oder mehreren Pump-Laserdioden, einer Einkoppeloptik (separat oder an den Mantel angespleißte fasergekoppelte Diodenlaser) und einem Resonator. Der Resonator kann unterschiedlich aufgebaut sein: entweder besteht er aus zwei zusätzlichen Spiegeln, die beispielsweise die beiden verspiegelten Faserendflächen sein können, oder aus Bragg-Gittern, die mittels Ultraviolettstrahlung (z. B. eines Excimerlasers 248 nm) in den Wellenleiter eingeschrieben werden. Im Faserkern entstehen dadurch laterale Brechzahlunterschiede mit hohen und niedrigen Brechzahlbereichen, die abhängig von der Periodenlänge Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reflektieren. Der Vorteil hierbei ist, dass an diesen Gittern keine zusätzlichen Koppelverluste entstehen und die Bragg-Gitter nur die gewünschten Wellenlängen selektiv reflektieren.
Der aus dem Kern austretende Laserstrahl hat z. B. einen Gesamtwinkel von ungefähr 10° (na = 0,1). Die Strahlqualität ist hoch; der Mode des Strahls ist im Allgemeinen ein Mode TEM 00. Faserlaser werden häufig zum Feinschweißen und -schneiden von Metallen (Aluminium, Kupfer, Gold) eingesetzt, die stark reflektierend sein können. Vor allen Dingen beim Schweißen besteht die Gefahr, dass der Laserstrahl am wie ein Spiegel wirkenden Material zurückgeworfen wird und die optische Faser beschädigt oder in der Pumplichtquelle großen Schaden anrichtet.
Bisher wird ein Reflexionsschutz so realisiert, dass ein Faraday-Isolator verwendet wird. Der Einsatz eines derartigen Isolators ist nur bei geringen Leistungen machbar.
Im Allgemeinen arbeiten Hochleistungs-Faserlaser ohne Rückreflexionsschutz, weil ein Faraday-Isolator nicht für hohe Leistungen ausgelegt ist.
Aus der DE 198 40 935 B4 ist ein Faserlaser bekannt, wobei ein pumpquellenseitiges Abschlussstück des Faserlasers baugleich mit einem Abschlussstück auf einer Auskoppelseite des Faserlasers ist. Auf der Auskoppelseite des Faserlasers ist ein für die Laserstrahlung teildurchlässiger Auskoppelspiegel angeordnet, durch den Laserstrahlung ausgekoppelt wird.
Aus der DE 10 2006 034 031 A1 ist ein luftgekühltes Steckerbauteil für einen Lichtwellenleiter (LWL), d. h. also für eine reine Transportfaser für die Übertragung von Laserenergie, bekannt. In dem Steckerbauteil ist neben einer hülsenförmigen Kühlmanschette ein Kegelprisma vorgesehen, welches konzentrisch zum LWL angeordnet ist und dafür sorgt, dass keine Strahlung in das Cladding gelangt. Das Kegelprisma wirkt als Einstrahlschutz oder auch Blende. Statt des Kegelprismas kann auch eine Linse, planparallele Platte oder ein anderes geartetes Prisma eingesetzt sein.
Aus der DE 11 2008 000 872 T5 ist eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung bekannt, wobei eine Lichtleitfaser mit einem Laserbearbeitungskopf derart zusammenwirkt, dass diese einen Strahlübertragungsbereich bilden. Dem Laserbearbeitungskopf wird ein Hilfsgas in Form von Sauerstoff zugeführt. Ein Laserstrahl wird durch die Lichtleitfaser übertragen und auf ein Werkstück projiziert, um das Werkstück zu schneiden, während das Hilfsgas zu einem Schnittpunkt des Werkstückes geleitet wird. Hierbei wird der in einem Mantel der Lichtleitfaser übertragene oder von dem Mantel projizierte Laserstrahl entfernt oder verringert, so dass eine Energiedichte des von dem Mantel ausgestrahlten und auf dem Werkstück gemessene Laserstrahl 15 kW/cm² oder weniger beträgt. Eine optische Faser ist im Austrittsbereich konisch ausgebildet. In der Laserbearbeitungsvorrichtung sind die Laseroszillatoren aus Faserlaseroszillatoren gebildet, von denen jede unter Verwendung einer aktiven Lichtleitfaser hergestellt wird, deren Faserkern mit einem Seltenen-Erden-Element dotiert ist.
Die DE 100 33 785 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlen in eine Lichtleitfaser mit einem Kern 4. Hierzu ist am einkoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser eine Blende 9 aus einem Prismenkörper vorgesehen. Auf der der Lichtleitfaser zugewandten Seite weist die Blende 9 eine kegelförmige Aussparung 11 auf. Ferner ist in der Blende 9 eine mittige Strahldurchtrittsöffnung 12 vorgesehen, deren Durchmesser im Wesentlichen dem Durchmesser des Kerns 4 entspricht.
In der DE 100 33 786 A1 ist eine prismenförmige Blende beschrieben, die eine konische oder pyramidenförmige Ausnehmung 4 und eine mittige Öffnung 5 zum Durchtritt von Laserstrahlen 6 aufweist. Auch hier wird Laserstrahlung 6 durch die Öffnung 5 hindurch in den Kern 10 einer Lichtleitfaser 9 eingekoppelt. Der Durchmesser der für den Strahldurchtritt dienenden Öffnung 5 ist beispielhaft mit 300 μm angegeben.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen Faserlaser so zu verbessern, dass ein von einem Werkstück zurückkommender Laserstrahl im Laser selbst keinen Schaden und auch keine starken Leistungsschwankungen mehr anrichten kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Apertur eines Prismenkörpers noch besser an die hindurchtretenden Strahlen anzupassen.
Diese Aufgabe wird bei einer laseraktiven optische Faser für einen Faserlaser der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Hierzu ist es bei einer laseraktiven optische Faser für einen Faserlaser der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Eintrittsbereich ein erstes Kegelprisma und im Austrittsbereich ein zweites Kegelprisma vorgesehen ist, wobei das zweite Kegelprisma eine erste konische Innenfläche aufweist, die im Austrittsbereich der Stirnfläche der Faser zugewandt ist, wobei das zweite Kegelprisma eine konische Apertur mit einer zweiten konischen Fläche aufweist, die an den austretenden Arbeitsstrahl angepasst ist.
Dies hat den Vorteil, dass eine Trennung zwischen dem Arbeitsstrahl und dem aus der Pumpfaser austretenden Pumpstrahl vollzogen wird. Die Pumpstrahlen können keinen Schaden anrichten, sondern werden nach Auftreffen auf die innere Kegelfläche des Kegelprismas nach außen abtransportiert. Das Kegelprisma lenkt ungenutzte Pumpenergie nach außen und fängt die von einem Werkstück zurückfallenden Strahlen zum allergrößten Teil ab.
Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Faserlasers, wobei eine Pumplichtquelle, ein faserförmiger Resonator und eine Arbeitsstation schematisch dargestellt sind;
2 zeigt eine Detailansicht der optischen Faser eines beispielhaften Faserlasers mit jeweils einem Kegelprisma im Ein- und Auskoppelbereich, wobei in der Figur oben eine Seitenansicht und in der Figur unten eine Draufsicht der Stirnfläche der optischen Faser im Austrittsbereich gezeigt ist;
3 zeigt eine Variante des Austrittsbereichs der Anordnung von 2; und
4 zeigt in vergrößertem Maßstab den Bereich X von 2.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt zunächst eine schematische Gesamtansicht. Bezugszahl 1 bezeichnet eine nicht weiter ausgeführte Pumplichteinheit (z. B. eine Diodenlaseranordnung), mit welcher ein Faserlaser 100 gepumpt wird. Der Faserlaser 100 umfasst im Wesentlichen eine optische Faser 50, von der nur die beiden Enden gezeigt sind, und zwei Kegelprismen 12 und 18, auf die noch näher eingegangen wird. Der Pumpstrahl 10 hat im Einkoppelbereich einen Gesamtwinkel von ca. 18,5° (na = 0,22). Der spezielle Aufbau der Pumplichtquelle und die Art und Weise der Anregung des dotierten Faserkerns sind für die Erfindung nicht wesentlich, weshalb darauf auch nicht näher eingegangen wird. Der austretende Arbeitsstrahl 20 gelangt zum einem Werkstück W, wo durch die Strahlenergie die gewünschte Bearbeitung vollzogen wird. Hier ist lediglich beispielhaft eine Umlenkung des Arbeitsstrahls 20 durch einen Spiegel 21 gezeigt. Es ist festzuhalten, dass Rückreflexionen vom Werkstück W über den Spiegel 21 zum Faserlaser zurückgelangen können.
2 zeigt eine Detailansicht des Faserlasers mit einem Einkoppelbereich EB und einem Auskoppeibereich AB. Die zwischen diesen Bereichen EB und AB angeordnete optische Faser 50 kann eine Länge von beispielsweise 1 bis 5 m haben und geradlinig, gekrümmt oder spiralförmig verlaufen. Der Pumplichtstrahl 10 hat hier einen Gesamtwinkel von 18,5°, d. h. einen Wert na von ca. 0,22. Im auf der linken Seite von 2 dargestellten Einkoppelbereich EB ist ein Kegelprisma 12 vorgesehen. Dieses Kegelprisma 12 hat die Funktion, im Bedarfsfall (schlechte Strahlqualität, Rechteckstrahl) Strahlanteile abzublocken. Der durch das Kegelprisma 12 gelangende Strahl wird in den Pumpkern 24 und den Faserkern 26 eingekoppelt
Im Eintrittsbereich ist der Faserkern 26 mit einem hinteren Spiegel 14 in Form eines Bragg-Gitters versehen. Diese Art von wellenlängenspezifischen Spiegeln ist dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt, weshalb auch nicht näher darauf eingegangen wird. Im Austrittsbereich ist der Faserkern 26 mit einem vorderen Spiegel oder Ausgangsspiegel 16 versehen, ebenfalls ein Bragg-Gitter. Der Laserstrahl verlässt die optische Faser mit einem Gesamtwinkel von ca. 9° (na ca. 0,1).
Anstelle der Verwendung von Bragg-Gittern kann die optische Faser an ihren Stirnflächen SF1 und SF2 beispielsweise auch mit einem hochgradig bzw. teilweise reflektierenden Spiegel versehen sein.
Erfindungsgemäß ist im Austrittsbereich AB ein Kegelprisma 18 vorgesehen. Dieses Kegelprisma hat eine an den Durchmesser des durchtretenden Strahls angepasste, zylindrische Apertur A3. Das Kegelprisma 18 hat die Hauptaufgabe, einen Großteil der Rückreflexionen vom Werkstück gar nicht erst zur Stirnfläche SF2 der Faser gelangen zu lassen. Aufgrund des kleinen Gesamtwinkels des Arbeitsstrahls 20 und des Abstands zwischen der Stirnfläche der Faser und der Apertur im Kegelprisma ergibt sich eine Apertur mit einer Fläche A3 von ca. 150 μm Durchmesser. Betrachtet man die Stirnfläche SF2 der Faser in 2 unten, so ist sie mit Ausnahme der kleinen Fläche A₂ des Faserkerns durch das Kegelprisma vollständig vor Rückreflexionen geschützt. Eine Vignettierung bzw. beginnende Abschattung befindet sich im Randbereich um den Durchmesser A₂.
Die Halterung des Kegelprismas ist bei 19 schematisch dargestellt. Durch die angedeuteten Federn soll gezeigt werden, dass das Kegelprisma in mindestens einer Richtung verschiebbar bzw. einstellbar angebracht ist. Die Anbringung erfolgt an einem (nicht dargestellten) Gehäusekasten des Faserlasers 100. Auch die optische Faser selbst ist an (nicht gezeigten) Halterungen im Gehäusekasten des Faserlasers gelagert. Die optische Faser liegt mit ihren Endbereichen linienförmig an dem jeweiligen Kegelprisma an. Je nach Grundkonstruktion kann auch ein Spalt zwischen den Endbereichen der Faser und dem jeweiligen Kegelprisma vorgesehen sein.
Bei den beispielhaft angegebenen Durchmessern (20 µm für den Faserkern 26, 200 μm für den Pumpkern 24 und 500 μm für das Cladding 22) ergibt sich ein Flächenverhältnis A₁/A₂ von 625, was als Maß für den Reflexionsschutz angesehen werden kann. Im Idealfall, d. h. ohne jegliche Vignettierung, wird nur der 625te Bruchteil der gesamten Stirnfläche der optischen Faser mit einer vom Werkstück reflektierten Strahlung beaufschlagt. In der Praxis ist damit zu rechnen, dass der Lichtfleck eines eventuell reflektierten Strahls um den Mittelpunkt des Faserkerns eine Wanderbewegung ausführt. Dies geschieht dann, wenn der Rückstrahl vom Werkstück z. B. aufgrund thermischer Schwankungen oder sich ändernder Rückstrahleigenschaften am Werkstück seine Lage ändert und dann relativ zur optischen Achse parallel, schräg oder windschief liegt.
In 3 ist eine Variante des Auskoppelbereichs AB der Ausführungsform nach 2 gezeigt. Dadurch, dass das Faserende eine Abschrägung erhalten hat, kann das Kegelprisma 18 näher an die Faser heran gebracht werden; dies hat den Vorteil, dass die Apertur des Kegelprismas 18 nur noch minimal größer sein muss als der aus dem Faserkern 26 austretende Arbeitsstrahl 20.
4 zeigt den mit X bezeichneten Bereich von 2. Anders als in 2 mit einer zylindrischen Apertur ist diese Apertur am Kegelprisma 18 vorteilhafter Weise kegelförmig ausgebildet, und zwar so, dass der Kegel dem Vollwinkel des Arbeitsstrahls entspricht. Das Kegelprisma 18 hat in diesem Fall also eine zweite konische Fläche, die mit sehr kleinem Luftspalt den Arbeitsstrahl 20 umschließt. Dies bewirkt, dass eine Trennung zwischen dem Arbeitsstrahl 20 und dem aus der Pumpfaser 24 austretenden Pumpstrahl vollzogen wird. In 4 oben sind im Auskoppelbereich mit einigen Pfeilen austretende Pumpstrahlen gezeigt; die Intensität dieses Strahlaustritts hängt von der Länge der optischen Faser und der Absorption der Pumpenergie im Faserkern ab. Auch diese Pumpstrahlen können keinen Schaden anrichten, sondern werden nach Auftreffen auf die innere Kegelfläche des Kegelprismas gemäß Pfeilverlauf nach außen abtransportiert. Das Kegelprisma lenkt also ungenutzte Pumpenergie nach außen und fängt die von einem Werkstück zurückfallenden Strahlen zum allergrößten Teil ab.
Außerhalb des Kegelprismas (d. h. in 4 rechts vom Kegelprisma 18) kann sich ein Spiegel 33 befinden, der zur gewollten Rückreflexion der Pumpstrahlung dient und auch an einer Halterung am Lasergehäuse angebracht ist. Die austretende und durch das Kegelprisma 18 laufende Pumpstrahlung wird wieder in den Pumpkern zurückgeführt, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. Dieser Spiegel 33 kann ein konischer Spiegel sein oder auch wie gezeigt ein speziell geformter Konkavspiegel mit einer entsprechenden Öffnung in seiner Mitte. Anstelle des Spiegels 33 kann auch eine nicht dargestellte Strahlenfalle (Absorber) vorgesehen sein, die die Strahlenergie absorbiert.
Es ist auch denkbar, auf die erste konische Innenfläche des Kegelprismas 18 eine HR-Schicht (hoch reflektierende Schicht, mit unterbrochenen Linien angedeutet) aufzubringen, um die aus der Pumpfaser austretende Strahlung wieder in diese zurück zu ”pumpen”. Es ist auch angedacht, diese verspiegelte Fläche konkav auszubilden. In diesem Fall wäre der Spiegel 33 überflüssig.
Im Rahmen der Erfindung ist in 2 ein Kegelprisma 18 mit einer zylindrischen Apertur und in 4 mit einer konischen Apertur gezeigt, wobei diese beiden Aperturen rund sind. Es gibt auch Auslegungen eines Faserlasers, bei dem der Faserkern im Austrittsbereich einen quadratischen oder annähernd quadratischen Querschnitt hat. In diesem Fall hätte die Apertur im erfindungsgemäßen Kegelprisma ebenfalls einen quadratischen Querschnitt mit oder ohne Aufweitung.
Die Erfindung wurde beispielhaft für den Fall beschrieben, dass z. B. gemäß 3 im Bereich des Pumpkerns 24 und Faserkerns 26 gepumpt wird. Das erfindungsgemäße Kegelprisma ist aber auch dann einsetzbar, wenn das aktive Medium im Querschnitt kreisringförmig ist, d. h. bei einem Faserlaser, der einen Ringmode hat.

Claims

Laseraktive optische Faser (50) für einen Faserlaser (100), mit einem laseraktiven und dotierten Faserkern (26), einen den Faserkern (26) umgebenden undotierten Pumpkern (24) und ein den Pumpkern (24) umgebendes Cladding (22), und mit einem Eintrittsbereich (EB), an dem durch eine Pumplichtquelle ein Pumplicht in den Pumpkern (24) gelangt, sowie mit einem Austrittsbereich (AB), an dem ein Arbeitsstrahl (20) den Faserkern (26) verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintrittsbereich ein erstes Kegelprisma (12) und im Austrittsbereich (AB) ein zweites Kegelprisma (18) vorgesehen ist, wobei das zweite Kegelprisma (18) eine erste konische Innenfläche aufweist, die im Austrittsbereich (AB) der Stirnfläche (SF2) der Faser zugewandt ist, wobei das zweite Kegelprisma (18) eine konische Aptertur mit einer zweiten konischen Fläche aufweist, die an den austretenden Arbeitsstrahl (20) angepasst ist.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kegelprisma (12) eine erste konische Innenfläche aufweist, die im Eintrittsbereich (EB) der Stirnfläche (SF1) der Faser zugewandt ist.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kegelprisma (18) so gehaltert ist, dass es mit der Stirnfläche (SF2) der Faser einen ringförmigen Kontakt hat.
Laseraktive optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Kegelprismen (12, 18) so gelagert ist, dass es in mindestens einer Richtung verschiebbar bzw. einstellbar ist.
Laseraktive optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (50) im Austrittsbereich (AB) konisch ausgebildet ist.
Faserlaser mit einer laseraktiven optischen Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.