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DE3688016T2 - Lichttransmissionsgeraet. - Google Patents

Lichttransmissionsgeraet.

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Publication number
DE3688016T2
DE3688016T2 DE8686108223T DE3688016T DE3688016T2 DE 3688016 T2 DE3688016 T2 DE 3688016T2 DE 8686108223 T DE8686108223 T DE 8686108223T DE 3688016 T DE3688016 T DE 3688016T DE 3688016 T2 DE3688016 T2 DE 3688016T2
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DE
Germany
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light
cover
optical fiber
gas
fiber
Prior art date
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Expired - Fee Related
Application number
DE8686108223T
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English (en)
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DE3688016D1 (de
Inventor
Kenichi C O Osaka Wo Takahashi
Noriyuki C O Osaka Wor Yoshida
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Priority claimed from JP60131608A external-priority patent/JPS61289307A/ja
Priority claimed from JP60151623A external-priority patent/JPS6211804A/ja
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Publication of DE3688016D1 publication Critical patent/DE3688016D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE3688016T2 publication Critical patent/DE3688016T2/de
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476—Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung eines optischen Fasersystems zur Übertragung eines Laserstrahls.
  • Seit einiger Zeit sind energieübertragende optische Faser im breiten Maße in der Industrie, Medizin und dergleichen in Benutzung genommen worden. Die Bezeichnung "Energie" schließt hohe Laserenergie ein. Typische Laser sind Kohlendioxidlaser, YAG- Laser, Ar-Laser und dergleichen. YAG-Laser, Ar-Laser und dergleichen können durch eine Quartzglasfaser übertragen werden. Ein Kohlendioxidlaser kann jedoch wegen seiner großen Wellenlänge Licht nicht durch eine Quartzfaser übertragen werden. Obwohl er mittels eines Spiegels übertragen werden kann, ist die Gliederungsstruktur so kompliziert, daß die Anwendung schwierig ist. Allerdings können kristalline Fasern aus Silberhalegonid, Thalliumhalegonid und Alkalihalegonid Licht des Kohlendioxidlasers übertragen.
  • Vorteile der Lichtenergieübertragung mittels optischer Fasern bestehen darin, daß Licht selbst in einem schmalen Raum und entlang einer komplizierten Bahn mit vielen gebogenen Abschnitten zum Bestrahlen eines Objektes geführt werden kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß eine optische Faser überlegene Eigenschaften hat wie einen kleinen Durchmesser, Flexibilität usw.
  • Obwohl ein Ende der optischen Faser mit einer Laserquelle verbunden ist, ist das andere Ende häufig freigelegt, da es erforderlich ist, von dort einen Laserstrahl in Richtung eines Objektes auszusenden, das mit dem Laserstrahl bestrahlt werden soll. Das Ende, von dem der Laserstrahl emittiert wird (nachfolgend einfach als "lichtemittierendes Ende" genannt), wird jedoch häufig in einen engen Raum eingesetzt, in einen Raum, der viele gebogene Abschnitte hat, oder in einen Raum, der mit einer Flüssigkeit oder einem Feststoff gefüllt ist, so daß das lichtemittierende Ende leicht beschädigt werden kann. Fremdstoffe wie Staub, Wassertropfen, Blut oder dergleichen können an dem lichtemittierenden Ende einer optischen Faser anhaften, die zur Energieübertragung eines Laserstrahls verwendet wird, je nach der Umgebung, in der die optische Faser verwendet wird.
  • Wenn ein Laserstrahl durch eine optische Faser geführt wird, an deren lichtemittierenden Ende ein Fremdstoff anhaftet, wird der Fremdstoff durch den Laserstrahl erhitzt und manchmal verbrannt und haftet auf der Endoberfläche der optischen Faser. Wenn dies passiert, wird die Übertragung verschlechtert, und die Temperatur steigt scharf an, da die Laserstrahlenergie von dem Fremdstoff absorbiert wird, wodurch das lichtemittierende Ende der optischen Faser beschädigt wird.
  • Ein ähnliches Problem, das sich mit der Verhinderung einer Beschädigung des lichtemittierenden Endes einer Lasersonde befaßt, ist in der WO 85/05263 beschrieben. Dieses Dokument bietet eine Lösung für dieses Problem an, bei der eine vordere Endschutzabdeckung an der Faserspitze der Lasersonde angeordnet wird und außerdem eine Gasauslaßeinrichtung zum Kühlen und Ausstoßen aller Fremdstoffe von dem Ende der Lasersonde vorgesehen ist. Dieser Stand der Technik ist jedoch nur im Hinblick auf Artikel 54(3) EPÜ in Betracht gezogen worden.
  • Auf dem industriellen Gebiet der Laserstrahlarbeitsgeräte ist beispielsweise in der US-A-4010345 eine herkömmliche Gaszuführeinrichtung beschrieben, die einen Gasstrom bereitstellt, der das Werkstück sauber hält, welches von dem Strahl der Laserbestrahlung geschnitten wird.
  • Andererseits sind bei anderen Arten von Lichtübertragungsgeräten eine Öffnungs/Schließabdeckung an dem lichtemittierenden Ende einer optischen Faser vorgesehen, um solche Vorkommnisse zu verhindern. Die Abdeckung wird nur geöffnet, wenn ein Laserstrahl emittiert wird, und geschlossen, wenn kein Laserstrahl ausgesandt wird. Damit ist das lichtemittierende Ende der optischen Faser durch die Abdeckung geschützt, wenn kein Laserstrahl abgegeben wird. Der Laserstrahl hat jedoch an sich keine Energie, um Staub, Blut, Wassertropfen usw. daran zu hindern, an dem lichtemittierenden Ende anzuhaften. Wenn das lichtemittierende Ende der optischen Faser in eine Umgebung gerat, die Flüssigkeit enthält, wie beispielsweise Wassertropfen, Blut oder dergleichen, kann die Flüssigkeit an dem lichtemittierenden Ende anhaften, wenn die Schutzabdeckung während der Emission geöffnet ist. Dies verschlechtert die Übertragbarkeit an der Endfläche, wodurch die Behandlungsmöglichkeit des Laserstrahls extrem reduziert ist.
  • Außerdem kann das lichtemittierende Ende manchmal gebrochen sein, weil die Endfläche stark erhitzt wird. Es gibt zwei Arten von Öffnungs/Schließmechanismen, eine von der Art, die an dem vorderen Ende einer optischen Faser angeordnet ist, und eine andere, die an dem rückwärtigen Ende einer optischen Faser angeordnet ist und ferngesteuert wird.
  • Ein Öffnungs/Schließmechanismus an dem vorderen Ende einer optischen Faser ist mit einem Motor versehen, einem Untersetzungsgetriebe, Zahnrädern usw., die an dem Ende befestigt sind, um die Abdeckung durch die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung des Motors zu öffnen und zu schließen. Bei einem solchen Abdeckungs- Öffnungs/Schließmechanismus ist es erforderlich, einen Motor, ein Untersetzungsgetriebe, ein Vorgelege usw. an einem lichtemittierenden Ende einer optischen Faser zu befestigen, wodurch das Ende der optischen Faser sperrig wird, die Flexibilität verliert und schwer wird. Darüberhinaus ist es erforderlich, elektrisch leitende Drähte in der optischen Faser als Stromzuführung und eine Signallinie für den Motor unterzubringen, so daß die Struktur der optischen Faser kompliziert wird.
  • Wenn somit eine Antriebseinrichtung an dem lichtemittierenden Ende befestigt wird, wird dieses lichtemittierende Ende schwer und sperrig. Daher ist ein Mechanismus vorgeschlagen worden, um die Abdeckung von fern zu betätigen. Bei diesem Mechanismus sind ein Motor, ein Untersetzungsgetriebe und dergleichen nicht an dem lichtemittierenden Ende einer optischen Faser, sondern in der Nähe der Lichtquelle angeordnet. Ein AbdeckungsÖffnungs/- Schließabschnitt wird in einer Richtung von einer Feder gedrückt und in der Umkehrrichtung von einem Draht gezogen und ist am vorderen Ende der optischen Faser angeordnet. Der Motor oder dergleichen und der Abdeckungsöffnungs/Schließabschnitt an dem vorderen Ende der optischen Faser sind miteinander durch einen Draht verbunden, der sich entlang der optischen Faser erstreckt.
  • Dadurch ist die mechanische Struktur an dem lichtemittierenden Ende der optischen Faser in der Größe und dem Gewicht reduziert und ist leichter zu benutzen. Der Draht muß jedoch entlang der Faser angeordnet werden, wodurch die Struktur der optischen Faser kompliziert wird. Außerdem ist die Flexibilität des Zwischenabschnitts der optischen Faser verringert.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Übertragungsfaser für Hochlaserenergie anzugeben, bei der verhindert ist, daß Fremdstoffe an dem lichtemittierenden Ende der optischen Faser anhaften und festbrennen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Energieübertragungsfaser mit einem Abdeckungsöffnungs/Schließmechanismus anzugeben, der wenige mechanische Teile hat, wodurch nur geringe Fehler auftreten können.
  • Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine optische Energieübertragungsfaser mit einem Abdeckungsöffnung/Schließmechanismus an dem lichtemittierenden Ende in der optischen Faser anzugeben, der so angeordnet ist, daß das lichtemittierende Ende der optischen Faser nicht schwer und sperrig wird, und wobei die Struktur der optischen Faser nicht kompliziert sein soll, so daß die Flexibilität der optischen Faser nicht verlorengeht, und wobei ferner die Betätigung verbessert sein soll, weil das lichtemittierende Ende der optischen Faser klein und leicht ist.
  • Bei der optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine zu öffnende/zu schließende Schutzabdeckung an dem lichtemittierenden Ende der optischen Faser angeordnet, wobei die Abdeckung an dem lichtemittierende Ende aus einer Formspeicherlegierung hergestellt ist, die in Reaktion auf die Laserstrahlenergie an sich öffnet und schließt.
  • Die Abdeckung ist aus einer solchen Formspeicherlegierung hergestellt, daß sie eine Form speichert, die die Abdeckung bei einer niedrigen Temperatur schließt und bei einer hohen Temperatur öffnet.
  • Die Formspeicherlegierung kann durch die Energie in eine vorher gespeicherte Form umgewandelt werden, wenn die Temperatur geändert wird. Der Laserstrahl selbst wird verwendet, um die Temperatur zu ändern.
  • Im Betriebszustand wird ein Laserstrahl von dem lichtemittierenden Ende der optischen Faser emittiert und trifft auf die innere Oberfläche der Abdeckung, die aus der Formspeicherlegierung hergestellt ist. Da der Laserstrahl eine große Energie hat, steigt die Temperatur der Abdeckung an. Durch Speichern einer Form zum Öffnen bei einer hohen Temperatur wird die Abdeckung geöffnet, wenn die Temperatur erhöht wird.
  • Wenn der Laserstrahl nicht länger von dem lichtemittierenden Ende der optischen Faser emittiert wird, sinkt die Temperatur der Abdeckung, und die Abdeckung wird geschlossen. Die Temperatur der Abdeckung wird ziemlich schnell gesenkt, da die Wärme durch Abstrahlung, Wärmeleitung und Konvexion verloren geht. Somit kann die Abdeckung in einer relativ kurzen Zeit geschlossen werden, nachdem der Laserstrahl erloschen ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Blaseinrichtung an dem Lichtquellenende der optischen Faser vorgesehen, die ein Gas zu dem lichtemittierenden Ende entlang der optischen Faser zuführt, um Flüssigkeit von der Nähe des lichtemittierenden Endes zu entfernen und damit das lichtemittierende Ende zu schützen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Gasdrucksensor vorgesehen, um den Druck des Gases in der Nähe des lichtemittierenden Endes zu überwachen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen wird die optische Faser gemäß der vorliegenden Erfindung nachfolgend beschrieben.
  • Fig. 1 ist eine Darstellung, die die gesamte Anordnung der optischen Faser gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt, der einen Teil in der Nähe eines lichtemittierenden Endes zeigt.
  • Fig. 3 ist ein Querschnitt, der den Aufbau des lichtemittierenden Endes der optischen Faser gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sich die Abdeckung in dem geschlossenen Zustand befindet.
  • Fig. 4 ist eine vergrößerte Vorderansicht des lichtemittierenden Endes.
  • Fig. 5 ist ein Querschnitt, der den Aufbau des lichtemittierenden Endes der optischen Faser zeigt, wobei die Abdeckung sich in dem offenen Zustand befindet.
  • Fig. 7 ist eine Vorderansicht des lichtemittierenden Endes und der Öffnungs/Schließabdeckung, die durch acht Bauteile gebildet ist.
  • Fig. 8 ist ein Längsschnitt, der den Zustand zeigt, in dem der vordere Endabschnitt der optischen Faser in ein dünnes Rohr eingesetzt ist und einen Laserstrahl emittiert.
    • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Ein optischer Leiter 1 ist ein Teil, das in der Mitte der optischen Faser vorgesehen ist, um einen Laserstrahl zu führen. Wie oben beschrieben, hat der optische Leiter einen kleinen Durchmesser und eine ausreichende Flexibilität, um wie gewünscht, gebogen zu werden. Im Falle eines Kohlendioxidlasers, werden Kristallfasern aus Silberhalegonid, Thalliumhalegonid und Alkalihalegonid verwendet. In dem Falle eines YAG und Ar- Lasers werden Quartzglasfasern verwendet. Das Material ist auf der Basis der Wellenlänge des Lasers ausgewählt. Der gesamte optische Leiter 1 ist mit einer schützenden inneren Schicht 2 überdeckt, die aus einem flexiblen Kunstharz besteht. Eine zu öffnende/zu schließende vordere Endschutzabdeckung 3 ist an dem lichtemittierenden Ende S des optischen Leiters 1 angeordnet.
  • Die Gesamtheit der schützenden inneren Schicht 2 ist von einer schützenden äußeren Schicht 4 umgeben, so daß ein Raum zwischen der inneren und der äußeren Schicht entsteht und die Flexibilität nicht verlorengeht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gas durch den Raum gepumpt oder gesaugt, weshalb der Raum nachfolgend als Ventilationsweg 8 bezeichnet wird. Das andere Ende der optischen Faser ist mit einer Laserquelle 5 verbunden, die ein Kohlendioxidlaser, ein YAG-Laser, ein Ar-Laser oder dergleichen sein kann. Das Ende der optischen Faser nahe der Lichtquelle wird als Lichtquellenende T bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Blaseinrichtung 6 oder eine Gaszuführ/Saugeinrichtung und ein Gasdrucksensor 7 in der Nähe des Lichtquellenendes T der optischen Faser angeordnet. Der Druck in der optischen Faser wird von dem Sensor 7 überwacht. Die Gaszuführ/Saugeinrichtung 6 schickt Gas zu dem Endabschnitt der optischen Faser oder saugt das Gas an, wenn der Gasdruck einen vorbestimmten Wert übersteigt.
  • Verschiedene Konstruktionen sind zum Öffnen/Schließen der vorderen Endschutzabdeckung vorgeschlagen worden. Bei einem der vorgeschlagenen Mechanismen der Art, bei der die Kappe mechanisch geöffnet/geschlossen wird, ist ein Motor als Antriebsquelle in der Nähe der lichtemittierenden Endes der optischen Faser angeordnet. Leitungsdrähte werden durch die schützende äußere Schicht geführt. Es gibt einen anderen Mechanismus, bei dem ein Motor an dem Lichtquellenende der optischen Faser angeordnet ist und die vordere Endschutzabdeckung von einem Draht geöffnet/geschlossen wird. Der Draht wird durch die schützende äußere Schicht der optischen Faser geführt. Es gibt einen dritten Mechanismus, bei dem die vordere Endschutzabdeckung durch hydraulischen oder pneumatischen Druck geöffnet/geschlossen wird. Eine Übertragungsleitung für die Druckflüssigkeit oder Gas ist gebildet, indem ein Rohr in die schützende Außenschicht eingesetzt wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine Formspeicherlegierung als mechanische vordere Endschutzabdeckung verwendet.
  • Die Gaszuführ/Saugeinrichtung 6 und die schützende äußere Schicht 4 sind miteinander durch ein Verbindungsrohr 16 verbunden. Der Gasdrucksensor 7 und das Verbindungsrohr 16 sind miteinander durch ein Verbindungsrohr 17 verbunden. Wie Fig. 2 zeigt, ist die vordere Endschutzabdeckung 3 durch einen Habenabschnitt 14 und einen Öffnungs/Schließkappenabschnitt 15 gebildet. Ventilationslöcher 9 verlaufen axial durch den Nabenabschnitt 14. Die Ventilationslöcher 9 sind in einen Raum hin offen, der von der vorderen Endschutzabdeckung 3 umgeben ist, um eine Verbindung mit dem Ventilationsweg 8 herzustellen, der von der schützenden Außenschicht 4 umgeben ist.
  • Die Formspeicherlegierung ist eine Legierung mit einer Form- Wiederherstellungskraft auf der Basis von thermoelastischer martensitischer Transformation und Umkehrtransformation. Hier ist ein geschlossener Zustand bei einer niedrigen Temperatur und ein geöffneter Zustand bei einer hohen Temperatur gespeichert. Legierungen aus Ni-Ti, Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Al und dergleichen kbnnen als Formspeicherlegierung verwendet werden. Jede der Legierungen hat eine stabile Form, die in Abhängigkeit von einer Temperatur bestimmt ist, und kann eine Form bei einer Temperatur speichern, die gleich oder niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, sowie eine weitere Form bei einer Temperatur, die gleich oder höher ist als ein vorbestimmter Wert, so daß die Legierung ihre Form dadurch ändert, daß sie erwärmt/abgekühlt wird.
  • Beispielsweise besteht eine Ni-Ti-Legierung aus 50 bis 60 Gewichtsprozent Ni und 40 bis 50 Gewichtsprozent Ti. Die Legierung hat eine Rückstellkraft auf der Basis der thermoelastischen martensitischen Transformation und Umkehrtransformation, um hierdurch die Form zu ändern.
  • Die Temperatur, bei der die Formtransformation auftritt, d. h. die Transformationstemperatur, kann eingestellt werden, indem das Mischungsverhältnis der Legierung ausgewählt wird. Obwohl die Ni-Ti-Legierung repräsentativ ist, kann eine Legierung verwendet werden, in der Ni oder Ti teilweise durch Al, Cu, V, Zr, Cr, Mo, Fe, Co oder dergleichen ersetzt ist.
  • Die Öffnungs/Schließabdeckung 3 des lichtemittierenden Endes besteht aus Metall und hat vorzugsweise eine solche Form, daß zwei Teilelemente miteinander kombiniert sind, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist. Die Abdeckung 3 ist an ihrem Fuß mit einem zylindrischen Befestigungsabschnitt 18 zur Befestigung der Abdeckung 3 zwischen der inneren und äußeren Schicht der optischen Faser versehen. Der Innendurchmesser des befestigenden zylindrischen Abschnitts 18 stimmt mit dem Außendurchmesser der schützenden inneren Schicht 2 überein. Die Abdeckung 3 hat einen Zwischenzylinderabschnitt 19 vor dem befestigenden zylindrischen Abschnitt 18 und einen Öffnungs/Schließkappenabschnitt 20, der das vordere Ende der optischen Faser 1 vor dem zylindrischen Zwischenabschnitt 19 überdeckt. Die Kappe 3 ist durch zwei Teilelemente gebildet. Eine Trennlinie 21 erscheint an der Vorderseite des Öffnungs/Schließkappenabschnitts 20.
  • Die Öffnungs/Schließabdeckung 3 des lichtemittierenden Endes hat einen inneren Raum 22, der von dem zylindrischen Zwischenabschnitt 19 und dem Öffnungs/Schließabschnitt 20 eingeschlossen ist. In der Zeichnung steht der optische Leiter 1 ein wenig in den inneren Raum 22 vor. Das Maß des Vorstehens des Leiters 1 ist jedoch wählbar und es gibt kein Hindernis, selbst wenn die jeweiligen vorderen Endflächen der schützenden inneren Schicht 2 und des optischen Leiters 1 übereinstimmend gemacht werden.
  • Wenn ein Laserstrahl von dem lichtemittierenden Ende emittiert wird, trifft der Laserstrahl 5 auf die Rückfläche der Öffnungs/Schließabdeckung 3 des lichtemittierenden Endes. Der Laserstrahl hat eine beträchtliche Energie. Ein Teil des Laserstrahls wird reflektiert und der Rest von der Rückfläche der Abdeckung 3 absorbiert. Das absorbierte Licht erhöht die Temperatur der Öffnungs/Schließabdeckung des lichtemittierenden Endes scharf. Deshalb wird der Öffnungs/Schließkappenabschnitt 20 an der Trennlinie 21 geöffnet. Fig. 5 zeigt den geöffneten Zustand.
  • Wenn die Menge des reflektierten Lichtes groß ist, können die jeweiligen Endabschnitte des optischen Leiters 1 und der schützenden Innenschicht 2 durch die Wärme beschädigt werden. Deshalb ist es bevorzugt, den Reflexionsfaktor an der Rückfläche des Öffnungs/Schließkappenabschnitts 20 zu verringern. Zu diesem Zweck wird die Rückfläche des Öffnungs/Schließabschnitts 20 vorzugsweise schwarz gefärbt oder rauh gemacht.
  • Bei dieser Ausführungsform besteht die Abdeckung 3 aus zwei Teilelementen. Dies ist möglich, wenn die Abdeckung sehr dünn ist. Selbst bei einer solchen Formspeicherlegierung ist es unmöglich, ihre Dicke leicht zu ändern, so daß ein Abstand zwischen jeweils zwei Punkten im wesentlichen beibehalten wird, bevor und nachdem die Transformation infolge der Hitze auftritt. Eine Formspeicherlegierung ist nicht zur Expansion und Kontraktion fähig.
  • Somit ist es vorteilhaft, den Öffnungs/Schließkappenabschnitt 20 in drei bis acht Elemente zu teilen. Wenn der Kappenabschnitt 20 in acht Elemente geteilt ist, sind acht Trennlinien gebildet und der zentrale Winkel jedes Teilelementes beträgt 45º Der Öffnungs/Schließkappenabschnitt 20, der durch die Ansammlung von derart fein geteilten Elementen gebildet ist, kann glatt geöffnet/geschlossen werden, ohne eine Umfangselastizität zu erfordern.
  • Es ist möglich, die Anzahl der Teilelemente zu erhöhen, beispielsweise den Kappenabschnitt 20 in 9 bis 20 Elemente zu teilen. In diesem Fall stehen scharfe Teilelemente Seite an Seite in dem geöffneten Zustand des Kappenabschnitts nach außen, so daß die Gefahr besteht, daß die Teilelemente Umfangsabschnitte beschädigen, wenn sie diese berühren. Wenn beispielsweise die äußeren Schicht 2 verlängert ist, um die jeweiligen vorderen Enden der Teilelemente des Abdeckungsabschnitts in den geöffneten Zustand des Kappenabschnitts zu überdecken, wie Fig. 6 zeigt, können die Teilelemente daran gehindert werden, die Umfangsabschnitte zu beschädigen.
  • Der geöffnete Zustand des Kappenabschnitts wird solange aufrecht erhalten, wie ein Laserstrahl emittiert wird, da der Laserstrahl weiterhin die Abdeckung erhitzt. Wenn die Abdeckung geöffnet wurde, wird die Abdeckung mit dem Licht ein wenig bestrahlt, so daß die Abdeckung abzukühlen beginnt. Wenn die Temperatur der Abdeckung auf einen Wert gesunken ist, die gleich oder niedriger als die Transformationstemperatur ist, wird die Abdeckung geschlossen.
  • Wenn das Licht wieder direkt auf die so geschlossene Abdeckung aufprallt, wird die Abdeckung wieder geöffnet. Diese oszillierende Erscheinung ist unerwünscht.
  • Demnach ist es wünschenswert, die Anordnung so zu treffen, daß ein Teil des Lichtes auf einen Teil der Teilelemente der Abdeckung auch im geöffneten Zustand des Kappenabschnitts auftrifft. Die in dem Teil der Teilelemente der Abdeckung erzeugte Wärme wird sofort auf die gesamte Abdeckung übertragen, um die Temperatur auf einem Wert zu halten, der gleich oder höher ist als die Transformationstemperatur.
  • Obwohl es wünschenswert ist, Ar oder N&sub2;-Gas für das Gas zu verwenden, das von der Blaseinrichtung in die Innenseite der optischen Faser zugeführt wird, kann unter Umständen auch Luft verwendet werden. Die Feuchtigkeit des geblasenen Gases muß hinreichend niedrig sein. Die relative Feuchtigkeit muß gleich oder niedriger als 40% sein, wobei 0% am meisten zu bevorzugen ist. Wenn ein Gas mit einer hohen Feuchtigkeit zugeführt wird, kondensiert Wasser in der Nähe des lichtemittierenden Endes der optischen Faser. Im Falle einer optischen Faser zu Übertragung eines Laserstrahls großer Energie wird ein Teil des Laserstrahls in den Wassertropfen absorbiert und erhöht deren Temperatur. Deshalb kann am Abgabeende der optischen Faser ein Schaden entstehen. Deshalb ist eine niedrige Feuchtigkeit wünschenswert, um solche Pannen zu vermeiden.
  • Der Druck des durch die Blaseinrichtung zuzuführenden Gases reicht aus, wenn dieses eine Flüssigkeit oder dergleichen an dem lichtemittierenden Ende entfernen kann. Ein hoher Druck ist unerwünscht, da die Gasmenge, die aus dem lichtemittierenden Ende zur Außenseite austritt, ansteigt. Deshalb ist bevorzugt, für den Druck einen Wert auszuwählen, der innerhalb eines Bereichs so niedrig wie möglich ist, bei dem die Flüssigkeit oder dergleichen entfernt werden kann. In Abhängigkeit von dem Druckverlust in der Ventilationsbahn der optischen Faser wird der Druck vorzugsweise zu einem Wert ausgewählt, der gleich oder kleiner ist als 2 kg/cm², wenn dieser von einem Gasdrucksensor 7 an dem Lichtquellenende überwacht wird. Der Druck wird vorzugsweise zu 1,01 bis 1,2 kg/cm² ausgewählt.
  • Wenn die Laserquelle 5 abgestellt wird, wird kein Laserstrahl erzeugt. Die Schutzabdeckung 3 an dem vorderen Ende der optischen Faser schließt sich. Das Gebläse 6 ist angetrieben. Obwohl der Druck in der Ventilationsbahn 8 innerhalb der schützenden Außenschicht 4 ansteigt, befindet sich die Schutzabdeckung 3 in dem geschlossenen Zustand, so daß das Gas nicht aus dem lichtemittierenden Ende aus der Außenseite austritt. Dieser Zustand ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt.
  • Es wird nun angenommen, daß der Laserstrahl 5 erzeugt wird. Der Laserstrahl tritt in den optischen Leiter 1 durch das Lichtquellenende T ein und durchläuft diesen. Das aus dem lichtemittierenden Ende austretende Licht trifft auf die Rückfläche des Öffnungs/Schließkappenabschnitts 15 an der vorderen Endschutzabdeckung 3 auf.
  • Der Öffnungs/Schließkappenabschnitt 15 wird erwärmt. Durch Speicherung einer Form, die bei einer hohen Temperatur öffnet, öffnet sich der Kappenabschnitt 15 bald. Danach verläuft der Laserstrahl geradlinig weiter, um auf ein zu bestrahlendes Objekt aufzutreffen, das vor dem lichtemittierenden Faserende angeordnet ist. Gleichzeitig wird Gas, das von dem Luftströmungsloch zugeführt wird, vorwärts gepumpt. Wenn das lichtemittierende Ende von einem flüssigen oder fluidförmigen Körper hoher Viskosität umgeben ist, hindert das Gas die Flüssigkeit oder einen festen Körper daran, sich dem lichtemittierenden Faserende zu nähern.
  • Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das vordere Ende der optischen Faser in ein dünnes Rohr eingesetzt ist, welches mit einer Flüssigkeit 24 oder dergleichen gefüllt ist, und ein Laserstrahl wird auf ein Werkstück 12 aus dem lichtemittierenden Ende abgestrahlt.
  • Obwohl die Grenzfläche 25 zwischen dem Beschickungsgas 10 und der Flüssigkeit 24 so dargestellt ist, daß sie kugelförmig ist, kann sie in praktischen Fällen verschiedenartige Formen annehmen, und die jeweilige Form ist unstabil. Wenn die Viskosität der Flüssigkeit 20 höher ist, wird die Grenzfläche 25 stabiler.
  • Der Umstand, daß die vordere Endschutzabdeckung 3 geöffnet ist, kann durch einen Gasdrucksensor 7 erfaßt werden. Eine scharfe Verringerung in dem Gasdruck P zeigt an, daß die vordere Endschutzabdeckung 3 geöffnet wurde.
  • Bei Beendigung der Bearbeitung wird die Laserquelle 5 abgeschaltet. Die Erzeugung des Laserstrahls wird gestoppt. Die vordere Endschutzabdeckung verringert ihre Temperatur und kehrt in den ursprünglich geschlossenen Zustand zurück. Während dieses Vorgangs wird das Gas stetig von der Gaszufuhr/Saugeinrichtung 6 zugeführt. Die umgebende Flüssigkeit oder dergleichen wird durch das Pumpen des Gases daran gehindert, in das vordere Ende des optischen Leiters 1 einzutreten. Das vordere Ende des optischen Leiters 1 wird damit sauber gehalten.
  • Das Schließen der vorderen Endschutzabdeckung 3 wird durch ein sofortiges Ansteigen des Drucks an dem Gasdrucksensor 7 erfaßt. Bei diesem Beispiel ist der Öffnungs/Schließkappenabschnitt 15 der vorderen Endschutzabdeckung 3 in zwei Elemente geteilt. Wenn es schwierig ist, die Formspeicherlegierung mit zwei Elementen zu öffnen/schließen, kann der Kappenabschnitt 15 in drei bis zehn Elemente unterteilt sein.
  • Nach Beendigung der Arbeit mit dem Laserstrahl kann die weitere Zufuhr unnötigen Gases gestoppt werden, so daß der Laserstrahl sicher benutzt werden kann, ohne daß unnötiges Gas in den Körper des Gerätes gepumpt wird.
  • Die optische Faser kann verwendet werden für:
  • 1. Laserstrahlbearbeitungsgeräte auf dem industriellen Gebiet (Laserschneiden, Wärmebehandeln, Schweißen); und
  • 2. medizinische Laserbehandlungsgeräte (chirurgisches Lasermesser, Laserkoagulierung). Insbesondere kann die optische Faser dort geeignet verwendet werden, wo eine miniaturisierte, dünne optische Faser erforderlich ist.
    • Beispiel I
  • Eine Quartzglasfaser mit einem Kern als optischer Leiter mit einem Durchmesser von 500 um wurde benutzt.
  • Als Laserquelle für eine Quartzglasfaser kann ein YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 um und ein Ar-Laser mit einer Wellenlänge von 0,56 um verwendet werden. Hier wurde als Lichtquelle ein YAG-Laser mit einem Output von 100 W benutzt.
  • Die vordere Endschutzabdeckung bestand aus einer Formspeicherlegierung, die aus 50 bis 60 Gewichtsprozent Ni und 40 bis 50 Gewichtsprozent Ti bestand. Die Abdeckung speicherte einen geschlossenen Zustand bei einer niedrigen Temperatur und einen geöffneten Zustand bei einer hohen Temperatur.
  • Es ist vorteilhaft, die Rückfläche der Abdeckung nicht als Spiegelfläche auszubilden. Im Falle einer Spiegelfläche wurde das Faserende durch das reflektierte Licht selbst in dem Fall beschädigt, in dem der Output des Laserstrahls 10 W betrug (Output der Lichtquelle).
  • Als nächstes wurde die Rückfläche der Abdeckung rauh gemacht. Die Rauhigkeit wurde so gewählt, daß Rw = 10 u betrug. Rmax ist der maximale Wert von konvex-konkav der Oberfläche. Danach wurde das Abgabeende der optischen Faser durch von der Abdeckung reflektiertes Licht selbst dann nicht beschädigt, wenn ein Laserstrahl mit einem Output von 100 W benutzt wurde. Wenn der Laserstrahl emittiert wurde, wurde die Abdeckung durch Wärme geöffnet, und wenn der Laserstrahl gestoppt wurde, kehrte die Abdeckung in den geschlossenen Zustand zurück.
  • Wie Fig. 10 zeigt, wurde das vordere Ende der optischen Faser in ein dünnes Rohr eingesetzt, das mit einer klebrigen Flüssigkeit gefüllt war. Als zuzuführendes Gas wurde Luft mit einer relativen Feuchtigkeit nicht über 40% verwendet.
  • In der so angeordneten Vorrichtung wurde der YAG-Laser erzeugt. Die vordere Endschutzabdeckung aus der Formspeicherlegierung wurde durch den Laserstrahl geöffnet.
  • Der Druck des Beschickungsgases betrug 1,01 bis 1,2 kg/cm².
  • Ein gasförmiger Raum, in dem der Laserstrahl etwas absorbiert wurde, wurde vor dem lichtemittierenden Ende der optischen Faser von dem Beschickungsgas gebildet. Das Werkstück wurde durch den Laserstrahl bearbeitet. Die optische Faser wurde anschließend herausgezogen. Als das lichtemittierende Ende der optischen Faser untersucht wurde, gab es keine Stellen, an denen eine Flüssigkeit anhaftete.
    • Beispiel II
  • Es wurde eine Silberhalegonidfaser mit einem Kern als optischer Leiter mit einem Durchmesser von 1000 um verwendet.
  • Als Laserstrahlquelle wurde ein Kohledioxidlaser mit einem Output von 50 W und einer Wellenlänge von 10,6 um verwendet.
  • Als optische Faser ist es möglich, jede andere optische Infrarotfaser, optische Fasern aus Thalliumhalegnoid wie KRS-5 und optische Fasern aus Alkalimetallhalegonid wie Cäsiumbromid zu verwenden.
  • Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, bestand die vordere Endschutzabdeckung aus einer Formspeicherlegierung und war so ausgebildet, daß sie einen Öffnungs/Schließkappenabschnitt aus zwei Teilelementen enthielt.
  • Als Formspeicherlegierung wurde eine Ni-Ti-Legierung verwendet.
  • Auch in diesem Falle wurde die Innenfläche der Abdeckung rauh gemacht. In dem Fall, in dem die Innenfläche eine Spiegelfläche war, wurde das vordere Ende der optischen Faser selbst bei einer Laserenergie von 10 W beschädigt.
  • Trockene Luft mit einer Feuchtigkeit nicht über 40% kam von der Blaseinrichtung.
  • Es gab einen Stopfen aus Kunststoff, und das vordere Ende der optischen Faser wurde in ein dünnes Rohr eingesetzt, das mit Wasser gefüllt war, wie Fig. 8 zeigt.
  • Der Öffnungs/Schließkappenabschnitt der Schutzabdeckung konnte infolge der Bestrahlung durch den Laserstrahl geöffnet werden. In dem dünnen Rohr konnte ein Raum mit Luft aufrecht erhalten werden, aus dem eine Flüssigkeit entfernt war. Durch Bestrahlung mit dem Laserstrahl konnte eine Bearbeitung durchgeführt werden. Dabei betrug der Druck des Gases 1,01 bis 1,2 kg/cm².

Claims (17)

1. Eine Lichtübertragungsvorrichtung, welche umfaßt:
eine optische Faser (1), welche ein Lichtempfangsende und ein Lichtemissionsende aufweist; und welche eine vordere Endschutzabdeckung (3), die zum Öffnen/Verschließen an dem lichtemittierenden Ende vorgesehen ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung aus einer Formspeicherlegierung hergestellt ist, welche eine Form speichert, um so bei einer hohen Temperatur zu öffnen und bei einer niedrigen Temperatur zu schließen, wobei die Temperaturen in Reaktion auf den Einfall von Licht bzw. die Sperrung von einfallendem Licht erzeugt werden.
2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Einrichtung (6) zum Zuführen von Gas zu der Faser, so daß das Gas zu dem lichtemittierenden Ende geführt wird, um Material aus seiner Umgebung zu entfernen, umfaßt.
3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die hintere Oberfläche der Abdeckung rauh gemacht ist.
4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die hintere Oberfläche der Abdeckung schwarz gefärbt ist.
5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung aus wenigstens zwei Teilen gebildet ist.
6. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung aus einer Vielzahl von Teilen gebildet ist.
7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei sich die Teile nicht über das lichtemittierende Ende der Faser hinaus erstrecken, wenn die Abdeckung geöffnet ist.
8. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Laser (5) zum Zuführen des Lichts zu der Faser enthält.
9. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Faser eine Quarzfaser enthält.
10. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Faser eine kristalline Faser enthält, die aus der aus Silberhalogenid, Thalliumhalogenid und Alkalihalogenid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
11. Eine Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die optische Faser einen optischen Lichtleiter, eine den Leiter umgebende innere Schicht (2) und eine die innere Schicht umgebende äußere Schicht (4) enthält, um einen Ventilationsweg (8) mit der inneren Schicht zu bilden, wobei die äußere Schicht eine durchgehende Öffnung (9) aufweist; und
die Gaszuführungseinrichtung eine Gaszuführungs/Saugeinrichtung (6) zum Zuführen von trockenem Gas zu dem Weg (8) über die Öffnung umfaßt, und ferner einen Gasdrucksensor (7) zum Überwachen des Drucks des Gases in dem Wegumfaßt.
12. Eine Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Abdeckung einen zylindrischen anhaftenden Teil (14) an dem lichtemittierenden Ende zum Befestigen der Abdeckung zwischen der inneren und äußeren Schicht, welcher eine zentrale Öffnung, durch welche sich der Lichtleiter erstreckt, aufweist und ein Kappenteil (15), das das Frontende der optischen Faser abdeckt, enthält.
13. Ein Verfahren zum Übertragen von Licht mit den Verfahrensschritten:
Übertragen von Licht durch eine optische Faser zu einem lichtemittierenden Ende; Vorsehen einer vorderen Öffnungs-/ schließfähigen Endschutzabdeckung an dem lichtemittierenden Ende, gekennzeichnet durch Bilden der Abdeckung aus einer Formspeicherlegierung, welche eine Form speichert, um so bei einer hohen Temperatur zu öffnen und bei einer niedrigen Temperatur, in Reaktion auf den Einfall von Licht bzw. die Sperrung von Einfallslicht, zu schließen.
14. Ein Verfahren nach Anspruch 13, welches ferner den Verfahrensschritt der Zuführung von Gas entlang der Faser zu dem Ende umfaßt, um irgendwelches Material aus der Umgebung des lichtemittierenden Endes zu entfernen.
15. Ein Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Gas aus der aus trockener Luft, Ar und N&sub2; bestehenden Gruppe ausgewählt ist und eine relative Feuchtigkeit gleich oder geringer als 40% aufweist.
16. Ein Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Gas bei einem Druck zwischen 1,01 und 1,2 kg/cm² zugeführt wird.
17. Ein Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt der Übertragung die Übertragung von Laserlicht enthält.
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