DE10033785A1

DE10033785A1 - Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlen in eine Lichtleitfaser

Info

Publication number: DE10033785A1
Application number: DE2000133785
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: DE10033785C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlung (19) in eine Lichtleitfaser (3), bei der vor dem einkoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser (3) eine Blende (9) aus einem Prismenkörper vorgesehen ist. Der Prismenkörper weist eine erste Oberfläche, von der ausgehend eine Ausnehmung (11) in dem Prismenkörper vorgesehen ist und eine zweite Oberfläche der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Seite auf. Die Ausnehmung (11) von der ersten Oberfläche in Richtung der zweiten Oberfläche ist derart spitz zulaufend ausgebildet, dass Laserstrahlung (20, 21), die im wesentlichen senkrecht auf die zweite Obverfläche auftrifft und in den Prismenkörper eindringt, an der Grenzfläche (22) zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung (11) eine innere Totalreflexion erfährt. Zwischen der Ausnehmung (11) und der zweiten Oberfläche eine Öffnung (12) zum Durchtritt der einzukoppelnden Laserstrahlung (19) vorgesehen ist, und die Lichtleitfaser (3) ist in der Ausnehmung (11) im Bereich der Öffnung (12) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlung in eine Lichtleitfaser gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Das Dokument WO 98/01784 offenbart eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlung hoher Leistung, insbesondere von mehr als 1 kW, in eine Lichtleitfaser, bestehend aus einem Kern und ein diesen umhüllendes Cladding. An ihrem der einfallenden Laserstrahlung zugewandten Ende ist die Lichtleitfaser in einem Gehäuse untergebracht, das von einer Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Wasser durchströmt wird. Die der einfallenden Laserstrahlung zugewandte vordere Gehäusewand ist für die Lasertrahlung transmittierend und die übrigen Teile des Gehäuses sind für die Laserstrahlung absorbierend ausgebildet. Einfallende Strahlung, die außerhalb der Lichtleitfaser liegt, gelangt durch die vordere, transmittierende Gehäusewand in die Kühlflüssigkeit und wird dort wenigstens teilweise absorbiert. Ein anderer Teil dieser außerhalb der Lichtleitfaser in das Gehäuse eindringenden Laserstrahlung wird von den Gehäuseinnenwänden absorbiert, wobei die dabei entstehende Wärme von der Kühlflüssigkeit abgeführt wird. In das Cladding eindringende Strahlung wird mittels eines sogenannten Modenstrippers aus dem Cladding herausgeführt und in das umgebende Kühlmittel geleitet. Mit dieser Anordnung wird zunächst hingenommen, daß ein Teil der Laserstrahlung in das Cladding eindringt. Da es grundsätzlich unerwünscht ist, daß Laserstrahlung über das Cladding übertragen wird, sind an das Einkoppeln sich anschließende Hilfsmaßnahmen erforderlich, um die eingedrungene Strahlung wieder aus dem Cladding heraus- und einem Absorber zuzuführen. Mit zunehmender Leistung der Laserstrahlung kann das Cladding, insbesondere im Falle einer Dejustierung der in der Regel auf den Kern der Lichtleitfaser fokussierten Laserstrahlung Schaden nehmen, auch wenn mit einem Modenstripper die in das Cladding eingedrungene Laserstrahlung nachfolgend wieder herausgeführt wird. Aus diesem Grund wird es als vorteilhaft angesehen, das Eindringen von Laserstrahlung in das Cladding von vorneherein zu vermeiden.

In der gattungsbildenden DE 42 12 816 A1 ist ein Verbindungselement zum Einkoppeln von Laserstrahlung in einen Lichtwellenleiter offenbart, der eine einzige umhüllte Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 200 Mikrometer oder mehr sein kann (siehe Spalte 3, Zeilen 35 bis 37 dieser Druckschrift). Gemäß den in den Fig. 2 und 5 dieser Druckschrift dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Cladding 24a in einem Bereich vom proximalen Ende 30a bis zum Eingangsende 24c des Lichtwellenleiters entfernt, um den Kern 24b des Lichtwellenleiters freizulegen. Der freigelegte Kern 24b ist durch einen in einem Verbindungselement 10 angeordneten Reflektor 46 und ein davon beabstandetes Quarzrohr (das ist das zweite Übertragungselement) 40 bis zu einer in der Brennebene 18 einer Fokussieroptik liegenden Außenfläche des Gehäuses geführt. Die nicht auf den Kern 24b auftreffende Laserstrahlung wird durch das zweite Übertragungselement 40 zu dem Reflektor 46 geführt und in einem Kühlkörper (56,58,60) in Wärme umgewandelt. Mit dieser Einrichtung wird vorteilhafterweise verhindert, daß Laserstrahlung überhaupt in das Cladding eindringen kann, so daß nicht mit Hilfsmaßnahmen wie oben in der WO 98/01784 beschrieben (Modenstripper) bereits eingedrungene Strahlung wieder herausgeführt werden muß. Allerdings ist die in DE 42 12 816 A1 offenbarte Einrichtung vergleichsweise aufwendig konstruiert. Außerdem ist das Freilegen von größeren Bereichen des Kerns nicht unproblmatisch und gerade bei Einzelfasern mit einem Kerndurchmesser von einigen Hundert Mikrometern schwierig in der Ausführung.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlung in eine Lichtleitfaser anzugeben, bei der ein Eindringen von Laserstrahlung in das Cladding weitgehend vermieden wird, und bei der die außerhalb der Lichtleitfaser einfallende Laserstrahlung von der Lichtleitfaser weggeführt und dabei gleichzeitig in ihrer Intensität deutlich reduziert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 13 gekennzeichnet. Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung gründet sich auf die Verwendung einer prismenförmige Blende mit einer spitz zulaufenden Ausnehmung und einer Druchtrittsmöglichkeit für die einzukoppelnde Laserstrahlung zwischen der Spitze der Ausnehmung und der der Laserstrahlquelle zugewandten Seite der Blende. Die Lichtleitfaser wird in der Ausnehmung im Bereich der Durchtrittsmöglichkeit angeordnet, vorzugsweise in deren unmittelbarer Nähe. Mit dieser Anordnung wird die auf die Durchtrittsmöglichkeit auftreffende Laserstrahlung zu der Lichtleitfaser durchgelassen und in diese eingekoppelt, während der außerhalb der Durchtrittsmöglichkeit auf die Blende auftreffende Anteil der Laserstrahlung nicht nur ausgeblendet und durch innere Totalreflexion abgelenkt wird, sondern bei der Totalreflexion gleichzeitig eine Aufweitung und damit verbunden eine deutliche Reduzierung der Energiedichte und der Leistungsdichte erfährt, wobei dieser Effekt in der unmittelbaren Umgebung der Durchtrittsmöglichkeit besonders stark ausgeprägt ist. Infolgedessen können der oder die Absorber zur Vernichtung der ausgeblendeten Laserstrahlung entsprechend kleiner oder weniger starkabsorbierend ausgelegt werden. Sofern gemäß Unteranspruch 2 der Durchmesser der Durchtrittsmöglichkeit im wesentlichen dem Durchmesser des Kerns einer einzigen Lichtleitfaser entspricht und die Lichtleitfaser koaxial zu der Durchtrittsmöglichkeit angeordnet ist, kann so gut wie keine Laserstrahlung in das Cladding eindringen, was besonders vorteilhaft ist. Der Absorber kann je nach Ausführungsform unmittelbar um die Blende angeordnet sein (Unteransprüche 3 und 4) oder die Blende ist mit solchen Außenflächen ausgebildet, daß die ausgeblendete Laserstrahlung an der Grenzfläche zwischen der Blendenaußenfläche und der Umgebung ein zweites Mal eine innere Totalreflektion erfährt und entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert wird (Unteransprüche 5 bis 7). Eine vergleichsweise einfach herzustellende Ausführungsform weist eine Blende mit einer konischen Ausnehmung gemäß Unteranspruch 10 auf.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahmen auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung.

Gemäß Fig. 1 verfügt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung (Lichtwellenleiterstecker) 35 über eine in einem Gehäuse 1 untergebrachte Führungsbuchse 2 für eine Lichtleitfaser 3, die aus einem Kern 4 und einem Cladding 5 besteht. Gegebenenfalls kann das Cladding mit weiteren Umhüllungen versehen sein. An der Führungsbuchse 2 ist eine aus zwei miteinander verbindbaren Teilen 6 und 7 bestehende Fassung 8 mit einer Blende 9, die vorzugsweise aus Quarzglas besteht, befestigt, so daß eine Kammer 10 gebildet wird. Für eine ordnungsgemäße axiale Justierung der Fassung 8 und damit der Blende 9 ist ein Justierring 38 als Anschlagstelle auf der Führungsbuchse 2 befestigbar. Die Lichtleitfaser 3 ragt um ein Stück D aus der Führungsbuchse 2 hervor und verläuft in der Kammer 10 und der kegelförmigen Ausnehmung 11 der Blende 9 bis nahe an die rotationssymmetrisch ausgebildete, vorzugsweise zylinderförmige, Strahldurchtrittsöffnung 12 heran. Der Durchmesser der Blende 9 ist kleiner als der Innendurchmesser des Teils 6 der Fassung 8, so daß zwischen der Aussenfläche 13 der Blende 9 und der Fassung 8 ein Hohlraum 14 gebildet wird. Der Hohlraum 14 kann beispielsweise einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, wie vorliegend, oder torusförmig sein. Die den Hohlraum 14 begrenzenden Wände 15, 16 und 17 sind mit einem im Bereich der Laserwellenlänge absorbierenden Material beschichtet. Ferner verfügt die Fassung 8 in dem Teil 7 über einen Kanal 18, durch den ein Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser oder Kühlluft zirkulieren kann, um die an den Hohlrauminnenwänden 15 bis 17 erzeugte Wärme abzuführen. Die Fassung 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel also gleichzeitig als Absorber ausgebildet. Ein auf die Lichtleitfaser 3 fokussierter Laserstrahl 19 durchdringt bei korrekter Justage die Strahldurchtrittsöffnung 12 und wird in den Kern 4 eingekoppelt. Außerhalb der Öffnung 12 auftreffende Laserstrahlen 20, 21, zum Beispiel bei dejustiertem Laserstrahl 19, werden an der Kegelfläche 22 total reflektiert und radial nach außen zu den absorbierenden Hohlrauminnenwänden 15 bis 17 abgeleitet und dort in Wärme umgewandelt. Da der Durchmesser der Öffnung 12 dem Durchmesser des Kerns 4 vorzugsweise genau entspricht, kann so gut wie keine Laserstrahlung in das Cladding eindringen, wenn die Öffnung 12 und die Lichtleitfaser 3 koaxial zueinander ausgerichtet sind. Für eine derartige Justage der Blende 9 dienen mehrere Stellschrauben 23, mit denen die Blende 9 in der Fassung 8 in einer Ebene senkrecht zur Lichtleitfaser 3 verschoben werden kann. Mittels mehrerer Halte- und Stellschrauben 24, die geeignet gegen das Gehäuse 1 abdichten, sowie Dichtringen 26 zwischen dem Gehäuse 1 und der Führungsbuchse 2 wird diese innerhalb des Gehäuses 1 und gegenüber diesem auf Abstand gehalten, damit zwischen der Führungsbuchse 2 und dem Gehäuse 1 eine Kühlflüssigkeit 25, in der Regel Wasser, strömen kann, das über Kanäle 31 und 32 zu- und abgeführt wird. Auf der der einfallenden Laserstrahlung 19 zugewandten Seite ist das Gehäuse 1 mit einem Schutzglas 33 abgedeckt und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Abschlussplatte 34 versehen, so daß kein Schmutz in das Innere des Gehäuses 1 eindringen kann.

Der aus dem einkoppelseitigen Lichtwellenleiterstecker 35 herausgeführte Lichtwellenleiter 3 überträgt die eingestrahlte Laserstrahlung 19 von der Einkoppelseite zu einer Bearbeitungsstelle, wo - spiegelbildlich - dieselbe Anordnung gemäß Fig. 1 als auskoppelseitiger Lichtwellenleiterstecker 36 für den Austritt der Laserstrahlung 19 vorgesehen werden kann. Dies ist insbesondere bei stark reflektierenden Bearbeitungsflächen von Vorteil, da die von dem Werkstück zurückreflektierte Strahlung nach dem gleichen Prinzip und mit der gleichen Anordnung wie auf der Einkoppelseite daran gehindert wird, in das Cladding einzudringen. Die vom Werkstück zurückreflektierte Laserstrahlung dringt in die Blende 9 ein, erfährt an der Kegelfläche 22 eine innere Totalreflektion und wird anschließend von den Hohlrauminnenwänden 15, 16 und 17 in Wärme umgewandelt. Daher ist in Fig. 1 der Lichtwellenleiter 3 unterbrochen dargestellt und das hintere Ende des auskoppelseitigen Lichtwellenleitersteckers 36 schematisch dargestellt.

Fig. 2 zeigt schematisch einen einkoppelseitigen Lichtwellenleiterstecker 35 mit Gehäuse 1 und Schutzglas 33. Im Unterschied zu Fig. 1 wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 eine Blende 9 mit zwei Kegelflächen 22 und 37 verwendet, wobei die äußere Kegelfläche 37 der Blende 9 unter einem solchen Winkel geneigt ist, daß die an der ersten Kegelfläche 22 total reflektierten Laserstrahlen 20 und 21 an der zweiten Kegelfläche 37 eine weiteres Mal eine innere Totalreflexion erfahren und entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert werden. Anschließend treffen sie auf die Fokussierlinse 27, mit der der einfallende Laserstrahl 19 durch die Strahldurchtrittsöffnung 12 auf die Lichtleitfaser 3 fokussiert wird. Von der Fokussierlinse 27 werden die zurückreflektierten Laserstrahlen 20 und 21 zunächst in deren Brennebene 28 fokussiert und treffen anschließend auf einen außerhalb dieser Brennebene angeordneten Absorber 29, wo sie in Wärme umgwandelt werden. Der Absorber 29 ist vorzugsweise in einem Abstand 2f von der Fokussierlinse beabstandet (f = Brennweite) und verfügt über eine geeignet gestaltete Ausnehmung 30 für den Durchtritt des einfallenden Laserstrahls 19. Der Absorber kann beispielsweise ein geschwärztes und bedarfsweise gekühltes Blech sein. Ansonsten ist der innere Aufbau des Lichtwellenleitersteckers 35 identisch wie in Fig. 1 mit der Ausnahme, daß keine Absorberflächen erforderlich sind, da die Vernichtung der dejustierten Laserstrahlen außerhalb des Lichtwellenleitersteckers 35 erfolgt.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Führungsbuchse

3

Lichtleitfaser

4

Kern

5

Cladding

6

Erster Teil der Fassung

8

7

Zweiter Teil der Fassung

8

Fassung

9

Blende

10

Kammer

11

Konische Ausnehmung

12

Strahldurchtrittsöffnung

13

Aussenfläche der Blende

9

14

Hohlraum

15

Erste Hohlrauminnenwand

16

Zweite Hohlrauminnenwand

17

Dritte Hohlrauminnenwand

18

Kühlflüssigkeitskanal

19

Laserstrahl

20

Erster dejustierter Laserstrahl

21

Zweiter dejustierter Laserstrahl

22

Erste Kegelfläche

23

Stellschrauben für Blende

9

24

Halte- und Stellschrauben für Führungsbuchse

2

25

Kühlflüssigkeit

26

Dichtringe

27

Fokussierlinse

28

Brennebene

29

Absorber

30

Ausnehmung

31

Kühlwassereinlass

32

Kühlwasserauslass

33

Schutzglas

34

Abschlußplatte

35

Lichtwellenleiterstecker auf Einkoppelseite

36

Lichtwellenleiterstecker auf Auskoppelseite

37

Zweite Kegelfläche

38

Justierring

39

Justageloch im Gehäuse

1

Claims

1. Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlung (19) in eine Lichtleitfaser (3), dadurch gekennzeichnet, daß vor dem einkoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser (3) eine Blende (9) aus einem Prismenkörper vorgesehen ist, wobei der Prismenkörper eine erste Oberfläche aufweist, von der ausgehend eine Ausnehmung (11) in dem Prismenkörper vorgesehen ist, wobei der Prismenkörper ferner eine zweite Oberfläche auf der der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Seite aufweist, wobei die Ausnehmung (11) von der ersten Oberfläche in Richtung der zweiten Oberfläche derart spitz zulaufend ausgebildet ist, daß Laserstrahlung (20, 21), die im wesentlichen senkrecht auf die zweite Oberfläche auftrifft und in den Prismenkörper eindringt, an der Grenzfläche (22) zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung (11) eine innere Totalreflektion erfährt, wobei zwischen der Ausnehmung (11) und der zweiten Oberfläche eine Öffnung (12) zum Durchtritt der einzukoppelnden Laserstrahlung (19) vorgesehen ist, und wobei die Lichtleitfaser (3) in der Ausnehmung (11) im Bereich der Öffnung (12) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (3) einen Kern (4) und ein Cladding (5) aufweist, daß der Durchmesser der Öffnung (12) im wesentlichen dem Durchmesser des Kerns (4) entspricht, und daß die Lichtleitfaser (3) koaxial zu der Öffnung (12) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (9) mit einer als Absorber ausgebildeten Fassung (8) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Aussenseite (13) der Blende (9) und der Innenseite (15, 16, 17) der Fassung (8) ein Hohlraum (14) vorgesehen ist, durch den eine Kühlflüssigkeit, vorzugsweise Wasser, strömen kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche liegende Aussenfläche (37) der Blende derart abgeschrägt ist, daß die an der Grenzfläche (22) zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung (11) totalreflektierte Laserstrahlung (20, 21) an der besagten Aussenfläche (37) eine weitere innere Totalreflektion erfährt und entgegen der einfallenden Laserstrahlung (19) zurückgestrahlt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß zwischen der Laserstrahlquelle und der Blende (9) ein Absorber (29) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fokussierlinse (27) vorgesehen ist, in deren Brennebene die Blende (9) positioniert ist, und daß zwischen der Laserstrahlquelle und der Fokussierlinse (27) ein Absorber (29) vorgesehen ist, vorzugsweise in einem solchen Abstand vor der Fokussierlinse (27), der der doppelten Brennweite der Fokussierlinse (27) entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Öffnung (12) eine Mikrolinse vorgesehen ist oder die Blende anstelle der Öffnung (12) in diesem Bereich als Mikrolinse ausgebildet ist, wobei die Mikrolinse als Fokussier- oder als Defokussierlinse ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von dem spitz zulaufenden Ende der Ausnehmung (11) zu der Mikrolinse stetig, d. h. ohne Kanten, und vorzugsweise abgerundet ausgebildet ist,

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Öffnung (12) eine planparallele Platte vorgesehen ist oder die Blende anstelle der Öffnung (12) in diesem Bereich als planparallele Platte ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von dem spitz zulaufenden Ende der Ausnehmung (11) zu der planparrallelen Platte stetig, d. h. ohne Kanten, und vorzugsweise abgerundet ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11) konisch ausgebildet ist, vorzugsweise in Form eines geraden Kegelstumpfs.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11) pyramidenförmig ausgebildet ist, vorzugsweise als Pyramidenstumpf mit einer Vielzahl von Seitenflächen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenkörper mehrstückig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Teilstücke Pyramidenseitenflächen aufweisen, derart, daß nach dem Zusammensetzen der Teilstücke eine pyramidenförmige Ausnehmung gebildet wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (4) geringfügig freigelegt ist und das freigelegte Ende der Lichtleitfaser (3) in der Öffnung positioniert ist.