DE10033786A1

DE10033786A1 - Prism-shaped stop has aperture in first surface for total internal reflection of light incident normally on second surface, opening between aperture, second surface for passage of laser light

Info

Publication number: DE10033786A1
Application number: DE2000133786
Authority: DE
Inventors: Roland Berger
Original assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2002-01-31

Abstract

The device has a prism body (2) with an aperture (4) in a first surface with its tip facing a second surface opposite the first surface so that light incident on the second surface essentially perpendicularly undergoes total internal reflection at the boundary between the opening and the prism body and an opening (5) between the aperture and the second surface for the passage of laser light. Independent claims are also included for the following: the use of a prismatic stop for coupling laser light into an optical fiber.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blende zur Anwendung bei Hochleistungslasern, insbesondere bei Lasern mit einer mittleren Leistung von mehr als 300 W.The invention relates to an aperture for use in high-power lasers, in particular in Lasers with an average power of more than 300 W.

Üblichlicherweise werden in der Lasertechnik die aus der abbildenden Optik bekannten Blenden eingesetzt, in der Regel Lochblenden aus verschiedenen Materialien wie beispielsweise aus Kupfer oder aus Chrom-Nickel-Stahl. Häufig ist die dem Laser zugewandte Seite mit Graphit geschwärzt, um unkontrollierte Rückreflektionen zu vermeiden. Für Hochleistungslaser sind derartige Blenden nicht geeignet, denn infolge der hohen Intensität dieser Laserstrahlung wird die Graphitschicht zerstört und in der Folge wird Laserstrahlung von der Blende unkontrolliert in den Raum relflektiert, sodaß das Bedienpersonal gefährdet ist. Ferner hält mit zunehmender Leistung auch das Grundmatierial der Blenden der hohen Strahlungsintensität nicht mehr stand; es wird nach und nach zerstört und verschmutzt die Umgebung.The apertures known from imaging optics are usually used in laser technology used, usually pinhole made of different materials such as Copper or chrome-nickel steel. Often the side facing the laser is graphite blackened to avoid uncontrolled back reflections. For high power lasers such diaphragms are not suitable, because due to the high intensity of this laser radiation the graphite layer is destroyed and as a result laser radiation from the aperture is uncontrolled in the room is reflected, so that the operating personnel is at risk. It also stops with increasing Performance, the basic material of the apertures was no longer able to withstand the high radiation intensity; it is gradually destroyed and pollutes the environment.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Blende anzugeben, die auch bei den Intensitäten von Hochleistungslasern sicher funktioniert und mit der die Laserstrahlung nicht nur ausgeblendet, sondern gleichzeitig in ihrer Intensität reduziert wird.The invention is based on the object of specifying an aperture, which also in the Intensities of high-power lasers work safely and with which the laser radiation not only is hidden, but at the same time its intensity is reduced.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine prismenförmige Blende mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Die nicht durch die Öffnung gelangende Laserstrahlung dringt in den Prismenkörper ein, wird an der Grenzfläche zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung total reflektiert und nach außen von der optischen Achse weggeführt. Der ausgeblendete Teil der Laserstrahlung erfährt dabei eine Aufweitung, die besonders groß in der Nähe der Öffnung ist. Mit dieser Aufweitung wird die Intensität so weit reduziert, daß um die Blende einfache Absorberelemente angeordnet werden können, um die ausgeblendete Laserstrahlung beschädigungsfrei zu vernichten.To solve this problem, a prismatic aperture with the features of Claim 1 proposed. The laser radiation that does not get through the opening penetrates into the prism body, at the interface between the prism body and the The recess is totally reflected and led away from the optical axis. The hidden part of the laser radiation experiences an expansion that is particularly large in the Is near the opening. With this expansion, the intensity is reduced so much that the Aperture simple absorber elements can be arranged around the hidden one To destroy laser radiation without damage.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 11. Eine konische Ausnehmung gemäß Unteranspruch 6 hat den Vorteil, daß eine derartige Blende vergleichsweise einfach herstellbar ist und daß die Aufweitung der ausgeblendeten Laserstrahlung besonders stark ausgeprägt ist. Bei einer pyramidenförmigen Ausnehmung gemäß Unteranspruch 7 hängt die Aufweitung von der Anzahl der Seitenflächen ab. Um eine starke Aufweitung zu erzielen, sind viele Seitenflächen vorteilhaft, was allerdings fertigungstechnisch aufwendiger ist als die konische Ausnehmung.Advantageous refinements and developments can be found in subclaims 2 to 11. A conical recess according to subclaim 6 has the advantage that such Aperture is comparatively easy to manufacture and that the expansion of the hidden Laser radiation is particularly pronounced. With a pyramid-shaped recess according to subclaim 7, the widening depends on the number of side faces. To one To achieve strong expansion, many side surfaces are advantageous, but that is is technically more complex than the conical recess.

In diesem Zusammenhang sei auf die Druckschrift GB 2 001 775 A hingewiesen, in der ein Prisma mit einer konischen oder einer pyramidenförmigen Ausnehmung beschrieben ist. Dieses Prisma dient zur Erfassung eines 360°-Sichtfelds und transformiert ein zylindrisches Sichtfeld in ein ebenes Sichtfeld (Spalte 1, Zeile 63 bis Spalte 2, Zeile 70). Das Prisma kann auch in entgegengesetzter Richtung verwendet werden (Spalte 1, Zeilen 19 bis 23). Dieses Prisma betrifft jedoch ein anderes technisches Gebiet, dient einem anderen Zweck als die prismenförmige Blende gemäß der vorliegenden Erfindung und ist dementsprechend anders gestaltet als die prismenförmige Blende gemäß der vorliegenden Erfindung.In this connection, reference is made to GB 2 001 775 A, in which a prism with a conical or a pyramid-shaped recess is described. This prism is used to acquire a 360 ° field of view and transforms a cylindrical field of vision into a flat field of vision (column 1 , line 63 to column 2 , line 70 ). The prism can also be used in the opposite direction (column 1 , lines 19 to 23 ). However, this prism relates to a different technical field, serves a different purpose than the prism-shaped diaphragm according to the present invention and is accordingly designed differently than the prism-shaped diaphragm according to the present invention.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment and with reference to FIGS. 1 to 3. Show it:

Fig. 1: Erfindungsgemäße Blende im Querschnitt; Fig. 1: Aperture according to the invention in cross section;

Fig. 2: Vergrößerte Darstellung des Ausschnitts X aus Fig. 1; FIG. 2: Enlarged view of section X from FIG. 1;

Fig. 3: Eine Anwendung für die erfindungsgemäße Blende. Fig. 3: An application for the aperture according to the invention.

Wie aus den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, besteht die prismenförmige Blende 1 aus einem zylinderförmigen Grundkörper 2, zum Beispiel aus Quarzglas, der auf seiner Symmetrieachse 3 über eine kegelförmige Ausnehmung 4 verfügt. Am Ende der spitz zulaufenden Ausnehmung 4 ist eine Öffnung 5 vorgesehen, durch die ein Laserstrahl 6 hindurchtreten kann. Im vorliegenden Beispiel beträgt der Kegelwinkel 90° und der Durchmesser der Strahldurchtrittsöffnung 5 etwa 300 Mikrometer. Die Kegelfläche 7 der Ausnehmung 4 ist poliert bis zur Totalreflexion, so daß Laserstrahlen 8, die nicht auf die Strahldurchtrittsöffnung treffen, zum Beispiel bei dejustiertem Laserstrahl, in die prismenförmige Blende eintreten und an der Grenzfläche zwischen dem Grundkörper 2 und der Ausnehmung 4, also an der Kegelfläche 7 eine innere Totalreflexion erfahren und radial nach außen abgelenkt werden, wo sie von einfachen Absorbern vernichtet werden können. Durch die Kegelfläche 7 wird der dejustierte Laserstrahl stark aufgeweitet und infolgedessen nehmen die Leistungsdichte und die Energiedichte in dem abgelenkten Laserstrahl rapide ab, wodurch die Absorption des dejustierten Laserstrahls erheblich vereinfacht wird. As can be seen from FIGS. 1 and 2, the prismatic diaphragm 1 consists of a cylindrical base body 2 , for example made of quartz glass, which has a conical recess 4 on its axis of symmetry 3 . At the end of the tapered recess 4 , an opening 5 is provided through which a laser beam 6 can pass. In the present example, the cone angle is 90 ° and the diameter of the beam passage opening 5 is approximately 300 micrometers. The conical surface 7 of the recess 4 is polished to total reflection, so that laser beams 8 , which do not strike the beam passage opening, for example in the case of a misaligned laser beam, enter the prismatic aperture and at the interface between the base body 2 and the recess 4 , that is to say the conical surface 7 undergoes total internal reflection and is deflected radially outwards, where it can be destroyed by simple absorbers. The misaligned laser beam is greatly expanded by the conical surface 7 and, as a result, the power density and the energy density in the deflected laser beam decrease rapidly, as a result of which the absorption of the misaligned laser beam is considerably simplified.

Als ein Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäße Blende sei die Einkopplung von Laserstrahlung in eine Lichtleitfaser genannt (Fig. 3). Bei einer einzigen umhüllten Lichtleitfaser 9, die also einen Kern 10 und ein Cladding 11 aufweist, ist stets darauf zu achten, daß keine oder möglichst wenig Laserstrahlung durch das Cladding übertragen wird. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Blende wird verhindert, daß Laserstrahlung überhaupt in das Cladding eindringen kann. Hierzu wird die Lichtleitfaser 9 auf der Seite der Ausnehmung 4 in unmittelbarer Nähe der Strahldurchtrittsöffnung 5 positioniert wird, während die Laserstrahlung 6 von der gegenüberliegenden Seite eingestrahlt wird. Die einzukoppelnde Laserstrahlung 6 tritt durch die Öffnung 5 hindurch und wird in den Kern 10 der Lichtleitfaser eingekoppelt. Wenn der Druchmesser der Öffnung 5 im wesentlichen identisch mit Druchmesser des Kerns 10 ist, kann keine Laserstrahlung in das Cladding 11 eindringen, da der Anteil der Laserstrahlung 6, der außerhalb der Strahldurchtrittsöffnung 5 auf die Blende 1 auftrifft, zum Beispiel im Falle einer Dejustage, in den Grundkörper 2 eindringt, an der Kegelfläche 7 eine innere Totalreflektion erfährt und einem Absorber 12 zugeführt wird. Bei der Totalreflektion an der Kegelfläche 7 wird die Laserstrahlung gleichzeitig stark aufgeweitet, so daß als Absorber 12 auch bei hohen Leistungen von z. B. mehr als 500 W vergleichsweise einfache Absorber vorgesehen werden können, beispielsweise mit einer Kammer 13, in denen die zu venichtende Laserstrahlung 8 vielfach reflektiert und bei jeder Reflexion ein Anteil absorbiert wird, wozu die Kammer 13 innen eine geeignete absorbierende Schicht aufweist. Mittels einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit 14 wird die bei der Absorption erzeugte Wärme abgeführt. Gegebenenfalls kann anstelle der Öffnung auch ein entsprechend großer planparalleler Abschnitt in dem Kegelprisma für den Durchtritt der Laserstrahlen vorgesehen werden. Außerdem ist es möglich, in der Öffnung eine Mikrolinse vorzusehen oder das Kegelprisma in diesem Bereich entsprechend als Mikrolinse zu schleifen, falls eine zusätzliche Anpassung im Verlauf der Laserstrahlung wünschenswert oder sinnvoll ist. An area of application for the diaphragm according to the invention is the coupling of laser radiation into an optical fiber ( FIG. 3). In the case of a single coated optical fiber 9 , which therefore has a core 10 and a cladding 11 , care must always be taken that no or as little laser radiation as possible is transmitted through the cladding. The use of the diaphragm according to the invention prevents laser radiation from penetrating into the cladding at all. For this purpose, the optical fiber 9 is positioned on the side of the recess 4 in the immediate vicinity of the beam passage opening 5 , while the laser radiation 6 is irradiated from the opposite side. The laser radiation 6 to be coupled in passes through the opening 5 and is coupled into the core 10 of the optical fiber. When the Druchmesser the opening 5 is substantially identical with Druchmesser of the core 10, no laser radiation can penetrate into the cladding 11, as the proportion of the laser beam 6 that is incident outside the beam passage opening 5 on the panel 1, for example in the case of a misalignment, penetrates into the base body 2 , experiences an internal total reflection on the conical surface 7 and is supplied to an absorber 12 . In the total reflection on the conical surface 7 , the laser radiation is expanded at the same time, so that as an absorber 12 even at high powers of z. B. more than 500 W comparatively simple absorbers can be provided, for example with a chamber 13 in which the laser radiation 8 to be destroyed is often reflected and a portion is absorbed in each reflection, for which purpose the chamber 13 has a suitable absorbing layer on the inside. The heat generated during absorption is removed by means of a circulating cooling liquid 14 . If necessary, a correspondingly large plane-parallel section can be provided in the cone prism for the passage of the laser beams instead of the opening. It is also possible to provide a microlens in the opening or to grind the cone prism in this area accordingly as a microlens if an additional adaptation in the course of the laser radiation is desirable or sensible.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Blende
cover

22

Grundkörper
body

33

Symmetrieachse
axis of symmetry

44

kegelförmige Ausnehmung
conical recess

55

Strahldurchtrittsöffnung
Beam passage opening

66

Laserstrahl
laser beam

77

Kegelfläche
conical surface

88th

dejustierte Laserstrahlen
misaligned laser beams

99

Lichtleitfaser
optical fiber

1010

Kern
core

1111

Cladding
cladding

1212

Absorber
absorber

1313

Torusförmige Kammer
Toroidal chamber

1414

Kühlflüssigkeit
coolant

Claims

1. Prismatic aperture ( 1 ) made of a prism body ( 2 ), with a first surface, from which a recess ( 4 ) is provided in the prism body ( 2 ), and with a second surface on the side of the prism body opposite the first surface ( 2 ), the recess ( 4 ) being so tapered from the first surface in the direction of the second surface that light rays ( 8 ) which strike the second surface essentially perpendicularly and penetrate into the prism body ( 2 ) undergo total internal reflection at the interface ( 7 ) between the prism body ( 2 ) and the recess ( 4 ), and an opening ( 5 ) for the passage of light rays ( 6 ) is provided between the recess ( 4 ) and the second surface.

2. A diaphragm according to claim 1, characterized in that the opening ( 5 ) is rotationally symmetrical, preferably cylindrical, that the axis of symmetry ( 3 ) of the opening ( 5 ) forms the optical axis of a beam path, and that the tip of the recess ( 4th ) lies on the optical axis ( 3 ).

3. Prismatic aperture from a prism body, with a first surface from which starting a recess is provided in the prism body, and with a second Surface on the side of the prism body opposite the first surface, wherein the recess from the first surface towards the second surface is so tapered that light rays that are essentially perpendicular hit the second surface and penetrate the prism body at the interface experience total internal reflection between the prism body and the recess, and wherein between the second surface and the tapered end of the Recess a plane-parallel section and / or spherical surfaces for the passage of Light rays are provided.

4. Aperture according to claim 3, characterized in that the plane-parallel section is rotationally symmetrical, preferably cylindrical, that the axis of symmetry of the plane-parallel section forms the optical axis of a beam path, and that the tip the recess lies on the optical axis.

5. Diaphragm according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first and second surfaces are perpendicular to the optical axis of the beam path of the light rays, that the recess ( 4 ) is rotationally symmetrical and that the axis of symmetry ( 3 ) of the recess ( 4 ) lies on the optical axis.

6. Diaphragm according to one of claims 1 to 5, characterized in that the recess ( 4 ) is conical, preferably in the form of a straight truncated cone.

7. Aperture according to one of claims 1 to S. characterized in that the recess is pyramid-shaped, preferably as a truncated pyramid a variety of side surfaces.

8. Aperture according to one of claims 1 to 7, characterized in that the prism body ( 2 ) is integrally formed.

9. A diaphragm according to claim 7, characterized in that the prism body ( 2 ) is constructed in several pieces, the individual sections having pyramid side surfaces, such that a pyramid-shaped recess is formed after the sections have been assembled.

10. Aperture according to one of claims 3 to 9, characterized in that the transition from the tapered end of the recess to the plane-parallel section and / or the spherical surfaces continuously, d. H. without edges, is formed, in particular that the Transition is rounded.

11. Use of an aperture ( 1 ) according to one of claims 1 to 10 for coupling laser radiation ( 6 ) into an optical fiber ( 9 ), the optical fiber ( 9 ) on the side of the first surface and in the recess ( 4 ) in the vicinity of the opening (5) and the plane-parallel portion and / or the spherical surfaces of the laser radiation (6) is irradiated on the side of the second surface is positioned, said to be coupled laser radiation (6) through the opening (5) or the plane-parallel section and / or the spherical surfaces is coupled into the optical fiber ( 9 ), the portion ( 8 ) of the laser radiation not passing through the opening or the plane-parallel section and / or the spherical surfaces at the interface ( 7 ) between the The prism body ( 2 ) and the recess ( 4 ) experience total internal reflection, and the total reflected laser radiation ( 8 ) is supplied to absorbers ( 12 ).

12. Use according to claim 11, characterized in that it is in the optical fiber ( 9 ) is a single optical fiber having a core ( 10 ) and a cladding ( 11 ) that the diameter of the opening ( 5 ) or plane-parallel section and / or the spherical surfaces essentially corresponds to the diameter of the core ( 10 ) and that the optical fiber ( 9 ) is positioned coaxially with the opening ( 5 ) or the plane-parallel section and / or the spherical surfaces.