DE10033787A1 - High power laser beam terminator has expansion prism body with aperture with peak facing surface so laser beams incident perpendicularly on surface undergo total internal reflection - Google Patents
High power laser beam terminator has expansion prism body with aperture with peak facing surface so laser beams incident perpendicularly on surface undergo total internal reflectionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Laserstrahlterminator für Hochleistungslaser, insbesondere für Laser mit einer mittleren Leistung von mehr als 500 W.The invention relates to a laser beam terminator for high-power lasers, in particular for lasers with an average output of more than 500 W.
Bei der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung werden zunehmend Hochleistungslaser eingesetzt, die eine mittlere Leistung von 500 W und mehr aufweisen. Um hierbei das Bedienpersonal vor Schäden aufgrund von einem dejustiertem Strahlengang zu schützen, müssen Absorber vorgesehen werden, mit denen die den Strahlengang verlassende Laserstrahlung vernichtet werden kann. Je nach Anwendungsfall kann es auch vorkommen, daß bewußt ein Teil des Laserstrahls ausgeblendet wird; damit dieser nicht unkonrolliert in den Raum gelangt, sind auch in diesem Fall geeignete Aborber vorzusehen.High-performance lasers are increasingly used in material processing using laser radiation used, which have an average power of 500 W and more. To do this Protect operating personnel from damage due to a misaligned beam path, must be provided absorbers with which the leaving the beam path Laser radiation can be destroyed. Depending on the application, it can also happen that consciously blanking out part of the laser beam; so that it does not enter the room uncontrolled In this case, suitable absorbers must also be provided.
Aus der US-PS 5,237,454 ist ein Laserstrahlterminator bekannt, bei der der zu vernichtende Laserstrahl durch ein Loch in einen ansonsten allseits geschlossenen Kasten gelenkt wird und dort auf einen sogenannten schwarzen Spiegel trifft, der einen Großteil der Laserenergie absorbiert. Dieser schwarze Spiegel ist in dem Kasten dem Loch gegenüberliegend angeordnet und zwar unter einem solchen Winkel, daß der von dem Spiegel noch reflektierte Anteil der Laserstrahlung nicht aus dem Loch austreten kann. Der schwarze Spiegel besteht aus einem solchen Material, das Energie bei der Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls absorbiert. Es ist weiterhin vorgesehen, mehrere solcher schwarzen Spiegel in dem Kasten anzuordnen und zwar dergestalt, daß der durch das Loch einfallende Laserstrahl nacheinander an den schwarzen Spiegeln reflektiert und gleichzeitig an jedem schwarzen Spiegel ein Anteil absorbiert wird. Für Hochleistungslaser, also für Laser mit einer mittleren Leistung von mehr als 500 W ist diese Anordnung weniger geeignet, weil die Gefahr besteht, daß sich der Hochleistungslaserstrahl mit der Zeit durch den ersten schwarzen Spiegel hindurchbohren kann und dann aus dem Kasten austritt. Es sind ferner keine Maßnahmen zum Kühlen der Absorptionsflächen vorgesehen. Außerdem besteht aufgrund der diffusen Reflektionen die Gefahr unerwünschter Restrückreflektionen.A laser beam terminator is known from US Pat. No. 5,237,454, in which the laser beam to be destroyed Laser beam is directed through a hole in an otherwise closed box and there meets a so-called black mirror, which carries a large part of the laser energy absorbed. This black mirror is placed in the box opposite the hole at an angle such that the portion of the Laser radiation cannot escape from the hole. The black mirror consists of one material that absorbs energy at the wavelength of the incident laser beam. It is also intended to arrange several such black mirrors in the box, namely such that the laser beam incident through the hole successively hits the black one Mirror reflected and at the same time a portion of each black mirror is absorbed. For This is high-power laser, i.e. for lasers with an average power of more than 500 W. Arrangement less suitable because there is a risk that the high-power laser beam with who can drill through the first black mirror and then out of the box exit. There are also no measures for cooling the absorption surfaces. In addition, there is a risk of undesirable due to the diffuse reflections Residual back reflections.
Es ist weiterhin bekannt (US-PS 5,083,852), zum Stoppen eines Laserstrahls eine mit einer absorbierenden Flüssigkeit gefüllte Zelle zu verwenden und mit einem unter dem Brewster- Winkel angeordneten Eintrittsfenster zu versehen, damit möglichst keine spiegelnde Reflektionen an dem Eintrittsfenster auftreten. Die Flüssigkeit ist so auf die zu absorbierende Laserstrahlung abgestimmt, daß sie ein Maximum an Absorption bei der in Frage kommenden Laserwellenlänge aufweist. Zur Verwendung bei Hochleistungslasern wird vorgeschlagen, daß die Flüssigkeit eine hohe Wärmekapazität aufweisen soll. Nachteilig an diesem Laserstrahlterminator ist zum einen, daß diese Anordnung nur für linear polarisiertes Laserlicht sinnvoll ist. Nachteilig ist weiterhin, daß die absorbierende Flüssigkeit mit der Zeit altert und die Absorptionsfähigkeit sich verändert. Außerdem besteht bei hohen Laserleistungen die Gefahr, daß die absorbierende Flüssigkeit bis in den Bereich des Siedepunktes oder gar darüberhinaus erhitzt wird. Maßnahmen zur Wärmeabfuhr sind nicht vorgesehen.It is also known (US Pat. No. 5,083,852) for stopping a laser beam with one absorbent liquid filled cell and use a cell under the Brewster To provide entry windows arranged at an angle, so that there are no reflective windows where possible Reflections on the entrance window occur. The liquid is so to be absorbed Laser radiation tuned that they have maximum absorption at the question Has laser wavelength. For use in high power lasers it is proposed that the liquid should have a high heat capacity. Disadvantage of this Laser beam terminator is that this arrangement is only for linearly polarized laser light makes sense. Another disadvantage is that the absorbent liquid ages with time and the Absorbency changes. In addition, with high laser powers there is a risk that the absorbent liquid up to the boiling point or even beyond is heated. No heat dissipation measures are provided.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen speziell für Hochleistungslaser geeigneten Laserstrahlterminator anzugeben, der einfach in der Handhabung ist und bei dem mit einfachen und an sich bekannten Absorbern eine Vernichtung der Laserenergie möglich ist.Based on this prior art, the invention is based on the object Specify a laser beam terminator that is especially suitable for high-power lasers and is easy to use Handling is and in the case of simple and known absorbers annihilation the laser energy is possible.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Laserstrahlterminator gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 15.This object is achieved by a laser beam terminator according to claim 1. Advantageous further developments and refinements can be found in subclaims 2 to 15.
Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der zu vernichtende Laserstrahl zunächst aufgeweitet wird, wodurch die Intensität abnimmt, sodaß der oder die Absorber kleiner oder weniger stark absorbierend ausgelegt werden können bzw. im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung über entsprechende Sicherheitsreserven verfügen. In vorteilhafter Ausgestaltung wird gemäß Unteranspruch 2 zum Aufweiten und Umlenken auf den Absorber ein Prismenkörper mit einer spitz zulaufenden Ausnehmung verwendet, der so angeordnet ist, daß die Spitze dem zu vernichtenden Laserstrahl zugewandt ist. Der auf den Prismenkörper auftreffende Laserstrahl dringt in diesen ein, wird an der Grenzfläche zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung total reflektiert und nach außen abgelenkt. Bei der Totalreflexion tritt eine Aufweitung und damit verbunden eine deutliche Reduzierung der Energiedichte und der Leistungsdichte ein, wobei dieser Effekt in der unmittelbaren Umgebung der Spitze besonders stark ausgeprägt ist. Der derart aufgeweitete Laserstrahl kann dann einfachen Absorbern, wie z. B. geschwärzten Flächen oder absorbierenden Flüssigkeiten zugeführt werden. Bei einer konischen Ausnehmung, wie im Unteranspruch 3 angegeben, läßt sich der Prismenkörper als Kegelprisma vergleichsweise einfach herstellen. Zur Vermeidung von Beschädigungen des Prismenkörpers an der Spitze der Ausnehmung kann der Laserstrahl ausserzentrisch auf den Prismenkörper auftreffen. In diesem Fall kann anstelle eines vollständigen Prismenkörpers auch nur ein Teilstück, z. B. ein halbes Kegelprisma, vorgesehen werden. Aufgrund der stark reduzierten Energie- und Leistungsdichte kann anstelle einer direkten Kühlung der absorbierenden Flächen eine indirekte Kühlung in dem Absorber vorgesehen werden, sodaß durch das Kühlmittel bedingte Verschmutzungen an den Innenwänden des Absorbers vermieden werden. Durch eine Abdeckplatte mit einem kreisringförmigen Steg zur axialen Fixierung des Prismenkörpers in dem Absorber wird der Hohlraum der Absorption gegenüber dem Raum mit der totalreflektierenden Grenzfläche hermetisch abgedichtet, so daß die für ein einwandfreies Funktionieren des Laserstrahlterminators wichtige Grenzfläche in keinster Weise verunreinigt werden kann (Unteranspruch 12).The main advantage of the present invention is that the laser beam to be annihilated is first expanded, whereby the intensity decreases, so that the absorber or absorbers can be designed to be smaller or less absorbent or compared to have appropriate security reserves for conventional use. In advantageous Design is according to claim 2 for widening and deflecting the absorber a prism body with a tapered recess is used, which is arranged so that the tip is facing the laser beam to be destroyed. The one on the prism body impinging laser beam penetrates into it, is at the interface between the Prism body and the recess totally reflected and deflected outwards. In the Total reflection occurs an expansion and associated a significant reduction in the Energy density and power density, this effect being in the immediate area the tip is particularly pronounced. The laser beam expanded in this way can then simple absorbers, such as. B. blackened surfaces or absorbent liquids be fed. With a conical recess, as specified in dependent claim 3, can the prism body as a cone prism is comparatively easy to manufacture. To avoid The laser beam can damage the prism body at the tip of the recess hit the prism body off-center. In this case, instead of one complete prism body also only a part, z. B. half a cone prism provided become. Due to the greatly reduced energy and power density, instead of one direct cooling of the absorbent surfaces indirect cooling in the absorber can be provided so that contamination caused by the coolant to the Inner walls of the absorber can be avoided. Through a cover plate with a circular web for axially fixing the prism body in the absorber Absorbance cavity compared to the totally reflecting interface hermetically sealed, so that for the proper functioning of the Laser beam terminators important interface can not be contaminated in any way (Claim 12).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and with reference to FIGS. 1 and 2. Show it:
Fig. 1 Laserstrahlterminator im Querschnitt; Fig. 1 laser beam terminator in cross section;
Fig. 2 Ansicht des Laserstrahlterminators aus der Richtung des Pfeils A von Fig. 1. FIG. 2 view of the laser beam terminator from the direction of arrow A of FIG. 1.
Der erfindungsgemäße Laserstrahlterminator 1 besteht im wesentlichen aus einem Kegelprisma 2, einem Absorber 3 und einer Abdeckplatte 4. Der Absorber 3 besitzt auf seiner der einfallenden Laserstrahlung 5 zugewandten Seite eine kreisförmige Öffnung 6, die in eine kreisförmige Ausnehmung 7 übergeht. Das Kegelprisma 2 wird über die Ausnehmung 7 in der Öffnung 6 befestigt und ist damit radial fixiert. Die Abdeckplatte 4 besitzt einen kreisringförmigen Steg 8, mit dem das Kegelprisma 2 in axialer Richtung in dem Absorber 3 fixiert wird. Auf diese Weise werden zwei völlig voneinander getrennte Hohlräume 9 und 10 gebildet. Das Kegelprisma 2 weist auf seiner dem einfallenden Laserstrahl 5 abgewandten Seite eine konische Ausnehmung 11 auf, die entgegen der Einfallsrichtung des Laserstrahls 5 spitz zulaufend ist. Die Justierung des Laserstrahlterminators 1 ist dergestalt, daß die Symmetrieachse 12 der konischen Ausnehmung 11 und die Spitze 13 dieser Ausnehmung auf der optischen Achse des einfallenden und zu vernichtenden Laserstrahls 5 liegen. Die senkrecht auf die dem Laserstrahl zugewandte Oberfläche des Kegelprismas 2 auftreffende Laserstrahlung dringt in den Prismenkörper ein und erfährt an der Kegelfläche 14 eine innere Totalreflektion. Dabei erfährt der Laserstrahl eine beträchtliche Aufweitung, so daß die Energiedichte und die Leistungsdichte erheblich reduziert werden. Der Kegelwinkel ist so gewählt, daß die reflektierten Laserstrahlen im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse abgelenkt werden, wie dies vorliegend für zwei Randstrahlen 15 und 16 dargestellt ist. Die reflektierten Laserstrahlen treten an der Aussenseite 17 des Kegelprismas 2 aus, durchlaufen den äußeren Hohlraum 9 und treffen anschließend auf die Innenseite 18 des Absorbers 3, der beispielsweise aus CrNi-Stahl bestehen kann und dessen Innenseite 18 mit einer geeignet absorbierenden Schicht versehen sein kann. Im oberen Bereich des Absorbers 3 ist ein Kanal 19 zur Durchleitung eines Kühlmediums, beispielsweise Kühlwasser, vorgesehen. Es findet also ein indirekte Kühlung statt, so daß durch das Kühlmittel bedingte Verschmutzungen in dem Hohlraum 9, insbesondere an der Aussenfläche 17 des Kegelprismas 2, vermieden werden. Da jeder der Hohlräume 9 und 10 dicht geschlossen ist, können bei der Vernichtung der Laserstrahlung 5 auftretende Verschmutzungen, beispielsweise durch das Abdampfen von Partikeln der Absorberinnenseite 18, nicht in die konische Ausnehmung 11 gelangen und die Grenzfläche 14 der inneren Totalreflektion verunreinigen, was die Funktion des Laserstrahlterminators beeinträchtigen würde. Die für ein gutes Funktionieren des Laserstrahlterminators wichtige Grenzfläche 14 der inneren Totalreflektion ist also sowohl gegenüber der Umgebung als auch gegenüber dem Hohlraum 9 der Absorption hermetisch abgedichtet, was die Lebensdauer des gesamten Laserstrahlterminators beträchtlich erhöht. Anstelle des hier dargestellten quadratischen Absorbers 3 mit einem Hohlraum 9 mit rechteckigem Querschnitt kann der Absorber auch mit einem torusförmigen Hohlraum ausgebildet sein. Wenn die aus dem Kegelprisma 2 austretenden Laserstrahlen, z. B. 15 und 16, in dem Hohlraum 9 umtaufen sollen, so daß nicht nur einmal Laserstrahlung absorbiert werden muss, dürfen die abgelenkten Laserstrahlen, z. B. 15 und 16, nicht im rechten Winkel auf die Innenseite 18 auftreffen. Der Hohlraum 9 und insbesondere die Innenseite 18 dürfen in diesem Fall nicht zylindersymmetrisch wie in Fig. 1 und 2 ausgebildet sein. Dem Fachmann sind geeignete Ausgestaltungen bekannt, so daß auf deren Erläuterung an dieser Stelle verzichtet werden kann.The laser beam terminator 1 according to the invention essentially consists of a cone prism 2 , an absorber 3 and a cover plate 4 . The absorber 3 has on its side facing the incident laser radiation 5 a circular opening 6 which merges into a circular recess 7 . The cone prism 2 is fastened via the recess 7 in the opening 6 and is thus fixed radially. The cover plate 4 has an annular web 8 , with which the conical prism 2 is fixed in the axial direction in the absorber 3 . In this way, two completely separate cavities 9 and 10 are formed. The cone prism 2 has on its side facing away from the incident laser beam 5 a conical recess 11 which tapers against the direction of incidence of the laser beam 5 . The adjustment of the laser beam terminator 1 is such that the axis of symmetry 12 of the conical recess 11 and the tip 13 of this recess lie on the optical axis of the incident and to be destroyed laser beam 5 . The laser radiation incident perpendicularly on the surface of the cone prism 2 facing the laser beam penetrates into the prism body and experiences an internal total reflection on the cone surface 14 . The laser beam expands considerably, so that the energy density and the power density are considerably reduced. The cone angle is chosen so that the reflected laser beams are deflected substantially perpendicular to the optical axis, as is shown here for two edge beams 15 and 16 . The reflected laser beams emerge on the outside 17 of the conical prism 2 , pass through the outer cavity 9 and then strike the inside 18 of the absorber 3 , which can be made of CrNi steel, for example, and whose inside 18 can be provided with a suitably absorbent layer. In the upper area of the absorber 3 , a channel 19 is provided for the passage of a cooling medium, for example cooling water. Indirect cooling thus takes place, so that contamination caused by the coolant in the cavity 9 , in particular on the outer surface 17 of the conical prism 2 , is avoided. Since each of the cavities 9 and 10 is tightly closed, contamination occurring during the destruction of the laser radiation 5 , for example due to the evaporation of particles on the inside of the absorber 18 , cannot get into the conical recess 11 and contaminate the interface 14 of the total internal reflection, which impairs the function of the laser beam terminator would impair. The interface 14 of the total internal reflection, which is important for the good functioning of the laser beam terminator, is therefore hermetically sealed both from the environment and from the cavity 9 of the absorption, which considerably increases the service life of the entire laser beam terminator. Instead of the square absorber 3 shown here with a cavity 9 with a rectangular cross section, the absorber can also be designed with a toroidal cavity. If the laser beams emerging from the cone prism 2 , e.g. B. 15 and 16, in the cavity 9 should be renamed so that laser radiation does not have to be absorbed only once, the deflected laser beams, e.g. B. 15 and 16, do not hit the inside 18 at right angles. In this case, the cavity 9 and in particular the inside 18 must not be cylindrical symmetrical as in FIGS. 1 and 2. Suitable configurations are known to the person skilled in the art, so that their explanation can be dispensed with here.
Es ist auch möglich, anstelle eines vollständigen Kegelprismas (2) nur ein Teilstück eines derartigen Kegelprismas (2) zu verwenden, so daß nur ein Teil eines die optische Achse umgebenden Kreises als Kegelprisma ausgebildet ist, d. h. das Kegelprisma ist in azimutaler Richtung nicht vollständig. In diesem Fall ist der Laserstrahlterminator so zu positionieren, daß der Laserstrahl (5) ausserzentrisch auf das Kegelprismateilstück auftrifft und die in das Kegelprismateilstück eindringende Laserstrahlung an der Grenzfläche (14) zwischen dem Kegelprismateilstück und der von diesem Teilstück gebildeten Ausnehmung (11) eine innere Totalreflektion erfährt. Mit dieser Ausgestaltung wird bei hohen Energiedichten eine Beschädigung des Kegelprismas an der Spitze der Ausnehmung vermieden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein halbes Kegelprisma in den Absorber eingebaut und der so gebildete Laserstrahlterminator dergestalt ausserhalb der optischen Achse positioniert werden, daß der einfallende Laserstrahl (5) über seinen gesamten Querschnitt eine Grenzfläche (14) zur inneren Totalreflexion zur Verfügung hat. It is also possible to use only a part of such a cone prism ( 2 ) instead of a complete cone prism ( 2 ), so that only part of a circle surrounding the optical axis is designed as a cone prism, ie the cone prism is not complete in the azimuthal direction. In this case, the laser beam terminator must be positioned so that the laser beam ( 5 ) strikes the conical prism part and the laser radiation penetrating into the conical prism part at the interface ( 14 ) between the conical prism part and the recess ( 11 ) formed by this part has an internal total reflection experiences. With this configuration, damage to the cone prism at the tip of the recess is avoided at high energy densities. For example, for this purpose a half cone prism can be installed in the absorber and the laser beam terminator thus formed can be positioned outside the optical axis in such a way that the incident laser beam ( 5 ) has an interface ( 14 ) available for total internal reflection over its entire cross section.
11
Laserstrahlterminator
laser terminator
22
Kegelprisma
cone prism
33
Absorber
absorber
44
Abdeckplatte
cover
55
Laserstrahl
laser beam
66
Kreisförmige Eintrittsöffnung
Circular entry opening
77
Kreisförmige Ausnehmung
Circular recess
88th
Kreisringförmiger Steg
Annular web
99
Erster Hohlraum
First cavity
1010
Zweiter Hohlraum
Second cavity
1111
Konische Ausnehmung
Tapered recess
1212
Symmetrieachse
axis of symmetry
1313
Spitze der konischen Ausnehmung
Tip of the conical recess
1414
Kegelfläche
conical surface
1515
Umgelenkter Laserstrahl
Redirected laser beam
1616
Umgelenkter Laserstrahl
Redirected laser beam
1717
Aussenseite des Kegelprismas
Outside of the cone prism
1818
Innenseite des Absorbers
Inside of the absorber
1919
Kühlflüssigkeitskanal
Coolant channel
Claims (15)
daß der Prismenkörper (2) in azimutaler Richtung mehrstückig ausgebildet ist, wobei zum Aufweiten ein oder mehrere Teilstücke vorgesehen sind, die derart positioniert sind,
daß der einfallende Laserstrahl ausserzentrisch auf die zweite Oberfläche auftrifft und in dem Prismenkörper an der Grenzfläche (14) zwischen dem Prismenkörperteilstück und der von diesem Teilstück gebildeten Ausnehmung (11) eine innere Totalreflektion erfährt.7. Laser beam terminator according to one of claims 2 to 4, characterized in that
that the prism body ( 2 ) is constructed in several pieces in the azimuthal direction, one or more sections being provided for expansion, which are positioned in such a way
that the incident laser beam strikes the second surface out of center and experiences an internal total reflection in the prism body at the interface ( 14 ) between the prism body section and the recess ( 11 ) formed by this section.
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