DE102008055746A1

DE102008055746A1 - Faserlaser mit speziell gestalteter Ein- und Auskoppeloptik

Info

Publication number: DE102008055746A1
Application number: DE102008055746A
Authority: DE
Inventors: Roland Berger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: DE102008055746B4

Abstract

Es wird eine laseraktive optische Faser (50) für einen Faserlaser (100) vorgeschlagen, mit einem laseraktiven und dotierten Faserkern (26), einem den Faserkern (26) umgebenden undotierten Pumpkern (24) und einem den Pumpkern (24) umgebenden Cladding (22) und mit einem Eintrittsbereich (EB), an dem durch eine Pumplichtquelle ein Pumplicht in den Pumpkern (24) gelangt, sowie mit einem Austrittsbereich (AB), an dem ein Arbeitsstrahl (20) den Faserkern (26) verlässt, wobei im Eintrittsbereich ein Kegelprisma (12) und im Austrittsbereich (AB) ein Kegelprisma (18) vorgesehen ist.

Description

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

Claims

Laseraktive optische Faser (50) für einen Faserlaser (100), mit einem laseraktiven und dotierten Faserkern (26), einen den Faserkern (26) umgebenden undotierten Pumpkern (24) und ein den Pumpkern (24) umgebendes Cladding (22), und mit einem Eintrittsbereich (EB), an dem durch eine Pumplichtquelle ein Pumplicht in den Pumpkern (24) gelangt, sowie mit einem Austrittsbereich (AB), an dem ein Arbeitsstrahl (20) den Faserkern (26) verlässt, wobei im Eintrittsbereich ein Kegelprisma (12) und im Austrittsbereich (AB) ein Kegelprisma (18) vorgesehen ist.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelprisma (18) eine erste konische Innenfläche aufweist, die im Austrittsbereich (AB) der Stirnfläche (SF2) der Faser zugewandt ist.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelprisma (12) eine erste konische Innenfläche aufweist, die im Eintrittsbereich (EB) der Stirnfläche (SF1) der Faser zugewandt ist.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelprisma (18) eine kreisringförmige Fläche aufweist, die eine Ebene bildet, welche senkrecht zur optischen Achse der Faser liegt.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelprisma (18) eine zylindrische Apertur (AP) aufweist, die in der Größenordnung von ca. 150 μm bis zum Durchmesser des Faserkerns (26) reicht.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelprisma (18) eine zweite konische Fläche aufweist, die an den austretenden Arbeitsstrahl (20) angepasst ist.
Laseraktive optische Faser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelprisma (18) so gehaltert ist, dass es mit der Stirnfläche (SF2) der Faser einen ringförmigen Kontakt hat.
Laseraktive optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Kegelprismen (12, 18) so gelagert ist, dass es in mindestens einer Richtung verschiebbar bzw. einstellbar ist.
Laseraktive optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die optische Faser und die Innenseite von mindestens einem der Kegelprismen (12, 18) nicht berühren.
Laseraktive optische Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (50) im Austrittsbereich (AB) konisch ausgebildet ist.
Faserlaser mit einer laseraktiven optischen Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Faserlaser mit einer laseraktiven optischen Faser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Pumplichtquelle vorgesehen ist, die durch das Kegelprisma (18) hindurch von außen ein Pumplicht in den Pumpkern (24) und den Faserkern (26) lenkt.