DE102009026772A1

DE102009026772A1 - Faserlaser

Info

Publication number: DE102009026772A1
Application number: DE102009026772A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Fuhrberg
Original assignee: Lisa Laser Products oHG Fuhrberg and Teichmann
Current assignee: Lisa Laser Products De GmbH
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-06-06
Also published as: DE102009026772B4

Abstract

Bei einem Faserlaser mit einer Laserfaser (5), in der ein aktives Lasermaterial vorgesehen ist und mit einer ersten optischen Anordnung an einem ersten Ende der Laserfaser (5) und mit einer zweiten optischen Anordnung an einem zweiten Ende der Laserfaser (5), wobei jede der beiden optischen Anordnungen eine Sammellinse (3) und eine in Bezug auf die Laserfaser (5) hinter der Sammellinse (3) angeordneten Spiegel (2) aufweist, wobei der Spiegel (2) der ersten optischen Anordnung für Pumplicht von einer externen Pumplichtquelle (1) mit einer Pumplichtwellenlänge transmittiv und für Arbeitslicht aus der Laserfaser (5) mit einer von der Pumplichtwellenlänge abreichenden Arbeitslichtwellenlänge reflektiert ist, während der Spiegel der zweiten optischen Anordnung für das Pumplicht von der externen Pumplichtquelle (1) reflektiv und für das Arbeitslicht aus der Laserfaser (5) transmittiv ist, sind beide Sammellinsen (2) chromatisch nur für dieselbe eine der beiden Wellenlängen optimiert, und der für diese eine Wellenlänge reflektierende Spiegel weist eine plane reflektierende Fläche auf, während der andere der Spiegel (2) eine gekrümmte reflektierende Fläche (9) für die andere der beiden Wellenlängen aufweist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Faserlaser mit einer Laserfaser, mit zwei optischen Anordnungen an den beiden Enden der Laserfaser und mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Für einen Faserlaser werden üblicherweise Laserfasern eingesetzt, die einen inneren Kern aus aktivem Lasermaterial zur Erzeugung eines Laserstrahls als Arbeitslicht und einen umliegenden Pumpkern zur Aufnahme und Weiterleitung von Pumplicht aufweisen. Die konzentrischen Kerne der Laserfaser sind von einem äußeren Mantel umgeben. Da die Laserfaser in Form des Pumpkerns bereits einen inneren Mantel aufweist, wird sie als Doppelmantelfaser (double cladded fibre) bezeichnet. Das Pumplicht weist eine Pumplichtwellenlänge auf, die sich von der Arbeitslichtwellenlänge des Arbeitslichts wesentlich unterscheidet. So ist es z. B. üblich, für das Pumplicht einen Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 800 nm als Pumplichtquelle zu verwenden, um aktives Lasermaterial zu pumpen, das das Arbeitslicht bei beispielsweise 2 μm emittiert.
In einem bekannten Faserlaser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 wird zum optischen Pumpen kollimiertes Licht eines Diodenlasers über eine Sammellinse, wobei der Begriff „Sammellinse” in dieser Beschreibung ausdrücklich auch ein Objektiv aus mehreren Linsen, das insgesamt als Sammellinse wirkt, einschließt, auf die Querschnittsfläche des Pumpkerns an einem ersten Ende der Laserfaser fokussiert, um es dort einzukoppeln. Am zweiten Ende der Laserfaser werden das nicht absorbierte Pumplicht und das Arbeitslicht ausgekoppelt. Die Numerische Apertur des austretenden Pumplichtes entspricht dabei der Numerischen Apertur des eingekoppelten Pumplichtes. Die Numerische Apertur des Arbeitslichts ist, da es in dem inneren Kern der Laserfaser indexgeführt wird, in der Regel kleiner als die Numerische Apertur des Pumplichtes. Die Numerische Apertur des fokussierten Pumplichts wird an die Numerische Apertur der Laserfaser angepasst und kann beispielsweise einen Wert von 0,4 besitzen, was einem Winkel von 23,6° entspricht. Ein kollimierter Laserstrahl aus dem Arbeitslicht wird erzeugt, indem das zweite Ende der Laserfaser im Brennpunkt einer Sammellinse angeordnet wird. Der kollimierte Laserstrahl besitzt eine hohe Strahlqualität und eine nur geringe Divergenz. Für weitere Prozesse kann dieser Laserstrahl nachfolgend erneut fokussiert werden.
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erhalten, wird bei dem bekannten Faserlaser das bis zu dem zweiten Ende der Laserfaser noch nicht absorbierte und dort ausgekoppelte Pumplicht nochmals in die Laserfaser eingekoppelt, indem hinter der dort angeordneten Sammellinse ein Spiegel angeordnet ist, der für das Pumplicht wenigstens an seiner der Laserfaser zugewandten Seite hochreflektiv und für das Arbeitslicht beidseitig hochtransmittiv ausgeführt ist. Der Spiegel ist derart ausgerichtet, dass die reflektierte Pumpstrahlung zurück auf den Pumpkern fokussiert wird. Auf diese Weise kann das zunächst nicht absorbierte Pumplicht die Laserfaser nochmals durchlaufen und zur Erzeugung des Arbeitslichts beitragen.
Das Arbeitslicht tritt grundsätzlich nach beiden Seiten aus der Laserfaser aus. Der Wirkungsgrad des bekannten Faserlasers ist nochmals erhöht, indem das aus dem inneren Kern aus dem aktiven Lasermaterial austretende Arbeitslicht an dem ersten Ende der Laserfaser dem aktiven inneren Kern wieder zugeführt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass zwischen dem Diodenlaser und der ersten Sammellinse, die das Pumplicht auf die Laserfasereintrittsfläche fokussiert, ein Spiegel angeordnet ist, der für das Pumplicht auf beiden Seiten hochtransmittiv und für das Arbeitslicht auf der der Laserfaser zugewandten Seite hochreflektiv ist. Dieser Spiegel reflektiert das durch die Sammellinse kollimierte rückwärts austretende Arbeitslicht in die Laserfaser zurück. Das rückwärtig austretende Arbeitslicht durchläuft somit die Sammellinse zweimal. Der Spiegel wird so justiert, dass das reflektierte Arbeitslicht zentrisch auf den inneren Kern der Laserfaser trifft.
Um das Pumplicht optimal mit der Sammellinse auf die Eintrittsfläche an dem ersten Ende der Laserfaser fokussieren zu können, muss die Eintrittsfläche in der Ebene liegen, in der sich durch die erste optische Anordnung aus Sammellinse und Spiegel für das gesamte, durch deren Aperturblende einfallende parallele Strahlenbündel mit der Pumplichtwellenlänge eine optimale Konzentration der Strahlung ergibt. Außerdem soll über den Lichtweg von der Eintrittsfläche durch die Sammellinse bis zum Spiegel und von dort zurück durch die Sammellinse zu der Eintrittsfläche eine optimale Konzentration des rückwärts aus der Eintrittsfläche austretenden Arbeitslichts erfolgen. Weist der Spiegel der ersten optischen Anordnung eine plane Reflexionsfläche für das Arbeitslicht auf, dann muss – um dieses Ziel zu erreichen – die zugehörige Sammellinse achromatisch ausgeführt sein. D. h., die Sammellinse der ersten optischen Anordnung muss in diesem Fall für die Pumplichtwellenlänge und für die Arbeitslichtwellenlänge so korrigiert sein, dass die Schnittweiten für beide Wellenlängen identisch sind. Da sich die beiden Wellenlängen stark unterscheiden und die optischen Materialien für verschiedene Wellenlängen verschiedenen Brechzahlen aufweisen, ist dies im Vergleich zu einer monochromatischen Linsenkorrektur mit einem erheblichen Mehraufwand und einem größeren Platzbedarf verbunden.
Um die Rückkopplung des aus der Austrittsfläche der Laserfaser an deren zweiten Ende austretenden Pumplichts zu realisieren, wäre es wünschenswert, dass die Sammellinse der dortigen zweiten optischen Anordnung einen kollimierten Strahl mit der Pumplichtwellenlänge erzeugt. In diesem Fall könnte die Rückkopplung des Pumplichtes auf dem Lichtweg zwischen der Austrittsfläche durch die Sammellinse bis zu dem dahinter liegenden Spiegel und von dort zurück durch die Sammellinse bis zu der Austrittsfläche so gestaltet werden, dass die reflektierende Fläche für das Pumplicht an dem Spiegel plan ausgeführt ist. Der kollimierte Strahl aus dem Pumplicht würde dann an der reflektierenden Fläche des Spiegels reflektiert und der Sammellinse kollimiert rückwärts zugeführt, um von dieser wieder optimal auf die Austrittsfläche der Laserfaser fokussiert zu werden. Ein ungelöster Nachteil dieser zweiten optischen Anordnung ist allerdings, dass das aus der Laserfaser austretende Arbeitslicht die Sammellinse nicht kollimiert verlässt, wenn die Sammellinse nicht achromatisch ausgeführt ist, da sich die Schnittweiten für das Pumplicht und für das Arbeitslicht ansonsten deutlich unterscheiden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserlaser mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem trotz optimaler Rückkopplung des zunächst nicht absorbierten Pumplichts und des rückwärts austretenden Arbeitslichts in die Laserfaser keine achromatischen Sammellinsen benötigt werden.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch einen Faserlaser mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Faserlasers sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Faserlaser sind beide Sammellinsen chromatisch nur für dieselbe eine der beiden Wellenlängen optimiert. Dabei weist der für diese eine Wellenlänge reflektierende Spiegel eine Plane reflektierende Fläche auf, während der andere der Spiegel eine gekrümmte reflektierende Fläche für die andere der beiden Wellenlängen aufweist. Wenn die reflektierenden Flächen der beiden Spiegel deren der Laserfaser zugekehrten Oberflächen sind, ”sieht” das Licht mit der einen Wellenlänge von dem für diese Wellenlänge reflektierenden Spiegel nur die plane reflektierende Fläche und wird von der für diese Wellenlänge chromatisch korrigierten und optimal angeordneten Sammellinse auf die Laserfaser zurückfokussiert. Von dem anderen Spiegel, der für diese Wellenlänge transmittierend ist, ”sieht” das Licht mit der einen Wellenlänge zwar die gekrümmte für die andere Wellenlänge reflektierende Fläche. Die hieraus resultierenden Ablenkungen des Lichts mit der einen Wellenlänge können aber durch eine hinter der gekrümmten reflektierenden Fläche liegende weitere gekrümmte optische Fläche desselben Spiegels kompensiert werden. Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, dass diese gekrümmte optische Fläche parallel zu der gekrümmten reflektierenden Fläche des anderen der beiden Spiegel verläuft, wobei die gekrümmte optische Fläche die der Laserfaser abgekehrte Oberfläche des anderen der beiden Spiegel ist. Bezüglich des Lichts mit der anderen Wellenlänge, für die die beiden Sammellinsen nicht chromatisch korrigiert sind, kann mit der für diese Wellenlänge reflektierenden gekrümmten Fläche des anderen Spiegels die notwendige chromatische Korrektur herbeigeführt werden, um dieses Licht zurück in die Laserfaser zu fokussieren, obwohl die dabei durchlaufene Sammellinse für die Wellenlänge dieses Lichts nicht optimiert ist. Demgegenüber kann die chromatische Korrektur an dem gegenüberliegenden Ende der Laserfaser mit einer hinter seiner für die eine Wellenlänge reflektierenden Fläche liegenden gekrümmten optischen Fläche bewirkt werden, durch die nur das Licht mit der anderen, von diesem Spiegel transmittierten Wellenlänge hindurchtritt. Die Korrektur kann problemlos so erfolgen, dass das an diesem Ende aus der Laserfaser austretende Licht kollimiert wird, d. h. zu einem kollimierten Strahl geformt wird, bzw. hier einfallendes kollimiertes Licht exakt in die Laserfaser fokussiert wird. Vorzugsweise ist auch diese gekrümmt optische Fläche des einen der beiden Spiegel, dessen hintere Oberfläche.
Vorzugsweise sind die beiden Sammellinsen des neuen Faserlasers für die Pumplichtwellenlänge chromatisch korrigiert, weil die numerische Apertur der Laserfaser für das Pumplicht größer ist und entsprechend die chromatische Korrektur mit Hilfe der rückwärtigen Oberflächen der Spiegel im Falle des Arbeitslichts nur über kleinere optische Flächen zu erfolgen braucht und weil der ausgekopplete Laserstrahl aus dem Arbeitslicht dann nur einer zusätzlichen Ablenkung durch eine gekrümmte optische Fläche der zweiten Oberfläche des Spiegels mit der planen reflektierenden Fläche für das Pumplicht – unterworfen wird. Die erste voranstehende Begründung gilt natürlich nur, solange die Laserfaser des neuen Faserlasers eine Doppelmantelfaser ist, bei der das Pumplicht in einem Pumpkern mit größerem Durchmesser indexgeführt wird, während das Arbeitslicht in dem inneren Kern aus aktivem Lasermaterial indexgeführt ist.
Die grundsätzlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aber auch ausgenutzt, wenn die beiden Sammellinsen des neuen Faserlasers für die Arbeitslichtwellenlänge chromatisch korrigiert sind.
Die nachstehenden Ausführungen beziehen sich auf die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Sammellinsen nur für die Pumplichtwellenlänge optimiert, d. h. insbesondere optimal angeordnet sind. Entsprechend besitzt der an dem ersten Ende der Laserfaser mit der Eintrittsfläche angeordnete Spiegel an seiner für das Arbeitslicht reflektierenden, der Eintrittsfläche zugewandten Fläche durch eine sphärische oder asphärische Form dieser Fläche eine Brechkraft, die bewirkt, dass das rückwärtig aus der Eintrittsfläche austretende Arbeitslicht über die Sammellinse, den Spiegel und wieder über die Sammellinse optimal in dieselbe Ebene fokussiert wird wie das Pumplicht, und weist der Spiegel für das von ihm transmittierte kollimierte Pumplicht keine brechende Gesamtwirkung auf. Um letzteres zu erzielen, hat der Spiegel an seinen beiden optisch wirksamen Flächen dieselbe Form mit umgekehrten optischen Wirkungen. Umgekehrte optische Wirkungen werden erreicht, indem die eine Fläche konvex und die andere Fläche entsprechend konkav gestaltet ist. Die Kollimation des durch den Spiegel transmittierten Pumplichts wird auf diese Weise nicht gestört. Der Spiegel der zweiten optischen Anordnung an dem zweiten Ende der Laserfaser mit der Austrittsfläche weist eine plane für die Pumpstrahlung reflektierende Fläche auf. Das durch diesen Spiegel transmittierte Arbeitslicht wird dadurch kollimiert, dass die zweite optisch wirksame Fläche des Spiegels eine sphärische oder asphärische Form hat, die durch ihre Brechkraft bewirkt, dass das Arbeitslicht nach Verlassen des Spiegels einen kollimierten Laserstrahl formt.
Für einen Faserlaser mit einer Pumplichtwellenlänge von 800 nm und einer Arbeitslichtwellenlänge von 2 μm ergibt sich, dass die der Eintrittsfläche zugewandte, für das Arbeitslicht reflektierende Fläche des Spiegels der ersten optischen Anordnung konkav ausgeführt werden muss, da auf Grund der normalen Dispersion die Brennweite der Sammellinse für das Arbeitslicht größer ist als für das Pumplicht und der Spiegel durch die konkave Krümmung der reflektierenden Fläche eine sammelnde Wirkung auf das rückwärtig ausgekoppelte Arbeitslicht ausübt, so dass das Pumplicht und das Arbeitslicht optimal in der gemeinsamen Ebene der Eintrittsfläche der Laserfaser fokussiert werden. Die der Pumplichtquelle zugewandte optische Fläche des Spiegels weist entsprechend eine konvexe Fläche mit – absolut betrachtet – demselben Radius bzw. mit derselben asphärischen Form wie die reflektierende Fläche des Spiegels auf. Die Sammellinse der zweiten optischen Anordnung an dem zweiten Ende der Laserfaser ist ebenfalls nur für die Fokussierung des einfallenden Pumplichts von 800 nm optimiert und kann mit der Sammellinse der ersten optischen Anordnung identisch sein. Der zweite Spiegel muss deshalb an seiner zweiten optischen Fläche zur Erzeugung eines kollimierten Laserstrahls aus dem Arbeitslicht in diesem Fall eine konvexe Form besitzen, um auf das Arbeitslicht als Plankonvexlinse eine sammelnde Wirkung auszuüben.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfingung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren skizzierten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt das erste Ende einer Laserfaser des neuen Faserlasers und eine davor vorgesehene erste optische Anordnung beim Einkoppeln von Pumplicht von einer Pumplichtquelle in das erste Ende der Laserfaser.
2 zeigt vergrößert das erste Ende der Laserfaser gemäß 1.
3 zeigt dieselbe erste optische Anordnung gemäß 1 beim Wiedereinkoppeln von Arbeitslicht, das an dem ersten Ende aus der Laserfaser austritt, in die Laserfaser.
4 zeigt vergrößert das erste Ende der Laserfaser bei dem Vorgang gemäß 3.
5 zeigt das zweite Ende der Laserfaser mit einer davor angeordneten zweiten optischen Anordnung beim Wiedereinkoppeln von aus dem zweiten Ende austretendem Pumplicht in das zweite Ende.
6 zeigt vergrößert das zweite Ende der Laserfaser beim Wiedereinkoppeln des Pumplichts gemäß 5.
7 zeigt die zweite optische Anordnung an dem zweiten Ende der Laserfaser gemäß
5 beim Auskoppeln von Arbeitslicht in Form eines kollimierten Laserstrahls aus dem neuen Faserlaser; und
8 zeigt vergrößert das Ende der Laserfaser gemäß 7.
FIGURENBESCHREIBUNG
In 1 ist der Strahlengang von einer bereitstellenden Pumplichtquelle 1 in Form eines Diodenlasermoduls, die kollimiertes Pumplicht mit einer Pumplichtwellenlänge von 800 nm bereitstellt, über einen für das Pumplicht hochtransmittiven Spiegel 2 und durch eine Sammellinse 3 bis zu einer Eintrittsfläche 4 einer Laserfaser 5 für die direkte, erstmalige Einkopplung des Pumplichtes in einen äußeren Pumpkern 6 (siehe 2) der Laserfaser 5 dargestellt. Die Laserfaser 5 ist in allen Figuren nur im Bereich Ihrer Enden wiedergegeben. Sie kann zwischen diesen Enden eine nahezu beliebige Erstreckung aufweisen. Der Spiegel 2 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem für die Pumplichtwellenlängen von 800 nm und eine Arbeitslichtwellenlänge von 2 μm hochtransmittiven Glas, welches für die Wellenlänge 800 nm die Brechzahl 1,4553 und für die Wellenlänge 2 μm die Brechzahl 1,4382 aufweist. Die Sammellinse 3 besteht ebenfalls aus einem für die Wellenlängen 800 nm und 2 μm hochtransmittiven optischen Material, welches für die Wellenlänge 800 nm die Brechzahl 1,8259 und für die Wellenlänge 2 μm die Brechzahl 1,7995 aufweist. Für die Pumplichtwellenlänge von 800 nm weist die Sammellinse 3 eine Brennweite von 24,99 mm auf. Durch die hohe Brechzahl und durch eine asphärische Form an der der Pumplichtquelle 1 zugekehrten Seite sowie durch die Meniskusform der Sammellinse 3 ist es möglich, eine beugungsbegrenzte Fokussierung des Pumplichts mit nur einer Linse zu realisieren. Der sphärische Radius der Sammellinse 3 ist gleich 100 mm. Die Mittendicke beträgt 6 mm. Die Asphärenform wird entsprechend DIN ISO 10110-12 für bezüglich der z-Achse rotationssymmetrische Flächen mit folgenden Werten beschrieben: R = 17,572 mm, k = –1, A4 = 1,283 E-05, A6 = 9,97 E-09, A8 = 1,17E-11. Die theoretischen geometrischen Spotdurchmesser im Fokuspunkt liegen unter 1 μm. Auf Grund der Divergenz des Pumplichts von ca. 2 × 0,45° kann das Pumplicht in einen Faserdurchmesser von 0,4 mm eingekoppelt werden (2 × 24,99 mm × tan 0,45° = 0,392 mm). Dies verdeutlicht die stark vergrößerte Darstellung in 2. Die Angabe der Divergenz bezieht sich dabei auf den Winkel, bei dem die eingeschlossene Leistung 86,5% der Gesamtleistung des Pumplichtes beinhaltet (1 – 1/e² = 0,865). Wesentlich ist, dass die Sammellinse 3 nur für das einfallende parallele Pumplicht optimiert, d. h. chromatisch korrigiert und so angeordnet ist, dass die Lage des Fokuspunktes und damit die Lage der Eintrittsfläche 4 durch die Wellenlänge des Pumplichts definiert ist (Schnittweite = 21,128 mm). Die Pumpstrahlung wird im zugehörigen Pumpkern 6 der Laserfaser 5 mit einem Durchmesser von 0,4 mm weitergeleitet und teilweise absorbiert, wodurch ein innerer Faserkern 7 aus aktivem Lasermaterial mit einem Durchmesser von 0,025 mm optisch gepumpt wird.
In dem inneren Faserkern 7 wird kohärentes Arbeitslicht mit der Arbeitslichtwellenlänge von 2 μm erzeugt und an beiden Enden der Laserfaser 5 ausgekoppelt. Das austretende Arbeitslicht besitzt in diesem Beispiel eine Numerische Apertur von 0,15, was einem Winkel von 2 × 8,6° entspricht. 3 verdeutlicht die Auskopplung des rückwärtig zu der Pumplichtquelle 1 hin ausgekoppelten Arbeitslichts an der Eintrittsfläche 4. Nachdem das rückwärtige Arbeitslicht an der Eintrittsfläche 4 ausgekoppelt ist, gelangt es über die Sammellinse 3 zu dem Spiegel 2. Es wird dort an der reflektierenden Fläche 9 reflektiert, durchläuft noch einmal die Sammellinse 3 und wird von dieser wieder über die Eintrittsfläche 4 in den inneren Kern 7 der Laserfaser 5 fokussiert. 4 zeigt stark vergrößert das Arbeitslicht in der Nähe der Eintrittsfläche 4. Die Sammellinse 3 besitzt für die Arbeitslichtwellenlänge des Arbeitsstrahls von 2 μm mit 25,83 mm eine größere Brennweite als für die Pumplichtwellenlänge. Für die Erzeugung eines rückwärtigen kollimierten Strahls aus dem Arbeitslicht liegt die Eintrittsfläche 4 deshalb zu nah an der Sammellinse 3. Deshalb entsteht nach dem rückwärtigen Durchlauf des Arbeitslichts durch die Sammellinse 3 ein leicht divergenter Strahl. Die Divergenz dieses Strahls würde durch eine ebene Spiegelfläche 9 erhalten bleiben, so dass der Fokuspunkt hinter der Eintrittsfläche 4, also im Inneren der Laserfaser 5 läge. Tatsächlich ergäbe sich mit einer ebenen Spiegelfläche 9 in diesem Beispiel an der Eintrittsfläche 4 ein geometrischer Spotdurchmesser von 0,466 mm, was mit einem inakzeptablen Lichtverlust verbunden wäre, da nur der zurück in den inneren Kern 7 mit dem Durchmesser von 0,025 mm an der Eintrittsfläche 4 zurück gelangende Anteil des Arbeitslicht genutzt werden kann. Damit der an dem Spiegel 2 reflektierte Arbeitsstrahl an der Eintrittsfläche 4 wieder auf in den inneren Kern 7 der Laserfaser 5 eingekoppelt werden kann, weist der Spiegel 2 eine konkave reflektierende Fläche 9 mit einem Radius von 823 mm auf.
Auf der der Pumplichtquelle 1 zugekehrten Seite weist der für das Pumplicht transmittive Spiegel 2 eine sphärische konvexe optische Fläche 8 mit einem Radius von ebenfalls 823 mm auf. Auf diese Weise übt der Spiegel 2 auf das transmittierte kollimierte Pumplicht beim Gesamtdurchtritt keine brechende Wirkung aus, so dass das Auftreffen des Pumplichtes in einen Durchmesser von 0,4 mm an der Eintrittsfläche 4 nicht beeinträchtigt wird. Würde der Spiegel 3 an der dem Diodenlasermodul 1 zugewandten Seite eine ebene optische Fläche 8 aufweisen, dann würde in diesem Beispiel die Pumpstrahlung auf einen Durchmesser von 0,674 mm statt auf einen Durchmesser von 0,4 mm fokussiert werden, was mit einer erheblichen Verschlechterung des Wirkungsgrades der Laseranordnung verbunden wäre.
5 zeigt die Auskopplung des Pumplichts an einer Austrittsfläche 10 an dem zweiten Ende der Laserfaser 5, die Kollimation des Pumplichtes durch eine Sammellinse 11, die Reflexion des Pumplichts an einer reflektierenden Fläche 13 eines Spiegels 12 und die rückwärtige Fokussierung desselben durch die Sammellinse 11 auf die Austrittsfläche 10. Die Sammellinse 11 und die Sammellinse 3 sind in diesem Beispiel identisch. Der Spiegel 12 ist aus demselben Material wie der Spiegel 2 ausgebildet, weist aber für das Pumplicht an seiner der Austrittsfläche 10 zugewandten Seite eine plane reflektierende Fläche 13 auf. Die Austrittsfläche 10 wird analog zu der Eintrittsfläche 4 in einem solchen Abstand zu der Sammellinse 11 angeordnet, dass sich eine exakte Kollimation des Pumplichtes ergibt (Schnittweite = 21,128 mm). Aus diesem Grund bewirkt die Reflexion an der ebenen reflektierenden Fläche 13 des Spiegels 12 eine optimale Fokussierung des Pumplichts zurück auf die Austrittsfläche 10 in den Durchmesser des Pumpkerns 6 von 0,4 mm. 6 stellt die Ein- und Auskopplung des Pumplichtes an der Austrittsfläche 10 stark vergrößert dar.
7 zeigt die Auskopplung des Arbeitslichts aus dem inneren Kern 7 an der Austrittsfläche 10 und die Kollimation des Arbeitslichts über die Sammellinse 11 und den für das Arbeitslicht hochtransmittiven Spiegel 12. Zur Erzeugung eines exakt kollimierten Laserstrahls durch die Sammellinse 11 liegt dieselbe wie oben erläutert wegen der größeren Brennweite für das Arbeitslicht zu nahe an der Austrittsfläche 10. Nach der Sammellinse entsteht deshalb ein leicht divergenter Laserstrahl. Um einen exakt kollimierten Laserstrahl zu erhalten, weist eine der Laserfaser abgekehrte optische Fläche 14 des Spiegels 12 eine konvexe Form mit einem Radius von 361 mm auf. Dadurch wirkt Spiegel 12 wie eine Plankonvexlinse mit einer leicht sammelnden Wirkung für das Arbeitslicht. 8 zeigt stark vergrößert die Auskopplung des Arbeitsstrahls aus dem inneren Kern 7 der Laserfaser 5. Statt der konvexen Form der optischen Fläche 14 kann dem Spiegel 12 auch eine zusätzliche Linse für das Arbeitslicht nachgeschaltet sein, insbesondere wenn hieraus ein Laserstrahl mit von den unmittelbaren Vorgaben des Faserlasers abweichendem Durchmesser geformt werden soll.
Alle numerischen Angaben in den Figuren (nicht die Bezugszeichen) weisen, soweit nichts anderes angegeben ist und es sich nicht um grundsätzlich dimensionslose Angaben zur numerischen Apertur handelt, die Einheit Millimeter auf. Die Angaben 800 nm und 2 μm beziehen sich auf die Wellenlänge des jeweiligen Lichts, dessen Strahlengang dargestellt ist.

1: Pumplichtquelle
2: Spiegel
3: Sammellinse
4: Eintrittsfläche
5: Laserfaser
6: Pumpkern
7: innerer Kern
8: optische Fläche
9: reflektierende Fläche
10: Austrittsfläche
11: Sammellinse
12: Spiegel
13: reflektierende Fläche
14: optische Fläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN ISO 10110-12 [0026]

Claims

Faserlaser mit einer Laserfaser (5), in der ein aktives Lasermaterial vorgesehen ist, und mit einer ersten optischen Anordnung an einem ersten Ende der Laserfaser (5) und mit einer zweiten optischen Anordnung an einem zweiten Ende der Laserfaser (5), wobei jede der beiden optischen Anordnungen eine Sammellinse (3, 11) und einen in Bezug auf die Laserfaser (5) hinter der Sammellinse (3, 13) angeordneten Spiegel (2, 12) aufweist, wobei der Spiegel (2) der ersten optischen Anordnung für Pumplicht von einer externen Pumplichtquelle (1) mit einer Pumplichtwellenlänge transmittiv und für Arbeitslicht aus der Laserfaser (5) mit einer von der Pumplichtwellenlänge abweichenden Arbeitslichtwellenlänge reflektiv ist, während der Spiegel (12) der zweiten optischen Anordnung für das Pumplicht von der externen Pumplichtquelle (1) reflektiv und für das Arbeitslicht aus der Laserfaser (5) transmittiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sammellinsen (3, 11) chromatisch nur für dieselbe eine der beiden Wellenlängen optimiert sind und dass der für diese eine Wellenlänge reflektierende Spiegel (12) eine plane reflektierende Fläche (13) aufweist, während der andere der Spiegel (2) eine gekrümmte reflektierende Fläche (9) für die andere der beiden Wellenlängen aufweist.
Faserlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Flächen (9, 13) der beiden Spiegel (2, 12) deren der Laserfaser (5) zugekehrten Oberflächen sind.
Faserlaser nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der andere der beiden Spiegel (2) eine in Bezug auf die Laserfaser (5) hinter seiner gekrümmten reflektierenden Fläche (9) liegende gekrümmte optische Fläche (8) aufweist, die Strahlablenkungen von Licht an der reflektierenden Fläche (9), das die von der reflektierenden Fläche transmittierte Wellenlänge aufweist, kompensiert.
Faserlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte optische Fläche (8) parallel zu der gekrümmten reflektierenden Fläche (9) des anderen der beiden Spiegel (2) verläuft.
Faserlaser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte optische Fläche (8) die der Laserfaser (5) abgekehrte Oberfläche des anderen der beiden Spiegel (2) ist.
Faserlaser nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine der beiden Spiegel (12) eine in Bezug auf die Laserfaser (5) hinter seiner planen reflektierenden Fläche (13) liegende gekrümmte optische Fläche (14) aufweist, die chromatische Fehler der davor liegenden Sammellinse (11) für Licht, das die von der reflektierenden Fläche (13) transmittierte Wellenlänge aufweist, kompensiert.
Faserlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Fläche (14) so gekrümmt und angeordnet ist, dass aus der Laserfaser (5) austretendes Licht mit der von der reflektierenden Fläche (13) des einen der beiden Spiegel (12) transmittierten Wellenlänge kollimiert wird.
Faserlaser nach Anspruch 6 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte optische Fläche (14) die der Laserfaser (5) abgekehrten Oberfläche des einen der beiden Spiegel (12) ist.
Faserlaser nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sammellinsen (3, 11) chromatisch für die Pumplichtwellenlänge optimiert sind.
Faserlaser nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sammellinsen (3, 11) chromatisch für die Arbeitslichtwellenlänge optimiert sind.
Faserlaser nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserfaser (5) eine Doppelmantelfaser ist.