DE102017210350B3

DE102017210350B3 - Vorrichtung zur Auskopplung von Strahlung aus einer Lichtleitfaser, Lichtleitkabel und Bearbeitungskopf damit

Info

Publication number: DE102017210350B3
Application number: DE102017210350.7A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Huber; Stefan Fuchs; Marius Hezel; Julian Hellstern; Dominik Maier
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2037-06-22
Also published as: CN110770617A; US10830953B2; US20200124806A1; WO2018234024A1; CN110770617B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Auskopplung von Strahlung (2) aus einer Lichtleitfaser (4), umfassend: ein Gehäuse (14), sowie eine Blende (5), die eine Blendenöffnung (6) zur Begrenzung eines Auskoppelwinkels (α) von aus einem auskoppelseitigen Ende (3) der Lichtleitfaser (4) ausgekoppelter Strahlung (2) auf einen maximalen Auskoppelwinkel (αM) in Bezug auf eine Mittelachse (9) der Blendenöffnung (6) aufweist, wobei die Blende (5) in dem Gehäuse (14) angeordnet ist. Die Blende (5) weist einen Blendenkörper (8) aus einem transparenten Material auf, wobei der Blendenkörper (8) eine erste Totalreflexionsfläche (10) zur Reflexion von Strahlung (2) aufweist, die mit größeren Auskoppelwinkeln (αG) als dem maximalen Auskoppelwinkel (αM) aus dem auskoppelseitigen Ende (3) der Lichtleitfaser (4) ausgekoppelt wird, und wobei der Blendenkörper (8) eine zweite Totalreflexionsfläche (11) zur Reflexion von entgegengesetzt zur der aus dem auskoppelseitigen Ende (3) ausgekoppelten Strahlung (2) propagierender, insbesondere von einem Werkstück zurückreflektierter Strahlung (15) aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Lichtleitkabel sowie einen Bearbeitungskopf mit einer solchen Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auskopplung von Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung, aus einer Lichtleitfaser. Die Erfindung betrifft auch ein Lichtleitkabel sowie einen Bearbeitungskopf mit einer solchen Vorrichtung.
Strahlung, insbesondere in Form von Laserstrahlung, tritt typischerweise divergent aus dem Ende einer Lichtleitfaser aus. Um die Divergenz bzw. den Auskoppelwinkel der aus dem Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelten Strahlung zu begrenzen, kann eine Blende eingesetzt werden. Trifft die aus der Lichtleitfaser ausgekoppelte Strahlung auf ein Hindernis, beispielsweise auf ein zu bearbeitendes Werkstück, und wird zur Blende zurück reflektiert, ist es in der Regel nicht ohne weiteres möglich, die gesamte zurück reflektierte Strahlung innerhalb eines zu diesem Zweck vorgesehenen Bereichs des Gehäuses aufzunehmen bzw. abzuführen. Daher kann es durch die zurück reflektierte Strahlung zu einer Erwärmung und ggf. zu einer Beschädigung des das auskoppelseitige Ende der Lichtleitfaser bzw. die Blende umgebenden Gehäuses bzw. von in dem Gehäuse angeordneten Bauteilen kommen. Für den Fall, dass eine Blende aus einem metallischen Material verwendet wird, kann es zudem an der Blende zu unerwünschten Reflexionen kommen, die ebenfalls das umliegende Gehäuse erwärmen und die kein exaktes Abschneiden des Strahlprofils und somit keine exakte Begrenzung der ausgekoppelten Laserstrahlung auf einen maximalen Auskoppelwinkel ermöglichen.
Aus der DE 100 33 785 A1 ist eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Laserstrahlen in eine Lichtleitfaser bekannt geworden, bei der vor dem einkoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser eine Blende aus einem Prismenkörper vorgesehen ist. Der Prismenkörper weist eine erste Oberfläche auf, von der ausgehend eine Ausnehmung in dem Prismenkörper vorgesehen ist, sowie eine zweite Oberfläche an der der ersten Oberfläche gegenüber liegenden Seite. Die Ausnehmung von der ersten Oberfläche in Richtung der zweiten Oberfläche ist derart spitz zulaufend ausgebildet, dass Laserstrahlung, die im Wesentlichen senkrecht auf die zweite Oberfläche auftrifft und in den Prismenkörper eindringt, an der Grenzfläche zwischen dem Prismenkörper und der Ausnehmung eine innere Totalreflexion erfährt. Zwischen der Ausnehmung und der zweiten Oberfläche ist eine Öffnung zum Durchtritt der einzukoppelnden Laserstrahlung vorgesehen und die Lichtleitfaser ist in der Ausnehmung im Bereich der Öffnung angeordnet.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Auskopplung von Strahlung aus einer Lichtleitfaser bereitzustellen, bei der unerwünschte Reflexionen an der Blende verhindert oder zumindest verringert werden.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, umfassend: ein Gehäuse, sowie eine Blende, die eine Blendenöffnung zur Begrenzung eines Auskoppelwinkels von aus einem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelter Strahlung auf einen maximalen Auskoppelwinkel in Bezug auf eine Mittelachse der Blendenöffnung aufweist, wobei die Blende in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Blende einen Blendenkörper aus einem (für die in der Lichtleitfaser geführte Strahlung) transparenten Material aufweist, wobei der Blendenkörper eine erste Totalreflexionsfläche zur Reflexion von Strahlung aufweist, die mit größeren Auskoppelwinkeln als dem maximalen Auskoppelwinkel aus dem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelt wird, und wobei der Blendenkörper eine zweite Totalreflexionsfläche zur Reflexion von entgegengesetzt zu der aus dem auskoppelseitigen Ende ausgekoppelten Strahlung propagierender, insbesondere von einem Werkstück oder von einem anderen Hindernis zurückreflektierter Strahlung aufweist.
Grundsätzlich ist die hier beschriebene Vorrichtung auch zur Einkopplung von Strahlung in das (in diesem Fall einkoppelseitige) Ende der Lichtleitfaser geeignet. Bei der Strahlung, die aus dem Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelt wird, handelt es sich in diesem Fall um unerwünschter Weise entgegengesetzt zur Einkoppelrichtung propagierende Strahlung, deren Divergenz wie auch die Divergenz der eingekoppelten Strahlung durch die Blende begrenzt wird.
Die erfindungsgemäße Blende ist aus einem transparenten Material gebildet. Die Umlenkung der Strahlung und somit die Blendenwirkung wird durch eine Totalreflexion an einer jeweiligen Totalreflexionsfläche des Blendenkörpers erzeugt. Um die Totalreflexion zu erzeugen, ist es erforderlich, dass die Strahlung beim Einfall auf die Totalreflexionsfläche, welche eine Grenzfläche des Blendenkörpers mit der Umgebung bildet, den Grenzwinkel der Totalreflexion (kritischer Winkel θ_C) überschreitet, der durch θ_C = sin^–1(n_L/n_B) definiert ist, wobei n_B den Brechungsindex des (optisch dichteren) Materials des Blendenkörpers und n_L den Brechungsindex des den Blendenkörper umgebenden (optisch dünneren) Materials (typischerweise Luft mit n_L = 1,0) bezeichnet. Der maximale (gewünschte) Auskoppelwinkel α_G für die aus dem Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelte Strahlung ergibt sich aus dem Abstand A zwischen der Position des auskoppelseitigen Endes der Lichtleitfaser und dem halben Durchmesser d/2 der Blendenöffnung zu α_G = tan(d/(2 A)). Für einen gegebenen maximalen Auskoppelwinkel α_G kann der – ggf. ortsabhängig variierende – Winkel, unter dem die erste bzw. die zweite Totalreflexionsfläche in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Mittelachse der Blendenöffnung ausgerichtet ist, derart festgelegt werden, dass für Auskoppelwinkel, die größer sind als der maximale Auskoppelwinkel α_G, die Totalreflexionsbedingung an der ersten Totalreflexionsfläche erfüllt ist.
Entsprechend kann auch die zweite Totalreflexionsfläche so ausgelegt werden, dass auf die entgegengesetzte Seite der Blende auftreffende, in entgegengesetzter Richtung propagierende Strahlung, die unter Einkoppelwinkeln in die Lichtleitfaser eintreten würde, die größer sind als ein dem maximalen Auskoppelwinkel entsprechender Einkoppelwinkel, an der zweiten Totalreflexionsfläche reflektiert werden, so dass dieser Anteil der zurück reflektierten Strahlung nicht in die Lichtleitfaser eintreten kann. Bei der Reflexion der Strahlung an einem Hindernis, beispielsweise an einem Werkstück, tritt allerdings ggf. das Problem auf, dass die zurück reflektierte Strahlung einen lateralen Versatz aufweist, so dass trotz der Blende ggf. nicht verhindert werden kann, dass ein geringfügiger Anteil der zurück reflektierten Strahlung in die Faser eintritt. Die Funktionsweise der Blende in beiden Richtungen ist jedoch grundsätzlich identisch.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Blende eine doppelte Funktion auf, da sie einerseits den Auskoppelwinkel und somit die numerische Apertur der ausgekoppelten Strahlung begrenzt und andererseits die Einkopplung von zurückreflektierter Strahlung in die Lichtleitfaser größtenteils verhindert. Aufgrund der Verwendung eines Blendenkörpers aus einem transparenten Material an Stelle eines herkömmlichen Blendenkörpers aus einem metallischen Material können zudem unerwünschte Reflexionen reduziert werden, da die Strahlung an den präzise gefertigten Totalreflexionsflächen gezielt nach außen an das umliegende Gehäuse bzw. an dort vorgesehene Absorber abgeführt wird. Die Blende, genauer gesagt der Blendenkörper, kann aus einem hochleistungstauglichen Material wie z. B. Quarzglas gebildet sein, das auch bei hoher Strahlungsleistung bzw. Strahlungsintensität lediglich eine vergleichsweise geringe Absorption für die durchtretende Strahlung aufweist.
Bei einer Ausführungsform bildet die erste Totalreflexionsfläche des Blendenkörpers eine Strahleintrittsfläche für die entgegengesetzt propagierende Strahlung und die zweite Totalreflexionsfläche des Blendenkörpers bildet eine Strahleintrittsfläche für die aus der Lichtleitfaser ausgekoppelte Strahlung. Der Winkel, unter dem die Strahlung auf die jeweilige als Strahleintrittsfläche wirkende Totalreflexionsfläche trifft, ist so gewählt, dass die Strahlung beim Eintritt in den Blendenkörper nur leicht gebrochen wird und auf die jeweils andere Totalreflexionsfläche trifft. Auf diese Weise erfüllen die beiden Totalresflexionsflächen des Blendenkörpers eine doppelte Funktion, da sie in einer Richtung zum Eintritt der Strahlung in den Blendenkörper und in der anderen Richtung als Totalreflexionsflächen genutzt werden.
Bei eine Weiterbildung dieser Ausführungsform grenzen die erste Totalreflexionsfläche und die zweite Totalreflexionsfläche an einer die Blendenöffnung begrenzenden Spitze des Blendenkörpers aneinander an. Im Gegensatz zu einer Blende aus einem metallischen Material kann bei der hier beschriebenen transparenten Blende aufgrund der vergleichsweise geringen Absorption im Material des Blendenkörpers die Blendenschneide im Bereich der Blendenöffnung sehr spitz zulaufen. Insbesondere kann auf das Vorsehen eines zylindrisch ausgebildeten Blendenabschnitts verzichtet werden, wie er beispielsweise in der eingangs zitierten DE 100 33 785 A1 beschrieben ist. Die Spitze kann ggf. eine (kleine) Verrundung aufweisen, deren Radius bei weniger als ca. 0,3 mm liegt. Der Winkel, den die beiden Totalreflexionsflächen im Bereich der Spitze des Blendenkörpers miteinander einschließen, kann beispielsweise bei ca. 80° oder darunter liegen. Unter anderem aufgrund der Spitze im Bereich der Blendenöffnung können unerwünschte Reflexionen, wie sie beispielsweise bei Metallblenden vorzufinden sind, vermieden werden. Bei einer metallischen Blende könnte eine sehr spitze Blendenschneide aufgrund der hohen Absorption des Blendenmaterials hingegen beschädigt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die erste Totalreflexionsfläche in Propagationsrichtung der aus der Lichtleitfaser ausgekoppelten Strahlung vor der zweiten Totalreflexionsfläche angeordnet. Im Gegensatz zur weiter oben beschriebenen Ausführungsform überschneidet sich bei der vorliegenden Ausführungsform der Strahlengang der aus dem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelten Strahlung in dem Blendenkörper typischerweise nicht mit dem Strahlengang der in der umgekehrten Richtung propagierenden Strahlung. Auf diese Weise bestehen bei der Wahl der Winkel, den die Strahleintrittsflächen mit einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Blende aufweisen, mehr Freiheitsgrade als bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform, da die Strahleintrittsflächen nicht gleichzeitig als Totalreflexionsflächen wirken. Gegebenenfalls kann jedoch ein Anteil der zurück reflektierten Strahlung, der bei der obigen Ausführungsform von dem Blendenkörper abgeschattet würde, bei der vorliegenden Ausführungsform nicht vom Blendenkörper abgeschattet werden.
Bei einer Weiterbildung weist der Blendenkörper eine erste, der ersten Totalreflexionsfläche gegenüber liegende Strahleintrittsfläche zum Eintritt der aus dem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelten Strahlung in den Blendenkörper sowie eine zweite, der zweiten Totalreflexionsfläche gegenüber liegende Strahleintrittsfläche zum Eintritt der entgegengesetzt propagierenden Strahlung in den Blendenkörper auf, wobei die erste Strahleintrittsfläche und/oder die zweite Strahleintrittsfläche bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Blendenöffnung verlaufen. Die beiden Strahleintrittsflächen können ggf. auch unter einem nicht zu großen Winkel gegenüber der Ebene senkrecht zur Mittelachse geneigt sein. Es sollte allerdings sichergestellt werden, dass die einfallende Strahlung an der jeweiligen Strahleintrittsfläche nur leicht gebrochen wird, bevor diese auf die jeweilige Totalreflexionsfläche auftrifft und an dieser reflektiert wird.
Bei einer Weiterbildung grenzen die erste Totalreflexionsfläche und die erste Strahleintrittsfläche an einer ersten Spitze des Blendenkörpers und die zweite Totalreflexionsfläche und die zweite Strahleintrittsfläche grenzen an einer zweiten Spitze des Blendenkörpers aneinander an. Wie werter oben beschrieben wurde, kann bei der transparenten Blende eine bzw. im vorliegenden Fall können zwei Blendenschneiden mit einer entsprechenden Spitze bereitgestellt werden, an denen die Totalreflexionsfläche und eine jeweilige Strahleintrittsfläche aneinander angrenzen. Wie werter oben beschrieben wurde, kann die Spitze eine Verrundung mit einem Radius von weniger als 0,3 mm aufweisen. Durch die beiden (in Umfangsrichtung umlaufenden) Spitzen wird typischerweise ein jeweils unterschiedlicher Durchmesser der Blendenöffnung begrenzt, der so auf den jeweiligen Abstand zum austrittsseitigen Ende der Lichtleitfaser abgestimmt ist, dass die ausgekoppelte Strahlung an beiden Durchmessern jeweils auf denselben maximalen Auskoppelwinkel begrenzt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Blendenkörper ein erstes Blendenbauteil mit der ersten Totalreflexionsfläche und ein zweites Blendenbauteil mit der zweiten Totalreflexionsfläche auf, wobei die beiden Blendenbauteile bevorzugt aneinander angrenzen. Das erste Blendenbauteil kann in diesem Fall zur Abschattung der aus dem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser austretenden Strahlung dienen, während das zweite Blendenbauteil für die Abschattung der in umgekehrter Richtung propagierenden, beispielsweise an einem Werkstück reflektierten Strahlung dient. Die beiden Blendenbauteile können gegebenenfalls voneinander beabstandet angeordnet sein, es hat sich aber als vorteilhaft erwiesen, wenn beide Blendenbauteile des Blendenkörpers aneinander anliegen, um die Blendenwirkung in Rückwärtsrichtung zu optimieren und um sicherzustellen, dass nur wenig Streulicht auf das zweite Blendenbauteil trifft und vom zweiten Blendenbauteil als Streulicht zum Gehäuse transmittiert wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Blendenkörper einteilig ausgebildet. Dies ist insbesondere bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform günstig, bei welcher die Totalreflexionsflächen gleichzeitig die Strahleintrittsflächen bilden, da bei einer zwei- oder mehrteiligen Ausführung des Blendenkörpers im Strahlweg zwischen der Strahleintrittsfläche und der Totalreflexionsfläche in diesem Fall zusätzliche Grenzflächen erzeugt würden, die beim Durchtritt der Strahlung ggf. zu unerwünschten Reflexionen führen könnten.
Bei einer weiteren Ausführungsform verlaufen die erste und/oder die zweite Totalreflexionsfläche rotationssymmetrisch zu der Mittelachse der Blendenöffnung. In diesem Fall ist typischerweise der gesamte Blendenkörper drehsymmetrisch zur Mittelachse ausgebildet. Durch die drehsymmetrische Ausführung werden die Herstellung des Blendenkörpers sowie die Justage der Blende vereinfacht.
Bei einer Weiterbildung bildet bzw. bilden die erste und/oder die zweite Totalreflexionsfläche eine konische Fläche. Die Verwendung von Totalreflexionsflächen in Form von konischen Flächen hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform, bei der die Totalreflexionsflächen gleichzeitig die Strahleintrittsflächen bilden, ist der Blendenkörper typischerweise als Doppelkonus ausgebildet, bei dem die konischen Flächen an entgegen gesetzten Seiten des Blendenkörpers gebildet sind. Bei der Ausführungsform, bei welcher die erste Totalreflexionsfläche im Strahlweg der ausgekoppelten Strahlung vor der zweiten Totalreflexionsfläche angeordnet ist, sind die beiden konischen Flächen einander zugewandt. In beiden Fällen können die Totalreflexionsflächen ggf. von einer konischen Form abweichen und eine – typischerweise geringe – Krümmung aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform liegt ein erster Winkel, den die erste Totalreflexionsfläche in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Mittelachse der Blendenöffnung aufweist, zwischen 10° und 40°. Die Werte für den ersten Winkel, unter dem die erste Totalreflexionsfläche in Bezug auf die Ebene senkrecht zur Mittelachse ausgerichtet ist, sind durch die Einhaltung der Totalreflexionsbedingung vorgegeben. Der obige Wertebereich für den ersten Winkel trifft insbesondere bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform zu, bei welcher die Totalreflexionsflächen gleichzeitig die Strahleintrittsflächen bilden, wobei Quarzglas als Material für den Blendenkörper verwendet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform liegt ein zweiter Winkel, den die zweite Totalreflexionsfläche in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur Mittelachse der Blendenöffnung aufweist, zwischen 20° und 60°, bevorzugt zwischen 10° und 45°. Auch die Werte für den zweiten Winkel treffen insbesondere für die weiter oben beschriebene Ausführungsform zu, bei der die Strahleintrittsflächen des Blendenkörpers gleichzeitig die Totalreflexionsflächen bilden, beispielsweise wenn Quarzglas als Material für den Blendenkörper verwendet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt der maximale Auskoppelwinkel weniger als 20°, bevorzugt weniger als 10°. Der maximale Auskoppelwinkel, der durch die Blende vorgegeben wird, bestimmt die numerische Apertur NA der aus dem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser austretenden Strahlung. Für die numerische Apertur (NA) in Luft gilt: NA = sin(α_M). Die Begrenzung der numerischen Apertur bzw. die Festlegung des maximalen Auskoppelwinkels auf einen geringen Wert von z. B. ca. 0,125 rad ermöglicht es, die Erwärmung des gesamten Gehäuses durch die aus dem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser ausgekoppelte Strahlung zu verhindern.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Blendenkörper mindestens eine in Bezug auf die Mittelachse der Blendenöffnung radial außen liegende Strahlaustrittsfläche zum Austritt von an der ersten und/oder an der zweiten Totalreflexionsfläche reflektierten Strahlung aus dem Blendenkörper auf. Die Strahlaustrittsfläche bildet typischerweise einen in Umfangsrichtung umlaufenden Blendenrand, der im Wesentlichen parallel zur Mittelachse verläuft. Die Strahlaustrittsfläche kann insbesondere eine Mantelfläche eines Zylinders bilden.
Bei einer Ausführungsform ist die Strahlaustrittsfläche zumindest teilweise von einem in dem Gehäuse angebrachten Absorber umgeben. Der Absorber kann die Strahlaustrittsfläche beispielsweise ringförmig umgeben und in der Art einer Hülse oder dergleichen ausgebildet sein. Mit Hilfe der Totalreflexionsflächen wird die Strahlung gezielt in Richtung auf den Absorber gelenkt und an diesem in Wärme umgewandelt. Der Absorber kann zu diesem Zweck aus einem stark absorbierenden Material gebildet sein. Die aus der Strahlaustrittsfläche austretende Strahlung kann ggf. nicht an einem in dem Gehäuse befindlichen Absorber absorbiert werden, sondern auf andere Weise aus dem Gehäuse abgeführt werden, beispielsweise indem die aus der Strahlaustrittsfläche austretende Strahlung an einem transparenten Gehäuseteil an die Umgebung abgegeben wird.
Die Strahlaustrittsfläche weist bevorzugt auf eine streuende Wirkung auf die durch die Strahlaustrittsfläche austretende Strahlung auf. Um die streuende Wirkung zu erzeugen, kann die Strahlaustrittsfläche aufgeraut sein oder an der Strahlaustrittsfläche oder in einem unmittelbar an die Strahlaustrittsfläche angrenzenden Volumenbereich des Blendenkörpers können Streuzentren gebildet sein. Ist die Strahlaustrittsfläche als Streufläche ausgebildet, kann die Leistung der austretenden Strahlung auf einen größeren Raumwinkelbereich verteilt werden und auf diese Weise von dem umliegenden Absorber leichter absorbiert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Lichtleitkabel, welches eine Vorrichtung wie werter oben beschrieben aufweist, wobei das Gehäuse der Vorrichtung ein Steckergehäuse des Lichtleitkabels bildet, in dem das auskoppelseitige Ende der Lichtleitfaser in einem vorgegebenen Abstand zur Blende angeordnet ist. Der Stecker des Lichtleitkabels kann in eine Stecker-Aufnahme einer Optik, beispielsweise einer Bearbeitungsoptik, eingesteckt werden. Der Auskoppelwinkel der aus dem Lichtleitkabel austretenden Strahlung wird mit Hilfe der Blende begrenzt, was beispielsweise für eine nachfolgende Kollimation der Strahlung in der Optik, beispielsweise in einem Bearbeitungskopf, vorteilhaft ist, da die Erwärmung des Gehäuses des Bearbeitungskopfs aufgrund von mit einem zu großen Öffnungswinkel in diesen eintretende Strahlung vermieden oder zumindest verringert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf zur Bearbeitung von Werkstücken, bei dem das Gehäuse der Vorrichtung, in dem die Blende angeordnet ist, ein Bearbeitungskopf-Gehäuse bildet, das eine Stecker-Aufnahme zur Aufnahme eines Steckers eines Lichtleitkabels aufweist, wobei die Stecker-Aufnahme zur Lagerung des auskoppelseitigen Endes der Lichtleitfaser in einem vorgegebenen Abstand zur Blende ausgebildet ist. Bei dem Bearbeitungskopf ist durch die Stecker-Aufnahme die Position des auskoppelseitigen Endes der Lichtleitfaser und somit der Abstand zwischen dem auskoppelseitigen Ende und der Blende in Propagationsrichtung der Laserstrahlung bzw. in Richtung der Mittelachse der Blende vorgegeben, auch wenn der Stecker noch nicht in die Stecker-Aufnahme eingeführt ist.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels der aus dem auskoppelseitigen Ende ausgekoppelten (Laser-)Strahlung wird diese typischerweise auf das Werkstück fokussiert. Ein Anteil der auf das Werkstück treffenden Strahlung kann vom Werkstück zu dem Bearbeitungskopf zurück reflektiert werden. Insbesondere problematisch bezüglich der Rückreflexionen hat sich die schweißende Bearbeitung eines Werkstücks bzw. von zwei zu fügenden Werkstückteilen entlang einer Kehlnaht herausgestellt. Bei dieser Art der Bearbeitung kann die Strahlung lateral zur optischen Achse versetzt in Richtung auf den Bearbeitungskopf zurück reflektiert werden. Der ungewollte Eintritt der zurück reflektierten Strahlung in die Lichtleitfaser kann auch in diesem problematischen Fall mit Hilfe der hier beschriebenen Blende weitestgehend vermieden werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1a, b schematische Schnittdarstellungen einer Lichtleitfaser und einer Blende aus einem transparenten Material zur Abschattung von aus der Lichtleitfaser ausgekoppelter Laserstrahlung und von in entgegengesetzter Richtung propagierender Laserstrahlung durch Reflexion der Laserstrahlung an zwei Totalreflexionsflächen,
2a, b schematische Darstellungen analog zu 1a, b, bei welcher die beiden Totalreflexionsflächen der Blende an einander zugewandten Seiten von zwei Blendenbauteilen gebildet sind,
3a eine Schnittdarstellung eines Bearbeitungskopfs zur Bearbeitung von Werkstücken, in dessen Bearbeitungskopf-Gehäuse die Blende von 1a, b angebracht ist,
3b eine Darstellung eines Strahlengangs bei der schweißenden Bearbeitung eines Werkstücks mit dem Bearbeitungskopf von 3a, sowie
4 eine Schnittdarstellung eines Lichtleitkabels mit einem Stecker, in dem die Blende von 2a, b angebracht ist.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1a, b zeigen einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Auskopplung von Laserstrahlung 2 aus einem auskoppelseitigen (stirnseitigen) Ende 3 einer Lichtleitfaser 4. Zur Begrenzung des Auskoppelwinkels α der aus dem Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelten, divergenten Laserstrahlung 2 auf einen vorgegebenen maximalen Auskoppelwinkel α_M weist die in 1a, b gezeigte Vorrichtung 1 eine Blende 5 auf. Die Blende 5, genauer gesagt deren Blendenöffnung 6, welche den (minimalen) Durchmesser d der Blende 5 definiert, ist in einem vorgegebenen Abstand A von der Blendenöffnung 6 angeordnet. Der Abstand A sowie der Durchmesser d der Blendenöffnung 6 definieren gemäß der Formel α_M = tan(d/(2A)) den maximalen Auskoppelwinkel α_M, unter dem die aus dem Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelte Laserstrahlung 2 durch die Blendenöffnung 6 der Blende 5 hindurchtreten kann. Für die hier beschriebenen Anwendungen hat sich ein maximaler Auskoppelwinkel α_M von weniger als ca. 20° als vorteilhaft herausgestellt.
Die in 1a, b gezeigte Blende 5, genauer gesagt ein Blendenkörper 8 der Blende 5, ist rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse 9 der Blendenöffnung 6 ausgebildet. Der Blendenkörper 8 besteht im gezeigten Beispiel aus einem für die Laserstrahlung 2 transparenten Material. Bei dem transparenten Material kann es sich beispielsweise um Quarzglas handeln. Dieses Material hat den Vorteil, dass es eine geringe Absorption für die Laserstrahlung 2, die beispielsweise eine Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich von ca. 1,0 μm oder im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweisen kann, sowie eine hohe Beständigkeit auch bei hohen Laserleistungen aufweist. Es versteht sich, dass der Blendenkörper 8 – insbesondere bei anderen Wellenlängen der Laserstrahlung 2 – auch aus anderen transparenten Materialien als aus Quarzglas gebildet sein kann.
Der Blendenkörper 8 der Blende 5 weist bei dem in 1a, b gezeigten Beispiel zwei Totalreflexionsflächen 10, 11 auf, die rotationssymmetrisch zur Mittelachse 9 verlaufen und die jeweils als konische Flächen ausgebildet sind. Der Blendenkörper 8 ist im gezeigten Beispiel einteilig ausgebildet. Die beiden Totalreflexionsflächen 10, 11 sind bei dem in 1a, b gezeigten Beispiel an einander abgewandten Seiten des Blendenkörpers 5 gebildet, d. h. der Blendenkörper 8 bildet einen (rotationssymmetrischen) Doppelkonus. Die beiden Totalreflexionsflächen 10, 11 treffen sich an einer ringförmig umlaufenden Spitze 7, welche die Blendenöffnung 6 begrenzt.
Um Laserstrahlung 2, die unter größeren Auskoppelwinkeln α_G als dem maximalen Auskoppelwinkel α_M aus dem auskoppelseitigen Ende 3 aus der Lichtleitfaser 4 austritt, am Durchtritt durch die Blende 5 zu hindern, ist die erste Totalreflexionsfläche 10 vorgesehen, die im gezeigten Beispiel in Propagationsrichtung X der ausgekoppelten Laserstrahlung 2 hinter der zweiten Totalreflexionsfläche 11 angeordnet ist. Die Laserstrahlung 2, die unter größeren Auskoppelwinkeln α_G als dem maximalen Auskoppelwinkel α_M aus dem auskoppelseitigen Ende 3 der Lichtleitfaser 2 ausgekoppelt wird, tritt durch die zweite Totalreflexionsfläche 11 in den Blendenkörper 8 ein und wird hierbei leicht zur Normalenrichtung hin gebrochen (vgl. 1a). Die zweite Totalreflexionsfläche 11 bildet somit eine Strahleintrittsfläche für die mit größeren als dem maximalen Auskoppelwinkel α_M aus der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelte Laserstrahlung 2.
Die an der ersten Totalreflexionsfläche 10 reflektierte Laserstrahlung 2 tritt an einer umlaufenden, in Bezug auf die Mittelachse 9 radial außen liegenden zylindrischen Strahlaustrittsfläche 12 aus dem Blendenkörper 8 aus. Die Strahlaustrittsfläche 12 bildet den umlaufenden äußeren Rand der Blende 5, der sich parallel zur Mittelachse 9 erstreckt. Die durch die Strahlaustrittsfläche 12 aus dem Blendenkörper 8 austretende Laserstrahlung 2 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Mittelachse 9 und kann daher von einem die Blende 5 im Bereich der Strahlaustrittsfläche 12 ringförmig umgebenden Absorber 13 absorbiert werden, der an einem Gehäuse 14 der Vorrichtung 1 befestigt ist. Durch die Strahlaustrittsfläche 12 hindurch kann die von der Blende 5 abgeschattete Laserstrahlung 2 gezielt in den Bereich des Absorbers 13 gelenkt und von diesem absorbiert werden. Die Strahlaustrittsfläche 12 kann insbesondere eine Streufläche für die an der ersten Totalreflexionsfläche 10 umgelenkte Laserstrahlung 2 bilden, so dass diese besser von dem Absorber 13 absorbiert werden kann. Für die Funktion als Streufläche kann die Strahlaustrittsfläche 12 aufgeraut werden oder es können ggf. Streuzentren in diese bzw. in das darunter liegende Volumen des Blendenkörpers 8 eingebettet werden.
Wie in 1b zu erkennen ist, dient die Blende 5 auch zum Schutz der Lichtleitfaser 4 vor dem Eintritt von Laserstrahlung 15 in das auskoppelseitige Ende 3, die entgegengesetzt zu der aus dem auskoppelseitigen Ende 3 austretenden Laserstrahlung 2 propagiert. Bei der im Wesentlichen entlang der negativen X-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems propagierenden Laserstrahlung 15 kann es sich insbesondere um einen Anteil der aus dem Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelten und an einem Hindernis, beispielsweise an einem Werkstück, zurückreflektierten Laserstrahlung 15 handeln.
Ähnlich wie bei der US 8,724,945 B2 ist an das Ende 3 der Lichtleitfaser 4, aus dem die Laserstrahlung 2 ausgekoppelt wird, ein kegelstumpfförmiger Abschlussblock 16 aus Quarzglas angespleisst. Anders als in der US 8,724,945 B2 beschrieben ist, wird bei der in 1a, b gezeigten Vorrichtung 1 der Eintritt von zurückreflektierter Laserstrahlung 15 in die Lichtleitfaser 4 nicht durch den Abschlussblock 16 verhindert, sondern dadurch, dass die zurückreflektierte Laserstrahlung 15 an der zweiten Totalreflexionsfläche 11 des Blendenkörpers 8 in Richtung auf die Strahlaustrittsfläche 12 reflektiert und von dem Absorber 13 absorbiert wird, wie dies in 1b gezeigt ist. Es versteht sich, dass zusätzlich auch der Abschlussblock 16 auf die in der US 8,724,945 B2 beschriebene Weise ausgebildet und mit einem vergleichsweise großen Öffnungswinkel versehen sein kann.
Die von einem Hindernis, beispielsweise einem Werkstück, zurück reflektierte Laserstrahlung 15 läuft im gezeigten Beispiel konvergent auf die der Lichtleitfaser 4 abgewandte Seite (d. h. die Rückseite) der Blende 5 zu und weist bei dem in 1b gezeigten Beispiel einen geringfügigen lateralen Versatz gegenüber der aus dem auskoppelseitigen Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelten Laserstrahlung 2 auf. Ein Anteil der zurück reflektierten Laserstrahlung 15 tritt an der ersten Totalreflexionsfläche 10, die als Strahleintrittsfläche für die zurück reflektierte Laserstrahlung 15 dient, in den Blendenkörper 8 ein, wird an dieser geringfügig gebrochen und trifft auf die zweite Totalreflexionsfläche 11, an der eine Totalreflexion zu der Strahlaustrittsfläche 12 erfolgt, an der die zurück reflektierte Laserstrahlung 15 aus dem Blendenkörper 8 austritt und auf den Absorber 13 trifft.
Die Blende 5 ist derart auf den maximalen Auskoppelwinkel α_M abgestimmt, dass für Laserstrahlung 2, die mit größeren Auskoppelwinkeln α_G als dem maximalen Auskoppelwinkel α_M auf die erste Totalreflexionsfläche 10 trifft, die Totalreflexionsbedingung erfüllt ist. Näherungsweise kann die Totalreflexionsbedingung bei der in 1a gezeigten Blende 5 erfüllt werden, wenn gilt:
wobei n_L = 1,0 den Brechungsindex von (Umgebungs-)Luft, n_B = 1,46 den Brechungsindex des Quarzglas-Materials des Blendenkörpers 8, α_T1 einen (ersten) Winkel, den die erste Totalreflexionsfläche 10 mit einer Ebene E (YZ-Ebene) senkrecht zur Mittelachse 9 einschließt und α_T2 einen (zweiten) Winkel bezeichnet, den die zweite Totalreflexionsfläche 11 mit der Ebene E senkrecht zur Mittelachse 9 einschließt. Für den ersten Winkel α_T1 haben sich im vorliegenden Beispiel Werte zwischen ca. 10° und ca. 40° als vorteilhaft herausgestellt. Für den zweiten Winkel α_T2 haben sich Werte zwischen ca. 20° und ca. 60° bzw. zwischen ca. 10° und ca. 45° als vorteilhaft herausgestellt.
Für die zurück reflektierte Strahlung, d. h. für Strahlung, die unter Winkeln α_G größer als der maximale Auskoppelwinkel α_M zur Mittelachse 8 mit umgekehrter Propagationsrichtung auf die Blende 5 trifft, gilt entsprechend:
Alternativ zu der in 1a, b gezeigten Vorrichtung 1 kann zur Auskopplung von Laserstrahlung 2 aus einem auskoppelseitigen Ende 3 einer Lichtleitfaser 4 auch eine Vorrichtung 1a verwendet werden, wie sie in 2a, b dargestellt ist. Die Vorrichtung 1a von 2a, b unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 von 1a, b in der Ausgestaltung der Blende 5, genauer gesagt des Blendenkörpers 8, der zwei Blendenbauteile 8a, 8b aus Quarzglas aufweist, die jeweils drehsymmetrisch zur Mittelachse 9 ausgebildet sind. Die beiden Blendenbauteile 8a, 8b grenzen an zwei Planflächen in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse 9 der Blende 5 aneinander an. Die beiden Blendenbauteile 8a, 8b können an den Planflächen miteinander verbunden sein, beispielsweise indem diese miteinander verklebt werden. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Blendenbauteilen 8a, 8b ist aber nicht zwingend erforderlich: Es ist vielmehr auch möglich, die beiden Blendenbauteile 8a, 8b in einer gemeinsamen Fassung derart aufzunehmen, dass diese in der aneinander anliegenden Stellung fixiert werden. Es ist alternativ ebenfalls möglich, dass die beiden Blendenbauteile 8a, 8b anders als dies in 2a, b dargestellt ist voneinander beabstandet angeordnet sind.
Bei der in 2a, b gezeigten Blende 5 ist die erste Totalreflexionsfläche 10 in Propagationsrichtung X der ausgekoppelten Laserstrahlung 2 vor der zweiten Totalreflexionsfläche 11 angeordnet. Die unter Auskoppelwinkeln α_G, die größer sind als der maximale Auskoppelwinkel α_M aus der Lichtleitfaser 4 austretende Laserstrahlung 2 tritt durch eine erste Strahleintrittsfläche 10a in den Blendenkörper 8, genauer gesagt in das erste Blendenbauteil 8a, ein. Die erste Strahleintrittsfläche 10a verläuft in einer Ebene E₁ senkrecht zur Mittelachse 9 der Blende 5 und liegt der ersten Totalreflexionsfläche 10 gegenüber, die unter einem Winkel α_T1 zu der Ebene E₁ bzw. zur ersten Strahleintrittsfläche 10a geneigt ist. Wie in 2a dargestellt ist, wird die unter Auskoppelwinkeln α_G, die größer sind als der maximale Auskoppelwinkel α_M, in das erste Blendenbauteil 8a eintretende Laserstrahlung 2 an der ersten Totalreflexionsfläche 10 reflektiert und tritt durch die zylindrische Strahlaustrittsfläche 12a aus dem ersten Blendenbauteil 8a aus und wird von dem Absorber 13 absorbiert.
Entsprechend tritt die zurück reflektierte Laserstrahlung 15 an dem zweiten Blendenbauteil 8b an einer planen, sich in einer Ebene E₂ zur Mittelachse 9 der Blende 5 erstreckenden Strahleintrittsfläche 11a in das zweite Blendenbauteil 8b ein und wird an der zweiten Totalreflexionsfläche 11, die unter einem (zweiten) Winkel α_T2 relativ zur Strahleintrittsfläche 11a geneigt ist, zur radial äußeren Strahlaustrittsfläche 12b des zweiten Blendenbauteils 8b reflektiert und nach dem Austritt aus dem Blendenkörper 8 von dem Absorber 13 absorbiert.
Der erste Winkel α_T1, den die erste Totalreflexionsfläche 10 mit der Ebene E₁ senkrecht zur Mittelachse 9 einschließt, sowie der zweite Winkel α_T2, den die zweite Totalreflexionsfläche 11 mit der Ebene E₂ senkrecht zur Mittelachse 9 einschließt, liegen bei der in 2a, b gezeigten Blende 5 ungefähr in derselben Größenordnung wie bei der in 1a, b gezeigten Blende 5, d. h. zwischen ca. 20° und ca. 60°.
Die erste, konische Totalreflexionsfläche 10 und die erste Strahleintrittsfläche 10a grenzen an einer ersten Spitze 7a des ersten Blendenbauteils 8a aneinander an, während die zweite, konische Totalreflexionsfläche 11 und die zweite Strahleintrittsfläche 11a an einer zweiten Spitze 7b des zweiten Blendenbauteils 8b aneinander angrenzen. Die Blende 5 von 2a, b ist somit wie die in 1a, b gezeigte Blende 5 doppelt konisch ausgebildet, mit dem Unterschied, dass in 2a, b die beiden Totalreflexionsflächen 10, 11 an zwei plan-konischen Blendenteilen 8a, 8b gebildet und einander zugewandt sind, während die beiden Totalreflexionsflächen 10, 11 bei dem Blendenkörper 8 von 1a, b einander abgewandt sind. Die in 2a, b gezeigte Blende 5 muss nicht zwingend zwei Blendenbauteile 8a, 8b aufweisen, sondern kann ggf. einteilig ausgebildet sein, was allerdings die Herstellung der Blende 5 aufwändiger macht.
Die Spitze 7a des ersten Blendenbauteils 8a begrenzt einen minimalen Durchmesser d₁ der Blendenöffnung 6 an dem ersten Blendenbauteil 8a. Die Spitze 7b des zweiten Blendenbauteils 8b begrenzt einen minimalen Durchmesser d₂ der Blendenöffnung 6 an dem zweiten Blendenbauteil 8b. Der Abstand A₁ der ersten Spitze 7a des ersten Blendenbauteils 8a von dem Ende 3 der Lichtleitfaser 4 und der Abstand A₂ der Spitze 7b des zweiten Blendenbauteils 8b von dem Ende 3 der Lichtleitfaser 4 sowie die beiden minimalen Durchmesser d₁ und d₂ der Blendenöffnung 6 an den beiden Spitzen 7a, 7b sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Auskoppelwinkel α der ausgekoppelten Laserstrahlung 2, welche die Blende 5 durchläuft, an den beiden Spitzen 7a, 7b auf denselben maximalen Auskoppelwinkel α_M begrenzt werden. Dies ermöglicht auch eine Blendenwirkung für die zurück reflektierte Laserstrahlung 15.
Die in 1a, b bzw. in 2a, b gezeigte Vorrichtung 1 kann in unterschiedlichen Optiken zum Einsatz kommen, beispielsweise in Optiken, in denen nach der Blende 5 eine Kollimation der aus dem Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelten Laserstrahlung 2 erfolgt.
3a zeigt einen Bearbeitungskopf 17, der eine Vorrichtung 1 gemäß 1a, b aufweist. Der Bearbeitungskopf 17 dient im gezeigten Beispiel zur schweißenden Bearbeitung eines in 3b gezeigten Werkstücks 22. Das Gehäuse, das zur Aufnahme der Blende 5 dient, bildet in diesem Fall ein Bearbeitungskopf-Gehäuse 14 des (Laser-)Bearbeitungskopfs 17.
Das Bearbeitungskopf-Gehäuse 14 weist eine Stecker-Aufnahme 19 auf, in der bei dem in 3a gezeigten Bearbeitungskopf 17 ein Stecker 18 eines Lichtleitkabels 24 aufgenommen ist. Das Lichtleitkabel 24, das eine Schutzummantelung zum Schutz der Lichtleitfaser 4 aufweist, ist an einem in 3a nicht bildlich dargestellten eintrittsseitigen Ende mit einer Laserquelle zur Erzeugung der Laserstrahlung 2 verbunden. Das auskoppelseitige Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ist in dem Stecker 18 des Lichtleitkabels 24 befestigt, welcher in der Stecker-Aufnahme 19 des Bearbeitungskopf-Gehäuses 14 gelagert und dadurch in seiner Position relativ zu dem Bearbeitungskopf-Gehäuse 14 fixiert ist. Das Bearbeitungskopf-Gehäuse 14, genauer gesagt die Stecker-Aufnahme 19 des Bearbeitungskopf-Gehäuses 14, ist somit zur Aufnahme des auskoppelseitigen Endes 3 der Lichtleitfaser 4 in einem vorgegebenen Abstand A zu der in dem Bearbeitungskopf-Gehäuse 14 befestigten Blende 5 ausgebildet.
Laserstrahlung 2, die unter größeren als dem maximalen Auskoppelwinkel α_M aus dem auskoppelseitigen Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelt wird, wird bei dem in 3a gezeigten Bearbeitungskopf 17 von der Blende 5 abgeschattet, so dass keine ausgekoppelte Laserstrahlung 2 außerhalb des Absorbers 13 auf das Bearbeitungskopf-Gehäuse 14 trifft. Die ausgekoppelte Laserstrahlung 2 tritt somit mit einem gewünschten, maximalen Öffnungs- bzw. Auskoppelwinkel α_M durch die Blendenöffnung 6 und trifft auf eine Kollimationslinse 20. An der Kollimationslinse 20 wird die ausgekoppelte Laserstrahlung 2 kollimiert und nachfolgend von einer ebenfalls in dem Bearbeitungskopf 17 angeordneten Fokussierlinse 21 auf das in 3b gezeigte Werkstück 22 fokussiert.
Im gezeigten Beispiel werden zwei Werkstückteile, die an einer Kante im rechten Winkel aneinander stoßen, mit Hilfe der aus dem Bearbeitungskopf 17 austretenden, fokussierten Laserstrahlung 2 entlang einer so genannten Kehlnaht miteinander verschweißt. Der Schweißbereich 23 beim Laserstrahlschweißen des Werkstücks 22 ist in 3b durch einen gestrichelten Kreis angedeutet. Wie in 3b ebenfalls zu erkennen ist, wird ein Teil der ausgekoppelten Laserstrahlung 2 an dem Werkstück 22 zwei Mal im Bereich der Kehlnaht um ca. 90° reflektiert, so dass die auf das Werkstück 22 auftreffende Laserstrahlung 2 insgesamt um ca. 180° umgelenkt wird. Die von dem Werkstück 22 zurück reflektierte Laserstrahlung 15 weist einen lateralen Versatz in Bezug auf die auf das Werkstück 22 auftreffende Laserstrahlung 2 auf. Beim Durchlaufen des Bearbeitungskopfs 17 in umgekehrter Richtung wird die zurück reflektierte Laserstrahlung 15 an der Fokussierlinse 21 kollimiert und an der Kollimationslinse 20 fokussiert, so dass diese konvergent und lateral versetzt auf die Rückseite der Blende 5 trifft, wie dies in 1b angedeutet ist.
4 zeigt ein Beispiel, bei dem im Gegensatz zu 3a, b die Vorrichtung 1a von 2a, b in ein Lichtleitkabel 24, genauer gesagt in einen Stecker 18 des Lichtleitkabels 24 integriert ist, der zur Verbindung des Lichtleitkabels 24 mit einem Bearbeitungskopf oder mit einer anderen Optik dient. Anders als in 3a, b dargestellt, ist die Blende 5 in diesem Fall in den Stecker 18 bzw. in das Steckergehäuse 14 integriert und das austrittsseitige Ende 3 der Lichtleitfaser 4 ist in einem vorgegebenen Abstand A1 zur Vorderseite und in einem vorgegebenen Abstand A2 zur Rückseite der Blende 5 in dem Steckergehäuse 14 gelagert. Die ausgekoppelte Laserstrahlung 2 tritt durch ein optionales planes Schutzglas 25 aus dem Stecker 18 aus. Wie weiter oben dargestellt wurde, können bei der in 4 gezeigten Blende 5 die beiden Blendenbauteile 8a, 8b ggf. voneinander beabstandet angeordnet werden.
Zusammenfassend können bei den weiter oben beschriebenen Vorrichtungen 1, 1a durch die Verwendung eines transparenten Materials des Blendenkörpers 8 Rückreflexe vermieden werden, wie sie bei der Verwendung einer Blende aus einem metallischen Material auftreten würden. Die weiter oben beschriebene Blende 5 ermöglicht es zudem, Strahlung aus beiden Propagationsrichtungen abzuschatten, ohne dass zu diesem Zweck zwingend mehrere Bauelemente erforderlich sind. Zudem erfolgt in dem Blendenkörper 8 selbst keine bzw. nur eine geringfügige Absorption, so dass Deformationen und Beschädigungen an der Blende 5 aufgrund einer Erwärmung des Materials des Blendenkörpers 8 durch die Laserstrahlung 2, 15 verhindert werden können. Es versteht sich, dass die in 1a, b gezeigte Blende 5 auch in dem in 3a gezeigten Bearbeitungskopf 17 integriert sein kann. Entsprechend kann die in 2a, b gezeigte Blende 5 auch in den in 4 gezeigten Stecker 18 des Lichtleitkabels 24 integriert werden.

Claims

Vorrichtung (1, 1a) zur Auskopplung von Strahlung (2) aus einer Lichtleitfaser (4), umfassend: ein Gehäuse (14), sowie eine Blende (5), die eine Blendenöffnung (6) zur Begrenzung eines Auskoppelwinkels (α) von aus einem auskoppelseitigen Ende (3) der Lichtleitfaser (4) ausgekoppelter Strahlung (2) auf einen maximalen Auskoppelwinkel (α_M) in Bezug auf eine Mittelachse (9) der Blendenöffnung (6) aufweist, wobei die Blende (5) in dem Gehäuse (14) angeordnet ist, wobei die Blende (5) einen Blendenkörper (8) aus einem transparenten Material aufweist, wobei der Blendenkörper (8) eine erste Totalreflexionsfläche (10) zur Reflexion von Strahlung (2) aufweist, die mit größeren Auskoppelwinkeln (α_G) als dem maximalen Auskoppelwinkel (α_M) aus dem auskoppelseitigen Ende (3) der Lichtleitfaser (4) ausgekoppelt wird, und wobei der Blendenkörper (8) eine zweite Totalreflexionsfläche (11) zur Reflexion von entgegengesetzt zu der aus dem auskoppelseitigen Ende (3) ausgekoppelten Strahlung (2) propagierender, zurückreflektierter Strahlung (15) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Totalreflexionsfläche (10) des Blendenkörpers (8) eine Strahleintrittsfläche für die entgegengesetzt propagierende Strahlung (15) bildet, und bei der die zweite Totalreflexionsfläche (11) des Blendenkörpers (8) eine Strahleintrittsfläche für die aus der Lichtleitfaser (4) ausgekoppelte Strahlung (2) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die erste Totalreflexionsfläche (10) und die zweite Totalreflexionsfläche (11) an einer die Blendenöffnung (6) begrenzenden Spitze (7) des Blendenkörpers (8) aneinander angrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Totalreflexionsfläche (10) in Propagationsrichtung (X) der aus der Lichtleitfaser (4) ausgekoppelten Strahlung (2) vor der zweiten Totalreflexionsfläche (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher der Blendenkörper (8) eine erste, der ersten Totalreflexionsfläche (10) gegenüber liegende Strahleintrittsfläche (10a) zum Eintritt der aus dem auskoppelseitigen Ende der Lichtleitfaser (4) ausgekoppelten Strahlung (2) in den Blendenkörper (8) sowie eine zweite, der zweiten Totalreflexionsfläche (11) gegenüber liegende Strahleintrittsfläche (11a) zum Eintritt der entgegengesetzt propagierenden Strahlung (15) in den Blendenkörper (8) aufweist, wobei die erste Strahleintrittsfläche (10a) und/oder die zweite Strahleintrittsfläche (11a) bevorzugt in einer Ebene (E) senkrecht zur Mittelachse (9) der Blendenöffnung (6) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die erste Totalreflexionsfläche (10) und die erste Strahleintrittsfläche (10a) an einer ersten Spitze (7a) des Blendenkörpers (8) und die zweite Totalreflexionsfläche (11) und die zweite Strahleintrittsfläche (11a) an einer zweiten Spitze (7b) des Blendenkörpers (8) aneinander angrenzen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Blendenkörper (8) ein erstes Blendenbauteil (8a) mit der ersten Totalreflexionsfläche (10) und einen zweites Blendenbauteil (8b) mit der zweiten Totalreflexionsfläche (11) aufweist, wobei die beiden Blendenbauteile (8a, 8b) bevorzugt aneinander angrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Blendenkörper (8) einteilig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die erste und/oder die zweite Totalreflexionsfläche (10, 11) rotationssymmetrisch zu der Mittelachse (9) der Blendenöffnung (6) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die erste und/oder die zweite Totalreflexionsfläche (10, 11) eine konische Fläche bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher ein erster Winkel (α_T1), den die erste Totalreflexionsfläche (10) in Bezug auf eine Ebene (E) senkrecht zur Mittelachse (9) der Blendenöffnung (6) aufweist, zwischen 10° und 40° liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei welcher ein zweiter Winkel (α_T2), den die zweite Totalreflexionsfläche (11) in Bezug auf eine Ebene (E, E1, E2) senkrecht zur Mittelachse (9) der Blendenöffnung (6) aufweist, zwischen 20° und 60° liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der maximale Auskoppelwinkel (α_M) weniger als 20°, bevorzugt weniger als 10° beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Blendenkörper (8) mindestens eine in Bezug auf die Mittelachse (9) der Blendenöffnung (6) radial außen liegende Strahlaustrittsfläche (12, 12a, 12b) zum Austritt von an der ersten und/oder an der zweiten Totalreflexionsfläche (10, 11) reflektierten Strahlung (2, 15) aus dem Blendenkörper (8) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher die Strahlaustrittsfläche (12, 12a, 12b) zumindest teilweise von einem in dem Gehäuse (14) angebrachten Absorber (13) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei welcher die Strahlaustrittsfläche (12) auf die durch die Strahlaustrittsfläche (12) austretende Strahlung (2, 15) eine streuende Wirkung aufweist.
Lichtleitkabel (24), umfassend eine Vorrichtung (1a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (14) ein Steckergehäuse des Lichtleitkabels (24) bildet, in dem das auskoppelseitige Ende (3) der Lichtleitfaser (4) in einem vorgegebenen Abstand (A₁, A₂) zu der Blende (5) angeordnet ist.
Bearbeitungskopf (17) zur Bearbeitung von Werkstücken (22), umfassend eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Gehäuse (14) ein Bearbeitungskopf-Gehäuse mit einer Stecker-Aufnahme (19) zur Aufnahme eines Steckers (18) eines Lichtleitkabels (24) bildet, wobei die Stecker-Aufnahme (19) zur Lagerung des auskoppelseitigen Endes (3) der Lichtleitfaser (4) in einem vorgegebenen Abstand (A) zur Blende (5) ausgebildet ist.