-
Die Erfindung betrifft ein System zur Übertragung von Laserlicht durch eine Hohlkernfaser umfassend eine Regelungsvorrichtung zur Optimierung von Laserstrahlparametern. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Übertragung von Laserlicht in einer Grundmode und mit Energieanteilen höherer Moden.
-
Anwendungsgebiet und Hintergrund der Erfindung
-
Für die flexible Übertragung kurzer oder ultrakurzer Laserpulse stehen heute mikrostrukturierte Hohlkernfasern zur Verfügung. Durch die Leitung des Laserlichts in einem Hohlkern wird dabei die Übertragung sehr hoher Pulsenergien ermöglicht, die bei Verwendung konventioneller Fasern mit Glaskern zu einer Zerstörung der Übertragungsfaser führen würden. Eine derartige Hohlkernfaser ist beispielsweise aus der
US 2011/0123149 A1 bekannt.
-
Die effiziente Kopplung eines Laserstrahls in eine Hohlkernfaser stellt hohe Anforderungen an die Präzision der Ausrichtung des Laserfokus zum Hohlkern der Faser. Bereits geringe Abweichungen, beispielsweise im µm-Bereich, führen zu einer Beeinträchtigung der Laserstrahlführung, insbesondere der Transmission, Strahlqualität und einer Reduktion der maximal übertragbaren Leistung durch erhöhten Überlapp der Laserstrahlung mit Glasstrukturen der Faser. Ein häufig auftretendes Problem bei der effizienten Kopplung sind Störungen der Strahlparameter der Laserstrahlquelle. Diese können ihre Ursache im Lasersystem selbst oder in der Übertragungsstrecke bis zur Faser haben. Beispiele sind durch den Laser verursachte Schwankungen der Strahllage, unter anderem eine Taillenlage in axialer und lateraler Richtung, beispielsweise durch Temperaturänderungen innerhalb der Strahlquelle oder durch turbulente Strömungen im Strahlengang.
-
DE 10 2010 047 059 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Optimierung der Einkopplung eines Laserstrahles in eine konventionelle Lichtleitfaser, wobei eine Messeinrichtung, dass Streulicht des Rückreflexes des Laserlichtstrahles misst. Im Gegensatz zu einer konventionellen Lichtfaser mit festem Kern tritt bei der Einkopplung eines Laserlichtes in eine Hohlkernfaser kein Rückreflex des Laserlichtes auf, sodass sich das Messprinzip der
DE 10 2010 047 059 A1 nicht ohne weiteres auf Hohlkernfasern übertragen lässt.
-
Zur Kopplung von Laserstrahlung in Hohlkernfasern sind Systeme bekannt, die eine Präzisionsausrichtung durch einstellbare optische Bauelemente, wie zum Beispiel Spiegel oder Linsen, erlauben. Üblich ist dabei eine Justage des Laserfokus zur Faser vor Inbetriebnahme, die die transmittierte Leistung und/oder Strahlqualität maximiert.
-
Weiterhin sind Systeme bekannt, die während des Betriebs eine Regelung der Justage durchführen, um auch unter veränderlichen Randbedingungen optimale Betriebszustände erreichen zu können. In einer bekannten Ausführung wird dabei als Stellsignal der Regelung die Abweichung der vor Inbetriebnahme definierten Fokuslage zur tatsächlichen Fokuslage verwendet. Dazu wird in den Strahlengang der Einkopplung ein oder mehrere optische(s) Element(e) zur Strahlteilung vor der Faser eingesetzt und daraus eine Referenzfokuslage ermittelt. Allerdings werden mögliche Störungen zwischen Strahlteilung und Faser bei konventionellen Systemen aus dem Stand der Technik üblicherweise nicht miterfasst.
-
Wenn die Faser in einem Lichtleitkabel integriert vorliegt, ist vor dem Betrieb des optischen Systems eine Justage und eine Festlegung der Regelposition erforderlich. Insbesondere bei einem Wechsel des Lichtleitkabels ist dadurch eine erneute aufwändige Justage auf den Faserkern erforderlich, bevor eine Regelung auf diese Position erfolgen kann. Ein weiterer Nachteil konventioneller Systeme ist, dass keine Kontrolle der axialen Fokuslage oder des Fokusdurchmessers erfolgt, sondern dass ausschließlich die Fokusposition in lateraler Richtung und/oder der Koppelwinkel kontrolliert werden.
-
Zur Überwindung dieser Nachteile sind im Stand der Technik weitere Systeme bekannt, bei denen als Stellsignal die nach einer Faser austretende Intensität zur Regelung verwendet wird. Dieses bei Single Mode Fasern erfolgreiche Verfahren ist für mikrostrukturierte Hohlkernfasern nicht in allen Fällen geeignet. Insbesondere Hohlkernfasern für hohe Leistungen können neben der Grundmode weitere Moden effizient übertragen. Eine Maximierung der Intensität am Ausgang einer Faser garantiert daher nicht gleichzeitig eine gute Strahlqualität.
-
Die bekannten Systeme weisen daher den wesentlichen Nachteil auf, dass nicht in allen Betriebssituationen eine optimale Strahlqualität des Laserstrahls am Ausgang einer Hohlkernfaser gegeben ist. Insbesondere erfordert bei einer konventionellen Anordnung der Wechsel eines Lichtleitkabels eine erneute Festlegung der optimalen Fokuslage und Fokusgröße. Darüber hinaus ist bei einer solchen Anordnung nicht gewährleistet, dass eine Beibehaltung der Fokusposition auch zu einem gleichbleibenden Output am Lichtleitkabel führt. Dies gilt selbst dann, wenn die Intensität am Ausgang des Lichtleitkabels zur Einstellung der Fasereinkopplung verwendet wird.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Übertragung eines Laserstrahls durch eine Hohlkernfaser bereitzustellen, die nicht die Nachteile und Mängel des Standes der Technik aufweisen. Insbesondere sollen das bereitzustellende System und das bereitzustellende Verfahren in der Lage sein, mögliche Störungen im System zu erfassen, aufwändige Justierungsarbeiten zu reduzieren und die axiale Fokuslage und/oder den Fokusdurchmesser zu kontrollieren. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und Verfahren bereitzustellen, mit dem kurze oder ultrakurze Laserpulse übertragen werden können, und zwar insbesondere in Hohlkernfasern.
-
Beschreibung der Erfindung:
- Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es ist demnach ein System zur Übertragung von Laserlicht durch eine Hohlkernfaser vorgesehen, wobei ein einzukoppelnder Laserstrahl mit Hilfe einer Einkopplungsvorrichtung in die Hohlkernfaser eingekoppelt wird und das Laserlicht in der Hohlkernfaser übertragene eine Grundmode und Energieanteile höherer Moden umfasst, wobei das System eine Hohlkernfaser umfasst und in räumlicher Nähe zur Hohlkernfaser mindestens einen Sensor zur Ermittlung von Energieanteilen höherer Moden umfasst, wobei die ermittelten Daten an eine Regelungsvorrichtung weitergeleitet werden, wobei der Sensor ein Streulichtsensor ist, welcher in räumlicher Nähe zu der Einkopplungsvorrichtung nahe der Hohlkernfaser positioniert ist und das an einer Einkoppelseite aus der Hohlkernfasern austretende Streulicht detektiert und die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, Stellglieder in der Einkopplungsvorrichtung in Abhängigkeit von den von dem Sensor ermittelten Daten über die Energieanteile höherer Moden des in der Hohlkernfaser übertragenen Laserlichtes zu steuern, wobei der einzukoppelnde Laserstrahl durch eine Bewegung der Stellglieder veränderbar ist. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, Laserstrahlparameter zu beeinflussen und/oder zu verändern und so die Einkopplung des Laserlichts in die Lichtleitfaser zu optimieren.
-
Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, ein System zur Übertragung eines Laserstrahls durch eine Hohlkernfaser gemäß Anspruch 1 bereitzustellen, umfassend eine Regelungsvorrichtung zur Optimierung von Laserstrahlparametern, wobei die Hohlkernfaser in einem Lichtleitkabel integriert vorliegt und das Lichtleitkabel mindestens einen Sensor zur Detektion von Streulichtdaten umfasst, wobei die Streulichtdaten an die Regelungsvorrichtung weitergeleitet werden und die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, Stellglieder in einer Einkopplungsvorrichtung in Abhängigkeit von den detektierten Streulichtdaten zu steuern. Es ist im Sinne der bevorzugt, die durch den mindestens einen Sensor ermittelten Daten als Streulichtdaten zu bezeichnen. Gemeint sind damit vorzugsweise die Ergebnisse der Messungen zur Ermittlung, wie viel Energie sich in höheren Moden in der Hohlkernaser befindet und/oder aus dieser austritt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die höheren Moden im Laserlicht durch die Strahlquelle vorhanden sind. Die Energieanteile dieser höheren Moden im Laserlicht werden ermittelt und ihr Anteil am Laserlicht durch die Regelung minimiert. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass das Laserlicht, das von einer Strahlquelle abgegeben wird, Laserlicht in einer Grundmode und in höheren Moden umfasst, wobei die höheren Moden vorzugsweise nicht der Grundmode entsprechen.
-
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, die Regelstrecke konventioneller Systeme um ein Lichtleitkabel zu erweitern. Ein Lichtleitkabel ist im Sinne der Erfindung bevorzugt von einer Lichtleitfaser zu unterscheiden, wobei die Lichtleitfaser im Sinne der vorliegenden Erfindung bevorzugt von einer Hohlkernfaser gebildet wird. Das Lichtleitkabel umfasst vorzugsweise zusätzlich zu einer Lichtfaser konfektionierte Faserenden in Form von Steckverbindern. Lichtleitkabel können darüber hinaus weitere fakultative Bestandteile umfassen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, Auswertesignale zu nutzen, die eine Regelung der Einkopplung auf optimale Ausgangsgrößen des Lichtleitkabels ermöglichen. In der vorliegenden Erfindung liegt die Hohlkernfaser vorzugsweise in ein Lichtleitkabel integriert vor, wobei das Lichtleitkabel mindestens einen Sensor zur Auswertung einer Laserstrahlkopplung umfassen kann Der Begriff „Laserstrahlkopplung“ beschreibt im Sinne der Erfindung die Güte der Einkopplung des Laserstrahls in eine Lichtleitfaser, wobei insbesondere die Einkopplung des Laserlichts in Hohlkernfasern technisch äußerst anspruchsvoll ist aufgrund der hohen Anforderungen an die Präzision der Ausrichtung des Brennpunkts der Laserstrahlung in Bezug auf den hohlen Kern der Faser.
-
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein zur Regelung verwendetes Stellsignal durch eine Erfassung von in der Hohlkernfaser geführten Energieanteile höherer Moden der Laserstrahlung zu ermitteln, wobei die Hohlkernfaser in einem Lichtleitkabel integriert vorliegen kann und das System mindestens einen Sensor zur Auswertung einer Laserstrahlkopplung umfasst
-
Die Erfindung soll an folgendem Ausführungsbeispiel verdeutlicht werden: Das Licht einer Laserstrahlquelle wird vorzugsweise über eine Einkoppelvorrichtung in ein Lichtleitkabel eingekoppelt. Die Einkoppelvorrichtung verfügt bevorzugt über bewegliche optische Komponenten, wie zum Beispiel Spiegel und/oder Linsen, die vorteilhafterweise mindestens eine laterale Verschiebung des Laserstrahlfokus relativ zum Lichtleitkabel mit integrierter Hohlkernfaser ermöglichen. Über einen Streulichtsensor nahe der Hohlkernfaser an der Einkoppelseite wird aus der Faser austretendes Streulicht detektiert. Dieser Streulichtanteil steigt mit höheren Verlusten der Einkopplung und einem höheren Energieanteil, der in einer anderen als der Grundmode der Faser eingekoppelt wird. Durch Rückführung dieses Sensorsignals wird durch Einstellung der beweglichen Komponenten des Systems die Lasereinkopplung in die Hohlkernfaser so optimiert, dass ein minimaler Streulichtanteil detektiert wird. Dadurch wird eine Einkopplung mit hohem Koppelanteil in die gewünschte Grundmode erreicht. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, die beweglichen Komponenten des Systems als Stellglieder des Regelkreises zu bezeichnen. Wenn von der Laserstrahlquelle Laserlicht abgegeben wird, das sowohl Laserlicht in der Grundmode, als auch höherer Moden umfasst, können die Energieanteile der höheren Moden von dem Sensor erfasst werden. In der Regelungsvorrichtung werden die ermittelten Energieanteile vorzugsweise ausgewertet, wobei die Regelungsvorrichtung die Stellglieder in der Einkoppelvorrichtung vorzugsweise so steuert, dass die Anteile höherer Moden im Laserlicht reduziert werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Einkoppelvorrichtung Bestandteil der Laserstrahlquelle ist. Der Regelmechanismus der vorliegenden Erfindung besteht demnach vorzugsweise darin, dass die Signale des mindestens einen Sensors zur Einstellung der beweglichen optischen Komponenten des Systems verwendet werden. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Messung des Streulichts an einem Eingang und/oder einem Ausgang des Lichtleitkabels erfolgen kann. Die entsprechenden Sensoren können daher bevorzugt am Eingang und/oder am Ausgang angeordnet vorliegen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Sensor auch von einer Sensoranordnung gebildet werden kann, die beispielsweise mehrere Einzelsensoren umfasst. Durch die steuerbaren Stellglieder in der Einkoppelvorrichtung kann der Laserstrahl vorteilhafterweise so verändert und/oder manipuliert werden, dass der Laserstrahl und/oder sein Fokus optimal an die Lage der Hohlkernfaser innerhalb des Lichtleitkabels angepasst sind. Der Regelmechanismus ist vorzugsweise dynamisch ausgestaltet, so dass während des Betriebs des Systems zur Übertragung von Laserlicht eine kontinuierliche Regelung der Laserstrahlparamenter erfolgt. Diese bevorzugt kontinuierliche Anpassung der Laserstrahlparamenter wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise als Selbst-Justierung oder Selbst-Justage des Systems bezeichnet. Das Regelziel des Regelmechanismus ist es, die Lasereinkopplung in die Hohlkernfaser zu optimieren, indem der detektierte Streulichtanteil bevorzugt fortwährend minimiert wird. Dieses Vorgehen wird im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als „Auswertung eines Verlustsignals“ bezeichnet. Die Funktionsweise des Regelmechanismus umfassend einen Regelkreis wird im Sinne der Erfindung synonym verwendet zu den Systemmerkmalen, wonach die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein zur Regelung verwendetes Stellsignal durch eine Erfassung von in der Hohlkernfaser geführten Energieanteile höherer Moden der Laserstrahlung zu ermitteln, wobei das System mindestens einen Sensor zur Auswertung einer Laserstrahlkopplung umfasst.
-
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Transport des Laserlichts bevorzugt mit Single Mode Fasern erfolgt oder mit Fasern, die bei geeigneter Kopplung bevorzugt Grundmode-Laserstrahlung übertragen. Als Single Mode Faser wird im Sinne der Erfindung bevorzugt eine solche Faser bezeichnet, die dazu eingerichtet ist, Laserlicht bevorzugt ausschließlich in der Grundmode zu übertragen. Solche Fasern sind insbesondere vorteilhaft bei der Übertragung des Laserlichts in gepulster Form, zum Beispiel in Form von Kurzpulsen und/oder Ultrakurzpulsen, weil dadurch vorteilhafterweise eine Erhaltung der Strahlqualität gewährleistet werden kann. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, Few- oder Quasi-Single Mode-Fasern zu verwenden, die vorteilhafterweise so betrieben werden können, dass ein überwiegender Teil der übertragenen Energie des Laserlichts in der Grundmode übertragen wird. Es kann für einige Anwendungen auch bevorzugt sein, Large Mode Area Fasern zu verwenden, die vorzugsweise einen vergrößerten Faserkern umfassen und ebenfalls in der Lage sind Laserstrahlung mit hoher Strahlqualität zu übertragen.
-
Mit anderen Worten erfolgt die Optimierung von Laserstrahlparametern dadurch, dass ein Stellsignal ermittelt wird, indem die in der Hohlkernfaser geführten Energieanteile höherer Moden der Laserstrahlung erfasst werden. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass hierfür das Streulicht in der Nähe des Faserendes verwendet wird. Es ist im Sinne der Erfindung weiterhin bevorzugt, dass das Profil des Laserstrahls am Ausgang des Lichtleitkabels zur Regelung verwendet wird.
-
Das System umfasst eine Einkoppelvorrichtung, die bevorzugt auch als Einkopplungsvorrichtung bezeichnet wird. Als Einkoppelvorrichtung werden im Sinne der Erfindung bevorzugt solche Elemente eines optischen Systems bezeichnet, die einen ankommenden Lichtstrahl, hier vorzugsweise einen Laserlichtstrahl, so führen, bündeln und/oder beeinflussen, dass der Lichtstrahl von der Lichtleitfaser als optischer Transportfaser aufgenommen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine optische Komponente oder eine optisches Element vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Filter, Blende, Linse, Polarisator, Spiegel, Schutzglas, Kollimator und/oder dergleichen.
-
Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass das System in räumlicher Nähe zur Hohlkernfaser mindestens einen Sensor umfasst, der zur Detektion der Energieanteile höherer Moden, die nicht der Grundmode entsprechen, eingerichtet ist, wobei die ermittelten Daten an die Regelungsvorrichtung weitergeleitet werden und die Regelungseinrichtung dazu eingerichtet ist, Stellglieder in einer Einkopplungsvorrichtung in Abhängigkeit von den detektierten Energieanteilen des Laserlichts zu steuern.
-
Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass die Hohlkernfaser in einem Lichtleitkabel integriert vorliegt und das Lichtleitkabel mindestens einen Sensor zur Detektion von Streulichtdaten umfasst, wobei die Streulichtdaten an die Regelungsvorrichtung weitergeleitet werden und die Regelungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, Stellglieder in einer Einkopplungsvorrichtung in Abhängigkeit von den detektierten Streulichtdaten zu steuern. Dadurch ist es vorteilhafterweise möglich, Laserstrahlparameter zu beeinflussen und/oder zu verändern und so die Einkopplung des Laserlichts in die Lichtleitfaser zu optimieren.
-
Das System ist insbesondere dazu eingerichtet, zu messen, wie viel Energie sich in höheren Moden in der Faser befindet und/oder aus dieser austritt. Diese Messung kann beispielsweise durch eine Messung des Streulichts am Eingang eines Lichtleitkabels erfolgen, durch Messung des Streulichts am Ausgang eines Lichtleitkabels, durch eine Auswertung der Intensitätsverteilung am Faserende durch Abbildung auf eine Kamera und/oder durch eine Messung der Divergenz des austretenden Laserlichts, wobei diese Divergenz vorzugsweise einen Indikator für die Strahlqualität darstellt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das aus der Faser austretende Streulicht in der Nähe der Einkoppelvorrichtung der Lichtleitfaser als Stellsignal verwendet, um die Fokusparameter anzupassen. Der Begriff „Fokusparameter“ beschreibt im Sinne der Erfindung bevorzugt Parameter, die Eigenschaften des Fokus des Laserlichtstrahls und/oder der Laserstrahlung beschreiben und/oder angeben. Der „Fokus“ des Laserlichtstrahls und/oder der Laserstrahlung entspricht vorzugsweise dem Brennpunkt des Laserlichts, d.h. vorzugsweise dem Punkt im Strahlengang, an dem eine Bündelung des Laserlichtstrahls und/oder der Laserstrahlung erfolgt.
-
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Streulichtdetektor in der Umgebung des Faserendes nahe der Faser positioniert wird. Der Streulichtdetektor kann beispielsweise eine Photodiode sein und wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise als Sensor bezeichnet. Durch die Leitungsmechanismen innerhalb der Hohlkernfaser treten Energieanteile in der Laserstrahlung, die nicht in den gering gedämpften niedrigen Moden transportiert werden, verstärkt vor allem am Fasereingang, aus der Faser aus. Im Gegensatz zu einer Auswertung der durch die Faser transmittierten Leistung, wie im Stand der Technik beschrieben, wird erfindungsgemäß das Verlustsignal ausgewertet. Insofern stellt die Erfindung eine Abkehr von Stand der Technik dar, da die Fachwelt bisher davon ausgegangen war, dass die Leistung des Laserlichts als Stellgröße verwendet werden müsse. Es war insbesondere vollkommen überraschend, dass durch die Verwendung des Systems zur Übertragung von Laserlicht mit Hohlkernfasern unter Verwendung einer Optimierung von Laserlichtparametern eine Selbst-Justierung oder Selbst-Justage des Systems erreicht und bereitgestellt werden kann. Dadurch kann auf ein zeit-, arbeits- und kostenintensives manuelles Justieren, beispielsweise vor der Inbetriebnahme eines optischen Systems oder nach dem Austausch eines Lichtleitkabels, verzichtet werden. Insbesondere wird es ermöglicht, die nutzbare Einsatzzeit eines solchen optischen Systems erheblich zu verlängern beziehungsweise seinen Betrieb effizienter zu gestalten.
-
Es war vollkommen überraschend, dass mit dem System Störungen des Systems besonders wirksam erfasst werden können, wobei solche Störungen beispielsweise im Folgenden bestehen können: Schwankungen des Lasers und/oder der Laserstrahlquelle, Turbulenzen, thermische Verformung der Strahlführung zur Faser, nichtlineare Effekte in optischen Medien vor der Faser, Toleranzen aller Komponenten, insbesondere beim Komponentenaustausch. Indem diese Systemstörungen sicher und schnell erkannt werden, kann das System vorteilhafterweise eine Selbst-justage durchführen, indem die Laserstrahlparameter durch eine Bewegung von Stellgliedern in der Einkopplungsvorrichtung eingestellt und/oder verändert werden können, vorzugsweise mit dem Ziel, den Anteil des Laserlichts in höheren Moden zu minimieren. Insbesondere ist es möglich, die Form des Laserstrahls und/oder die Lage des Brennpunkts zu verändern, um den Laserstrahl zur Erbringung einer gewünschten Funktionalität zu anzupassen.
-
Die Auswertung des Verlustsignales ist mit den weiteren wesentlichen Vorteilen verbunden, dass das Verlustsignal deutlich sensitiver auf eine Veränderung des Leistungsanteils höherer Moden reagiert als das Leistungssignal am Ausgang der Faser, das bei konventionellen System verwendet wird. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass dort nur ein Bruchteil der Energie des Laserlichts in höheren Moden vorliegt. Darüber hinaus sind die Verluste durch unerwünschte höhere Moden größer, wodurch an dieser Stelle eine stärkere Einbeziehung der höheren Moden erfolgt.
-
Das System umfasst eine Regelungsvorrichtung, die vorzugsweise dafür eingerichtet ist, eine Regelung zur Optimierung von Laserstrahlparametern durchzuführen. Insbesondere umfasst das System somit vorzugsweise einen Regelkreis, wobei die Regelung bevorzugt von der Regelungsvorrichtung vorgenommen beziehungsweise durchgeführt wird. Der Regelkreis umfasst vorzugsweise eine Regelstrecke, wobei als Stellgröße zum Beispiel die Einkopplungsgüte verwendet werden kann und/oder die Abweichungen und Schwankungen des Laserlichts am Ausgang der Lichtleitfaser. Der Begriff „Einkopplungsgüte“ beschreibt im Sinne der Erfindung bevorzugt die Qualität der Einkopplung des Laserlichts in die Lichtleitfaser, die beispielsweise durch ein Inbezugsetzen des tatsächlich eingekoppelten Laserlichts zu dem insgesamt zur Verfügung stehenden Laserlichts bestimmt werden kann. Für diese Bestimmung wird vorzugsweise der mindestens eine Sensor verwendet, der Bestandteil des Lichtleitkabels ist und vorzugsweise dafür eingerichtet ist, die Laserstrahlkopplung auszuwerten. Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um einen Streulichtsensor und/oder eine Photodiode, wobei der Sensor insbesondere dafür eingerichtet sein soll, elektromagnetische Strahlung im Infrarot-Bereich zu detektieren. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass der mindestens eine Sensor in räumlicher Nähe zu der Hohlkernfaser angeordnet vorliegt. Das bedeutet vorzugsweise, dass der Sensor im Lichtleitkabel an der Hohlkernfaser angeordnet sein kann.
-
Erfindungsgemäß liegt der mindestens eine Sensor in räumlicher Nähe zu der Einkopplungsvorrichtung angeordnet vor. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Erfassung der Streulichdaten durch den Sensor bevorzugt auf der Einkoppelseite des Lichtleitkabels erfolgt, wobei der Begriff „Einkoppelseite des Lichtleitkabels“ vorzugsweise die Seite des Lichtleitkabels beschreibt, die der Einkoppelvorrichtung zugewandt ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil an dieser Stelle das Streulicht besonders gut erfasst und ausgewertet werden kann und die Messung besonders sensitiv durchgeführt werden kann.
-
Es ist im Sinne der Erfindung darüber hinaus bevorzugt, dass das System einen zweiten Sensor umfasst, wobei der zweite Sensor in räumlicher Nähe zu einem Auskopplungsbereich des Lichtleitkabels angeordnet vorliegt. Dadurch wird es vorteilhafterweise ermöglicht, das Streulicht sowohl auf der Einkoppelseite, als auch auf der Auskoppelseite des Lichtleitkabels zu erfassen.
-
Bei den Lichtleitfasern, durch die erfindungsgemäß das Laserlicht geleitet wird, handelt es sich um Hohlkernfasern. Hohlkernfasern sind bevorzugt dadurch charakterisiert, dass die Lichtleitfaser nicht von einem massiven lichtdurchlässigen Material gebildet wird, sondern einen hohlen Kern aufweist, der üblicherweise mittig in der optischen Faser vorliegt und mit einem Gas, einem Gasgemisch, zum Beispiel Luft, auch bei verändertem Druck, gefüllt sein kann, wobei die Art der Füllung vorzugsweise die optischen Eigenschaften der Faser bestimmt. Bekannt sind in diesem Zusammenhang Kagome-Muster oder anti-resonante Fasern, die mittig in der Faser angeordnet einen Hohlraum aufweisen. Es kann im Sinne der Erfindung beispielsweise bevorzugt sein, den hohlen Kern einer Hohlkern-Lichtleitfaser mit einem Gas mit einem niedrigen Gasdruck zu füllen. Darüber hinaus können in der Lichtleitfaser weitere Hohlräume oder Kapillaren vorgesehen sein. Hohlkern-Bandlücken-Kristallfaser nutzen Bandlücken-Effekte für die Lichtleitung aus, während Hohlkernfasern mit Kagome-Muster vorteilhafterweise eine geringe Dichte an Mantelzuständen aufweisen, wodurch eine Lichtleitung über einen breiteren spektralen Bereich bei höherer Dämpfung erreicht wird. Hohlkernfasern weisen üblicherweise eine Vielzahl dünner Wänden oder Stege auf, die die einzelnen Hohlräume oder Kavitäten, insbesondere den hohlen Kern, voneinander trennen. Vorteilhafterweise sind Hohlkernfaser besonders für die Übertragung von Licht mit hohen Leistungen geeignet, wobei beispielsweise Leistungen im Kilowatt-Bereich (kW) in Frage kommen.
-
Durch das System zur Übertragung eines Laserstrahls durch eine Hohlkernfaser mit einer Regelung zur Optimierung von Laserstrahlparametern ist es möglich, das Laserlicht überraschend präzise in die Hohlkernfaser einzukoppeln, so dass selbst geringe Abweichungen, die beispielsweise im µm-Bereich liegen können, besonders wirksam vermieden werden. Es ist dadurch vorteilhafterweise möglich, die Transmission, die Strahlqualität und die maximal übertragbare Leistung zu verbessern beziehungsweise zu erhöhen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das System eine Laserstrahlquelle zur Abgabe von elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise Laserlicht. Eine Strahlquelle ist im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Lichtquelle, insbesondere zur Abgabe von Laserlicht. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Strahlquelle aus einer Vorrichtung bestehen kann, es kann aber ebenso bevorzugt sein, dass eine Strahlquelle aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt ist. Ein Strahlführungssystem ist im Sinne der Erfindung bevorzugt ein optisches System zur Übertragung von Licht, insbesondere Laserlicht. Es kann verschiedene optische Elemente, wie Filter, Blenden, Linsen, Polarisatoren, Kollimatoren und dergleichen umfassen, die mit dem Licht, das durch das Strahlführungssystem geführt wird, zusammenwirken. Das erfindungsgemäße Strahlführungssystem ist insbesondere dazu geeignet, Laserlicht von einer Strahlquelle an einen Verwendungsort zu übertragen, wobei ein Verwendungsort im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise der Ort sein kann, an dem ein Werkstück mit dem Laserlicht bearbeitet oder ein Patient mit dem Laserlicht behandelt wird. Es ist bekannt, dass Licht beziehungsweise Laserlicht als elektromagnetische Welle beschrieben werden kann, wobei eine elektromagnetische Welle elektrische und magnetische Felder umfasst, die sich periodisch ändern.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Laserlicht kurze und/oder ultrakurze Pulse mit Pulsdauern im Bereich von Nano- bis Femto-sekunden. Laserlicht mit kurzen und/oder ultrakurzen Pulsen mit Pulsdauern Nano- bis Femtosekundenbereich sind insbesondere charakterisiert durch hohe Pulsenergien und Pulsspitzenleistungen, die bevorzugt durch Hohlkernfasern transportiert werden können.
-
Es ist im Sinne der Erfindung weiter bevorzugt, dass das System eine elektrisch ansteuerbare Vorrichtung zur Strahlkopplung umfasst. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Einkopplungsvorrichtung eine elektrisch ansteuerbare Vorrichtung zur Strahlkopplung umfasst, mit der die beweglich ausgebildeten Stellglieder in der Einkopplungsvorrichtung, vorzugsweise in Abhängigkeit von den mit dem mindestens einen Sensor erhobenen Streulichtdaten, gesteuert werden können. Die Steuerung der elektrisch ansteuerbaren Vorrichtung zur Strahlkopplung erfolgt dabei vorzugsweise durch die Regelungsvorrichtung, in der die Streulichtdaten ausgewertet werden und die vorteilhafterweise dazu eingerichtet ist, Steuerbefehle zu Steuerung der Stellglieder an die Einkopplungsvorrichtung zu senden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Sensor dazu eingerichtet sind, an der Regelung zur Optimierung der Laserstrahlparameter mitzuwirken. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Sensoren in einer Regelung zur Optimierung der Laserstrahlparameter eingebunden sind. Damit ist vorzugsweise die Einbeziehung des mindestens einen Sensors in den Regelkreis gemeint, wobei der Sensor bevorzugt das Streulicht erfasst, das am Ausgang des Lichtleitkabels austritt, und diese Daten dazu verwendet werden, die Stellglieder des Regelkreises, insbesondere die beweglichen optischen Komponenten des Systems, so zu steuern, dass der detektierte Streulichtanteil minimiert wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das System dazu eingerichtet, die Laserstrahlparameter an einem Ausgang des Lichtleitkabels zu optimieren. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Optimierung der Laserstrahlparameter an einem Ausgang des Lichtleitkabels erfolgt. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, dass der mindestens eine Sensor, zum Beispiel ein Streulichtsensor, bevorzugt in einem Bereich in der Nähe der Hohlkernfaser angeordnet vorliegt und dort aus der Faser austretendes Streulicht detektiert.
-
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Hohlkernfaser ein erstes und ein zweites Faserende umfasst und das System dazu eingerichtet ist, die Güte einer Laserstrahlkopplung über eine Messung parasitärer Laserleistung an dem ersten und/oder zweiten Ende der Hohlkernfaser auszuwerten. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Auswertung der Laserstrahlkopplung über eine Messung parasitärer Laserleistung an einem oder beiden Faserenden erfolgt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Begriff „parasitärer Laserleistung“ synonym zu dem Begriff „Streulicht verwendet wird. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass die Leistung höherer Moden des Laserlichts detektiert wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das System dazu eingerichtet, das Stellsignal durch eine Bildauswertung der aus der Hohlkernfaser austretenden Laserleistung zu bestimmen. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass das Stellsignal durch eine Bildauswertung der aus der Hohlkernfaser austretenden Laserleistung erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Stellsignal ermittelt, indem das Faserende auf einer Anzeigenvorrichtung einer Kamera abgebildet wird und das erfasste Intensitätsprofil des Laserstrahls hinsichtlich Energieanteile höherer Moden ausgewertet wird. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Abbild des Faserendes mit einer Kamera erzeugt und auf der Anzeigenvorrichtung der Kamera dargestellt wird. Eine Anzeigenvorrichtung bezeichnet im Sinne der Erfindung beispielsweise einen Monitor, einen Display, einen Bildschirm und/oder einen Berührbildschirm, ohne darauf beschränkt zu sein. Eine Auswertung der Energieanteile höherer Moden kann dann beispielsweise mittels einer Bildanalyse erfolgen.
-
Es wird ferner ein Verfahren zur Übertragung eines Laserstrahls vorgeschlagen, wobei das Laserlicht eine Grundmode und Energieanteile höherer Moden umfasst. Im Kontext des vorgeschlagenen Verfahrens werden die Energieanteile der höheren Moden mit einem Sensor ermittelt, der vorzugsweise in räumlicher Nähe zur Hohlkernfaser angeordnet vorliegt. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Weiterleitung der durch den Sensor ermittelten Daten an eine Regelungsvorrichtung, die vorzugsweise Bestandteil eines Laser-Übertragungssystems ist. Ferner umfasst das vorgeschlagene Verfahren bevorzugt die Steuerung von Stellgliedern in einer Einkopplungsvorrichtung des Systems in Abhängigkeit von den ermittelten Daten. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass der einzukoppelnde Laserstrahl durch eine Bewegung der Stellglieder verändert werden kann. Dadurch ist es mit dem vorgeschlagenen Verfahren vorteilhafterweise möglich, Laserstrahlparameter zu beeinflussen und/oder zu verändern und so die Einkopplung des Laserlichts in die Lichtleitfaser zu optimieren. Mit anderen Worten wird ein Verfahren zur Übertragung von Laserlicht in einer Grundmode und mit Energieanteilen höherer Moden vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Ermittlung der Energieanteile der höheren Moden des Laserlichts mit einem Sensor, wobei der Sensor ein Streulichtsensor ist, welcher in räumlicher Nähe zu einer Einkopplungsvorrichtung nahe der Hohlkernfaser positioniert ist und das an einer Einkoppelseite aus der Hohlkernfasern austretende Streulicht detektiert
- b) Weiterleitung der durch den Sensor ermittelten Daten an eine Regelungsvorrichtung,
- c) Steuerung von Stellgliedern in der Einkopplungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Systemsin Abhängigkeit von den ermittelten Daten.
-
Es ist in einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens bevorzugt, dass die Regelungsvorrichtung zur Optimierung von Laserstrahlparametern eingerichtet ist. Es ist ferner bevorzugt, dass eine Hohlkernfaser in einem Lichtleitkabel integriert vorliegt und das Lichtleitkabel mindestens einen Sensor zur Detektion von Streulichtdaten umfasst. Das Verfahren kann den Verfahrensschritt umfassen, dass die Streulichtdaten an die Regelungsvorrichtung weitergeleitet werden und/oder dass die Regelungsvorrichtung die Stellglieder in der Einkopplungsvorrichtung in Abhängigkeit von den detektierten Streulichtdaten steuert.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher beschrieben; es zeigt:
- 1 schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Systems
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Systems (10). Insbesondere ist eine Strahlquelle (20) als fakultatives Merkmal des Systems (10), welche Laserstrahlung (12) abgibt. Die Laserstrahlung (12) wird dann in ein Lichtleitkabel (16) eingekoppelt, wobei eine Hohlkernfaser (14) in dem Lichtleitkabel (16) integriert vorliegt. Im Bereich des Einkopplungsvorgangs des Laserlichts (12) in die Lichtleitfaser ist eine Einkopplungsvorrichtung (22) vorgesehen. Diese Einkoppelvorrichtung (22) umfasst bewegliche optische Komponenten, die eine laterale Verschiebung des Laserstrahlfokus relativ zum Lichtleitkabel (16) ermöglichen. Bei den optischen Elementen kann es sich vorzugsweise um Spiegel und/oder Linsen handeln. Insbesondere ist die Einkoppelvorrichtung (22) dazu eingerichtet, eine Präzisionsausrichtung durch die einstellbaren optischen Bauelemente zu ermöglichen.
-
Das Lichtleitkabel (16) umfasst mindestens einen Sensor (24) zur Auswertung einer Laserstrahlkopplung, wobei der Sensor (24) an der Einkoppelseite des Systems (10), vorzugsweise in räumlicher Nähe zur Lichtleitfaser (14), angeordnet vorliegt. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Einkoppelseite auch als erstes Faserende bezeichnet wird. Mit ihm wird aus der Faser (14) austretendes Streulicht detektiert. Die vom Sensor (24) ermittelten Streulichtdaten werden an eine Regelvorrichtung (18) weitergeleitet, die vorzugsweise dazu eingerichtet ist, die beweglichen optischen Elemente in der Einkoppelvorrichtung (22) zu steuern und zu bewegen. Dies geschieht vorzugsweise in Abhängigkeit und als Reaktion auf die durch den Sensor (24) aufgenommenen Streulichtdaten. Es ist daher im Sinne der Erfindung bevorzugt, die beweglichen optischen Elemente in der Einkoppelvorrichtung (22) als Stellglieder des Regelkreises zu bezeichnen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der Regelkreis die Komponenten Einkoppelvorrichtung (22), Sensor (24) und Regelungsvorrichtung (18) umfasst.
-
Der Anteil des Streulichts an der Laserstrahlung (12) steigt mit höheren Verlusten der Einkopplung und einem höheren Energieanteil, der in andere als die Grundmode der Faser (14) eingekoppelt wird. Diese Daten werden vorzugsweise mit dem Sensor (24) erhoben und an die Regelungsvorrichtung (18) weitergeleitet. Dieser Vorgang wird im Sinne der Erfindung bevorzugt auch als „Rückführung des Sensorsignals“ bezeichnet. Die Streulichtdaten werden in der Regelungsvorrichtung (18) ausgewertet und dazu verwendet, die beweglichen optischen Elemente in der Einkoppelvorrichtung (22) so zu steuern und einzustellen, dass ein minimaler Streulichtanteil detektiert wird.
-
An der Auskoppelseite des Lichtleitkabels (16) kann das System (10) ein weiteres optisches Element (26) umfassen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kollimator handeln. Es kann im Sinne der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der Kollimator als Auskopplungsvorrichtung verwendet wird, um das Laserlicht (12) an Ausgang des Lichtleitkabels (16) aus der Faser (14) auszukoppeln.
-
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Auskoppelseite auch als zweites Faserende bezeichnet wird. Es kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch bevorzugt sein, dass der mindestens eine Sensor (24) oder ein zusätzlicher Sensor (28) an der Auskoppelseite des Lichtleitkabels (16) angeordnet vorliegt und die Laserstrahlparameter auch dort ermittelt und mittels der Regelungsvorrichtung (18) ausgewertet werden, um die Einkopplung des Laserlichts (12) in die Lichtleitfaser (14) zu optimieren. Es ist mit anderen Worten bevorzugt, dass die sensorielle Ermittlung der Streulichtdaten entweder an dem ersten Faserende erfolgt oder an dem zweiten Faserende oder an beiden Faserenden. Dabei ist der mindestens eine Sensor (24) vorzugsweise an der Einkoppelseite des Systems (10) angeordnet und der fakultative zusätzliche Sensor (28) an der Auskoppelseite des Systems (10).
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- System zur Übertragung eines Laserstrahls
- 12
- Laserstrahl/Laserlicht
- 14
- Hohlkernfaser
- 16
- Lichtleitkabel
- 18
- Regelungsvorrichtung
- 20
- Strahlquelle
- 22
- Einkopplungsvorrichtung
- 24
- Sensor
- 26
- optisches Element, hier Kollimator
- 28
- fakultativer zusätzlicher Sensor
