DE102018125237A1

DE102018125237A1 - Ultrakurzpulslaser lichtleitkabel

Info

Publication number: DE102018125237A1
Application number: DE102018125237.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Schwarz; Jeroen Jonkers; Gunnar Köhler
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2019-04-18
Also published as: US20190113679A1; LU100495B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hohlkörper für Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, welches sich durch eine sphärische Form und einer Bohrung zum einsetzten einer Lichtleitfaser auszeichnet. Hohlkörper und Hohlkernfaser lassen sich vor dem Verbinden evakuieren und/oder mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllen. Die beiden Hohlkörper werden gasdicht mit der Lichtleitfaser verbunden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Endkappe als optisches Element für Ultrakurzpuls (UKP) Lichtleitkabel sowie Lichtleitkabel mit entsprechenden Endkappen als optische Elemente und ein Verfahren zu deren Herstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Laserstrahlquellen, welche gepulstes Laserlicht mit Pulsdauern im Bereich von Femtobis Pikosekunden ausstrahlen, werden als Ultrakurzpulslaser (UKP) bezeichnet. Diese ermöglichen Wellenlängen im UV und sogar NIR-Bereich und erlauben Verbreitungsprozesse, die mit konventionellen Werkzeugen nicht möglich sind. Mit der konzentrierten Energie der Laserpulse lassen sich Werkstoffe schnell, präzise und in hoher Stückzahl bearbeiten.
UKP Strahlung wird derzeit als Freistrahl oder in einem evakuierten / gasgefülltem Lichtleitkabel (LLK) übertragen. Neben dem bloßen Strahltransport bietet die Hohlkernfasertechnologie neue Möglichkeiten, um die Pulse anzupassen. Durch gezielte Kontrolle von nichtlinearen Effekten ist es möglich eine Pulskompression zu erreichen. Dabei wird eine Selbstphasenmodulation des Laserpulses innerhalb der Faser induziert. Durch die Steuerung des Gasdrucks innerhalb des Laserlichtkabels kann die resultierende spektrale Verbreiterung und der induzierte Pulschirp genau eingestellt werden und nachfolgend mit einem externen Kompressor komprimiert werden. Es ist somit möglich, die Pulsdauer über einen sehr weiten Bereich von Pulsparametern zu verändern. Kompressionsfaktoren von 3 bis 10 können erreicht werden, sodass ein 1 ps-Puls auf wenige 100 fs komprimiert werden kann.
Ein Nachteil gasgefüllter Lichtleitkabel ist darin zu sehen, dass diese permanent überwacht werden müssen, um die erzielten Strahleigenschaften gewährleisten zu können oder durch Evakuieren oder Befüllen des Lichtleitkabels erst überhaupt erreichen zu können. Das Befüllen einer Hohlkernfaser mit Luft führt zu einer Puls- und Spektralaufweitung, wobei die Ionisationsschwelle gering ist und diese daher nicht für hohe Pulsenergien geeignet sind. Wenn eine Hohlkernfaser mit einem Edelgas gefüllt wird, so führt dies ebenfalls zu einer Puls- und Spektralaufweitung, allerdings mit einer hohen Ionisationsschwelle, welche eine Eignung für hohe Pulsenergien mit sich bringt. Somit ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ein hoher konstruktiver Aufwand bei der Überwachung der Lichtleitkabel gegeben.
Zudem ist dafür Sorge zu tragen, dass diese speziellen Lichtleitkabel auch mit entsprechenden Anschlüssen versehen werden, da Gasdrücke von bis zu 50 bar verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist auch die Sicherheit der Verbindungen von Lichtleitkabeln zu berücksichtigen.
Die französische Patentanmeldung FR 3039289A1 offenbart, dass ein Endstück oder Endkappe mit einem langen optischen Weg zerstört wird, da sich aufgrund der zeitlichen und räumlichen hohen Photonendichte der Ultrakurzpulslaser, der Absorptionsmechanismus transparenter Materialien verändert.
In der veröffentlichten amerikanischen Patentanmeldung US 2009/0188901 A1 werden dünne, plane optische Elemente zum gasdichten Verschluss der Glaskapillare mit einmalig eingestelltem Druck offenbart, womit die Strahlungseigenschaften nicht anpassbar sind.
Aus der DE 102016116409 A1 sind technische Anordnungen bekannt, bei denen die Hohlkernfaser im Stecker endet, welcher wiederum gasdicht abgeschlossen ist. Der Stecker und somit die Hohlkernfaser können evakuiert und mit Gas befüllt werden. Dadurch können die Strahleigenschaften der Faser auch nachträglich verändert werden. Nachteilig daran ist, dass die Druckparameter permanent überprüft und ggf. angepasst werden müssen. Beide Varianten offenbaren die Verwendung konventioneller planer Glassubstrate, die von dem UKP durchstrahlt werden müssen. Eine Durchstrahlung planer Glassubstrate führt jedoch zu einem Öffnungsfehler, der sich bei Durchstrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen besonders nachteilig auswirkt, da es hier zu einer Pulsaufweitung kommt.
Die EP 2 056 144 A1 offenbart die Verwendung massiver Endstücke, die in ihrem optisch wirksamen Bereich eine sphärische Fläche aufweisen um diesen Fehler zu minimieren. Diese Technologie ist jedoch bei UKP Laserstrahlung aufgrund der hohen Energiedichte nicht anwendbar. Hier werden die gleichen Effekte auftreten wie bei dem in der FR 3039289 A1 offenbarten Faserstück; letztlich würde die Absorption das Lichtleitkabel zerstören.
Die EP 2 309 609 A2 beschreibt eine optische Anordnung, bei welcher eine gasgefüllte Hohlkernfaser zwischen optischen Fasern angeordnet ist. Dabei ist der gasgefüllte Teil zwischen die optischen Fasern mit geeigneten Methoden gespleißt, nachdem dieser evakuiert und mit einem gewünschten Gas gefüllt wurde. Die in der EP 2 309 609 A2 beschriebene optische Vorrichtung eignet sich nicht als Lichtleitkabel zur Übertragung hoher Pulsenergien, da der gasgefüllte Teil von nicht gasgefüllten optischen Fasern flankiert wird. Diese würden bei Einkopplung hoher Pulsenergien unmittelbar zerstört werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Endkappe für ein Lichtleitkabel zur Verfügung zu stellen, welches Öffnungsfehler minimiert und für UKP Laserstrahlung Anwendung finden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass durch die sphärisch gekrümmte Endkappe die optimale Einkopplung und/oder Auskopplung ohne Wellenfrontverzerrungen in UKP Lichtleitkabel ermöglicht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Endkappe für Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser zur Verfügung, wobei die zumindest eine Endkappe ein optisches Element ist, mit zumindest einer gekrümmten optischen Oberfläche. Eine optische Oberfläche oder ein optisch wirksamer Bereich bezeichnet eine Fläche, durch die Laserlicht geführt wird.
Es ist in einer weiteren Ausführungsform der Endkappe vorgesehen, dass der Radius der Krümmung aus einer Teilkugel besteht, wobei sich die sphärische Fläche mindestens auf die optisch gekrümmte Oberfläche beschränkt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Endkappe vorgesehen, bei welcher der Radius der Krümmung einer Meniskuslinse entspricht, deren jeweilige Fläche zumindest die gekrümmte optische Oberfläche umfasst.
Es ist erfindungsgemäß weiterhin eine Endkappe vorgesehen, bei dem der Radius der gekrümmten optischen Oberfläche in einem Bereich zwischen 2 mm bis 30cm liegt.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Endkappe kann die Wandstärke der gekrümmten optischen Oberfläche in einem Bereich zwischen 0,3 mm bis 3 mm liegen.
Für die gekrümmte optische Oberfläche der Endkappe ist vorgesehen, dass diese aus einem optisch transparenten Material bestehen kann, wobei das optisch transparente Material Quarzglas sein kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, welches über seinen gesamten Verlauf aus einer Hohlkernfaser besteht und der Hohlkern mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt ist, und die beiden Enden des Lichtleitkabels gasdicht durch eine Endkappe, wie zuvor beschrieben, verschlossen sind.
Für das erfindungsgemäße Lichtleitkabel ist weiter vorgesehen, dass das Ende der Hohlkernfaser im Mittelpunkt des Kreises liegen kann, der durch den Radius der gekrümmten Oberfläche der Endkappe definiert wird oder auf dem Radius des Kreises angeordnet ist zwischen Mittelpunkt des Kreises und dessen Umfang.
Ein erfindungsgemäßes Lichtleitkabel kann Endkappen an beiden Enden mit unterschiedlichen Radien bei den jeweiligen Krümmungen und/oder unterschiedliche Wandstärken der gekrümmten Oberflächen aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Lichtleitkabel kann Endkappen an beiden Enden mit gleichen Radien bei den jeweiligen Krümmungen und/oder unterschiedliche Wandstärken der gekrümmten Oberflächen aufweisen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Endkappen an beiden Enden gleiche Radien bei den jeweiligen Krümmungen aber unterschiedliche Mittelpunkte der gekrümmten Oberflächen aufweisen können, woraus letztlich eine Meniskuslinse resultiert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren für ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, wie zuvor beschrieben, umfassend die Schritte;

a. Bereitstellen einer optischen Hohlkernfaser;
b. Bereitstellen von zwei Endkappen wie zuvor beschrieben für jedes Ende des Lichtleitkabels; und
c. Gasdichtes Verbinden der optischen Elemente mit den Enden einer Hohlkernfaser.

Bei dem Verfahren kann das Ende der Hohlkernfaser im Mittelpunkt des Kreises der gekrümmten Oberfläche der Endkappen angeordnet werden, der durch den Radius der gekrümmten Oberfläche der Endkappe definiert wird oder auf dem Radius des Kreises angeordnet wird zwischen Mittelpunkt des Kreises und dessen Umfang.
Erfindungsgemäß können vor dem Verbinden die Endkappen und die Hohlkernfaser evakuiert und/oder mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin die Verbindung von Endkappen und Hohlkernfaser in einem evakuierten Raum vor.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Endkappe wie zuvor beschrieben und/oder eines Lichtleitkabels wie zuvor beschrieben in der Lasermaterialbearbeitung mit einem Ultrakurzpulslaser vor.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um eine mögliche Ausführungsform handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigt:

1 Darstellung eines sphärischen optischen Elements in der Ein-/Auskoppelebene
2 Darstellung eines optischen Elements bei dem die Ein-/Auskoppelfläche sphärisch ausgeführt ist
3 Darstellung eines optischen Elements bei dem die Ein-/Auskoppelfläche als sphärische Meniskuslinse ausgeführt ist
4 Wellenfrontfehler plane Einkoppelfläche (oben), meniskusförmige Einkoppelfläche (liegt auf der Achse) und sphärische Einkoppelfläche (unten)
5 Wellenfrontfehler plane Einkoppelfläche
6 Wellenfrontfehler sphärische Einkoppelfläche
7 Wellenfrontfehler meniskuslinsenförmige Einkoppelfläche

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser zur Verfügung, welches über seinen gesamten Verlauf aus einer optischen Hohlkernfaser sowie Endkappen als optischen Elementen besteht und der Hohlkern sowie die Endkappen mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt sind, und die beiden Enden des Lichtleitkabels gasdicht durch eine erste und zweite Endkappe verschlossen sind.
Wenn die optimalen Übertragungsbedingungen für Ultrakurzpulslaser bekannt sind, liegt der wesentliche Vorteil der beschriebenen Erfindung darin, dass das Lichtleitkabel nicht permanent evakuiert oder befüllt werden muss. Eine Überwachung des Gasdrucks ist ebenfalls überflüssig. Vielmehr macht sich die Erfindung zunutze, dass sowohl das Medium zur Befüllung der Hohlkernfaser als auch der erforderliche Druck in Bezug zu den gewünschten Übertragungseigenschaften gesetzt werden kann. Dadurch ist es möglich vorkonfigurierte Lichtleitkabel herzustellen, bei denen der konstruktive Aufwand bei deren Verwendung verringert ist.
Sofern der Druck in gasgefüllten Kabeln aus dem Stand der Technik abfällt, kommt es zu einem Abbrennen des Lichtleitkabels, wodurch der Produktionsprozess unterbrochen werden muss, da das Kabel ausgetauscht werden muss. Neben dem Austausch muss ein neues Lichtleitkabel aus dem Stand der Technik aber auch erst einmal wieder evakuiert und gegebenenfalls mit einem Gas neu befüllt werden. Anschließend muss der Druck im Hohlkern der Lichtleitfaser wieder so eingestellt werden, wie es für den jeweiligen Produktionsprozess erforderlich ist. All diese Maßnahmen gehen mit einem langen Produktionsstillstand einher.
Lichtleitkabel gemäß der vorliegenden Erfindung bieten neben der höheren Prozesssicherheit zudem gleiche und konstante Eigenschaften bei der Laserstrahlübertragung. Die Einstellung kann vor dem Einsatz des Lichtleitkabels erfolgen, wodurch der Produktionsprozess von diesem Vorgang unabhängig ist.
Das Risiko von Kontaminationen des Lichtleitkabels während der Überwachung und Kalibrierung während des laufenden Produktionsprozesses wird durch die Verwendung von Kabeln, die unter Reinraumbedingungen vorkonfiguriert werden können, ebenfalls reduziert.
1 zeigt die Verbindung eines in der Ein- und Auskoppelebene sphärischen optischen Elements 1 mit einer Hohlkernfaser 2 als Lichtleitfaser. Die Verbindungsstellen 3 dienen der Abdichtung des Konstrukts.
2 zeigt die Verbindung eines zylindrischen optischen Elements 4 mit sphärischer Ein- und Auskoppelfläche 1 und mit einer Hohlkernfaser 2 als Lichtleitfaser. Die Verbindungsstellen 3 dienen der Abdichtung des Konstrukts.
3 zeigt die Verbindung eines zylindrischen optischen Elements 4 mit sphärischer Ein- und Auskoppelfläche (Meniskuslinse) 5 und mit einer Hohlkernfaser 2 als Lichtleitfaser. Die Verbindungsstellen 3 dienen der Abdichtung des Konstrukts.
Aus den 4-7 ergibt sich, sofern die optimalen Übertragungsbedingungen für Ultrakurzpulslaser bekannt sind, liegt der Vorteil der beschriebenen Erfindung darin, dass durch die spezielle Formgebung der Endkappe die Wellenfrontverzerrungen ca. um den Faktor 70 minimiert werden kann, wodurch die Abbildungseigenschaften verbessert werden und die Pulsaufweitung minimiert wird, verglichen mit einem Plansubstrat. Dies wird anhand der beigefügten Simulation in den 5-7 deutlich.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung liegt darin, dass das Lichtleitkabel nicht permanent evakuiert oder befüllt werden muss, was eine dauerhafte effiziente Nutzung ermöglicht. Eine Überwachung des Gasdrucks ist ebenfalls überflüssig. Vielmehr macht sich die Erfindung zunutze, dass sowohl das Medium zur Befüllung der Hohlkernfaser als auch der erforderliche Druck in Bezug zu den gewünschten Übertragungseigenschaften gesetzt werden kann. Dadurch ist es möglich vorkonfigurierte Lichtleitkabel herzustellen, bei denen der konstruktive Aufwand bei deren Verwendung verringert ist.
Die Erfindung betrifft ein Hohlkörper für Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, welches sich durch eine sphärische Form und einer Bohrung zum einsetzten einer Lichtleitfaser auszeichnet. Hohlkörper und Hohlkernfaser lassen sich vor dem Verbinden evakuieren und/oder mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllen. Die beiden Hohlkörper werden gasdicht mit der Lichtleitfaser verbunden. Das Verbinden kann in einem evakuierten Raum erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: sphärisches optisches Element, Endkappe
2: Hohlkernfaser
3: Verbindungsstellen
4: zylindrischen optischen Elements
5: Meniskuslinse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

FR 3039289 A1 [0006, 0009]
US 2009/0188901 A1 [0007]
DE 102016116409 A1 [0008]
EP 2056144 A1 [0009]
EP 2309609 A2 [0010]

Claims

Eine Endkappe für Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, wobei die zumindest eine Endkappe ein optisches Element ist, mit zumindest einer gekrümmten optischen Oberfläche.
Die Endkappe nach Anspruch 1, wobei der Radius der Krümmung der gekrümmten optischen Oberfläche aus einer Teilkugel besteht, wobei sich die sphärische Fläche mindestens auf die gekrümmte optische Oberfläche beschränkt.
Die Endkappe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Radius der Krümmung einer Meniskuslinse entspricht, deren jeweilige Fläche zumindest die gekrümmte optische Oberfläche umfasst.
Die Endkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei er Radius der gekrümmten optischen Oberfläche in einem Bereich zwischen 2 mm bis 30 cm liegt.
Die Endkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wandstärke der gekrümmten optischen Oberfläche in einem Bereich zwischen 0,3 mm bis 3 mm liegt.
Die Endkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die gekrümmte optische Oberfläche des optischen Elements aus einem optisch transparenten Material besteht.
Die Endkappe nach Anspruch 6, wobei das optisch transparente Material Quarzglas ist.
Ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, welches über seinen gesamten Verlauf aus einer Hohlkernfaser besteht und der Hohlkern mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt ist, und die beiden Enden des Lichtleitkabels gasdicht durch eine Endkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verschlossen sind.
Das Lichtleitkabel nach Anspruch 8, wobei das Ende der Hohlkernfaser im Mittelpunkt des Kreises angeordnet ist, der durch den Radius der gekrümmten optischen Oberfläche der Endkappe definiert wird oder auf dem Radius des Kreises angeordnet ist zwischen Mittelpunkt des Kreises und dessen Umfang.
Das Lichtleitkabel nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Endkappen an beiden Enden unterschiedliche Radien bei den jeweiligen Krümmungen und/oder unterschiedliche Wandstärken der gekrümmten optischen Oberflächen aufweisen.
Das Lichtleitkabel nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Endkappen an beiden Enden gleiche Radien bei den jeweiligen Krümmungen und/oder unterschiedliche Wandstärken der gekrümmten optischen Oberflächen aufweisen.
Das Lichtleitkabel nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Endkappen an beiden Enden gleiche Radien bei den jeweiligen Krümmungen und unterschiedliche Mittelpunkte der gekrümmten Oberflächen aufweisen.
Ein Herstellungsverfahren für ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, umfassend die Schritte; a. Bereitstellen einer optischen Hohlkernfaser; b. Bereitstellen eines ersten und zweiten optischen Elements in Form einer Endkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und c. Gasdichtes Verbinden der Endkappen mit den Enden der optischen Hohlkernfaser.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ende der optischen Hohlkernfaser im Mittelpunkt des Kreises angeordnet wird, der durch den Radius der gekrümmten Oberfläche der Endkappe definiert wird oder auf dem Radius des Kreises angeordnet wird zwischen Mittelpunkt des Kreises und dessen Umfang.
Ein Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei vor dem Verbinden die Endkappen und die optische Hohlkernfaser evakuiert und/oder mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt werden.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Verbindung von Endkappen und Hohlkernfaser in einem evakuierten Raum erfolgt.
Die Verwendung einer Endkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Lichtleitkabels nach einem der Ansprüche 8 bis 12 in der Lasermaterialbearbeitung mit einem Ultrakurzpulslaser.