DE102019127422A1

DE102019127422A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Hohlkernlichtleitfaser

Info

Publication number: DE102019127422A1
Application number: DE102019127422.2A
Authority: DE
Inventors: Aleksander Budnicki; Stefan Baumbach
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-04-15
Also published as: CN114556176A; US20220229248A1; EP4042214A1; WO2021069716A1

Abstract

Eine Vorrichtung (11) zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, umfasst eine Pulsdauereinstellvorrichtung (13), eine Hohlkernlichtleitfaser (1) und eine Fasereinkopplungsvorrichtung (17). Die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) ist zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer (Δt_t) der Laserstrahlung ausgebildet. Die Hohlkernlichtleitfaser (1) weist einen von Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) auf, wobei die Hohlkernlichtleitfaser (1) Laserpulse (3B), die an einem ersten Faserende (1A) eingekoppelt werden, im hohlen Kern (4A) zu einem zweiten Faserende (1B) transportiert und dort ausgibt. Ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfaser (1) mit am ersten Faserende (1A) vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten (X, α), die in einem Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) liegen, ist vorgesehen. Die Fasereinkopplungsvorrichtung (17) ist dazu eingerichtet, die auf die Transportpulsdauer (Δt_t) eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfaser (1) mit Strahlverlaufsparameterwerten (X, α) einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) liegen. Die Transportpulsdauer (Δt_t) ist derart eingestellt, dass für alle Strahlverlaufsparameterwerte (X, α) im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern (4A) gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur (37) der Hohlkernlichtleitfaser (1) erhalten bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von Hochleistungslaserpulsen mit einer Hohlkernlichtleitfaser. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Transport von Hochleistungslaserpulsen mit einer Hohlkernlichtleitfaser.
Die Führung von Laserstrahlung kann in konventionellen Glasfasern wie Stufen-Index-Vollkern-Glasfasern durch eine mögliche Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Fasermaterial beeinflusst werden. Insbesondere begrenzt eine durch die Wechselwirkung hervorgerufene Beschädigung des Fasermaterials die maximal transportierbare Pulsenergie und Pulsleistung, sodass der Einsatz von Vollkernfasern bei hochintensiver Laserstrahlung, insbesondere bei Hochleistungslaserpulsen, nicht möglich ist. Unter Hochleistungslaserpulsen werden hierin sogenannte ultra-kurze Pulse mit Pulsdauern im Bereich von wenigen Femtosekunden (fs) bis zu einigen hundert Pikosekunden (ps) und mit Pulsenergien im Bereich von Mikrojoule (µJ) bis Millijoule (mJ) verstanden.
Eine Wechselwirkung mit dem Material einer Faser, die eine Beschädigung der Faser hervorrufen kann, lässt sich mit Lichtleitfasern vermeiden oder zumindest reduzieren, die einen hohlen Faserkern aufweisen, in dem sich die hochintensive Laserstrahlung ausbreitet. Entsprechend sind Fasern mit einem Hohlkern (hollow core fiber) und insbesondere auch photonische Kristallfasern mit Hohlkern (hollow core photonic crystal fiber, HCPCF) für den Transport von Hochleistungslaserpulsen geeignet. Derartige Fasern weisen lichtleitende Bereiche auf, in denen Laserpulse mit Pulsdauern im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich transportiert werden können. In den lichtleitenden Bereichen liegen die Spitzenintensitäten nicht im Material der Faser, sondern in Bereichen, die im Wesentlichen festkörperfrei sind, vor. Ein Befüllen des Hohlkerns mit z. B. Luft oder Stickstoff oder ein Evakuieren kann es ferner erlauben, die optischen Eigenschaften einer Faser, beispielsweise deren Nichtlinearität anzupassen.
Die nachfolgend beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere den Transport von Laserpulsen mit Hohlkernlichtleitfasern (hierin auch als Hohlkernfaser oder kurz Hohlfaser bezeichnet) wie den HCPCFs. Bei einer HCPF wird der hohle, die Laserstrahlung führende Kern von einer photonischen „Kristall“-Struktur umgeben. Die photonische Struktur ist derart ausgelegt, dass ein Koppeln des Lichts vom Hohlkern in die photonische Struktur optisch unterdrückt oder nicht möglich ist, sodass die Laserstrahlung im hohlen Kern „gefangen“ bleibt. Diese Art der Lichtführung je nach Fasertyp ist auch unter den Bezeichnungen „photonic-band-gapguiding“ oder „inhibited-coupling“ oder „anti-resonant-guiding“ bekannt.
Den Übergang zwischen dem Hohlkern und der photonischen Struktur bildet eine (innerste) Kernwandstruktur. Wird Laserstrahlung in die Hohlkernfaser eingekoppelt, liegt üblicherweise während des Transports im Bereich der Kernwandstruktur nur eine geringe Intensität vor, der Hauptanteil der Leistung wird durch die Auslegung der Faser im Zentrum des Hohlkerns gehalten.
Allgemein ist es für eine gute Effizienz der Lichtführung mit einer Faser wichtig, die einzukoppelnde Laserstrahlung in den Strahlausbreitungsparametern wie Spotgröße und Divergenz an die Faserparameter anzupassen.
Zusätzlich ist die relative Lage des Strahlengangs bezüglich des Faserendes, in das eingekoppelt wird, wichtig. D. h., der Strahlengang der Laserstrahlung ist für eine gute Einkopplung in eine Hohlkernfaser im Ort (Strahlmittenposition) und Einfallswinkel (hierin auch als Strahlverlaufsparameter bezeichnet) bezüglich des Faserendes an den nachfolgenden Verlauf des lichtleitenden Bereichs der Faser anzupassen. Strahlmittenposition und Einfallswinkel werden hierin auch als Strahlverlaufsparameter bezeichnet.
Für die Einkopplung ergibt sich für Lichtleitfasern ein sogenannter Toleranzbereich für die Strahlverlaufsparameter. Der Toleranzbereich bezieht sich auf die Lager der Strahlmitte und den Einfallswinkel der einfallenden Laserstrahlung und gibt einen Orts- und Einfallswinkelbereich an, in dem ein fokussierter Laserstrahl auf die Faser einfallen darf, ohne dass die Faser Schaden nimmt. Orts- und Einfallswinkelbereiche liegen z. B. je nach Fasertyp im Bereich von ±5 bis ±10 % des Modenfelddurchmessers und im Bereich von ± 5 bis ± 10 % der Strahldivergenz.
Üblicherweise wird eine Fasereinkopplungsvorrichtung verwendet, um die für die Einkopplung benötigte korrekte Justage des Strahlengangs einzustellen. Die Justage betrifft beispielsweise die Positionierung einer Einkoppellinse bezüglich des lichtleitenden Bereichs. So kann eine Dejustage der Einkoppellinse hinsichtlich des lichtleitenden Bereichs die Einkopplungseffizienz verschlechtern. Während des Betriebs ist der Strahlengang (Strahlmitte und Einfallswinkel) bezüglich des Faserendes möglichst stationär zu halten; d. h., die Strahlverlaufsparameter im Bereich der Einkopplung sollen innerhalb des Toleranzbereichs liegen.
Nach dem Transport der Laserstrahlung mit der Faser wird die aus der Faser austretende Laserstrahlung mit einer Faserauskopplungsvorrichtung den nachfolgenden optischen Komponenten zugeführt.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transport von Hochleistungslaserpulsen mit einer Hohlkernfaser unter Wahrung eines ausreichenden Toleranzfensters hinsichtlich der Einkopplung der Laserstrahlung in die Hohlkernfaser zu ermöglichen.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Transportieren von gepulster Laserstrahlung mit einer Hohlkernlichtleitfaser nach Anspruch 10. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist eine Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, auf:

eine Pulsdauereinstellvorrichtung, die zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer der Laserstrahlung ausgebildet ist,
eine Hohlkernlichtleitfaser, die einen von Material umgebenen hohlen Kern aufweist, wobei die Hohlkernlichtleitfaser Laserpulse, die an einem ersten Faserende eingekoppelt werden, im hohlen Kern zu einem zweiten Faserende transportiert und dort ausgibt, und wobei ferner ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfaser mit am ersten Faserende vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten, die in einem Soll-Toleranzbereich liegen, vorgesehen ist, und
eine Fasereinkopplungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die auf die Transportpulsdauer eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfaser mit Strahlverlaufsparameterwerten einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich liegen.

Dabei ist die Transportpulsdauer derart eingestellt, dass für (alle) Strahlverlaufsparameterwerte im Soll-Toleranzbereich eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkernlichtleitfaser erhalten bleibt.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein System zum Bereitstellen von hochintensiven Laserpulsen für die Materialbearbeitung eines Werkstücks eine Laserpulsquelle, die dazu eingerichtet ist, Laserpulse mit einer spektralen Breite und einer für die Materialbearbeitung benötigten Pulsenergie als gepulste Laserstrahlung auszugeben, eine wie zuvor beschriebene Vorrichtung zum Transport der gepulsten Laserstrahlung mit einer Hohlkernlichtleitfaser und einer Pulsdauereinstellvorrichtung und einen Laserbearbeitungskopf, der Laserpulse, die aus der Hohlkernlichtleitfaser austreten, zur Materialbearbeitung auf das Werkstück fokussiert. In einigen Ausführungsformen kann die Pulsdauereinstellvorrichtung der Vorrichtung zum Transport der gepulsten Laserstrahlung als separate der Hohlkernfaser zugeordnete Komponente oder als Teil der Laserpulsquelle (eine dort angeordnete Pulsdauerstreckvorrichtung oder (nicht maximal komprimierende) Pulsdauerkompressionsvorrichtung) ausgebildet sein.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Transportieren von gepulster Laserstrahlung einer Laserpulsquelle mit einer Hohlkernlichtleitfaser, die einen von einem Material umgebenen hohlen Kern aufweist, wobei die Hohlkernlichtleitfaser dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung im hohlen Kern von einem ersten Faserende zu einem zweiten Faserende zu transportieren, die Schritte:

Erzeugen der gepulsten Laserstrahlung, die Laserpulse mit einer Anfangspulsdauer umfasst,
Einstellen einer Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung, die am ersten Faserende vorliegt, und
Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in die Hohlkernlichtleitfaser,
wobei die Spitzenleistung durch Verlängern der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer auf eine Transportpulsdauer oder durch nicht-maximale Kompression der Laserpulse derart eingestellt wird, dass für Strahlverlaufsparameterwerte am ersten Faserende, die in einem für einen Betrieb der Hohlkernlichtleitfaser vorgesehenen Soll-Toleranzbereich liegen, eine Einkopplung von Laserpulsen mit der Transportpulsdauer in den hohlen Kern erfolgt, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkernlichtleitfaser erhalten wird.

In einigen Weiterbildungen der Vorrichtung kann der Soll-Toleranzbereich durch im Betrieb zu tolerierende Schwankungen von Strahlparametern der gepulsten Laserstrahlung gegeben sein. Ferner kann der Hohlkernlichtleitfaser im Soll-Toleranzbereich eine maximale Pulsspitzenleistung zuordbar sein, oberhalb der eine Einkopplung ohne Beschädigung der Hohlkernlichtleitfaser nicht über den gesamten Soll-Toleranzbereich gegeben ist. Entsprechend ist die Transportpulsdauer der Laserstrahlung derart am ersten Faserende eingestellt ist, dass eine Spitzenleistung der Laserstrahlung am ersten Faserende kleiner oder gleich der maximalen Pulsspitzenleistung ist.
In einigen Weiterbildungen kann die Hohlkernlichtleitfaser Strukturelemente, insbesondere eine Glasstruktur oder eine photonische Kristallstruktur, aufweisen, die eine den Hohlkern umgebende innere Kernwand ausbilden. Die Pulsdauereinstellvorrichtung und die Fasereinkopplungsvorrichtung können derart eingerichtet sein, dass ein räumlicher Überlapp einer Intensitätsverteilung der Laserstrahlung mit den Strukturelementen bei Strahlverlaufsparameterwerten innerhalb des Toleranzbereichs, und insbesondere an Grenzwerten des Soll-Toleranzbereichs, derart ist, dass eine im Bereich der Strukturelemente vorliegende Intensität unterhalb einer Zerstörschwellenintensität der Kernwand liegt.
In einigen Weiterbildungen kann die Pulsdauereinstellvorrichtung als Pulsdauerstreckvorrichtung dazu eingerichtet sein, Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung, die eine Anfangspulsdauer aufweisen, durch mindestens ein optisches Element um einen Streckungsfaktor auf die Transportpulsdauer zu verlängern und als zeitlich gestreckte Laserpulse auszugeben.
Optional kann die Pulsdauereinstellvorrichtung, in Transmission oder in Reflexion verwendet, ein Diffraktionsgitter, ein Volumen-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Gitterprisma und/oder einen dispersive Spiegel umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Transportpulsdauer mit der Pulsdauereinstellvorrichtung derart eingestellt sein, dass hinsichtlich des Materials der Hohlkernlichtleitfaser eine beschädigungsfreie Einkopplung in die Hohlkernlichtleitfaser im Soll-Toleranzbereich erfolgt.
Alternativ oder ergänzend kann die als Pulsdauerstreckvorrichtung ausgeführte Pulsdauereinstellvorrichtung dazu eingerichtet sein, eine Anfangspulsdauer im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder mindestens 100, auf die Transportpulsdauer zu verlängern.
In einigen Weiterbildungen kann die Pulsdauereinstellvorrichtung als Pulsdauerkompressionsvorrichtung dazu eingerichtet sein, Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung in der Pulsdauer (nur) auf die Transportpulsdauer zu komprimieren.
In einigen Ausführungsformen können Strahlparameter der gepulsten Laserstrahlung Parameter der folgenden Gruppen umfassen:

- Strahlausbreitungsparameter umfassend Modenfelddurchmesser, Öffnungswinkel und Strahlgütewert,
- Pulsparameter umfassend Pulsenergie, Pulsdauer und Repetitionsrate und
- die Strahlverlaufsparameter, die eine Strahlmittenposition am ersten Faserende und eine Einfallsrichtung der gepulsten Laserstrahlung auf das erste Faserende umfassen.

Dabei kann eine Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung mithilfe der Pulsdauereinstellvorrichtung derart angepasst sein, dass bei festeingestellten Strahlausbreitungsparametern und festeingestellten Pulsparametern eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern mit im Toleranzbereich liegenden Strahlverlaufsparameter beschädigungsfrei durchführbar ist.
In einigen Ausführungsformen des Systems kann der Laserbearbeitungskopf eine Pulsdaueranpassvorrichtung aufweisen, die zum Verkürzen der Transportpulsdauer auf eine Bearbeitungspulsdauer ausgebildet ist. Optional kann er, in Transmission oder in Reflexion verwendet, mindestens ein Diffraktionsgitter, ein Volumen-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Gitterprisma und/oder einen dispersive Spiegel umfassen.
In einigen Ausführungsformen des Systems kann die Vorrichtung zum Transport der gepulsten Laserstrahlung derart eingestellt sein, dass ohne Verlängerung der Anfangspulsdauer die Pulsenergie am ersten Faserende zu einer Spitzenleistung führt, die eine Beschädigung der Hohlkernlichtleitfaser bewirkt.
In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen:

Bestimmen einer maximalen Pulsspitzenleistung für eine Einkopplung mit Strahlverlaufsparameterwerten im gesamten Soll-Toleranzbereich und
Einstellen der Transportpulsdauer derart, dass die Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung, insbesondere der Laserpulse, kleiner oder gleich der maximalen Pulsspitzenleistung ist.

In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der Verlängerung der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer auf die Transportpulsdauer ein Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder 100, zugrunde liegen. Das Einkoppeln der Laserpulse in die Hohlkernlichtleitfaser kann mit einer Fasereinkopplungsvorrichtung erfolgen, die einen Strahlengang für die gepulste Laserstrahlung bereitstellt, der Strahlverlaufsparameterwerte im Soll-Toleranzbereich am ersten Faserende zur beschädigungsfreien Einkopplung in die Hohlkernlichtleitfaser mit der Transportpulsdauer bereitstellt.
In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen:

Auskoppeln der gepulsten Laserstrahlung aus der Hohlkernlichtleitfaser,
Verkürzen der Pulsdauer von Laserpulsen der aus der Hohlkernlichtleitfaser ausgekoppelten gepulsten Laserstrahlung von der Transportpulsdauer auf eine Bearbeitungspulsdauer und
Fokussieren der ausgekoppelten gepulsten Laserstrahlung zum Bereitstellen von hochintensiven Laserpulsen für die Materialbearbeitung eines Werkstücks.

Die eingangs zitierten Voraussetzungen an die Justage des Strahlengangs im Rahmen des Toleranzbereichs treffen auch auf Hohlkernfasern zu. Bei Hohlkernfasern kann ein Driften des Strahlengangs der Laserstrahlung dazu führen, dass Laserstrahlung außerhalb des Hohlkernbereichs auf die photonische Struktur auftrifft und die photonische Struktur somit vermehrt intensiven Bereichen des Laserstrahls ausgesetzt ist. Dadurch kann bei zu hohen Spitzenleistungen eine Beschädigung oder Zerstörung der photonischen Struktur erfolgen. Insbesondere kann ein Bereich der Kernwandstruktur, die für die Lichtleitung wesentlich verantwortlich ist, beschädigt werden, wodurch letztlich die Faser ihre Eignung zum Transport von Laserstrahlung verlieren kann.
Die hierin vorgeschlagenen Konzepte erlauben es hinsichtlich des Einsatzes hochintensiver Laserpulse, größere Toleranzbereiche für die Einkopplung in Holkernfasern und somit robustere Strahlführungssysteme für den industriellen Einsatz bereitzustellen. Durch die erfindungsgemäß beim Einkoppeln in die Hohlkernfaser reduzierte Pulsspitzenleistung wird die Schwelle zur Zerstörung der Hohlkernfaser, insbesondere der photonischen Struktur wie der Kernwandstruktur, durch derartige in der Pulsspitzenleistung reduzierte Laserpulse angehoben. Da so eine Faserzerstörung vermieden oder zumindest in ihrer Häufigkeit reduziert werden kann, können Ausfälle von Systemen, bei denen eine Hohlkernfaser zum Transportieren von hochintensiver gepulster Laserstrahlung eingesetzt wird, und Komponenten von derartigen Systemen reduziert werden.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

1A eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Einkopplung von gepulster Laserstrahlung in eine Hohlkernfaser für Strahlverlaufsparameter im Toleranzbereich;
1B eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Einkopplung von gepulster Laserstrahlung in eine Hohlkernfaser für Strahlverlaufsparameter außerhalb des Toleranzbereichs;
2 eine Skizze zur Verdeutlichung der Verwendung einer Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauereinstellvorrichtung bei der laserbasierten Materialbearbeitung;
3A und 3B Aufsichten auf ein Einkopplungsende einer beispielhaften Hohlkernfaser zur Erläuterung einer Variation eines Strahlverlaufsparameters; und
4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Einstellbarkeit der Strahlintensität, die bei der Einkopplung vorliegt, bei Verwendung einer Pulsdauereinstellvorrichtung.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf Erkenntnissen, die zum Toleranzbereich von Strahlverlaufsparametern bei Hohlkernfasern, die für den Transport von Laserstrahlung eingesetzt werden sollen, gewonnen wurden. So wurde erkannt, dass sich ein Toleranzbereich, in dem Strahldrifts erlaubt sind, wesentlich reduziert, je höher die Spitzenleistung der eingekoppelten zu transportierenden Laserstrahlung ist.
1A verdeutlicht den Einsatz einer Hohlkernfaser 1 (Transportfaser) für den Transport von Hochleistungslaserpulsen 3A. Die Hochleistungslaserpulse 3A werden von einer Laserpulsquelle 3 erzeugt und weisen jeweils eine Anfangspulsdauer Δt auf. Die Hochleistungslaserpulse 3A werden mit einer Fasereinkopplungsvorrichtung, die eine Linse 5A umfasst, auf ein erstes Faserende 1A der Hohlkernfaser 1 fokussiert. Insbesondere überlappt das Strahlprofil der Hochleistungslaserpulse 3A mit einem hohlen Kern 4A der Hohlkernfaser 1, so dass nur ein geringer Intensitätsanteil des Strahlprofils mit dem Material 4B der Hohlkernfaser 1 überlappt, das den holen Kern 4A umgibt. Bei idealer Einkopplung (d.h., es liegt ein minimaler Überlapp des Strahlprofils mit dem Material vor) stellt für feststehende Strahlparameter eine maximale Intensität I_max eine Zerstörschwelle des Fasertyps dar (siehe auch 4).
Liegen, für Intensitäten unterhalb der maximalen Intensität I max, die Strahlverlaufsparameter des Strahlengangs der einfallenden Laserstrahlung in einem aufgrund der hohen Intensitäten oft sehr engen Toleranzbereich, kann die Laserstrahlung im hohlen Kern 4 bis zu einem zweiten Faserende 1B geführt werden. Dort treten die Hochleistungslaserpulse als stark divergierende Laserstrahlung aus. In 1A wird die austretende Laserstrahlung mit einer weiteren Linse 5B kollimiert und beispielsweise als Freistrahl zu einem Laserbearbeitungskopf 7 mit einer Fokussierlinse 7A für die Bearbeitung eines Werkstücks 9 geführt. In 1A ist angedeutet, dass eine Bearbeitungspulsdauer Δt' der aus der Hohlkernfaser 1 austretenden Hochleistungslaserpulse 3A' (im Wesentlichen) der Anfangspulsdauer Δt der eingekoppelt Laserpulse 3A entsprechen kann.
Liegen die Strahlverlaufsparameter der Hochleistungslaserpulse 3A bei der Einkopplung außerhalb des (engen) Toleranzbereichs oder sind die Spitzenintensitäten der Hochleistungslaserpulse 3A zu hoch, können sich Strahlintensitäten im Bereich des Materials 4B (beispielsweise im Bereich einer photonischen Struktur) ergeben, die zu einer Beschädigung des ersten Faserendes 1A führen. Dies gilt offensichtlich ebenso für Intensitäten gleich oder oberhalb der maximalen Intensität I_max. Wird die Hohlkernfaser 1 beschädigt, kann das dazu führen, dass letztendlich keine für eine Bearbeitung des Werkstücks 9 brauchbare Laserstrahlung aus der Hohlkernfaser 1 austritt.
1B verdeutlicht als Beispiel den Fall, in dem die Linse 5A bezüglich des ersten Faserendes 1A dejustiert ist, so dass die Strahlmitte des Strahlprofils der Hochleistungslaserpulse 3A nicht mit dem hohlen Kern 4A zentriert ist und so eine Kernwand 4C der Hohlkernfaser 1 von der eintreffenden Laserstrahlung beispielsweise abgetragen oder thermisch verformt wird.
Eine maximale Zerstörspitzenleistung, ab der eine photonische Struktur zerstört wird, da die maximalen Intensität I_max erreicht wird, und ab der die Hohlkernfaser für jede mögliche Einkopplungssituation für einen zuverlässigen Einsatz für den Transport von Hochleistungslaserpulsen nicht mehr brauchbar ist, wird als Zerstörschwelle bezeichnet. Die Zerstörschwelle und damit auch der hierin betrachtete Toleranzbereich bei der Einkopplung steigen mit der Pulsdauer der einfallenden Laserpulse an, da für eine zerstörende Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Fasermaterial umso mehr Pulsenergie aufzubringen ist, je größer die Pulsdauer ist.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass es für ein bei der industriellen Fertigung vorgesehenes Lasersystem, das eine Hohlkernfaser für den Transport von Hochleistungslaserpulsen einer Laserpulsquelle einsetzt, erforderlich ist, einen ausreichend großen Toleranzbereich (Soll-Toleranzbereich) bei der Einkopplung in die Hohlkernfaser bereitzustellen. In dem Soll-Toleranzbereich soll eine Faserzerstörung bei den im Betrieb möglichen Variationen der Strahlverlaufsparameter (tolerierbare Fehleinkopplungen) im Allgemeinen nicht mehr möglich sein. Der Toleranzbereich wird durch eine Toleranzbereichsschwelle in Form einer (Grenz-) Intensität I_Lim gegeben. Die (Grenz-) Intensität I_Lim liegt so weit unterhalb der maximalen Intensität I_max, d.h. unterhalb der „idealen“ Zerstörschwelle, dass die während des Betriebs möglichen Schwankungen abgedeckt sind. Die bezüglich der Zerstörschwelle abgesenkte Toleranzbereichsschwelle dient dem Schutz der Hohlkernfaser 1. Der Schutz soll insbesondere auch bei Pulsenergien gewährleistet werden, die prinzipiell (bei einer komprimierten Pulsdauer) zu hochintensiven Laserpulsen mit Spitzenintensitäten oberhalb der Zerstörschwelle führen könnten.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass eine Zerstörung der Hohlkernfaser trotz hoher Pulsenergien (die prinzipiell zu Spitzenintensitäten oberhalb der Zerstörschwelle führen könnten) verhindert werden kann, wenn aufgrund einer „langen“ Transportpulsdauer die zu transportierenden Laserpulse in ihrer Wirkung (Intensität) immer unterhalb der Toleranzbereichsschwelle des Fasertyps bleiben. Die Erfinder schlagen entsprechend vor, den Toleranzbereich bei der Einkopplung dadurch mindestens bis zum Soll-Toleranzbereich zu vergrößern, dass die Toleranzbereichsschwelle hinsichtlich der Spitzenintensität/Pulsenergien durch eine Verlängerung der Transportpulsdauer vor der Einkopplung in die Hohlkernfaser nicht überschritten wird.
D. h., wenn Strahlverlaufsparameter bei der Einkopplung in einem gewissen Ausmaß variieren können sollen, kann ein entsprechender Toleranzbereich von Strahlverlaufsparametern bei der Einkopplung vorgesehen werden, indem die Pulsdauer der Laserpulse mithilfe einer Pulsdauereinstellvorrichtung (beispielsweise einer Pulsdauerstreckvorrichtung oder einer nicht maximal komprimierenden Pulsdauerkompressionsvorrichtung) entsprechend eingestellt/verlängert wird. Mit anderen Worten schlagen die Erfinder vor, eine Streckung im Sinne einer separaten Pulsdauerverlängerung oder einer nicht maximal durchgeführten Kompression (Einstellung) der Pulsdauer vor der Einkopplung in eine Hohlkern-Transportfaser vorzunehmen, um eine Reduzierung der (Puls-) Spitzenleistung zu bewirken. Denn, sind die Laserpulse in ihrer Pulsdauer lang genug eingestellt, kann eine Beschädigung von z. B. Kernwandstegen innerhalb eines hinsichtlich der Einkopplung vorgegebenen Toleranzbereichs vermieden oder zumindest reduziert werden. Wird eine Grenze des Toleranzbereichs erreicht, kann eine Nachjustage des Strahlengangs durchgeführt werden, um die gewünschten Transporteigenschaften wiederherzustellen, ohne dass zuvor die Transportfaser beschädigt wurde und möglicherweise sogar ein Fasertausch notwendig geworden wäre.
Das hierin vorgeschlagene Konzept der Streckung der Pulsdauer vor Einkopplung kann auch als „chirped pulse-Transport“ bezeichnet werden. Die Streckung der Pulsdauer ermöglicht den Transport von Laserpulsen, die bereits eine vollständige für die Laserbearbeitung benötigte Pulsenergie aufweisen, jedoch für den Transport in der (Puls-) Spitzenleistung reduziert wurden. Die Streckung (separate Pulsdauerverlängerung oder nicht maximal durchgeführte Kompression) auf die Transportpulsdauer erfolgt in einem Umfang, der gewährleistet, dass die Hohlkernfaser bei Dejustage in einem für die Strahlführung benötigten Toleranzbereich nicht zerstört wird.
Die 2 bis 4 verdeutlichen das erfindungsgemäße Vorgehen beispielhaft.
2 zeigt ein System 10 für die laserbasierte Bearbeitung eines Materials 9. Das System 10 weist eine Laserpulsquelle 3, eine Vorrichtung 11 zum Transport von gepulster Laserstrahlung und einen Laserbearbeitungskopf 21 auf.
Die Laserpulsquelle 3 gibt gepulste Laserstrahlung in Form von Laserpulsen 3A mit einer Anfangspulsdauer Δt aus. Die gepulste Laserstrahlung wird der Vorrichtung 11 zugeführt, die mit einer Hohlkernfaser 1 einen flexiblen Transport der gepulsten Laserstrahlung an den Ort ermöglicht, an dem die Materialbearbeitung erfolgen soll.
Die Vorrichtung 11 zum Transport von gepulster Laserstrahlung umfasst die Hohlkernfaser 1, eine Pulsdauerstreckvorrichtung 13 und eine Fasereinkopplungsvorrichtung 17 sowie optional eine Faserauskopplungsvorrichtung 19.
Ist die Hohlkernfaser 1 als reine Transportfaser ausgelegt, wirkt sie entsprechend nicht auf die transportierte Laserstrahlung ein. Beispielsweise kann eine Selbstphasenmodulation, eine spektrale Verbreiterung oder eine spektrale Verschiebung während des Transports in der als reine Transportfaser eingesetzten Hohlkernfaser 1 vermieden werden. In einigen Ausführungsformen kann der Transport gezielt von einer spektrale Verbreiterung in der Faser begleitet werden, indem der Hohlkern mit einem Gas gefüllt wird; eine derartige Transportfaser kann Teil einer hierin beschriebenen Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung sein, vorausgesetzt die Befüllung mit Gas führt nicht optischen Bedingungen, bei denen die Faser bei der Einkopplung beschädigt wird, und die spektrale Verbreiterung führt nicht zu einer Beschädigung der Faser während des Transports.
Beispielhaft für eine Hohlkernfaser zeigt 3A schematisch eine Aufsicht auf ein Faserende einer Kagome-Faser 31 (als Beispiel einer mikrostrukturierten Glasfaser, auch als photonische Kristallfaser bezeichnet). Das gezeigte Faserende stellt die Faserendfläche bereit, durch die Laserstrahlung in die Kagome-Faser 31 eingekoppelt werden soll.
Man erkennt in der Mitte den lichtführenden Bereich der Kagome-Faser 31, der von der Kagome-Faser 31 als zentraler Hohlkern 33 bereitgestellt wird. Der Hohlkern 33 weist eine im Wesentlichen runde Mündungsöffnung auf, die von einer Lochmantelstruktur 35 umgeben ist. Die Lochmantelstruktur 35 besteht aus Kanälen 37, die den Hohlkern 33 umgeben und ein optisches Führen des Lichts im Hohlkern 33 bewirken. In dieser „photonischen“ Struktur werden die Kanäle 37 durch eine spezifische Anordnung von Wandstegen 37A gebildet.
Die photonische Struktur grenzt den Hohlkern 33 durch die am weitesten innen liegenden Wandabschnitte 39 ab. Die in 3A gezeigten Wandabschnitte 39 bilden eine Kernwand.
Ziel des Transports von Laserstrahlung mit einer Kagome-Faser 31 ist es, Laserstrahlung möglichst verlustarm und möglichst wenig anfällig hinsichtlich Störungen der Transportbedingungen zu führen. In 3A ist eine beispielhafte rotationssymmetrische Intensitätsverteilung 41 (Strahlprofil) eines einfallenden Laserstrahls schematisch angedeutet. Die zum Laserstrahl gehörende Strahlmitte 41A (gegeben durch die maximale Intensität im Zentrum der Intensitätsverteilung) fällt in der dargestellten Situation ideal mit einer Zentralachse 31A der Kagome-Faser 31 zusammen, sodass sich auch in der Kagome-Faser 31 das Strahlprofil der Laserstrahlung mittig im Hohlkern 33 ausbreiten kann.
Wieder bezugnehmend auf 2 ist die Pulsdauerstreckvorrichtung 13 beispielhaft als GitterStrecker mit zwei Gittern 15 dargestellt. Das dispersive Aufspalten und Zusammenführen der die Laserpulse ausbildenden Wellenlängen ist schematisch angedeutet.
Allgemein umfasst die Pulsdauerstreckvorrichtung 13 mindestens ein optisches Element wie ein Diffraktionsgitter, ein Volumen-Bragg-Gitter, ein Prisma und/oder ein Gitterprisma (Grism). Wie in 2 beispielhaft gezeigt können zwei optische Elemente im Strahlengang angeordnet werden, um eine Verlängerung der Pulsdauer der Laserpulse 3A zu bewirken. Eine weitere beispielhafte Pulsdaueranpassvorrichtung, insbesondere ein Kompressor zur Feineinstellung der Pulsdauer, ist in der DE 10 2016 110 947 A1 der Anmelderin offenbart.
In 2 sind Laserpulse 3B gezeigt, die einen Frequenz-Chirp aufweisen und entsprechend zeitlich verlängert mit einer Transportpulsdauer Δt_t aus der Pulsdauerstreckvorrichtung 13 austreten. Die verlängerten Laserpulse 3B werden der Fasereinkopplungsvorrichtung 17 zugeführt.
Die Fasereinkopplungsvorrichtung 17 umfasst beispielsweise eine (Einkoppel-) Linse 5. Die Linse 5 ist derart angeordnet, dass sie die Laserpulse unter einem Einfallswinkel α auf die Faserendfläche der Hohlkernfaser 1 mit einer Strahlmittenposition X im Bereich der Mündungsöffnung des Hohlkerns 4A fokussiert.
2 verdeutlicht schematisch einen Bereich Δα für den Einfallswinkel α und einen Bereich ΔX für die Position X der Strahlmitte. Die Bereiche Δα und ΔX definieren den Toleranzbereich für die Werte der Strahlverlaufsparameter „Einfallswinkel α“ und „Strahlmittenposition X“.
Hierzu verdeutlicht 3B eine Position der Strahlmitte 41A, die um einen Versatz ΔXd bezüglich der Zentralachse 31A der Kagome-Faser 31 verschoben auf das Faserende auftrifft. Gestrichelt ist ein Wechselwirkungsbereich 43 angedeutet, der noch nicht mit der photonischen Struktur 35 wesentlich überlappt (minimale Überlappungsbereiche 45 mit der Kernwand), sodass bei dem Versatz ΔXd noch keine Beschädigung der Hohlkernfaser hervorgerufen wird. Man erkennt, dass der Wechselwirkungsbereich 43 bei einer Vergrößerung des Versatzes über den Versatz ΔXd hinaus mit der photonischen Struktur 35 überlappen würde. D. h., der Versatz ΔXd begrenzt den Toleranzbereich hinsichtlich des Strahlverlaufsparameters „Strahlmittenposition“. Ähnlich kann eine Variation des Einfallwinkels α über den Toleranzbereich Strahlverlaufsparameter „Einfallswinkel“ hinaus eine Wechselwirkung der Laserpulse mit dem Material der Hohlkernfaser 1 hervorrufen.
Die Verlängerung der Pulsdauer wird mithilfe der Pulsdauerstreckvorrichtung 13 erfindungsgemäß derart eingestellt, dass über einen Toleranzbereich der Strahlverlaufsparameter, wie er für den jeweiligen Einsatz einer Hohlkernfaser benötigt wird, eine Beschädigung der Hohlkernfaser nicht eintreten kann.
Wieder bezugnehmend auf 2 ist am Ausgang der Hohlkernfaser 1 die Faserauskopplungsvorrichtung 19 dargestellt, die divergent aus der Hohlkernfaser austretende Laserstrahlung beispielsweise mit einer Linse 5B kollimiert. Da die Hohlkernfaser 1 als Transportfaser ausgelegt ist, weisen die austretenden Laserpulse 3B' am Faserende eine Pulsdauer Δt_t' auf, die im Wesentlichen der Transportpulsdauer Δt_t entspricht. Dies ist der Fall, solange bei der Transportfaser eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der Faser (beispielsweise hinsichtlich nichtlinearer Effekte zur Pulsdauerverkürzung/spektralen Verbreiterung) nicht erfolgt.
Um nach dem Strahltransport eine gewünschte (Puls-) Spitzenleistung mit hochintensiven Laserpulsen zu generieren, können die ausgetretenen Laserpulse 3B' nach der Hohlkernfaser mittels entsprechender Dispersionskompensation in einer Pulsdaueranpassvorrichtung, beispielsweise mit einem Gitter- oder Prismen-Kompressor, zeitlich komprimiert werden. Z. B. kann ein Gitterkompressor am Faserausgang derart eingestellt werden, dass eine gewünschte Bearbeitungspulsdauer und somit die für die Laserbearbeitung benötigte Spitzenleistung nach dem Strahltransport an einem Zielort, z. B. in einem zu bearbeitenden Material eines Werkstücks 9, zur Verfügung steht.
Wie in 2 gezeigt kann der Laserbearbeitungskopf 21 hierzu als Kompressionslaserbearbeitungskopf ausgebildet werden. D. h., der Laserbearbeitungskopf 21 umfasst zusätzlich zur Fokussierlinse 7A eine beispielhaft als Gitter-Kompressor dargestellte Pulsdaueranpassvorrichtung 23. Die Pulsdaueranpassvorrichtung 23 wird derart eingestellt, dass die ihr zugeführten Laserpulse 3B' als komprimierte Laserpulse 3C mit einer Bearbeitungspulsdauer Δt' ausgegeben werden. Die Bearbeitungspulsdauer Δt' entspricht z. B. in etwa der Anfangspulsdauer Δt der Laserpulse 3A. Allgemein ist die Pulsdaueranpassvorrichtung 23 derart einstellbar ausgeführt, dass die Bearbeitungspulsdauern der für die Laserbearbeitung vorgesehenen Laserpulse 3C für den vorgesehenen Bereich von Transportpulsdauern erreicht werden können.
Ferner weisen die komprimierten Laserpulse 3C eine Pulsenergie auf, die - abgesehen von Verlusten in der Pulsdauerstreckvorrichtung 13, der Pulsdaueranpassvorrichtung 23, der Hohlkernfaser 1 und den Ein- und Auskopplungsvorrichtungen 17, 19 - der Pulsenergie der Laserpulse 3A der Laserpulsquelle 3 entspricht.
Mit den komprimierten Laserpulsen 3C kann nun die Laserbearbeitung des Werkstücks 9 vorgenommen werden.
Aufgrund der eingestellten Transportpulsdauer kann während des Betriebs eine Variation der Strahlverlaufsparameter (Strahlmittenposition und Einfallsrichtung) im Rahmen des Soll-Toleranzbereichs ohne Gefährdung der Transportfaser eintreten. Erst wenn die Grenzen des Soll-Toleranzbereichs erreicht bzw. überschritten werden, wird eine erneute Justage/Nachjustage (und/oder unter Umständen eine größere Pulsdauerverlängerung) notwendig. Die Nachjustage kann manuell oder automatisiert vorgenommen werden.
In Zerstörschwellenexperimenten wurde festgestellt, dass bei einer beispielhaft untersuchten Fasergeometrie ein zuverlässiger Transport von Laserpulsen mit einer Spitzenleistung größer 2 GW nicht mehr möglich war. Ein robuster Transport der gleichen Laserpulse konnte jedoch gewährleistet werden, wenn die Laserpulse für die Einkopplung in die Faser zeitlich gestreckt wurden (und entsprechend nach der Faser wieder komprimiert wurden). Beispielsweise führten Hochleistungslaserpulse mit Pulsenergien im Bereich von 100 µJ oder mehr und eine Pulsdauer von einigen hundert Femtosekunden zu Pulsspitzenleistungen, die bei ausreichendem Überlapp mit einem Material der Faser zur Beschädigung der Struktur des Materials führten. Eine Pulsdauerverlängerung (allgemein die Verwendung einer längeren Pulsdauer) erlaubte es, die Beschädigung der Struktur der Faser zu verhindern und so den Transport zu ermöglichen.
Um die benötigte Verlängerung der Pulsdauer, d. h. die Transportpulsdauer, festlegen zu können, kann eine Bestimmung der Zerstörschwelle für das jeweilige Hohlkernfaserdesign (z. B. photonic band gap-, inhibited coupling-, antiresonant-, negative curvature-Hohlkernfasern) wie folgt durchgeführt werden:

1. Laserpulse einer Laserpulsquelle werden mit idealen und stabilen Strahlparametern (insbesondere hinsichtlich Modenfelddurchmesser, Öffnungswinkel, M²-Wert, Stabilität hinsichtlich Lage und Winkel) in die Faser eingekoppelt.
2. Durch eine stufenweise Erhöhung der Spitzenleistung wird eine obere Grenze der Leistung - die maximale Pulsspitzenleistung - ermittelt, bei der das Hohlkernfaserdesign noch in der Lage ist, die Laserpulse zerstörungsfrei zu führen.
3. Bei Verwendung einer Laserpulsquelle mit schwankenden Strahlparametern (z. B. Schwankungen von M²-Werten, Lage- und Winkelstabilität, Pulsstabilität) kann die maximale Pulsspitzenleistung im Wert zusätzlich reduziert werden, um einen zerstörungsfreien Transport zu gewährleisten.
4. Die Reduzierung der Spitzenleistung wird über einen Streckungsfaktor der Laserpulse (zeitliche Verlängerung der Pulsdauer zur Senkung der Spitzenleistung mit einer Pulsdauerstreckvorrichtung oder nicht maximal durchgeführten Kompression mit einer Pulsdauerkompressionsvorrichtung) erreicht.
5. Zusätzlich kann noch ein Sicherheitsfaktor bei dem Streckungsfaktor berücksichtigt werden, um eine robuste und zuverlässige Faserführung zu realisieren.

4 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der Einstellbarkeit der Strahlintensität für zwei Ausgangssituationen (z. B. für Laserpulse aus zwei verschiedenen Laserstrahlquellen). Im Diagramm wird in Abhängigkeit von der Strahlmittenposition (x-Achse) die Intensität im Strukturbereich (I_s-Achse), wie sie in einem hinsichtlich Beschädigung kritischen Teil einer Hohlkernfaser eingebracht wird, aufgetragen. Der kritische Teil wäre bei der in 3A gezeigten Kagome-Faser 31 zum Beispiel durch die dünne Wandstege 37A aus Glas, allgemein durch die verwirklichte photonische Struktur, gegeben.
Ferner ist im Diagramm der 4 eine Zerstörschwellenintensität I_max eingezeichnet. Diese ist spezifisch für die jeweils betrachtete Hohlkernfaser. Liegt die Intensität I_s bei einer optimalen Strahlmittenposition unterhalb der Schwellenintensität I_max, ist ein Transport von gepulster Laserstrahlung ohne Beschädigung der Hohlkernfaser möglich. Ist die Intensität I_s größer oder gleich der Zerstörschwellenintensität I_max, wird die Hohlkernfaser selbst bei idealer Justage beschädigt. Es wird angemerkt, dass sich die Intensität der Laserstrahlung in der Hohlkernfaser als Leistung pro Fläche aus der Pulsspitzenleistung und der Modenfeldfläche der Hohlkernfaser ergibt, da für eine betrachtete Hohlkernfaser die Modenfeldfläche vorgegeben ist und sich nicht ändert. Es wird ferner angemerkt, dass die Modenfeldfläche von Hohlkernfaser zu Hohlkernfaser und insbesondere für verschiedene Fasertypen im Allgemeinen unterschiedlich groß sind.
Ferner ist im Diagramm der 4 eine Toleranzbereichsschwellenintensität I_Lim (kurz Schwellenintensität) eingezeichnet. Diese wird spezifisch für die jeweils betrachtete Hohlkernfaser im Rahmen des angestrebten Betriebs festgelegt. Liegt die Intensität I_s bei einer Strahlmittenposition unterhalb der Toleranzbereichsschwellenintensität I_Lim, ist ein Transport von gepulster Laserstrahlung ohne Beschädigung der Hohlkernfaser möglich. Liegt die Intensität I_s oberhalb der Toleranzbereichsschwellenintensität I_Lim, besteht das Risiko einer Beschädigung der Hohlkernfaser und eine Einkopplung in die Hohlkernfaser ist zu vermeiden.
In 4 sind für den Strahlverlaufsparameter Strahlmitte Toleranzbereiche eingezeichnet, die sich aus den aufgetragenen Intensitätsverläufen und der Schwellenintensität I_Lim ergeben. Erfüllt ein Toleranzbereich das erforderliche Ausmaß, das für den Betrieb des zugehörigen Lasersystems bereitzustellen ist, wurde die Transportpulsdauer ausreichend angepasst.
Allgemein betrachtet beschreibt die x-Achse eine Abweichung von optimalen Einkopplungsbedingungen, die z. B. durch eine Änderung des Modenfelddurchmessers am Fasereingang oder durch ein Wandern der Lage der Strahlmitte (Versatz ΔXd in 3B) weg von der Zentralachse der Faser und/oder durch eine Verkleinerung des Einfallswinkels der zu transportierenden Laserstrahlung entstehen kann. Ein derartiges Driften kann beispielsweise durch Temperaturschwankungen von optischen Elementen verursacht werden. Auf der y-Achse ist die Intensität/Spitzenleistung aufgetragen, die mit dem kritischen Teil der Faser wechselwirkt und die, falls sie oberhalb der Schwellenintensität I_Lim liegt, zur Zerstörung der Faser führen kann und die, falls sie oberhalb der Zerstörschwellenintensität I_max liegt, zur Zerstörung der Faser führt.
Das erste Beispiel (Linie L1) zeigt den Verlauf der Intensität für eingekoppelt Laserpulse, die nicht spezifisch für die Transportfaser in ihrer Pulsdauer eingestellt wurden. Der zugehörige Toleranzbereich AX_L1 mag nicht in jeder Anwendung eines Systems, das die Transportvorrichtung einsetzt, einen robusten Betrieb ermöglichen. Durch Anpassen der Pulsdauer (Verlängerung der Pulsdauer auf eine Transportpulsdauer) kann die Spitzenleistung gesenkt werden. Die Linie L1_t verläuft im Diagramm unterhalb der der Linie L1; d. h., die Spitzenintensitäten wurden abgesenkt und der Toleranzbereich ΔX_L1_t wurde vergrößert, der für die Laserpulse gegeben ist, die zu Intensitäten im kritischen Bereich führen, die kleiner als die Toleranzbereichsschwellenintensität I_Lim sind.
Liegt im ersten Beispiel ein für den Betrieb erforderlicher Soll-Toleranzbereich ΔX_S zwischen dem Toleranzbereichen ΔX_L1_ und dem Toleranzbereich ΔX_L1_t kann durch die Verlängerung der Pulsdauer die Verwendung der Hohlkernfaser zum Transport von gepulster Laserstrahlung ermöglicht werden.
Das zweite Beispiel geht von einer Intensitätsverteilung auf der Transportfaser aus, die keine Einkopplung erlaubt. Linie L2 verläuft aufgrund einer z. B. sehr hohen Pulsenergie durchgehend oberhalb der Zerstörschwellenintensität I_max und damit auch durchgehen auch oberhalb der Toleranzbereichsschwellenintensität I_Lim; d. h., auch bei einer idealen Justage (X=0) würde die Faser beschädigt werden. Erst durch ein erfindungsgemäßes Absenken der Spitzenleistung durch Strecken der Pulsdauer verläuft zumindest ein Teil einer Linie L2_t unter die Toleranzbereichsschwellenintensität I_Lim. Das erfindungsgemäße Absenken der wechselwirkenden Intensität/Leistung ermöglicht so eine Realisierung des Transports der Laserpulse mit der hohen Pulsenergie in einem Toleranzbereich ΔX_L2_t. Auf dieser Weise kann ein an dieses Beispiel angepasster Soll-Toleranzbereich definiert werden, der zum Beispiel dem Toleranzbereich ΔX_L2_t entspricht oder etwas kleiner ist, um weitere Unsicherheiten in den Strahlparametern zu berücksichtigen
Die Pulsdaueranpassvorrichtungen (Pulsdauerstreckvorrichtungen 13 und Kompressorsystem 23) können allgemein in Transmission oder in Reflexion eingesetzte optische Elemente wie Diffraktionsgitter, Volumen-Bragg-Gitter, Prismen und/oder Grisms und/oder dispersive Spiegel wie Gires-Tournois-Interferometer-Spiegel (GTI-Spiegel) einsetzen. Aufeinander abgestimmte Gitterstrecker- und Gitterkompressor-Kombinationen erlauben das Einbringen und Kompensieren von großen Dispersionswerten. Große Dispersionswerte mit entsprechend großer Streckung können bei Laserpulsen mit hoher Leistung/hoher Pulsenergie notwendig werden, wie sie beispielsweise mit einem generativen Verstärkersystem als Laserpulsquellen erzeugt werden können.
Ergänzend wird hinsichtlich 2 erwähnt, dass die Pulsdauereinstellvorrichtung der Vorrichtung 11 auch in der Laserpulsquelle 3 vorgesehen werden kann. In 2 ist schematisch ein Vorrichtung 13' angedeutet, die als Pulsdauerstreckvorrichtung, mit der die Pulsdauer zum einen aktiv verlängert werden kann, oder als Pulsdauerkompressionsvorrichtung, die die Laserpulse nicht maximal komprimiert, ausgebildet sein kann. Die Pulsdauerkompressionsvorrichtung ist entsprechend so eingestellt, dass eine Dispersion der Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung verbleibt, sodass die Laserpulse in der Pulsdauer „nur“ auf die Transportpulsdauer komprimiert werden.
Das erfinderische Konzept zum Transport von Hochleistungslaserpulsen mit einer Hohlkernfaser basiert zusammenfassend auf den folgenden Punkten:

1. Es gibt eine (theoretische) Zerstörschwelle hinsichtlich der vorliegenden Intensitäten/Leistungen, bei der auch bei perfekter Einkopplung die Faser zerstört wird. Die maximale Pulsspitzenleistung, die in einer Hohlkernfaser transportiert werden kann, ist durch den vorhandenen Überlapp des Strahlprofils mit der Faserstruktur bestimmt. Dies gilt für eine perfekt justierte Einkopplung in die Faser und kommt bei Dejustagen noch stärker zu tragen. Die maximal transportierbare/einkoppelbare Spitzenleistung ist dadurch endlich.
2. Es gibt einen Toleranzbereich für die Einkopplung von Laserstrahlung in eine Hohlkernfaser. Dieser ist von der Pulsspitzenleistung abhängig, muss aber für einen zuverlässigen Betrieb eine gewisse Größe aufweisen (Soll-Toleranzbereich).
3. Eine Einkopplung muss im Betrieb immer unter einer maximalen Spitzenleistung (gegeben durch die Toleranzbereichsschwellenintensität) bleiben, die der Faser zugeordnet ist. Bei dem Transport von Laserpulsen, die zu höheren Pulsspitzenleistungen führen könnten, wird bei der Einkopplung ein definierter Streckungsfaktor für die Pulsdauer umgesetzt.

Zusammenfassend unterscheiden sich die hierin offenbarten Systeme von bekannten Transportsystemen darin, dass der Toleranzbereich für die Einkopplung von Laserstrahlung in eine Hohlfaser erhöht wird, indem die Laserpulse einen gewissen Streckungsfaktor vor der Einkopplung erfahren. Der Streckungsfaktor ist dabei von der Transportfaser und der Pulsspitzenleistung abhängig. Beispielsweise kann eine Anfangspulsdauer Δt im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Streckungsfaktor von mindestens 1,5 auf die Transportpulsdauer Δt_t verlängert werden; beispielhafte Streckungsfaktoren liegen im Bereich von 1,5 bis einige 100, beispielsweise sind Streckungsfaktoren größer oder gleich 2, 10, oder 100. Bevorzugt werden sie so klein wie möglich gehalten (z. B. kleiner 100), um nicht unnötig Dispersionskorrekturen vornehmen zu müssen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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

DE 102016110947 A1 [0054]

Claims

Vorrichtung (11) zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, mit: einer Pulsdauereinstellvorrichtung (13), die zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer (Δt_t) der Laserstrahlung ausgebildet ist, einer Hohlkernlichtleitfaser (1), die einen von Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) aufweist, wobei - die Hohlkernlichtleitfaser (1) Laserpulse (3B), die an einem ersten Faserende (1A) eingekoppelt werden, im hohlen Kern (4A) zu einem zweiten Faserende (1B) transportiert und dort ausgibt, und - ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfaser (1) mit am ersten Faserende (1A) vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten (X, α), die in einem Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) liegen, vorgesehen ist, und einer Fasereinkopplungsvorrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, die auf die Transportpulsdauer (Δt_t) eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfaser (1) mit Strahlverlaufsparameterwerten (X, α) einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) liegen, wobei die Transportpulsdauer (Δt_t) derart eingestellt ist, dass für alle Strahlverlaufsparameterwerte (X, α) im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern (4A) gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur (37) der Hohlkernlichtleitfaser (1) erhalten bleibt.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 1, wobei der Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) durch im Betrieb zu tolerierende Schwankungen von Strahlparametern der gepulsten Laserstrahlung gegeben ist, der Hohlkernlichtleitfaser (1) im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) eine maximale Pulsspitzenleistung zuordbar ist, oberhalb der eine Einkopplung ohne Beschädigung der Hohlkernlichtleitfaser (1) nicht über den gesamten Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) gegeben ist, und die Transportpulsdauer (Δt_t) der Laserstrahlung derart am ersten Faserende (1A) eingestellt ist, dass eine Spitzenleistung der Laserstrahlung am ersten Faserende (1A) kleiner oder gleich der maximalen Pulsspitzenleistung ist.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hohlkernlichtleitfaser (1) Strukturelemente, insbesondere eine Glasstruktur oder eine photonische Kristallstruktur (37), aufweist, die eine den Hohlkern (4A) umgebende innere Kernwand ausbilden, und die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) und die Fasereinkopplungsvorrichtung (17) derart eingerichtet sind, dass ein räumlicher Überlapp einer Intensitätsverteilung (41) der Laserstrahlung mit den Strukturelementen bei Strahlverlaufsparameterwerten (X, α) innerhalb des Toleranzbereichs (ΔX_S), und insbesondere an Grenzwerten des Soll-Toleranzbereichs (ΔX_S), derart ist, dass eine im Bereich der Strukturelemente vorliegende Intensität (I_s) unterhalb einer Zerstörschwellenintensität (Imax) der Kernwand liegt.
Vorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) als Pulsdauerstreckvorrichtung dazu eingerichtet ist, Laserpulse (3A) der gepulsten Laserstrahlung, die eine Anfangspulsdauer (Δt) aufweisen, durch mindestens ein optisches Element (15) um einen Streckungsfaktor auf die Transportpulsdauer (Δt_t) zu verlängern und als zeitlich gestreckte Laserpulse (3B) auszugeben, und wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung optional dazu eingerichtet ist, eine Anfangspulsdauer (Δt) im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder mindestens 100, auf die Transportpulsdauer (Δt_t) zu verlängern.
Vorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) als Pulsdauerkompressionsvorrichtung dazu eingerichtet ist, Laserpulse (3A) der gepulsten Laserstrahlung in der Pulsdauer auf die Transportpulsdauer (Δt_t) zu komprimieren.
Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Transportpulsdauer (Δt_t) mit der Pulsdauereinstellvorrichtung (13) derart eingestellt ist, dass hinsichtlich des Materials (4B) der Hohlkernlichtleitfaser (1) eine beschädigungsfreie Einkopplung in die Hohlkernlichtleitfaser (1) im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) erfolgt, und wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) optional, in Transmission oder in Reflexion verwendet, ein Diffraktionsgitter, ein Volumen-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Gitterprisma und/oder einen dispersiven Spiegel umfasst.
Vorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Strahlparameter der gepulsten Laserstrahlung Parameter der folgenden Gruppen umfassen: - Strahlausbreitungsparameter umfassend Modenfelddurchmesser, Öffnungswinkel und Strahlgütewert, - Pulsparameter umfassend Pulsenergie, Pulsdauer und Repetitionsrate und - die Strahlverlaufsparameter, die eine Strahlmittenposition (X) am ersten Faserende (1A) und eine Einfallsrichtung (a) der gepulsten Laserstrahlung auf das erste Faserende (1A) umfassen, und wobei eine Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung mithilfe der Pulsdauereinstellvorrichtung (13) derart angepasst ist, dass bei festeingestellten Strahlausbreitungsparametern und festeingestellten Pulsparametern eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern (4A) mit im Toleranzbereich (ΔX_S) liegenden Strahlverlaufsparameter beschädigungsfrei durchführbar ist.
System (10) zum Bereitstellen von hochintensiven Laserpulsen für die Materialbearbeitung eines Werkstücks (9) mit: einer Laserpulsquelle (3), die dazu eingerichtet ist, Laserpulse (3A) mit einer spektralen Breite und einer für die Materialbearbeitung benötigten Pulsenergie als gepulste Laserstrahlung auszugeben, einer Vorrichtung (11) zum Transport der gepulsten Laserstrahlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Hohlkernlichtleitfaser (1) und einer Pulsdauereinstellvorrichtung (13) und einem Laserbearbeitungskopf (21), der Laserpulse (3B'), die aus der Hohlkernlichtleitfaser (1) austreten, zur Materialbearbeitung auf das Werkstück (9) fokussiert.
System (10) nach Anspruch 8, wobei der Laserbearbeitungskopf (21) eine Pulsdaueranpassvorrichtung (23) aufweist, die zum Verkürzen der Transportpulsdauer (Δt_t) auf eine Bearbeitungspulsdauer (Δt') ausgebildet ist und optional, in Transmission oder in Reflexion verwendet, mindestens ein Diffraktionsgitter, ein Volumen-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Gitterprisma und/oder einen dispersiven Spiegel umfasst.
System (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Vorrichtung (11) zum Transport der gepulsten Laserstrahlung derart eingestellt ist, dass ohne Verlängerung der Anfangspulsdauer (Δt) die Pulsenergie am ersten Faserende (1A) zu einer Spitzenleistung führt, die eine Beschädigung der Hohlkernlichtleitfaser (1) bewirkt.
Verfahren zum Transportieren von gepulster Laserstrahlung einer Laserpulsquelle (3) mit einer Hohlkernlichtleitfaser (1), die einen von einem Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) aufweist, wobei die Hohlkernlichtleitfaser (1) dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung im hohlen Kern (4A) von einem ersten Faserende (1A) zu einem zweiten Faserende (1B) zu transportieren, mit den Schritten: Erzeugen der gepulsten Laserstrahlung, die Laserpulse (3A) mit einer Anfangspulsdauer (Δt) umfasst, Einstellen einer Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung, die am ersten Faserende (1A) vorliegt, und Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in die Hohlkernlichtleitfaser (1), wobei die Spitzenleistung durch Verlängern der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer (Δt) auf eine Transportpulsdauer (Δt_t) oder durch nicht-maximale Kompression derart eingestellt wird, dass für Strahlverlaufsparameterwerte (X, α) am ersten Faserende (1A), die in einem für einen Betrieb der Hohlkernlichtleitfaser (1) vorgesehenen Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) liegen, eine Einkopplung von Laserpulsen (3B) mit der Transportpulsdauer (Δt_t) in den hohlen Kern (4A) erfolgt, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkernlichtleitfaser (1) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit: Bestimmen einer maximalen Pulsspitzenleistung für eine Einkopplung mit Strahlverlaufsparameterwerten (X, α) im gesamten Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) und Einstellen der Transportpulsdauer (Δt_t) derart, dass die Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung, insbesondere der Laserpulse (3B), kleiner oder gleich der maximalen Pulsspitzenleistung ist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Verlängerung der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer (Δt) auf die Transportpulsdauer (Δt_t) ein Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder 100, zugrunde liegt, und/oder das Einkoppeln der Laserpulse (3B) in die Hohlkernlichtleitfaser mit einer Fasereinkopplungsvorrichtung (17) erfolgt, die einen Strahlengang für die gepulste Laserstrahlung bereitstellt, der Strahlverlaufsparameterwerte (X, α) im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) am ersten Faserende (1A) zur beschädigungsfreien Einkopplung in die Hohlkernlichtleitfaser (1) mit der Transportpulsdauer (Δt_t) bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner mit: Auskoppeln der gepulsten Laserstrahlung aus der Hohlkernlichtleitfaser (1), Verkürzen der Pulsdauer von Laserpulsen (3B') der aus der Hohlkernlichtleitfaser (1) ausgekoppelten gepulsten Laserstrahlung von der Transportpulsdauer (Δt_t) auf eine Bearbeitungspulsdauer (Δt') und Fokussieren der ausgekoppelten gepulsten Laserstrahlung zum Bereitstellen von hochintensiven Laserpulsen (3C) für die Materialbearbeitung eines Werkstücks (9).