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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Kombinieren einer geführten Laserstrahlung in mehrfach ummantelten Lichtwellenleitern, um die optischen Eigenschaften (zum Beispiel die transversalen Modi und/oder die numerische Apertur) eines durch den Lichtwellenleiter fortgepflanzten Laserstrahls für die Erzeugung von verschiedenen Energieverteilungen in dem Fokus einer Linse zu variieren.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen können für Hochleistungslaser angewendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei der verschiedene Prozesse und Anwendungen umfassenden Bearbeitung von Materialien unter Verwendung von Laserstrahlen, kann es sich als nützlich herausstellen, wenn Laserstrahlen mit Eigenschaften verwendet werden können, die für den Anwendungskontext und für spezifische Prozesse angepasst werden können.
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In bekannten Techniken für das Anpassen der oben genannten Parameter des Fortpflanzungsprofils des Lasers werden mehrfach ummantelte Lichtwellenleiter verwendet, die wenigstens einen Kern und wenigstens einen inneren Mantel und einen äußeren Mantel für das Führen (d.h. Fortpflanzen) des darin geleiteten Lichts umfassen.
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Allgemein sind Methoden für das Erzeugen eines Laserstrahls mit verschiedenen Eigenschaften des Wellenfrontprofils bekannt, in denen ein Laserstrahl in ein Ende einer mehrfach ummantelten Aktivfaser und insbesondere eines doppelt ummantelten Lichtwellenleiters eingeführt wird und an dem anderen Ende des mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters emittiert wird, um verschiedene Eigenschaften des Profils des ausgegebenen Laserstrahls zu erzeugen, wobei der eingegebene Laserstrahl in den Kern des mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters oder in einen Mantel des mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters eingeführt wird. Diese Methode wird gewöhnlich an den Ausgabelichtwellenleitern eines Lasergenerators und damit an Lichtwellenleitern, die die gesamte Leistung des Lasers führen, verwendet, woraus sich entsprechende Beschränkungen für die Verwendung von Hochleistungslasern ergeben.
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Eine derartige Lösung kann unter Verwendung von optischen Komponenten erhalten werden, die den Laserstrahl in den Kern oder in die Mantelschicht richten. Insbesondere wurde diese Lösung zu Beginn mit Lasern, die Strahlen im Raum kombinieren, wie zum Beispiel Scheibenlasern verwendet, bei denen die Verwendung der oben genannten optischen Einrichtungen einfacher ist.
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Für Faserlaser, in denen keine Freiraum-Fortpflanzungselemente vorgesehen sind und die Fortpflanzung des Strahls vollständig innerhalb eines Lichtwellenleiters erfolgt, muss für die Verwendung der oben genannten Einrichtungen die Fortpflanzung in dem Lichtwellenleiter unterbrochen werden, um die Freiraum-Kopplungseinrichtung einzufügen, was jedoch eine schlechte Effizienz und eine größere Komplexität mit sich bringt.
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Um diese Beschränkung zu vermeiden, haben die Hersteller von Faserlasern einige Lösungen vorgeschlagen. Dafür werden Methoden zum Biegen des Ausgabe-Lichtwellenleiters verwendet, damit der Strahl von dem Kern zu dem Mantel gerichtet werden kann, oder werden Stellglieder, die den Brechungsindex des Lichtwellenleiters ändern können, um den Strahl von dem Kern zu dem Mantel oder umgekehrt zu bewegen, verwendet. Diese Methoden haben sich jedoch als komplex und kostspielig erwiesen. Eine einfachere Methode wird zum Beispiel in dem Dokument Nr.
WO2018/104575 A1 in Bezug auf eine Laserverarbeitungsvorrichtung und deren Verwendung beschrieben, wobei die Vorrichtung eine erste Lasereinrichtung mit einem ersten Zuführ-Lichtwellenleiter und eine zweite Lasereinrichtung mit einem zweiten Zuführ-Lichtwellenleiter umfasst. Strahlkombinierungseinrichtungen sind mit den ersten und zweiten Zuführ-Lichtwellenleitern und mit einem mehrfach ummantelten Lichtwellenleiter verbunden und ausgebildet zum Bilden eines zusammengesetzten Laserstrahls durch das Ausrichten des ersten Zuführ-Lichtwellenleiters mit dem Kern des mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters und des zweiten Zuführ-Lichtwellenleiters mit wenigstens einem Mantel des mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters. Eine Fortpflanzung durch den Kern und/oder den Mantel ermöglicht das Emittieren eines zusammengesetzten Laserstrahls. Eine Steuereinheit steuert die Leistungsdichte des ersten und/oder des zweiten Laserstrahls des zusammengesetzten Strahls unter gegebenen Umständen, um die Leistungsdichte einzustellen.
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Diese Lösung ermöglicht unter anderem, ein Strahlparameterprodukt (Beam Parameter Product bzw. BPP), d.h. ein Produkt aus dem halben Divergenzwinkel und dem minimalen Radius (der Taille) des Laserstrahls, zu erhalten, das in dem Kern kleiner ist und in dem Mantel größer ist, sodass eine Full-Glass-Einrichtung vorgesehen werden kann, in der die Fortpflanzung vollständig in dem Lichtwellenleiter stattfindet, wobei sich jedoch auch Nachteile ergeben wie etwa die Tatsache, dass in beiden Fällen nicht die vollständige Leistung, sondern nur ein Teil der verfügbaren Leistung in dem Kern oder in dem Mantel genutzt werden kann.
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Trotz der umfangreichen Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet, die aus verschiedenen hier genannten Dokumenten ersichtlich ist, besteht weiterhin ein Bedarf für verbesserte Lösungen.
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Aufgabe und Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine derartige verbesserte Lösung vorzusehen.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in den angehängten Ansprüchen genannten Eigenschaften erzielt werden.
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Eine Vorrichtung, die auswählbare optische Pfade für das Koppeln eines Satzes von Lichtwellenleitern mit einer Schnittstelle eines mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters umfasst, ist ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen betreffen ein entsprechendes Verfahren.
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Ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Auswahl des Wellenfrontprofils ist ein Beispiel für ein derartiges Verfahren.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten den Vorteil, dass verbesserte Funktionen einfacher erhalten werden können, wobei zum Beispiel die Leistung zwischen zwei oder mehr Kernen eines mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters skaliert werden kann.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen ermöglichen eine einfachere Verteilung der Leistung eines oder mehrerer Laserstrahlen in einem ersten Kern des mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen ist es einfacher, ein Laserprofil eines quasi-Gaußschen Typs, eines ringförmigen Typs oder einer Mischung aus diesen zwei zu erhalten, um zum Beispiel einen graduellen und flexiblen Übergang von einem Profil zu dem anderen Profil zu ermöglichen.
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Die Ansprüche stellen einen integralen Bestandteil der hier mit Bezug auf die Ausführungsformen gegebenen Lehre dar.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
- - 1 zeigt eine Querschnittansicht eines Kopplers gemäß der Erfindung.
- - 2 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung gemäß der Erfindung.
- - 3 zeigt Details von 1.
- - 4 zeigt Diagramme von Laserprofilen gemäß der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen
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In der folgenden Beschreibung werden spezifische Details beschrieben, um beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung zu verdeutlichen. Die Ausführungsformen können aber auch ohne diese spezifischen Details oder mit anderen Methoden, Komponenten, Materialien usw. realisiert werden. Außerdem werden bekannte Operationen, Materialien oder Aufbauten nicht im Detail beschrieben, sondern konzentriert sich die Beschreibung auf bestimmte Aspekte der Ausführungsformen.
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Wenn hier von einer Ausführungsform gesprochen wird, ist dies so zu verstehen, dass eine bestimmte Konfiguration, ein bestimmter Aufbau oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform beschrieben werden, in wenigstens einer Ausführungsform enthalten sind. Entsprechend muss es sich bei verschiedenen Bezugnahmen auf eine Ausführungsform nicht zwingend jeweils um die gleiche Ausführungsform handeln.
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Insbesondere können bestimmte Konfigurationen, Aufbauten oder Eigenschaften auf geeignete Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
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Die hier angegebenen Referenzen dienen der Veranschaulichung und schränken den Erfindungsumfang in keiner Weise ein.
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1 ist eine Querschnittansicht (in Bezug auf die Längsrichtung z, in der sich das Element erstreckt) eines mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters 10, der in diesem Beispiel ein doppelt ummantelter Lichtwellenleiter im Gegensatz zu einem einfach ummantelten Lichtwellenleiter ist und einen mehrschichtigen Aufbau wie nachfolgend erläutert aufweist.
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Der beispielhaft in 1 gezeigte doppelt ummantelte Lichtwellenleiter 10 umfasst:
- - einen Kern 12, der aus einem Material mit einem ersten Brechungsindex n1 ausgebildet ist;
- - eine erste Mantelschicht 14, die das Licht in dem Kern 12 begrenzt, aus einem Material mit einem zweiten Brechungsindex n2, der kleiner als der erste Brechungsindex n1 ist, ausgebildet ist und den ersten Kern 12 umgibt;
- - eine zweite Mantelschicht 16, die das Licht führt, d.h. eine elektromagnetische Strahlung leitet, und aus einem Material mit einem dritten Brechungsindex n3 ausgebildet ist, wobei der dritte Brechungsindex n3 größer als der zweite Brechungsindex n2 ist und kleiner oder gleich dem ersten Brechungsindex n1 ist; und
- - eine dritte Mantelschicht 18, die aus einem Material mit einem vierten Brechungsindex n4 ausgebildet ist, wobei die dritte Mantelschicht 18 in dem hier beschriebenen Beispiel auch eine führende Schicht mit einem Brechungsindex n4, der kleiner als der dritte Brechungsindex n3 ist, ist.
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Es wird hier ein doppelt ummantelter Lichtwellenleiter 10 beschrieben, wobei die Erfindung auch auf einen mehrfach ummantelten Lichtwellenleiter mit einer anderen Anzahl von Mänteln angewendet werden kann.
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Allgemein umfasst der mehrfach ummantelte Lichtwellenleiter 10 gemäß der Erfindung einen lichtführenden Kern 12, der durch wenigstens eine lichtführende Mantelschicht wie die Mantelschicht 16 umgeben ist. Außerdem können weitere lichtführende oder lichtbegrenzende Schichten vorhanden sein, wobei verschiedene Verhältnisse zwischen den entsprechenden Brechungsindizes in Entsprechung zu den verschiedenen Aufbauten von bekannten mehrfach ummantelten Lichtwellenleitern vorgesehen sind.
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In den beispielhaften Ausführungsformen ist weiterhin die begrenzende Mantelschicht 14 vorgesehen, wobei die begrenzende Mantelschicht 14 den Kern 12 umgibt und einen Brechungsindex n2 aufweist, der kleiner als der Brechungsindex n1 des Kerns 12 ist, und wobei die führende Mantelschicht 16 einen Brechungsindex n3 aufweist, der größer ist als der Brechungsindex n2 der begrenzenden Mantelschicht 14, die zwischen dem Kern 12 und der führenden Mantelschicht 16 angeordnet ist.
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In verschiedenen Ausführungsformen sind der erste Brechungsindex n1 und der dritte Brechungsindex n3 jeweils des Kerns 12 und der zweiten Mantelschicht 16, die Funktionen zum Führen der Laserstrahlung aufweisen, allgemein größer als die Brechungsindizes n2, n4 jeweils der ersten Mantelschicht 14 und der dritten Mantelschicht 18. In diesem Kontext sind der erste Brechungsindex n1 und der dritte Brechungsindex n3 vorzugsweise gleich. Weiterhin können der Brechungsindex n2 und der vierte Brechungsindex n4 gleich oder verschieden sein, wobei sie in jedem Fall kleiner sind als der erste Brechungsindex n1 und größer als der zweite Brechungsindex n2, damit die Laserstrahlung begrenzt werden kann.
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Die mehrfach ummantelten Lichtwellenleiter, die für die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen eine Abfolge von Mantelschichten um den Kern 12 herum, die jeweils kleinere Brechungsindizes aufweisen, wie z.B. n1 > n2 > n3 > n4.
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Der doppelt ummantelte Lichtwellenleiter 10 oder allgemeiner ein mehrfach ummantelter Lichtwellenleiter kann weiterhin eine Schutzschicht (nicht in den Figuren gezeigt) umfassen, die den geschichteten Aufbau des Lichtwellenleiters 10 umgibt, wie z.B. eine Schutzschicht aus Silikon oder einem anderen synthetischen Material.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann anstelle der dritten Mantelschicht 18 eine Schutzschicht vorgesehen sein. In verschiedenen anderen Ausführungsformen ist die dritte Mantelschicht 18 mit ihrem Brechungsindex konfiguriert, um als eine begrenzende Schicht zu funktionieren.
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Ein oder mehrere Lichtstrahlen können in dem Kern 12 und/oder der zweiten Mantelschicht 16 in dem Lichtwellenleiter 10 durch eine interne Gesamtreflexion (Total Internal Reflection bzw. TIR) fortgepflanzt werden.
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Der Kern 12 und die zweite Mantelschicht 16 sind in dem Beispiel von 1 mit konzentrischen, kreisrunden Querschnitten gezeigt, wobei sie aber auch jeweils verschiedene Formen aufweisen können. Zum Beispiel kann der erste Kern 12 eine quadratische oder rechteckige Form aufweisen und kann der zweite Kern 16 einen Querschnitt mit einem durch eine Vielzahl von Segmenten mit linearen oder kreisrunden Formen gebildeten Umfang aufweisen.
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2 zeigt ein Beispiel für eine Vorrichtung 100 zum Erzeugen eines Laserstrahls mit variablen optischen Parametern. Der Laserstrahl ist mit einer Eingangsschnittstelle 10A an einem Ende (zum Beispiel dem in der Figur sichtbaren Ende) des doppelt ummantelten Lichtwellenleiters 10 gekoppelt und wird an einer Ausgangsschnittstelle an einem gegenüberliegenden Ende (nicht in der Figur sichtbar) der Faser 10 emittiert.
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Eine derartige Vorrichtung 100 umfasst:
- - den doppelt ummantelten Lichtwellenleiter 10,
- - ein erstes Lasermodul LM120 und ein zweites Lasermodul LM140, die jeweils eine Laserquelle wie zum Beispiel eine Faser- oder Diodenlaserquelle, deren Laser durch entsprechende Teile des Lichtwellenleiters 120f, 140f geführt werden kann, und entsprechende Steuermodule zum Steuern der entsprechenden Laserquellen (zum Beispiel zum Ein-/Ausschalten der Quellen) enthalten,
- - ein optisches Schaltmodul bzw. einen optischen Schalter 200, der einen Eingangsanschluss 210 und zwei Ausgangsanschlüsse 224, 264 umfasst und zum Beispiel ein Faser-zu-Freiraum-Optikkoppler mit einer oder mehreren einstellbaren optischen Komponenten A ist, die zum Beispiel einen Spiegel umfassen, der über ein mechanisches Stellglied eingestellt werden kann, um zwei optische Pfade OPc, OPr zu definieren, wobei ein erster Pfad OPc zwischen dem Eingangsknoten 210 und einem Eingangskanal, wie zum Beispiel dem durch das Bezugszeichen 124 angegebenen Kanal aus einem ersten Satz von Eingangskanälen 122, 124, 126, 128, über den ersten Ausgangsknoten 224 definiert wird, während der zweite Pfad OPr zwischen dem Eingangsknoten 210 und einem Eingangskanal, wie zum Beispiel dem durch das Bezugszeichen 164 angegebenen Kanal aus einem zweiten Satz von Eingangskanälen 162, 164, 166 über den zweiten Ausgangsknoten 264 definiert wird; wobei der optische Schalter 200 für ein Schalten zwischen dem ersten optischen Pfad OPc und dem zweiten optischen Pfad OPr gesteuert werden kann; wobei der optische Schalter 200 in dem gezeigten Beispiel eine Logikeinheit 230 für das Antreiben von derartigen einstellbaren optischen Komponenten umfasst, optional unter der Steuerung eines externen Steuermoduls; wobei die ersten und zweiten optischen Pfade OPc, OPr entsprechende erste Teile in einem Freiraum und entsprechende zweite Teile, in denen die Strahlung durch entsprechende Lichtwellenleiterteile wie zum Beispiel die Lichtwellenleiterteile 224f, 264f geführt wird, umfasst; und
- - eine Kopplungsschnittstelle bzw. Schnittstelle 10A (der Einfachheit halber als Koppler bezeichnet) für das Koppeln mit dem doppelt ummantelten Lichtwellenleiter 10, der einen ersten Satz von Eingangskanälen 122, 124, 126, 128 des ersten Kerns 12 und einen zweiten Satz von Eingangskanälen 162, 164, 166 des zweiten Mantels 16 umfasst.
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Es ist zu beachten, dass in dem Beispiel von 2 vier Eingangskanäle für den ersten Satz von Eingangskanälen 122, 124, 126, 128 und drei Eingangskanäle für den zweiten Satz von Eingangskanälen 162, 164, 166 gezeigt sind, wobei diese Anzahlen jedoch beispielhaft sind und auch eine andre Anzahl von Eingangskanälen für den ersten Satz von Kanälen und für den zweiten Satz von Kanälen innerhalb der durch den verfügbaren Raum gesetzten Grenzen vorgesehen sein können.
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Die Eingangskanäle 122, 124, 126, 128 und 162, 164, 166 können sich entlang der Längsachse des Abschnitts des mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters 10 in dem Koppler 10a erstrecken. wobei der Satz von Eingangskanälen 122, 124, 126, 128 und 162, 164 und 166 die Funktion zum Aufnehmen und Koppeln von Lichtwellenleitern erfüllen.
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Zum Beispiel ist in 2:
- - das erste Lasermodul LM120 der Vorrichtung 100 mit einem Ende eines entsprechenden Lichtwellenleiters 122f gekoppelt und ist das gegenüberliegende Ende des Lichtwellenleiters 122f mit einem der Eingangskanäle des ersten Satzes von Eingangskanälen 122, 124, 126, 128 wie zum Beispiel dem Eingangskanal 122 gekoppelt;
- - ist das zweite Lasermodul LM140 der Vorrichtung 100 mit einem Ende eines entsprechenden Lichtwellenleiters 140f gekoppelt, während das gegenüberliegende Ende des Lichtwellenleiters 140f mit dem Eingangsknoten 210 des optischen Schalters 200 gekoppelt ist;
- - ist der erste Ausgangsknoten 224 mit einem Ende eines entsprechenden Lichtwellenleiters 224f gekoppelt, während das gegenüberliegende Ende des Lichtwellenleiters 224f mit einem der Eingangskanäle des ersten Satzes von Eingangskanälen 122, 124, 126, 128 des Kerns 12 des doppelt ummantelten Lichtwellenleiters 10 wie zum Beispiel dem durch das Bezugszeichen 124 angegebenen Eingangskanal gekoppelt ist; und
- - ist der zweite Ausgangsknoten 264 mit einem Ende eines entsprechenden Lichtwellenleiters 264f gekoppelt, während das gegenüberliegende Ende des Lichtwellenleiters 264f mit einem der Eingangskanäle des zweiten Satzes von Eingangskanälen 162, 164, 166 der zweiten Mantelschicht 16 des doppelt ummantelten Lichtwellenleiters 10 wie zum Beispiel dem durch das Bezugszeichen 164 angegebenen Eingangskanal gekoppelt ist.
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Der doppelt ummantelte Lichtwellenleiter 10 ist konfiguriert, um einen sich in dem Lichtwellenleiter fortpflanzenden Laserstrahl an dem Ausgangsende vorzusehen, wobei die Fortpflanzung insbesondere an dem ersten Lasermodul LM120 oder dem zweiten Lasermodul LM140 startet, wenn sich wenigstens eines von diesen in einem eingeschalteten Zustand wie nachfolgend beschrieben befindet.
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In einer Ausführungsform können weitere Lasermodule mit weiteren Eingangskanälen wie zum Beispiel eines für jeden der Kanäle 126, 128 des Kerns gekoppelt sein, sodass ein Hochleistungs-Laserstrahl an dem Ausgang zugeführt werden kann, sobald sich die Module in einem eingeschalteten Zustand befinden.
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3 zeigt eine Implementierung des optischen Schalters 200, wobei entsprechende Teile im Freiraum OPcff, OPrff der entsprechenden ersten und zweiten optischen Pfade, die durch den optischen Schalter ausgewählt werden können, sichtbar sind.
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Zum Beispiel umfasst der optische Schalter 200:
- - eine erste Kollimationslinse E;
- - eine erste bewegliche Reflexionsfläche A, die zum Beispiel ein ausrichtbarer Spiegel Am ist;
- - eine zweite Reflexionsfläche, die zum Beispiel ein ausgerichteter Spiegel B ist; und
- - eine erste Fokussierungslinse G und eine zweite Fokussierungslinse F.
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Der Freiraumteil des ersten optischen Pfads OPcff von dem Eingangsanschluss 210 zu dem ersten Ausgangsanschluss 224 umfasst:
- - die erste Fokussierungslinse E;
- - den einstellbaren Spiegel A, der mit 45° in Bezug auf die Fortpflanzungsrichtung des von der Linse E kommenden Strahls ausgerichtet ist;
- - den ausgerichteten Spiegel B, der parallel zu dem einstellbaren Spiegel A ist, wobei die Reflexionsflächen einander zugewandt sind; und
- - die erste Fokussierungslinse G.
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Der Freiraumteil des zweiten optischen Pfads OPrff umfasst:
- - den Eingangskoppler 210;
- - die erste Kollimationslinse E; und
- - die zweite Fokussierungslinse F;
wobei der einstellbare Spiegel A parallel zu der Fortpflanzungsrichtung des von der Linse E kommenden Strahls gesetzt ist, um diesen nicht zu unterbrechen.
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Auf diese Weise folgt die durch den Lichtwellenleiter 140f des zweiten Lasermoduls LM140 emittierte elektromagnetische Strahlung den folgenden optischen Pfaden:
- a) einem ersten optischen Pfad OPcff, der zu der Linse E gerichtet ist, dann die Linse F erreicht und dann den Eingangskanal 164 der Mantelschicht 16 erreicht, und
- b) einem zweiten optischen Pfad OPrff, in dem, wenn der Spiegel A an dem in Punkt a) beschriebenen optischen Pfad angeordnet ist, die elektromagnetische Strahlung zu dem Spiegel B reflektiert wird und dann zu der Fokussierungslinse G und zu dem Eingangskanal 124 des Kerns 12 reflektiert wird.
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Dabei kann die Leistung zwischen dem Kern und dem Mantel skaliert werden und kann weiterhin die gesamte Leistung in den Kern eingeführt werden, um einen quasi-Gaußschen Modus, einen ringförmigen Modus oder eine Mischung aus diesen vorzusehen.
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Die optischen Eigenschaften des durch den doppelt ummantelten Lichtwellenleiters 10 zugeführten Laserstrahls können variiert werden. Insbesondere können wenigstens drei Ausgangslaserstrahl-Wellenfrontprofile wie in 4 gezeigt erhalten werden. In 4 sind drei Profile LG, LR, LM als eine Kurve der Transversallaserintensität (z.B. eine in Watt angegebene Leistung) als eine Funktion des Radius R des Lichtwellenleiters wiedergegeben, wobei die Mitte des Profils der Mitte des Lichtwellenleiters entspricht.
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In einer anderen Ausführungsform können der erste optische Pfad OPc und/oder der zweite optische Pfad OPr vollständig mit dem Lichtwellenleiter erhalten werden. Das heißt, dass auch die hier als „Teile im Freiraum“ OPcff, OPrff bezeichneten Teile einen oder mehrere aus einem Lichtwellenleiter bestehende Teile umfassen können oder vollständig durch einen Lichtwellenleiter gebildet werden. Mit anderen Worten umfasst in dieser Ausführungsform die Vorrichtung einen Lichtwellenleiterschalter ohne Freiraumteile und kann die Vorrichtung als eine Full-Glass-Vorrichtung, die vollständig aus einem Lichtwellenleiter besteht, vorgesehen werden.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Auswahl des Wellenfrontprofils in einer Vorrichtung 100 für das Kombinieren von Laserstrahlen in Lichtwellenleitern beschrieben.
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Allgemein umfasst ein Verfahren zum Variieren der Parameter eines durch ein Ende eines mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters ausgegebenen Laserstrahls und insbesondere zum Auswählen des Wellenfrontprofils in einer Vorrichtung 100 wie etwa derjenigen von 2 die folgenden Schritte:
- - Auswählen eines Einschaltzustands jedes der Lasermodule LM120, LM140, und
- - Auswählen, mittels des Schalters 200, des ersten optischen Pfads oder des zweiten optischen Pfads für das Koppeln mit dem zweiten Modul.
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Wie in 4 gezeigt, kann zum Beispiel ein Profil eines quasi-Gaußschen Typs LG, das mit 75% der Leistung assoziiert werden kann, erhalten werden durch:
- - Einschalten des ersten Moduls LM120; und/oder
- - Auswählen des ersten optischen Pfads OPc in dem Schalter 200, und Einschalten des zweiten Moduls LM140.
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Und wie in 4 gezeigt, kann zum Beispiel ein Profil eines ringförmigen Typs LR, das mit 25% der Leistung assoziiert werden kann, durch das Auswählen des zweiten optischen Pfads OPr in dem Schalter 200 und das Einschalten des zweiten Moduls LM140 sowie ggf. dem Ausschalten des Moduls LM120 erhalten werden.
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Zum Beispiel kann ein Profil eines gemischten Typs LM, der mit 100% der Leistung assoziiert werden kann, erhalten werden durch:
- - Einschalten des ersten Moduls LM120; und
- - Auswählen des zweiten optischen Pfads OPr in dem Schalter 200, und Einschalten des zweiten Moduls LM140.
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Weiterhin können mehrere dazwischenliegende Kombinationen durch das Auswählen eines Prozentsatzes der maximalen Leistung des ersten Moduls LM120 und des zweiten Moduls LM140 erhalten werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann eine bestimmte Anzahl von Modulen mit den Eingangskanälen 122 des Kerns 12 verbunden werden und kann eine bestimmte Anzahl von Modulen mit den Eingangskanälen 164 der Mantelschicht 16 mittels eines oder mehrerer optischer Schalter verbunden werden.
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Aus den vorstehenden Erläuterungen gehen die Vorteile der Erfindung deutlich hervor.
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Bei der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der Erfindung kann im Gegensatz zu den Lösungen, die die Ausgabe einiger der Lasermodule eines gewöhnlichen Hochleistungs-Faserlasers in den Kern oder in den Mantel richten, die gesamte durch den Laser emittierte Leistung genutzt werden, wenn ein Laserstrahl nur mit einem kleinen Strahlparameterprodukt (Fortpflanzung im Kern) oder nur mit einem großen Strahlparameterprodukt (Fortpflanzung im Mantel), wie es für die zweite Methode typisch ist, verwendet werden soll.
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Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung bieten den Vorteil, dass die Leistung im Kern oder im Mantel des Lichtwellenleiters über optische Einrichtungen gekoppelt wird und nicht einfach die gesamte verfügbare Leistung alternativ zu dem Kern oder dem Mantel gerichtet wird.
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Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung erleichtern das Erhalten von verbesserten Funktionen, wobei zum Beispiel die Leistung zwischen zwei oder mehr konzentrischen Bereichen eines mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters skaliert werden kann.
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Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglichen eine einfachere Verteilung der Leistung eines oder mehrerer Laserstrahlen in einem ersten Kern eines mehrfach ummantelten Lichtwellenleiters.
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Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglichen das Erhalten eines Laserprofils eines quasi-Gaußschen Typs, eines ringförmigen Typs oder einer Mischung aus diesen, wobei zum Beispiel ein flexibler Übergang von einem Profil zu einem anderen Profil ermöglicht wird.
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Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglichen eine einfachere Verteilung eines Teils der Leistung im Kern und eines Teils der Leistung im Mantel.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen bieten sowohl die Vorteile einer Kopplung unter Verwendung von optischen Einrichtungen als auch die Flexibilität einer Leistungsverteilung im Kern oder im Mantel eines Ausgabelichtwellenleiters für Laser, sodass die Ausgabe eines Teils der Lasermodule, die gewöhnlich einen Hochleistungslaser bilden, in den Kern oder in den Mantel gerichtet werden kann, und vermeiden gleichzeitig die ansonsten mit diesen beiden Lösungen einhergehenden Beschränkungen. Ein Vorteil einer oder mehrerer Ausführungsformen besteht darin, dass die gesamte Leistung durch den Laser mit einem kleinen Strahlparameterprodukt emittiert werden kann, zum Beispiel wenn kein Schritt zum Schalten der durch den Laser vorgesehenen Hochleistung vorgesehen ist.
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Auf der Grundlage der erläuterten Prinzipien können die Details auch beträchtlich von den oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen abweichen, ohne dass deshalb der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen können die Leistung eines einzelnen Moduls zum Beispiel unter Verwendung eines Schalters verwalten und dadurch das Problem einer Verwaltung der gesamten Leistung direkt im Lichtwellenleiter selbst lösen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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