DE102021111432A1

DE102021111432A1 - Verfahren zum Regeln eines Faserlasers

Info

Publication number: DE102021111432A1
Application number: DE102021111432.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-11-10

Abstract

Bei einem Verfahren zum Regeln eines Faserlasers, der eine Faser (1) mit einem Kern (2) und einen Mantel (3) aufweist und in die Faser (1) an einem Ende eine Energie eingekoppelt wird, die am anderen Ende aus dem Kern austritt und ein Unterschied dieser Energie zwischen Einkoppelung (4) und Austritt (5) ermittelt wird, soll zwischen Einkoppelung (4) und Austritt (5) ein Teil der Energie ausgekoppelt und ermittelt werden, um wieviel die eingekoppelte Energie erhöht werden muss, damit die gleiche Energie, wie ohne die Auskopplung, am Austritt (5) wieder austritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Faserlasers, der eine Faser mit einem Kern und einem Mantel aufweist und in die Faser an einem Ende eine Energie eingekoppelt wird, die am anderen Ende aus dem Kern austritt und ein Unterschied dieser Energie zwischen Einkoppelung und Austritt ermittelt wird.
Stand der Technik
Eine der grossen Technologierevolutionen war die Erfindung des Faserlasers. Dieser ist heute vor allem aus dem industriellen Leben nicht mehr wegzudenken. Die Faserlaser-Technologie verdankt ihren grossen Erfolg ihrer Fähigkeit, elektrische Energie in präzise geführte, kohärente Laserstrahlung umzuwandeln. Um dies zu erreichen, besteht der Laser aus einer Energiequelle, einer Methode zur geeigneten Einkopplung dieser Energie in das laseraktive Medium, einem Laserresonator und einem Strahlführungssystem, um den resultierenden Laserstrahl auf das Werkstück zu fokussieren. Wünschenswert ist es dabei natürlich, dass die eingekoppelte Energie, nachdem sie die Faser durchquert hat, möglichst zu 100% wieder aus der Faser austritt und zur Bearbeitung von z.B. einem Werkstück zu Verfügung steht. Unerwünscht sind somit sämtliche Fehler des Faserlasers, welche zu einem Verlust von Energie führen, denn auch Energieschwankungen beeinträchtigen stark einen mit dem Laser durchzuführenden Arbeitsprozess.
Zur Überwachung derartiger Laser gibt es bereits Überwachungssysteme, wie sie beispielsweise in der US 48 12 641 beschreiben sind. In dieser bekannten Laserbearbeitungsvorrichtung wird der von einer Laserlichtquelle emittierte, hochenergetische Arbeitslaserstrahl mittels eines Strahlkopplers in den zu überwachenden Faserlichtleiter eingekoppelt. Dieser Arbeitslaserstrahl tritt nach Durchlaufen des Faserlichtleiters an dessen anderem Ende wieder aus und wird mittels eines weiteren Strahlkopplers auf den zu bearbeitenden Gegenstand geführt. Die Überwachung des Lichtleiters erfolgt so, dass die Leistung des Arbeitslaserstrahls vor dem Eintritt in den Lichtleiter und nach dem Austritt aus dem Lichtleiter mit Hilfe des im jeweiligen Strahlkoppler reflektierten Teils des Arbeitslaserstrahls photosensorisch gemessen bzw. in ein äquivalentes elektrisches Signal umgewandelt wird. Die beiden elektrischen Signale werden in einer elektronischen Steuerung miteinander verglichen, die bei der Überschreitung einer einstellbaren Differenz der beiden Signale die Arbeitslaserlichtquelle abschaltet. Eine weitergehende Regelung wird in dieser Schrift nicht beschrieben.
Gemäss der DE 10 2006 029 204 A1 wird mittels einer Detektionsvorrichtung eine Beschädigung des Lichtleiters detektiert. Beispielsweise erfolgt dies durch elektrisch leitfähige Verbindungen, die sich um den Mantelbereich winden oder entlang dem Mantelbereich verlaufen. In dem Ausgenblick, in dem z.B. ein Lichtleiter beschädigt wird oder bricht, detektiert ein Unterbruch der leitfähigen Verbindung eine Beschädigung.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der o.g. Art aufzuzeigen, mit dem nicht nur Energieverluste detektiert werden, sondern auch aufgezeigt wird, wie diese Verluste ermittelt und kompensiert werden.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass zwischen Einkoppelung und Austritt ein Teil der Energie ausgekoppelt und ermittelt wird, um wieviel die eingekoppelte Energie erhöht werden muss, damit die gleiche Energie wie ohne die Auskopplung am Austritt wieder austritt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird somit quasi ein Eichsystem für Fasern von Faserlasern geschaffen, durch das auf einfache Art und Weise der Steuerung eines Faserlasers mitgeteilt wird, dass bei einer ermittelten Differenz zwischen eingekoppelter Energie und austretender Energie die eingekoppelte Energie um ein vorbestimmtes Mass erhöht werden muss, damit die gewünschte Energie gleichmässig austritt.
Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur einen schematisch dargestellten Teillängsschnitt durch einen erfindungsgemässen Fase 1 eines Faserlaser.
Wie üblich besteht diese Faser 1 im wesentlichen aus einem Kern 2 und einem Mantel 3. Dabei weist der Kern 2 bevorzugt einen höheren Brechungsindex auf, als der Mantel 3. Aufgrund dieses Brechzahlunterschiedes kommt es zwischen Kern und Mantel (Cladding) zu einer Totalreflektion an der Mantelfläche des Kerns, so dass eine gesamte, in den Kern eingekoppelte Energie, von einer Einkoppelung 4 zu einem Austritt 5 gelangt.
Der Kern 2 der Faser 1 dient meinst als Verstärkermedium und ist mit entsprechenden laseraktiven Ionen, zumeist Ytterbium oder Neodyn dotiert. Der dotierte Faserkern weist einen Durchmesser von bis zu 9 µm auf. Der Mantel hat dagegen einen Durchmesser von einigen 100 µm (abhängig von Faserlasertyp und Leistung).
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der Mantel 3 von einer Modestripper-Schicht 6 umfangen, die beispielsweise aus einem Polymer bestehen kann. Bevorzugt hat sie den gleichen Brechungsindex wie der Mantel 3, er kann aber auch geringer sein.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Modestripper-Schicht 6 durch eine Detektorschicht 7 unterbrochen, die dazu geeignet ist, eine von Innen auf sie auftreffende Energie zu ermitteln.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:

Im normalen Betrieb eines Lasers wird die Energie in die aktive Faser eingekoppelt, wobei sie von der Einkoppelung 4 zum Austritt 5 durchstrahlt. Das bedeutet, dass die Energie, welche eingekoppelt wird, zu 100% auch wieder am Austritt 5 austritt und einem Arbeitsprozess mit dem Laser zur Verfügung gestellt werden kann. Werden z.B. 100 W in die Faser 1 eingekoppelt, so sollten am Austritt auch wieder 100 W ausgekoppelt werden.

In der Praxis können aber insbesondere im Mantel oder durch mangelhafte Einkoppelung oder auch durch Rückreflektionen Energieverluste auftreten, so dass beispielsweise bei eingekoppelten 100 W am Austritt 5 nur 95 W festgestellt werden. Da aber unbedingt die 100 W für beispielsweise einen Arbeitsprozess zur Verfügung gestellt werden müssen, muss laufend ein Nachregeln der Einkoppelung erfolgen, damit am Austritt 5 auch immer 100 W anliegen.
Um dies zu automatisieren wird gemäss der vorliegenden Erfindung zwischen Mantel und Kern ein gezielter Defekt 8 erzeugt, der dazu führt, dass ein Bruchteil der Energie ausgekoppelt und der Detektorschicht 7 zugeführt wird. Diese Detektorschicht ermittelt die Grösse der ausgekoppelten Energie, beispielsweise 5 W. Nunmehr wird festgestellt, um wieviel Prozent die eingekoppelte Energie erhöht werden muss, damit trotz der Auskopplung von 5 W eine gewünschte feste Grösse an Energie am Austritt 5 austritt. Dieses Mass der Erhöhung kann nun als beispielsweise Steuerkurve für die Einkoppelung der Energie verwendet werden. Wird z.B. festgestellt, dass bei 5 W Energieverlust die eingekoppelte Energie um 10% erhöht werden muss, damit wieder 100 W austreten, so muss die eingekoppelte Energie bei einer Austrittsleistung von nur 90 W um 20% erhöht werden, damit die Austrittsleistung auf 100 W angehoben wird.
Bezugszeichenliste

1: Faser
2: Kern
3: Mandel
4: Einkoppelung
5: Austritt
6: Modestripper
7: Detektorschicht
8: Defekt

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

US 4812641 [0003]
DE 102006029204 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Regeln eines Faserlasers, der eine Faser (1) mit einem Kern (2) und einen Mantel (3) aufweist und in die Faser (1) an einem Ende eine Energie eingekoppelt wird, die am anderen Ende aus dem Kern austritt und ein Unterschied dieser Energie zwischen Einkoppelung (4) und Austritt (5) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Einkoppelung (4) und Austritt (5) ein Teil der Energie ausgekoppelt und ermittelt wird, um wieviel die eingekoppelte Energie erhöht werden muss, damit die gleiche Energie, wie ohne die Auskopplung, am Austritt (5) wieder austritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Defekt (8) am Kern zum Auskoppeln des Teils der Energie erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (3) im Bereich des Austretens der ausgekoppelten Energie aus dem Mantel (3) von einer Detektorschicht (7) umfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschicht (7) einem Modestripper-Schicht (6), welche den Mantel (3) umgibt, unterbricht.