DE102022107948B4 - Fiber optic cable decoupling plug with holding element - Google Patents
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Abstract
Lichtleiterkabelauskoppelstecker (1) mit einer Lichtaustrittsöffnung (50) zum Auskoppeln von Licht aus einem Endstück (12) eines Lichtleiterkabels (10), umfassend ein Halteelement (2') zum Halten des Endstücks (12) des Lichtleiterkabels (10), wobei das Endstück (12) des Lichtleiterkabels (10) in dem Halteelement (2') aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (2') ein Streuelement (2) umfasst oder als Streuelement (2) ausgebildet ist, wobei das Streuelement (2) dazu eingerichtet ist, in die Lichtaustrittsöffnung (50) rückreflektiertes Laserlicht zu streuen.Optical cable decoupling plug (1) with a light exit opening (50) for coupling out light from an end piece (12) of an optical fiber cable (10), comprising a holding element (2 ') for holding the end piece (12) of the optical fiber cable (10), the end piece ( 12) of the light guide cable (10) is accommodated in the holding element (2'), characterized in that the holding element (2') comprises a scattering element (2) or is designed as a scattering element (2), the scattering element (2) being adapted for this purpose is to scatter reflected laser light into the light exit opening (50).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiterkabelauskoppelstecker mit einer Lichtaustrittsöffnung zum Auskoppeln von Licht aus einem Endstück eines Lichtleiterkabels.The present invention relates to an optical fiber cable decoupling plug with a light exit opening for coupling out light from an end piece of an optical fiber cable.
Stand der TechnikState of the art
Zur Umsetzung eines Laserbearbeitungsprozesses ist es bekannt, Laserlicht einer ortsfesten Strahlquelle mittels eines Lichtleiterkabels zu einem gewünschten Einsatzort zu führen. Das Laserlicht wird dort mittels eines Auskoppelsteckers aus dem Lichtleiterkabel einer Bearbeitungsoptik zugeführt, welche schließlich den Laserstrahl formt und/oder fokussiert, ein Werkstück mit dem Laserstrahl beaufschlagt und dadurch bearbeitet.To implement a laser processing process, it is known to guide laser light from a stationary beam source to a desired location using an optical fiber cable. The laser light is fed there by means of a coupling plug from the optical fiber cable to a processing optics, which ultimately shapes and/or focuses the laser beam, applies the laser beam to a workpiece and thereby processes it.
Bei solchen Laserbearbeitungsprozessen kann in Abhängigkeit von der Fokuslage und der Winkelstellung der Bearbeitungsoptik zum Werkstück, aber auch in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit und dem Reflexionsgrad des Werkstücks, Laserlicht vom Werkstück reflektiert werden. Diese Rückreflexionen gelangen dann beispielsweise durch die Bearbeitungsoptik zurück zum Auskoppelstecker. Ein Teil dieser Rückreflexionen wird in das Lichtleiterkabel im Auskoppelstecker eingekoppelt und bis zur Strahlquelle zurückgeleitet. Ein weiterer Teil trifft jedoch nicht das Lichtleiterkabel, sondern auf Oberflächenbereiche in dem Auskoppelstecker, wodurch Beschädigungen im Auskoppelstecker hervorgerufen werden können, wenn die Bearbeitungsschwelle des jeweiligen Materials des Auskoppelsteckers durch die Rückreflexionen überschritten wird.In such laser processing processes, laser light can be reflected from the workpiece depending on the focus position and the angular position of the processing optics to the workpiece, but also depending on the surface quality and the degree of reflection of the workpiece. These back reflections then reach the output connector, for example through the processing optics. Some of these back reflections are coupled into the optical fiber cable in the output connector and returned to the beam source. However, another part does not hit the optical fiber cable, but rather hits surface areas in the coupling plug, which can cause damage to the coupling plug if the processing threshold of the respective material of the coupling plug is exceeded by the back reflections.
Eine solche ungewollte Bearbeitung des Materials des Auskoppelsteckers führt zu Schmauch und Partikeln, wodurch beispielsweise die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiterkabels, als auch das Schutzglas des Auskoppelsteckers verunreinigt werden. Durch die nun wiederum erhöhte Absorption auf diesen Flächen kann es dort durch das direkte Einbringen des Laserlichts zur Zerstörung der Optikbauteile kommen.Such unintentional processing of the material of the coupling plug leads to smoke and particles, which, for example, contaminates the light exit surface of the optical fiber cable as well as the protective glass of the coupling plug. Due to the increased absorption on these surfaces, the direct introduction of the laser light can destroy the optical components.
Bisher wurde der Auskoppelstecker im Bereich der Lichtaustrittsfläche vergoldet, um die Rückreflexionen durch eine erneute Reflexion aus dem Auskoppelstecker zu leiten. Gold weist jedoch einen geringen Schmelzpunkt auf, so dass ein solcher Auskoppelstecker nicht universell eingesetzt werden kann.
Die
The
Die
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Lichtleiterkabelauskoppelstecker bereitzustellen.Based on the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved optical fiber cable decoupling plug.
Die Aufgabe wird durch einen Lichtleiterkabelauskoppelstecker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The task is solved by an optical fiber cable decoupling plug with the features of claim 1. Advantageous further developments result from the subclaims, the description and the figures.
Entsprechend wird ein Lichtleiterkabelauskoppelstecker mit einer Lichtaustrittsöffnung zum Auskoppeln von Licht aus einem Endstück eines Lichtleiterkabels vorgeschlagen, umfassend ein Halteelement zum Halten des Endstücks des Lichtleiterkabels, wobei das Endstück des Lichtleiterkabels in dem Halteelement aufgenommen ist. Erfindungsgemäß umfasst das Halteelement ein Streuelement, wobei das Streuelement dazu eingerichtet ist, in die Lichtaustrittsöffnung rückreflektiertes Laserlicht zu streuen.Accordingly, a light guide cable decoupling plug with a light exit opening for decoupling light from an end piece of a light guide cable is proposed, comprising a holding element for holding the end piece of the light guide cable, the end piece of the light guide cable being accommodated in the holding element. According to the invention, the holding element comprises a scattering element, wherein the scattering element is designed to scatter laser light reflected back into the light exit opening.
Das Halteelement kann auch vollständig als Streuelement ausgebildet sein und ist bevorzugt aus einem entsprechend streuenden Material ausgebildet.The holding element can also be designed entirely as a scattering element and is preferably made of a correspondingly scattering material.
Bevorzugt ist die Leistungsdichte des rückreflektierten, gestreuten Laserlichts nach dem Durchlaufen des Streuelements kleiner, als die Bearbeitungsschwelle von Material des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers. Mit anderen Worten wird durch das Streuelement die Leistungsdichte des rückreflektierten Laserlichts soweit reduziert beziehungsweise über eine größere Fläche hinweg gestreut, dass eine Bearbeitung von Material des Lichtleiterkabelauskopplungssteckers vermieden wird und damit auch eine Beschädigung des Lichtleiterkabelauskopplungssteckers vermieden wird.Preferably, the power density of the back-reflected, scattered laser light after passing through the scattering element is smaller than the processing threshold of material of the optical fiber cable decoupling plug. In other words, the power density of the back-reflected laser light is reduced or scattered over a larger area by the scattering element to such an extent that processing of the material of the optical fiber cable coupling plug is avoided and thus damage to the optical fiber cable coupling plug is also avoided.
Das Lichtleiterkabel ist dazu eingerichtet das Laserlicht eines Lasers, beispielsweise das Laserlicht eines Ultrakurzpulslasers und/oder eines Hochleistungslasers zum Lichtleiterkabelauskoppelstecker zu führen. Ein solches Lichtleiterkabel kann beispielsweise eine Glasfaser oder eine andere geeignete Faser umfassen. In dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker wird das Laserlicht aus dem Lichtleiterkabel in ein sogenanntes Endstück geführt, welches im Wesentlichen ein auf das Ende des Lichtleiterkabels aufgeschmolzenes und/oder aufgespleißtes und/oder aufgeschweißtes optisches Element ist.The optical fiber cable is designed to guide the laser light of a laser, for example the laser light of an ultra-short pulse laser and/or a high-power laser, to the optical fiber cable decoupling plug. Such an optical fiber cable can, for example, comprise a glass fiber or another suitable fiber. The laser light is released from the light in the fiber optic cable decoupling plug conductor cable is guided into a so-called end piece, which is essentially an optical element melted and/or spliced and/or welded onto the end of the optical fiber cable.
Ein solches Endstück wird eingesetzt, weil beispielsweise die maximal durch das Lichtleiterkabel transportierbare Leistung durch die Leistungsdichte auf der Endfläche des Lichtleiterkabels begrenzt ist. Durch den geringen Durchmesser von Lichtleiterkabeln kann es daher bei hohen Laserleistungen extrem hohen Leistungsdichten und somit zu Schäden an der Endfläche des Lichtleiterkabels kommen. Durch ein auf das Lichtleiterkabel aufgebrachtes Endstück kann der Durchmesser des Lichtleiterkabels gewissermaßen künstlich vergrößert werden, so dass das Laserlicht über die sogenannte Endfläche des Endstücks ausgekoppelt werden kann, ohne dass es zu Beschädigungen kommt.Such an end piece is used because, for example, the maximum power that can be transported through the optical fiber cable is limited by the power density on the end surface of the optical fiber cable. Due to the small diameter of optical fiber cables, high laser powers can result in extremely high power densities and thus damage to the end surface of the optical fiber cable. By means of an end piece applied to the optical fiber cable, the diameter of the optical fiber cable can be artificially increased to a certain extent, so that the laser light can be coupled out via the so-called end surface of the end piece without causing damage.
Typischerweise wird ein Lichtleiterkabelauskoppelstecker dazu verwendet, das Laserlicht von der Strahlquelle, dem oben genannten Laser, zu einer Bearbeitungsoptik zu führen. Beispielsweise kann eine solche Bearbeitungsoptik dazu eingerichtet sein, ein Werkstück mit dem Laserlicht zu beaufschlagen und dadurch das Werkstück zu bearbeiten.Typically, a fiber optic cable coupling connector is used to guide the laser light from the beam source, the aforementioned laser, to processing optics. For example, such processing optics can be set up to apply laser light to a workpiece and thereby process the workpiece.
Durch die Beaufschlagung eines Werkstücks wechselwirkt der Laserstrahl insbesondere mit dem Material des Werkstücks. Dies kann dazu führen, dass der Laserstrahl teilweise an dem Material des Werkstücks reflektiert wird und über die Bearbeitungsoptik zurück zu dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker geführt wird.By impinging on a workpiece, the laser beam interacts in particular with the material of the workpiece. This can result in the laser beam being partially reflected on the material of the workpiece and being guided back to the optical fiber cable coupling connector via the processing optics.
Um das Endstück des Lichtleiterkabels in dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker zu halten, beispielsweise stets in der Mitte des Querschnitts des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers zu halten, ist um das Endstück in dem Halteelement gehalten. Das Halteelement kann dabei beispielsweise um das Endstück herum angeordnet sein und/oder das Halteelement kann das Endstück umgeben und/oder das Haltestück kann das Endstück radial umschließen. In einer besonders bevorzugten Ausbildung ist in dem Halteelement eine Durchgangsbohrung vorgesehen, in welche das Endstück des Lichtleiterkabels eingeschoben ist, um in dem Halteelement gehalten zu werden.In order to hold the end piece of the optical fiber cable in the optical fiber cable decoupling plug, for example always in the middle of the cross section of the optical fiber cable decoupling plug, the end piece is held in the holding element. The holding element can, for example, be arranged around the end piece and/or the holding element can surround the end piece and/or the holding piece can radially enclose the end piece. In a particularly preferred embodiment, a through hole is provided in the holding element, into which the end piece of the optical fiber cable is inserted in order to be held in the holding element.
Dadurch wird insbesondere ein Versatz des Endstücks senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung, beziehungsweise senkrecht zur Längenachse des Lichtleiterkabels, im Lichtleiterkabelauskoppelstecker verhindert oder minimiert. Um eine Beschädigung des Materials des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers zu vermeiden, umfasst das Halteelement hierbei ein Streuelement.This prevents or minimizes, in particular, an offset of the end piece perpendicular to the beam propagation direction, or perpendicular to the length axis of the optical fiber cable, in the optical fiber cable decoupling plug. In order to avoid damage to the material of the optical fiber cable decoupling plug, the holding element includes a scattering element.
Das Endstück kann in dem Halteelement so gehalten sein, dass es bündig mit dem Halteelement abschließt, oder aus diesem herausragen oder in dieses eingezogen sein.The end piece can be held in the holding element so that it is flush with the holding element, or can protrude from it or be drawn into it.
Das Streuelement streut das Laserlicht, welches zurück in den Lichtleiterkabelauskoppelstecker reflektiert wurde. Beispielsweise kann das Streuelement hierzu eine Vielzahl an Streuzentren aufweisen. Beispielsweise können Lufteinschlüsse, insbesondere Luftblasen, Streuzentren des Streuelements sein. Allgemein kann das Streuelement beispielsweise porös sein, so dass es besonders viele Streuzentren aufweist.The scattering element scatters the laser light that was reflected back into the fiber optic cable coupling connector. For example, the scattering element can have a large number of scattering centers for this purpose. For example, air inclusions, in particular air bubbles, can be scattering centers of the scattering element. In general, the scattering element can be porous, for example, so that it has a particularly large number of scattering centers.
Indem das zurückreflektierte Laserlicht gestreut wird, wird die Leistung des Laserlichts auf eine größere Fläche verteilt, so dass die Leistungsdichte absinkt. Somit entstehen insbesondere keine Laserleistungsspitzen an der betroffenen Oberfläche, wodurch eine Beschädigung des Materials des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers vermieden werden. Wenn die Leistungsdichte geringer als die Bearbeitungsschwelle des jeweiligen Materials des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers, auf welches das rückreflektierte, gestreute Licht trifft, ist, wird der Lichtleiterkabelauskoppelstecker durch das rückreflektierte und gestreute Laserlicht lediglich erhitzt oder erwärmt. Eine Beschädigung (beziehungsweise eine ungewollte Bearbeitung) findet daher nicht statt.By scattering the back-reflected laser light, the power of the laser light is distributed over a larger area, so that the power density decreases. In particular, this means that no laser power peaks occur on the affected surface, which means that damage to the material of the optical fiber cable decoupling plug is avoided. If the power density is lower than the processing threshold of the respective material of the optical fiber cable decoupling plug on which the back-reflected, scattered light hits, the optical fiber cable decoupling plug is merely heated or warmed by the back-reflected and scattered laser light. Damage (or unwanted processing) therefore does not occur.
Unter dem Material des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers kann hierbei jegliches Material zu verstehen sein, welches in dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker verbaut ist, beispielsweise das Material des Gehäuses, insbesondere aber auch das Material des Lichtleiterkabels, das Material des Endstücks, das Material des weiter unten beschriebenen Kühlelements und des Schutzglases.The material of the optical fiber cable decoupling plug can be understood to mean any material that is installed in the optical fiber cable decoupling plug, for example the material of the housing, but in particular also the material of the optical fiber cable, the material of the end piece, the material of the cooling element described below and the protective glass.
Das Streuelement kann eine Transmission von mindestens 30% aufweisen, bevorzugt von mehr als 90% aufweisen. Die Transmission ist hierbei insbesondere für die Wellenlänge des rückreflektierten Laserlichts angegeben.The scattering element can have a transmission of at least 30%, preferably more than 90%. The transmission is specified here in particular for the wavelength of the back-reflected laser light.
Je höher die Transmission ist, desto geringer ist die Absorption in dem Streuelement. Durch eine geringere Absorption kann beispielsweise vermieden werden, dass das Streuelement selbst durch das rückreflektierte Laserlicht erhitzt und zerstört wird. Insbesondere kann dadurch das rückreflektierte Laserlicht besonders häufig gestreut werden. Gleichzeitig kann mit einer höheren Absorption aber auch die im restlichen Material des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers deponierte Laserenergie verringert werden.The higher the transmission, the lower the absorption in the scattering element. Lower absorption can, for example, prevent the scattering element itself from being heated and destroyed by the back-reflected laser light. In particular, the back-reflected laser light can be scattered particularly frequently. At the same time, with higher absorption, the laser energy deposited in the remaining material of the optical fiber cable decoupling plug can also be reduced.
Das Streuelement kann eine Keramik umfassen oder aus einer Keramik bestehen oder ein Glas umfassen oder aus einem Glas bestehen, insbesondere ein Quarzglas umfassen oder aus Quarzglas bestehen, oder ein Opakglas umfassen oder aus einem Opakglas bestehen.The scattering element can comprise a ceramic or consist of a ceramic or a glass include or consist of a glass, in particular include a quartz glass or consist of quartz glass, or include an opaque glass or consist of an opaque glass.
Eine Keramik ist ein poröses Material, welches eine Vielzahl von Streuzentren für das Laserlicht zur Verfügung stellt. Dadurch eignet es sich gut für den Einsatz in einem Streuelement. Insbesondere können Keramiken beispielsweise bei Laserwellenlängen eingesetzt werden, bei denen Gläser nicht eingesetzt werden können.A ceramic is a porous material that provides a large number of scattering centers for the laser light. This makes it well suited for use in a scattering element. In particular, ceramics can be used, for example, at laser wavelengths where glasses cannot be used.
Gläser, insbesondere Quarzglas oder Opakglas können beispielsweise beim Herstellungsprozess durch Lufteinschlüsse getrübt werden, so dass diese eine genügend hohe Dichte an Streuzentren für den Einsatz in dem Streuelement aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Gläser durch einen Farbstoff oder durch einen anderen Zusatz im Herstellungsverfahren besonders gute Streueigenschaften für die verwendete Laserlichtwellenlänge aufweisen. Gläser weisen hierbei typischerweise eine hohe Transmission auf, so dass sich diese besonders für Anwendungen eignen, bei denen das Laserlicht häufig gestreut werden muss.Glasses, in particular quartz glass or opaque glass, can be clouded by air inclusions during the manufacturing process, for example, so that they have a sufficiently high density of scattering centers for use in the scattering element. However, it is also possible for the glasses to have particularly good scattering properties for the laser light wavelength used due to a dye or another additive in the manufacturing process. Glasses typically have high transmission, making them particularly suitable for applications in which the laser light has to be scattered frequently.
Das Streuelement kann achsymmetrisch geformt sein.The scattering element can be shaped axially symmetrically.
Das Streuelement kann demnach insbesondere im Querschnitt rund sein und an der Vorderseite und an der Hinterseite Öffnungen aufweisen, die mit einer Bohrung oder einem Durchgangsloch miteinander verbunden sind.The scattering element can therefore be round in particular in cross section and have openings on the front and back that are connected to one another with a bore or a through hole.
Achssymmetrische optische Elemente sind beispielsweise besonders einfach und kosteneffizient herzustellen. Durch die achssymmetrische Form wird zudem das zurückreflektierte Laserlicht gleichmäßig gestreut, so dass es an keiner Stelle zu einer Überhöhung der Leistungsdichte kommt.Axis-symmetrical optical elements, for example, are particularly easy and cost-effective to manufacture. Thanks to the axially symmetrical shape, the back-reflected laser light is evenly scattered, so that there is no increase in the power density at any point.
Beispielsweise kann das Endstück des Lichtleiterkabels in die Öffnung an der Hinterseite des Streuelements eingeführt werden und in dem Durchgangsloch angeordnet werden. Bevorzugt ist das Endstück so in dem Streuelement angeordnet, dass das aus dem Endstück austretende Laserlicht nicht in das Streuelement abgestrahlt wird. Beispielsweise kann daher das Endstück in dem gesamten Durchgangsloch angeordnet sein, so dass das Endfläche des Endstücks mit der Öffnung des Streuelements an der Vorderseite abschließt.For example, the end piece of the optical fiber cable can be inserted into the opening at the rear of the diffuser and arranged in the through hole. The end piece is preferably arranged in the scattering element in such a way that the laser light emerging from the end piece is not emitted into the scattering element. For example, the end piece can therefore be arranged in the entire through hole, so that the end surface of the end piece ends with the opening of the scattering element at the front.
Das Endstück kann fix oder beweglich in dem Streuelement angeordnet sein.The end piece can be arranged fixed or movable in the scattering element.
Eine fixe Befestigung des Endstücks hat den Vorteil, dass das Endstück in dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker eine wohldefinierte Position hat. Beispielsweise kann eine fixe Befestigung durch eine Verklebung oder eine Verklemmung des Endstücks in oder mit dem Streuelement erreicht werden.A fixed attachment of the end piece has the advantage that the end piece has a well-defined position in the optical fiber cable decoupling plug. For example, a fixed attachment can be achieved by gluing or clamping the end piece in or with the scattering element.
Eine bewegliche Befestigung des Endstücks hat den Vorteil, dass in dem Lichtleiterkabel beispielsweise bei einer Zugbelastung keine Spannungen auftreten, so dass der Lichtleiterkabelauskoppelstecker nicht beschädigt wird. Beispielsweise kann sich das Endstück in dem Durchgangsloch in axialer Richtung frei bewegen, so dass bei einer Zugbelastung das Endstück beispielsweise in das Streuelement gezogen wird.A movable attachment of the end piece has the advantage that no tensions occur in the optical fiber cable, for example when subjected to tensile load, so that the optical fiber cable decoupling plug is not damaged. For example, the end piece can move freely in the through hole in the axial direction, so that in the event of a tensile load, the end piece is pulled into the scattering element, for example.
Das Streuelement kann eine konische Öffnung aufweisen, in deren Zentrum das Endstück liegt oder endet.The scattering element can have a conical opening, in the center of which the end piece lies or ends.
Die Öffnung der Vorderseite des Streuelements und/oder die Öffnung der Hinterseite des Streuelements kann beispielsweise konisch sein.The opening of the front side of the scattering element and/or the opening of the rear side of the scattering element can be conical, for example.
Eine konische Öffnung an der Vorderseite hat den Vorteil, dass eine Reinigung des Endstücks besonders einfach möglich wird. Eine konische Öffnung an der Hinterseite hat den Vorteil, dass das Endstück besonders spannungsarm in das Streuelement eingeführt werden kann.A conical opening at the front has the advantage that cleaning the end piece is particularly easy. A conical opening at the rear has the advantage that the end piece can be inserted into the scattering element with particularly low tension.
Der Konus ist hierbei so ausgebildet, dass die Grundfläche des Konus mit der Öffnung an der Vorderseite beziehungsweise der Hinterseite zusammenfällt. Insbesondere fallen somit die Konusachse und die Symmetrieachse des Streuelements zusammen.The cone is designed in such a way that the base of the cone coincides with the opening on the front or rear side. In particular, the cone axis and the symmetry axis of the scattering element thus coincide.
Das Streuelement kann in Strahlausbreitungsrichtung von einem Schutzglas bedeckt sein, wobei das Schutzglas bevorzugt die Lichtaustrittsöffnung bedeckt.The scattering element can be covered by a protective glass in the beam propagation direction, with the protective glass preferably covering the light exit opening.
Dadurch können die im Lichtleiterkabelauskoppelstecker verbauten Elemente, insbesondere das Streuelement, sowie das Endstück und das Lichtleiterkabel vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor mechanischen Einflüssen geschützt werden. Das Schutzglas ist hierbei bevorzugt hochtransmissiv für die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts.As a result, the elements installed in the optical fiber cable decoupling plug, in particular the scattering element, as well as the end piece and the optical fiber cable, can be protected from external influences, in particular from mechanical influences. The protective glass is preferably highly transmissive for the wavelength of the laser light used.
Der Lichtleiterkabelauskoppelstecker kann ein Kühlelement aufweisen, wobei das Streuelement zwischen dem Endstück und dem Kühlelement angeordnet ist und wobei das Kühlelement dazu eingerichtet ist, die thermische Energie des gestreuten Lichts abzuführen.The optical fiber cable decoupling plug can have a cooling element, with the scattering element being arranged between the end piece and the cooling element and with the cooling element being designed to dissipate the thermal energy of the scattered light.
Das Kühlelement kann hierbei um das Streuelement herum angeordnet sein, so dass es räumlich sowohl das Endstück als auch das Streuelement umschließt. Bevorzugt wird das rückreflektierte und gestreute Laserlicht auf das Kühlelement geleitet, wo es das Kühlelement erhitzt und somit die Energie des gestreuten Laserlichts mit dem Kühlelement abgeführt werden kann.The cooling element can be arranged around the scattering element so that it spatially encloses both the end piece and the scattering element. The back-reflected and scattered laser light is preferably directed to the cooling element, where it heats the cooling element and thus the energy of the scattered laser light can be dissipated with the cooling element.
Das hat den Vorteil, dass der Lichtleiterkabelauskoppelstecker wohltemperiert ist und die Temperatur des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers unter der Zerstörungsschwelle, insbesondere der Schmelztemperatur des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers bleibt.This has the advantage that the optical fiber cable decoupling plug is well-tempered and the temperature of the optical fiber cable decoupling plug remains below the destruction threshold, in particular the melting temperature of the optical fiber cable decoupling plug.
Das Kühlelement kann Kühlrippen umfassen.The cooling element can include cooling fins.
Kühlrippen sind wärmeleitende, flächige Elemente, die die Oberfläche des Kühlelements vergrößern. Beispielsweise können die Kühlrippen parallel zueinander angeordnete metallische Scheiben sein, die mit dem Kühlelement verbunden sein können. Beispielsweise könne die Kühlrippen an das Kühlelement engeschweißt oder angelötet sein. Das Kühlelement kann auch mit den Kühlrippen einteilig ausgebildet sein.Cooling fins are heat-conducting, flat elements that increase the surface area of the cooling element. For example, the cooling fins can be metallic disks arranged parallel to one another, which can be connected to the cooling element. For example, the cooling fins can be welded or soldered to the cooling element. The cooling element can also be designed in one piece with the cooling fins.
Durch die größere Oberfläche kann die thermische Energie, die durch das gestreute Laserlicht in dem Kühlelement deponiert wird, besonders effektiv abgeführt werden.Due to the larger surface area, the thermal energy that is deposited in the cooling element by the scattered laser light can be dissipated particularly effectively.
Das Kühlelement kann eine Flüssigkeitskühlung umfassen und das Kühlelement kann eine Flüssigkeitsführung sein, bevorzugt eine metallische Flüssigkeitsführung sein, wobei die Flüssigkeitsführung von einer Kühlflüssigkeit durchflossen wird.The cooling element can comprise liquid cooling and the cooling element can be a liquid guide, preferably a metallic liquid guide, with a cooling liquid flowing through the liquid guide.
Eine Flüssigkeitsführung kann insbesondere ein Rohr sein. Beispielsweise kann die Flüssigkeitsführung ein Doppelwandrohr sein, welches aus zwei ineinander geführten Rohren besteht und in dem Zwischenraum zwischen den Rohren eine Kühlflüssigkeit geführt wird.A liquid guide can in particular be a pipe. For example, the liquid guide can be a double-walled pipe, which consists of two pipes guided one into the other and a cooling liquid is carried in the space between the pipes.
In dem inneren Rohr der Flüssigkeitsführung kann das Streuelement angeordnet sein. Wenn das Streuelement das reflektierte Laserlicht auf das innere Rohr des Kühlelements streut, dann kann das Kühlelement die thermische Energie an Kühlflüssigkeit in der Flüssigkeitsführung abgegeben werden.The scattering element can be arranged in the inner tube of the liquid guide. If the scattering element scatters the reflected laser light onto the inner tube of the cooling element, then the cooling element can release the thermal energy to cooling liquid in the liquid guide.
Die Flüssigkeit kann hierbei aktiv durch die Flüssigkeitsführung gepumpt werden und an geeigneter Stelle, beispielsweise außerhalb des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers etwa mit einem Radiator oder mittels Kühlrippen abgeführt werden. Durch das Pumpen wird die thermische Energie aktiv aus dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker geführt, so dass ein besonders hoher Schutz der im Lichtleiterkabelauskoppelstecker verbauten Materialien gewährleistet wird.The liquid can be actively pumped through the liquid guide and discharged at a suitable location, for example outside the optical fiber cable decoupling plug, for example with a radiator or by means of cooling fins. By pumping, the thermal energy is actively led out of the fiber optic cable decoupling plug, so that a particularly high level of protection for the materials installed in the fiber optic cable decoupling plug is guaranteed.
Zwischen dem Streuelement und Kühlelement kann eine Absorptionsschicht angeordnet sein, wobei die Absorptionsschicht dazu eingerichtet ist, das gestreute, rückreflektierte Laserlicht zu absorbieren und/oder die in der Absorptionsschicht durch das gestreute, rückreflektierte Laserlicht deponierte Wärme an das Kühlelement zu leiten.An absorption layer can be arranged between the scattering element and the cooling element, the absorption layer being designed to absorb the scattered, back-reflected laser light and/or to conduct the heat deposited in the absorption layer by the scattered, back-reflected laser light to the cooling element.
Insbesondere kann durch eine absorbierende Absorptionsschicht zwischen dem Streuelement und dem Kühlelement eine erneute Rückreflexion in das Streuelement vermieden werden. Durch eine wärmeleitende Absorptionsschicht kann das gestreute Laserlicht besonders effektiv dem Kühlelement zugeführt werden, so dass die thermische Energie besonders effektiv aus dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker geführt werden kann.In particular, an absorbing absorption layer between the scattering element and the cooling element can prevent further reflection into the scattering element. Through a heat-conducting absorption layer, the scattered laser light can be supplied to the cooling element particularly effectively, so that the thermal energy can be led particularly effectively from the optical fiber cable decoupling plug.
Kurze Beschreibung der FigurenShort description of the characters
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Darstellung des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers; und -
2A , B weitere schematische Darstellungen des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers.
-
1 a schematic perspective view of the optical fiber cable decoupling plug; and -
2A , B further schematic representations of the optical fiber cable decoupling plug.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. The same, similar or identical elements in the different figures are given identical reference numbers, and a repeated description of these elements is partly omitted in order to avoid redundancies.
In
Der Lichtleiterkabelauskoppelstecker 1 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform ein Lichtleiterkabel 10, an dessen Ende ein sogenanntes Endstück 12 angebracht ist. Durch das Endstück 12 wird der Durchmesser des Lichtleiterkabels 10 vergrößert, so dass das Laserlicht des Lasers aus dem Lichtleiterkabel 10 ausgekoppelt und beispielsweise für einen Materialbearbeitungsprozess bereitgestellt werden kann.In the present embodiment, the optical fiber cable decoupling plug 1 comprises an optical fiber cable 10, at the end of which a so-called end piece 12 is attached. The diameter of the optical fiber cable 10 is increased by the end piece 12, so that the laser light from the laser can be coupled out of the optical fiber cable 10 and made available, for example, for a material processing process.
Zum Halten des Endstücks 12 weist der Lichtleiterkabelauskoppelstecker 1 ein Halteelement 2` auf, wobei das Halteelement 2` um das Endstück 12 des Lichtleiterkabels 10 herum angeordnet ist. Das Endstück 12 kann in dem Halteelement 2` fix oder beweglich gehalten sein und beispielsweise in eine Durchgangsbohrung des Halteelements 2' eingeführt sein.To hold the end piece 12, the optical fiber cable decoupling plug 1 has a holding element 2', the holding element 2' being arranged around the end piece 12 of the optical fiber cable 10. The end piece 12 can be held fixedly or movably in the holding element 2' and, for example, can be inserted into a through hole in the holding element 2'.
Das Laserlicht tritt somit aus der Endfläche 120 des Endstücks 12 aus und tritt durch eine Lichtaustrittsöffnung 50, die mit einem Schutzglas 5 bedeckt ist, in eine hier nicht gezeigte Bearbeitungsoptik ein. Die Bearbeitungsoptik wird schließlich dazu verwendet, das Laserlicht in oder auf ein Werkstück zu führen, wo das Laserlicht das Werkstück beaufschlagt und dadurch bearbeitet. Ein Teil des Laserlichts kann durch Rückreflexion des Werkstücks zurück in die Bearbeitungsoptik gelangen, so dass das Laserlicht letztendlich auch durch die Lichtaustrittsöffnung 50 zurück in den Lichtleiterkabelauskoppelstecker 1 reflektiert wird.The laser light thus emerges from the end surface 120 of the end piece 12 and enters a processing optics (not shown here) through a light exit opening 50, which is covered with a protective glass 5. The processing optics are ultimately used to guide the laser light into or onto a workpiece, where the laser light impinges on the workpiece and thereby processes it. Part of the laser light can get back into the processing optics through back reflection of the workpiece, so that the laser light is ultimately reflected through the light exit opening 50 back into the optical fiber cable coupling plug 1.
Um Beschädigungen an dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker 1 durch die Rückreflexionen des Laserlichts zu vermeiden, weist das Halteelement 2` ein Streuelement 2 auf. Das Streuelement 2 ist dazu eingerichtet, das zurückreflektierte Laserlicht zu streuen. Dadurch wird das durch die Lichtaustrittsöffnung 50 rückreflektierte Laserlicht auf eine größere Fläche verteilt, so dass die Leistungsdichte des zurückreflektierten Laserlichts absinkt. Die Leistungsdichte des gestreuten, rückreflektierten Laserlichts ist hierbei insbesondere kleiner als die Bearbeitungsschwelle von Material des Lichtleiterkabelauskoppelsteckers 1, also insbesondere kleiner als die im Lichtleiterkabelauskoppelstecker 1 verbauten Komponenten. Mit anderen Worten dient das Streuelement 2 dazu, die im Lichtleiterkabelauskopplungsstecker 1 verbauten Komponenten vor einer Beschädigung zu schützen.In order to avoid damage to the optical fiber cable decoupling plug 1 due to the back reflections of the laser light, the holding element 2' has a scattering element 2. The scattering element 2 is designed to scatter the back-reflected laser light. As a result, the laser light reflected back through the light exit opening 50 is distributed over a larger area, so that the power density of the laser light reflected back decreases. The power density of the scattered, back-reflected laser light is in particular smaller than the processing threshold of material of the optical fiber cable decoupling plug 1, i.e. in particular smaller than the components installed in the optical fiber cable decoupling plug 1. In other words, the scattering element 2 serves to protect the components installed in the optical fiber cable output connector 1 from damage.
Das Streuelement 2 weist eine Transmission von mindestens 30% auf, bevorzugt von mehr als 90%, und kann beispielsweise aus einer Keramik sein oder eine solche umfassen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Streuelement jedoch aus Glas, beispielsweise Quarzglas, gefertigt. Das Glas kann durch eine gezielte Einbringung von Luftblasen im Herstellungsprozess eine Vielzahl von Streuzentren für das Laserlicht aufweisen. Ein solches Glas wird auch als Opakglas bezeichnet. Es sei an dieser Stelle betont, dass die Transmission des Streuelements 2 bei etwa 95% liegen kann, jedoch das Laserlicht durch die Vielzahl an Streuzentren nicht mehr gerichtet aus dem Streuelement 2 austritt.The scattering element 2 has a transmission of at least 30%, preferably more than 90%, and can be made of or include a ceramic, for example. In the present embodiment, however, the scattering element is made of glass, for example quartz glass. By specifically introducing air bubbles during the manufacturing process, the glass can have a large number of scattering centers for the laser light. Such glass is also known as opaque glass. It should be emphasized at this point that the transmission of the scattering element 2 can be around 95%, but the laser light no longer emerges from the scattering element 2 in a directed manner due to the large number of scattering centers.
Das Streuelement 2 ist in
Das Endstück 12 ist beweglich in dem Streuelement 2 angeordnet, so dass eine Zugspannung auf dem Lichtleiterkabel eine axiale Bewegung des Endstücks 12 durch das Streuelement 2 aufnehmen verursachen kann. Das hat den Vorteil, dass eine Zugspannung den Lichtleiterkabelauskoppelstecker 1 nicht beschädigen kann. Das Endstück 12 kann jedoch auch fix in dem Streuelement 2 angeordnet sein, beispielsweise verklebt oder verklemmt sein. The end piece 12 is movably arranged in the scattering element 2, so that a tensile stress on the optical fiber cable can cause an axial movement of the end piece 12 to be accommodated by the scattering element 2. This has the advantage that tensile stress cannot damage the optical fiber cable decoupling plug 1. However, the end piece 12 can also be arranged fixedly in the scattering element 2, for example glued or clamped.
Beispielsweise zeigt der Vergleich von
Um das Streuelement 2 herum ist in dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker 1 ein Kühlelement 30 eines Kühlsystems 3 (nicht gezeigt) angeordnet. Das Kühlelement 30 umfasst ein Doppelwandrohr, wobei zwischen den Wänden des Doppelwandrohrs eine Kühlflüssigkeit zirkulieren kann beziehungsweise zwischen diesen hindurchgepumpt werden kann. Das gestreute, rückreflektierte Laserlicht kann beispielsweise auf die innere Wand des Doppelwandrohrs treffen und dort absorbiert werden. Dadurch wird die innere Wand des Doppelwandrohrs erhitzt. Durch die zirkulierende Kühlflüssigkeit kann die entstehende Wärme abgeführt werden, so dass insgesamt die thermische Energie des gestreuten, rückreflektierten Laserlichts aus dem Lichtleiterkabelauskoppelstecker abgeführt werden kann.A cooling element 30 of a cooling system 3 (not shown) is arranged around the scattering element 2 in the optical fiber cable decoupling plug 1. The cooling element 30 comprises a double-walled tube, wherein a cooling liquid can circulate between the walls of the double-walled tube or can be pumped through between them. The scattered, back-reflected laser light can, for example, hit the inner wall of the double-walled tube and be absorbed there. This heats the inner wall of the double wall pipe. The resulting heat can be dissipated by the circulating coolant, so that overall the thermal energy of the scattered, back-reflected laser light can be dissipated from the optical fiber cable decoupling plug.
Zwischen dem Streuelement 2 und dem Kühlelement 30 kann zudem eine Absorptionsschicht angeordnet sein (nicht gezeigt), die beispielsweise das gestreute, rückreflektierte Laserlicht absorbiert und durch seine wärmeleitende Eigenschaft die thermische Energie besonders schnell zum Kühlelement 30 führt.An absorption layer (not shown) can also be arranged between the scattering element 2 and the cooling element 30, which, for example, absorbs the scattered, back-reflected laser light and, due to its heat-conducting properties, leads the thermal energy to the cooling element 30 particularly quickly.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.To the extent applicable, all individual features shown in the exemplary embodiments can be combined and/or exchanged with one another without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- LichtleiterkabelauskoppelsteckerFiber optic cable decoupling plug
- 1010
- Lichtleiterkabelfiber optic cable
- 1212
- EndstückEnd piece
- 120120
- Endflächeend face
- 22
- StreuelementScatter element
- 2'2'
- HalteelementHolding element
- 2020
- Öffnung auf der VorderseiteOpening on the front
- 2222
- Öffnung auf der HinterseiteOpening at the back
- 33
- KühlsystemCooling system
- 3030
- KühlelementCooling element
- 55
- SchutzglasProtective glass
- 5050
- LichtaustrittsöffnungLight exit opening
Claims (13)
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US4660925A (en) | 1985-04-29 | 1987-04-28 | Laser Therapeutics, Inc. | Apparatus for producing a cylindrical pattern of light and method of manufacture |
DE4137983A1 (en) | 1990-12-19 | 1992-06-25 | Zeiss Carl Fa | Laser irradiation application appts. - has light wave conductor with scattering device in closed tubular case, transparent at end to laser |
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DE102017210350B3 (en) | 2017-06-21 | 2018-03-29 | Trumpf Laser Gmbh | Device for decoupling radiation from an optical fiber, optical fiber cable and machining head with it |
-
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-
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- 2023-04-04 CN CN202310349246.9A patent/CN117075262A/en active Pending
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Also Published As
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DE102022107948A1 (en) | 2023-10-05 |
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