DE102022110078A1 - Device and method for modifying the beam profile of a laser beam - Google Patents
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Abstract
Bereitgestellt wird Vorrichtung zur selektiven Veränderung des Strahlprofils eines Laserstrahls, die Vorrichtung umfassend: Wenigstens eine Laserstrahlquelle, die einen Faserlaser umfasst, zur Erzeugung eines Lasereingangsstrahls; Eine Kollimationseinheit zur Kollimation des Lasereingangsstrahls; Eine Kopplungseinheit, die wenigstens ein optisches Element aufweist, welches verschiebbar im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist; und Eine Mehrfachcladfaser, umfassend einen Kernbereich und wenigstens einen, den Kernbereich umgebenden Ringbereich; Wobei die Kopplungseinheit dazu ausgebildet ist, den Lasereingangsstrahl in einem vorbestimmbaren Verhältnis anteilig in den Kernbereich und/oder den wenigstens einen Ringbereich der Mehrfachcladfaser einzukoppeln, sodass an einem Austrittsende der Mehrfachcladfaser ein Laserausgangsstrahl mit einem selektiv wählbaren Strahlprofil bereitstellbar ist. Ferner wird ein mittels der Vorrichtung durchführbares Verfahren zum selektiven Ändern des Strahlprofils eines Laserstrahls bereitgestellt.Provided is a device for selectively changing the beam profile of a laser beam, the device comprising: at least one laser beam source, which comprises a fiber laser, for generating a laser input beam; A collimation unit for collimating the laser input beam; A coupling unit which has at least one optical element which is displaceably arranged in the beam path of the laser input beam; and A multiclad fiber comprising a core region and at least one ring region surrounding the core region; The coupling unit is designed to couple the laser input beam proportionally into the core region and/or the at least one ring region of the multiple clad fiber in a predeterminable ratio, so that a laser output beam with a selectively selectable beam profile can be provided at an exit end of the multiple clad fiber. Furthermore, a method for selectively changing the beam profile of a laser beam that can be carried out using the device is provided.
Description
Gebiet der ErfindungField of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum selektiven Verändern des Strahlprofils eines Laserstrahls.The present invention relates to the field of laser processing. In particular, the invention relates to a device and a method for selectively changing the beam profile of a laser beam.
Stand der TechnikState of the art
Techniken zum selektiven Verändern der Strahlqualität eines Laserstrahls durch selektives Einkoppeln eines Lasereingangsstrahls in eine Mehrfachcladfaser mit einem zentralen Kernbereich und wenigstens einem den Kernbereich umgebenden Ringbereich sind grundsätzlich bekannt und beispielsweise in der
Festkörperlaser, die sich zur Anwendung dieser Technik grundsätzlich eignen, lassen sich in verschiedene Gruppen einteilen, abhängig von der Art des verwendeten laseraktiven Mediums. Eine besonders effiziente Gruppe der Festkörperlaser sind die Faserlaser, bei denen als laseraktives Medium eine dotierte Lichtleitfaser verwendet wird. Gegenüber Stab oder Scheibenlasern zeichnen sich Faserlaser unter anderem dadurch aus, dass die erzeugte Laserstrahlung von vornherein in einer Lichtleitfaser geführt wird, wodurch eine vergleichsweise komplizierte und sperrige Führung des Laserstrahls im Freistrahl vermieden werden kann.Solid-state lasers, which are generally suitable for using this technology, can be divided into different groups, depending on the type of laser-active medium used. A particularly efficient group of solid-state lasers are fiber lasers, in which a doped optical fiber is used as the laser-active medium. Compared to rod or disk lasers, fiber lasers are characterized, among other things, by the fact that the laser radiation generated is guided in an optical fiber from the outset, which means that comparatively complicated and bulky guidance of the laser beam in the free beam can be avoided.
Um das schlanke Design des Faserlasers auch beim Übergang zwischen zwei Fasern aufrechtzuerhalten, werden die Fasern durch sogenanntes „splicing“ miteinander verbunden bzw. verschweißt. Zur Bereitstellung eines Laserstrahls mit variablem Strahlprofil durch Verwendung einer Mehrfachcladfaser werden daher die Fasern mehrerer Faserlaser mit dem Eintrittsende einer Mehrfachcladfaser derart miteinander verspliced, dass wenigstens eine Faser mit dem Kernbereich und wenigstens eine der Fasern mit dem Ringbereich der Mehrfachcladfaser in Verbindung steht, wie beispielsweise in der
Es gibt auch Anwendungsfelder, in denen Faserlaser in einen Freistrahl überführt und anschließend in eine Mehrfachcladfaser eingekoppelt werden. Beispielsweise wird in der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll die Flexibilität bei der Einstellung des Strahlprofils eines auf Faserlasern basierenden Laserstrahls unter Ausnutzung des vollen zur Verfügung stehenden Leistungsspektrums verbessert werden.The present invention is based on the object of improving the prior art. In particular, the flexibility in setting the beam profile of a laser beam based on fiber lasers should be improved by utilizing the full power spectrum available.
Die ErfindungThe invention
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird eine Vorrichtung zur selektiven Veränderung des Strahlprofils eines Laserstrahls bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine Laserstrahlquelle, die einen Faserlaser umfasst, zur Erzeugung eines Lasereingangsstrahls. Ein Faserlaser umfasst eine dotierte Lichtleitfaser als laseraktives Medium. Die Laserstrahlquelle kann insgesamt mehrere Lasermodule mit jeweiligen Faserlasern umfassen. Wenn die Laserstrahlquelle mehrere Lasermodule umfasst, kann sie ferner einen Laser-Combiner umfassen, in dem die Fasern mehrerer Lasermodule vorzugsweise mittels Splicing in einer gemeinsamen Faser zusammengeführt und zu einem gemeinsamen Lasereingangsstrahl kombiniert werden. Ein Lasermodul kann beispielsweise eine Laserleistung von bis zu 500 W oder auch bis zu 1 kW oder mehr bereitstellen.To achieve the object underlying the invention, a device for selectively changing the beam profile of a laser beam is provided. The device includes at least one laser beam source, which includes a fiber laser, for generating a laser input beam. A fiber laser includes a doped optical fiber as a laser-active medium. The laser beam source can comprise a total of several laser modules with respective fiber lasers. If the laser beam source comprises several laser modules, it can further comprise a laser combiner in which the fibers of several laser modules are brought together into a common fiber, preferably by means of splicing, and combined to form a common laser input beam. For example, a laser module can provide a laser power of up to 500 W or up to 1 kW or more.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine Kollimationseinheit zur Kollimation des Lasereingangsstrahls. Mit anderen Worten wird der Lasereingangsstrahl aus einer Faser (Eingangsfaser) in einen Freistrahl überführt und mittels der Kollimationseinheit, die z.B. eine Kollimationslinse oder einen Kollimationsspiegel umfassen kann, kollimiert - also parallelisiert.The device further comprises a collimation unit for collimating the laser input beam. In other words, the laser input beam is converted from a fiber (input fiber) into a free beam and collimated - i.e. parallelized - by means of the collimation unit, which can include, for example, a collimation lens or a collimation mirror.
Weiter umfasst die Vorrichtung eine Kopplungseinheit, die wenigstens ein optisches Element aufweist, welches verschiebbar im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist, sowie eine Mehrfachcladfaser, umfassend einen Kernbereich und wenigstens einen, den Kernbereich umgebenden Ringbereich. Die Kopplungseinheit ist dazu ausgebildet, den Lasereingangsstrahl in einem vorbestimmbaren Verhältnis anteilig in den Kernbereich und/oder den wenigstens einen Ringbereich der Mehrfachcladfaser einzukoppeln, sodass an einem Austrittsende der Mehrfachcladfaser ein Laserausgangsstrahl mit einem selektiv wählbaren Strahlprofil bereitstellbar ist. Beispielsweise kann ein Teil des Lasereingangsstrahls als ein erster Teilstrahl in den Kernbereich der Mehrfachcladfaser und ein zweiter Teil des Lasereingangsstrahls als ein zweiter Teilstrahl in einen Ringbereich der Mehrfachcladfaser eingekoppelt werden. Alternativ kann der Lasereingangsstrahl vollständig entweder in den Faserkern oder in den wenigstens einen Faserring eingekoppelt werden. Unter der Einkopplung in die Mehrfachcladfaser kann ein Fokussieren des Lasereingangsstrahls beziehungsweise des jeweiligen Teilstrahls auf ein eingangsseitiges Faserende der Mehrfachcladfaser in dem entsprechenden Bereich (Kernbereich oder Ringbereich) verstanden werden.The device further comprises a coupling unit which has at least one optical element which is displaceably arranged in the beam path of the laser input beam, as well as a multiple clad fiber comprising a core region and at least one ring region surrounding the core region. The coupling unit is designed to couple the laser input beam proportionally into the core region and/or the at least one ring region of the multiple clad fiber in a predeterminable ratio, so that a laser output beam with a selectively selectable beam profile can be provided at an exit end of the multiple clad fiber. For example, a part of the laser input beam can be coupled as a first partial beam into the core region of the multiple clad fiber and a second part of the laser input beam can be coupled as a second partial beam into a ring region of the multiple clad fiber. Alternatively, the Laser input beam can be completely coupled either into the fiber core or into the at least one fiber ring. Coupling into the multiple clad fiber can be understood as focusing the laser input beam or the respective partial beam onto an input-side fiber end of the multiple clad fiber in the corresponding area (core area or ring area).
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Komponenten vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Nennung in Strahlausbreitungsrichtung des Lasereingangsstrahls angeordnet sind.It is understood that the components described above are preferably arranged in the order in which they are mentioned in the beam propagation direction of the laser input beam.
Die Mehrfachcladfaser kann insbesondere als eine Doppelcladfaser, auch als 2in1-Faser bezeichnet, mit einem Faserkern und einem den Faserkern umgebenden Faserring ausgeführt sein. Die Mehrfachcladfaser kann jedoch auch mehr als einen Ringbereich umfassen, wobei alle Ringbereiche vorzugsweise konzentrisch um den Kernbereich angeordnet sein können. Die Mehrfachcladfaser kann ferner vorzugsweise als Transportfaser ausgebildet sein, die den Laserstrahl von der Laserstrahlquelle zu einer Laserbearbeitungsstation, z.B. einer Laserschneidanlage oder einer Laserschweißanlage, transportiert. Die Mehrfachcladfaser kann dabei eine Länge von wenigstens 5 m bis z.B. 100 m aufweisen.The multiple clad fiber can in particular be designed as a double clad fiber, also referred to as a 2-in-1 fiber, with a fiber core and a fiber ring surrounding the fiber core. However, the multiple clad fiber can also comprise more than one ring area, with all ring areas preferably being arranged concentrically around the core area. The multiple clad fiber can also preferably be designed as a transport fiber that transports the laser beam from the laser beam source to a laser processing station, for example a laser cutting system or a laser welding system. The multiple clad fiber can have a length of at least 5 m to, for example, 100 m.
Durch die Kollimation des Lasereingangsstrahls wird der Strahl, insbesondere mit Hinblick auf die selektive Änderung des Strahlprofils, besser bzw. einfacher handhabbar. Durch die vorgeschlagene Komponentenanordnung kann insbesondere der Lasereingangsstrahl unter Ausnutzung der vollen verfügbaren Laserleistung aller verwendeter Faserlaser frei wählbar auf den Kernbereich und/oder den Ringbereich der Mehrfachcladfaser verteilt werden. Dies erhöht die Flexibilität beim Einsatz der Vorrichtung. Die Vorrichtung kann beispielsweise in einer Anlage zur Laserbearbeitung von metallischen, insbesondere platten- oder rohrförmigen Werkstücken, verwendet werden. Typische Anwendungen sind das Laserschneiden oder das Laserschweißen. Andere Bearbeitungstechniken, die auf der Verwendung eines Laserstrahls beruhen sind allerdings genauso denkbar.The collimation of the laser input beam makes the beam easier to handle, particularly with regard to the selective change in the beam profile. The proposed component arrangement in particular allows the laser input beam to be freely distributed to the core area and/or the ring area of the multiple clad fiber using the full available laser power of all fiber lasers used. This increases flexibility when using the device. The device can be used, for example, in a system for laser processing of metal, in particular plate-shaped or tubular workpieces. Typical applications are laser cutting or laser welding. However, other processing techniques that rely on the use of a laser beam are just as conceivable.
Durch die Verwendung von Faserlasern als Strahlquelle weist die Vorrichtung bei gleicher Leistung eine im Vergleich mit Scheibenlasern kompaktere und einfachere Bauweise auf und ist insgesamt kostengünstiger herstellbar.By using fiber lasers as a beam source, the device has a more compact and simpler design compared to disk lasers with the same power and can be produced more cost-effectively overall.
Die Kopplungseinheit kann einen Strahlteiler umfassen, der in einer Richtung quer zur Strahlausbreitungsrichtung verschiebbar im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist, wobei der Lasereingangsstrahl abhängig von der Position des Strahlteilers im Strahlengang wenigstens teilweise gegenüber dem Lasereingangsstrahl ablenkbar ist, und wobei die Kopplungseinheit ferner eine Fokussierlinse umfassen kann, die dazu ausgebildet ist, einen nicht abgelenkten Teil des Lasereingangsstrahls in den Kernbereich und einen abgelenkten Teil des Lasereingangsstrahls in den wenigstens einen Ringbereich der Mehrfachcladfaser einzukoppeln. Vorzugsweise können der Strahlteiler und die Fokussierlinse in einem fest vorbestimmten Abstand zueinander im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet sein. Dies vereinfacht den Aufbau der Vorrichtung und die Handhabbarkeit in der Anwendung. Durch die vorgeschlagene Kombination aus Strahlteiler und Fokussierlinse kann sichergestellt werden, dass die Teilstrahlen (abgelenkter und nicht abgelenkter Teil) des Laserausgangsstrahls auch während einer Änderung der Position des Strahlteilers im Strahlengang jeweils vollständig in den Kernbereich und/oder den Ringbereich der Mehrfachcladfaser eingespeist werden. Die Position der Einkopplung der Teilstrahlen im Kernbereich bzw. im Ringbereich am eingangsseitigen Ende der Mehrfachcladfaser können durch eine feste Anordnung des Strahlteilers und der Fokussierlinse zueinander vorbestimmt sein. So gelangt auch während der Veränderung des Strahlprofils keine Laserstrahlung in ein Zwischencladding, das vorzugsweise zwischen dem Kernbereich und dem Ringbereich der Mehrfachcladfaser, quasi als Trennwand, angeordnet ist.The coupling unit can comprise a beam splitter which is displaceably arranged in the beam path of the laser input beam in a direction transverse to the beam propagation direction, the laser input beam being at least partially deflectable relative to the laser input beam depending on the position of the beam splitter in the beam path, and wherein the coupling unit can further comprise a focusing lens , which is designed to couple a non-deflected part of the laser input beam into the core region and a deflected part of the laser input beam into the at least one ring region of the multiple clad fiber. Preferably, the beam splitter and the focusing lens can be arranged at a fixed, predetermined distance from one another in the beam path of the laser input beam. This simplifies the structure of the device and the ease of use. The proposed combination of beam splitter and focusing lens can ensure that the partial beams (deflected and non-deflected part) of the laser output beam are fed completely into the core area and/or the ring area of the multiple clad fiber, even during a change in the position of the beam splitter in the beam path. The position of the coupling of the partial beams in the core area or in the ring area at the input end of the multiple clad fiber can be predetermined by a fixed arrangement of the beam splitter and the focusing lens relative to one another. Even during the change in the beam profile, no laser radiation reaches an intermediate cladding, which is preferably arranged between the core area and the ring area of the multiple clad fiber, so to speak as a partition.
Der Strahlteiler kann vorzugsweise ein im Wesentlichen scheibenförmiges optisches Element mit einer Eintrittsfläche und einer der Eintrittsfläche gegenüberliegenden Austrittsfläche aufweisen. Das optische Element kann einen parallelwandigen, ersten Abschnitt und einen keilförmigen, zweiten Abschnitt aufweisen. Der Strahlteiler kann auch als Keilweiche bezeichnet werden. Die Eintrittsfläche kann vorzugsweise eben ausgebildet sein und senkrecht zur Laserausbreitungsrichtung angeordnet sein. In einer ersten Stellung des Strahlteilers im Strahlengang des Lasereingangsstrahls durchläuft der Lasereingangsstrahl nur den ersten, parallelwandigen Abschnitt des optischen Elements, sodass der Laserseingangsstrahl nicht abgelenkt wird. In einer zweiten Stellung des Strahlteilers durchläuft der Lasereingangsstrahl nur den zweiten, keilförmigen bzw. angeschrägten Abschnitt des optischen Elements, sodass der gesamte Lasereingangsstrahl abgelenkt wird. In einer Zwischenstellung des Strahlteilers, durchläuft der Lasereingangsstrahl teilweise den ersten Abschnitt und teilweise den zweiten Abschnitt des optischen Elements, sodass die Richtung eines ersten Teils des Lasereingangsstrahls unverändert bleibt und ein zweiter Teil des Lasereingangsstrahls abgelenkt wird. Je nach Positionierung des optischen Elements im Strahlengang des Lasereingangsstrahls kann also die Aufteilung des Lasereingangsstrahls in einen nicht abgelenkten und einen abgelenkten Teil frei gewählt und eingestellt werden. Analog dazu kann die Leistung des in den Kernbereich und/oder den wenigstens einen Ringbereich der Mehrfachcladfaser frei eingestellt werden. Gegenüber einem optischen, insbesondere keilförmigen Element, das nur teilweise in den Lasereingangsstrahl eingeführt wird, weist das vorgeschlagene optische Element mit dem zusätzlichen parallelwandigen Abschnitt, insbesondere bei großen Laserleistungen im kW-Bereich, eine größere Robustheit auf und ermöglicht eine weitestgehend verlustfreie Aufteilung des Lasereingangsstrahls.The beam splitter can preferably have a substantially disk-shaped optical element with an entrance surface and an exit surface opposite the entrance surface. The optical element can have a parallel-walled, first section and a wedge-shaped, second section. The beam splitter can also be referred to as a wedge switch. The entrance surface can preferably be flat and arranged perpendicular to the laser propagation direction. In a first position of the beam splitter in the beam path of the laser input beam, the laser input beam only passes through the first, parallel-walled section of the optical element, so that the laser input beam is not deflected. In a second position of the beam splitter, the laser input beam only passes through the second, wedge-shaped or beveled section of the optical element, so that the entire laser input beam is deflected. In an intermediate position of the beam splitter, the laser input beam partially passes through the first section and partially through the second section of the optical element, so that the direction of a first part of the laser input beam remains unchanged and a second part of the laser input beam is deflected. Depending on the positioning of the optical element in the beam path of the laser input beam, the laser input beam can be divided into a non-deflected and a deflected part can be freely selected and adjusted. Analogously, the power in the core area and/or the at least one ring area of the multiple clad fiber can be freely adjusted. Compared to an optical, in particular wedge-shaped, element that is only partially inserted into the laser input beam, the proposed optical element with the additional parallel-walled section has greater robustness, especially with large laser powers in the kW range, and enables a largely loss-free division of the laser input beam.
Der Strahlteiler kann vorzugsweise um eine Schwenkachse herum verschwenkbar sein, wobei die Schwenkachse parallel zum Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist. Auch eine laterale oder andersartige Bewegung des Strahlteilers im Strahlengang des Lasereingangsstrahls ist möglich. Gegenüber anderen Bewegungsarten ist eine Rotation des Strahlteilers zur Veränderung der Stellung des optischen Elements im Strahlengang besonders effizient und schnell. Eine vergleichsweise kleine Drehbewegung bewirkt eine besonders schnelle Bewegung des optischen Elements auf einem Kreisbahnabschnitt. Die Schaltzeiten zwischen zwei Stellungen des optischen Elements können auf diese Weise optimiert werden. Ferner kann Rotationsbewegung direkt aus der Rotationsbewegung eines Antriebsmotors erfolgen. Eine Übersetzung der Bewegungsrichtung ist nicht notwendig, wodurch der Antriebsaufbau vereinfacht wird.The beam splitter can preferably be pivotable about a pivot axis, the pivot axis being arranged parallel to the beam path of the laser input beam. A lateral or other movement of the beam splitter in the beam path of the laser input beam is also possible. Compared to other types of movement, rotating the beam splitter to change the position of the optical element in the beam path is particularly efficient and quick. A comparatively small rotational movement causes a particularly rapid movement of the optical element on a circular path section. The switching times between two positions of the optical element can be optimized in this way. Furthermore, rotational movement can occur directly from the rotational movement of a drive motor. A translation of the direction of movement is not necessary, which simplifies the drive structure.
Der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des optischen Elements kann in Form einer linienförmigen Kante an der Austrittsfläche des optischen Elements ausgebildet sein. Die Linie entlang derer sich die Kante erstreckt, kann sich vorzugsweise mit der Schwenkachse des Strahlteilers schneiden. Dies kann die Kalibrierung der Vorrichtung vereinfachen.The transition between the first section and the second section of the optical element can be designed in the form of a linear edge on the exit surface of the optical element. The line along which the edge extends can preferably intersect with the pivot axis of the beam splitter. This can simplify calibration of the device.
Das optische Element kann an einem Schwenkarm befestigt sein, der dazu ausgebildet ist, in Zusammenspiel mit einem Schwenkantrieb, das optische Element um die Schwenkachse herum zu schwenken.The optical element can be attached to a pivot arm, which is designed, in cooperation with a pivot drive, to pivot the optical element around the pivot axis.
Wie bereits weiter oben angedeutet, können der Kernbereich und der den Kernbereich umgebende wenigstens eine Ringbereich der Mehrfachcladfaser durch ein Zwischencladding voneinander getrennt sein. Vorzugsweise kann das Zwischencladding eine Dicke von höchstens 15 µm, bevorzugt von höchstens 12 µm, noch bevorzugter von höchstens 10 µm aufweisen. Das Zwischencladding fungiert als Trennwand zwischen den lichtleitenden Kern- und Ringbereichen der Mehrfachcladfaser. Das Zwischencladding sollte eine möglichst geringe Dicke aufweisen, um eine Intensitätslücke des am ausgangsseitigen Ende der Mehrfachcladfaser resultierenden Laserausgangsstrahls zwischen Kern- und Ringstrahl(en) zu minimieren. Der Kernbereich der Mehrfachcladfaser kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 50 µm und 200 µm aufweisen. Der Außendurchmesser des den Kernbereich unmittelbar umgebenden Ringbereichs kann beispielsweise zwischen 200 µm und 1000 µm betragen. Als besonders vorteilhafte Mehrfachcladfasern haben sich Doppelcladfasern (also Fasern mit einem den Kernbereich umgebenden Ringbereich) mit einem Verhältnis von Kerndurchmesser zu Ringdurchmesser von beispielsweise 50 µm/200 µm, 100 µm/400 µm, 100 µm/600 µm, 200 µm/700 µm oder von 300 µm/1000 µm herausgestellt. Durch die Vergrößerung der Differenz zwischen dem Durchmesser des Kernbereichs und dem Außendurchmesser des Ringbereichs, kann der Unterschied der Strahlqualität zwischen Kernstrahl und Ringstrahl vergrößert, und somit das Spektrum hinsichtlich der Einstellung der Strahlqualität des Laserausgangsstrahls vergrößert werden.As already indicated above, the core region and the at least one ring region of the multiple clad fiber surrounding the core region can be separated from one another by an intermediate cladding. Preferably, the intermediate cladding can have a thickness of at most 15 μm, preferably at most 12 μm, even more preferably at most 10 μm. The intermediate cladding acts as a partition between the light-conducting core and ring areas of the multiple clad fiber. The intermediate cladding should have the smallest possible thickness in order to minimize an intensity gap between the core and ring beam(s) of the laser output beam resulting at the output end of the multiple clad fiber. The core area of the multiple clad fiber can, for example, have a diameter between 50 µm and 200 µm. The outer diameter of the ring area immediately surrounding the core area can be, for example, between 200 μm and 1000 μm. Double-clad fibers (i.e. fibers with a ring area surrounding the core area) with a ratio of core diameter to ring diameter of, for example, 50 µm/200 µm, 100 µm/400 µm, 100 µm/600 µm, 200 µm/700 µm or of 300 µm/1000 µm. By increasing the difference between the diameter of the core area and the outer diameter of the ring area, the difference in beam quality between the core beam and the ring beam can be increased, and thus the spectrum can be increased in terms of adjusting the beam quality of the laser output beam.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner wenigstens eine weitere Kopplungseinrichtung und wenigstens eine weitere Mehrfachcladfaser umfassen, sowie wenigstens eine Umlenkeinheit, die in Strahlausbreitungsrichtung zwischen der Kollimationseinheit und jeder der Kopplungseinrichtungen im Strahlengang des Lasereingangsstrahls angeordnet ist und die dazu ausgebildet ist, den kollimierten Lasereingangsstrahl wahlweise auf eine der Kopplungseinrichtungen zur Einkopplung in eine der Mehrfachcladfasern zu richten. Die Umlenkeinheit kann als Spiegel ausgebildet sein, der wahlweise in den Strahlengang des Lasereingangsstrahls eingeschwenkt oder anderweitig hineinbewegt werden kann. Der Spiegel kann auch teildurchlässig sein, um einen ersten Teil, beispielsweise die Hälfte, der Lasereingangsstrahlung in Richtung einer ersten Mehrfachcladfaser mit einer vorgeschalteten ersten Kopplungseinrichtung zu lenken und gleichzeitig einen zweiten Teil der Lasereingangsstrahlung zur Einkopplung in eine zweite Mehrfachcladfaser hindurchzulassen. Nach diesem Schema ist die Vorrichtung grundsätzlich um beliebig viele Laserabgänge erweiterbar, wobei nicht jeder Laserabgang zwangsläufig an eine Mehrfachcladfaser angeschlossen sein muss, sondern wenigstens ein Laserabgang auch an eine Einkernfaser bzw. Single Core Fiber angeschlossen sein kann, wobei die Kopplungseinrichtung bei einem solchen herkömmlichen Laserabgang beispielsweise durch eine feststehende Fokussierlinse ersetzt werden kann. Bevorzugt kann eine Vorrichtung mit zwei Laserabgängen oder beispielsweise mit vier Laserabgängen sein, die wahlweise einzeln mit voller Laserleistung oder gemeinsam mit wenigstens einem weiteren Abgang und geteilter Laserleistung ansteuerbar sind. Beispielsweise können an zwei Laserabgänge Merfachcladfasern mit voneinander unterschiedlichen Durchmessern im Kern- bzw. im Ringbereich angeschlossen sein. Auf diese Weise können mit dem gleichen Laser verschiedene Mehrfachcladfasern verwendet werden, wodurch die Bandbreite der verfügbaren und variabel wählbaren Strahlparameter weiter erhöht werden kann. Eine derartige Variabiltät der Strahlaufteilung ist mit einem ausschließlich in Fasern geführten Laser derzeit nicht möglich. Gegenüber einem „Nur-Faser-Design“ weist die vorliegende Vorrichtung ferner den Vorteil auf, dass optische Elemente im Strahlengang des Lasereingangsstrahls flexibel ausgetauscht werden können. Bei Beschädigungen oder Verbesserungen der Vorrichtung kann daher der technische und finanzielle Aufwand begrenzt werden. Beispielsweise sind Sensoriken zur Überwachung des Lasereingangsstrahls, z.B. zur Detektion von Streulicht, von Rückreflexen oder von Raman-Strahlen, vergleichsweise einfach in die Vorrichtung integrierbar. Ferner ist die Einkoppeldivergenz des Lasereingangsstrahls in die Mehrfachcladfaser variabel und einstellbar.The device according to the invention can further comprise at least one further coupling device and at least one further multiple clad fiber, as well as at least one deflection unit which is arranged in the beam propagation direction between the collimation unit and each of the coupling devices in the beam path of the laser input beam and which is designed to selectively direct the collimated laser input beam to one of the Coupling devices for coupling into one of the multiple clad fibers. The deflection unit can be designed as a mirror, which can either be pivoted into the beam path of the laser input beam or moved into it in some other way. The mirror can also be partially transparent in order to direct a first part, for example half, of the laser input radiation in the direction of a first multiple clad fiber with an upstream first coupling device and at the same time to allow a second part of the laser input radiation to pass through for coupling into a second multiple clad fiber. According to this scheme, the device can basically be expanded to include any number of laser outputs, whereby not every laser output necessarily has to be connected to a multiple clad fiber, but at least one laser output can also be connected to a single core fiber or single core fiber, with the coupling device in such a conventional laser output for example, can be replaced by a fixed focusing lens. A device with two laser outputs or, for example, with four laser outputs can be preferred, which can either be controlled individually with full laser power or together with at least one further output and divided laser power. For example, Merfachclad fibers can be connected to two laser outputs with different diameters in the core or ring area. In this way, different multiple clad fibers can be used with the same laser, which can further increase the range of available and variably selectable beam parameters. Such variability in beam splitting is currently not possible with a laser guided exclusively in fibers. Compared to a “fiber-only design,” the present device also has the advantage that optical elements in the beam path of the laser input beam can be flexibly exchanged. If the device is damaged or improved, the technical and financial effort can be limited. For example, sensors for monitoring the laser input beam, for example for detecting scattered light, back reflections or Raman beams, can be integrated comparatively easily into the device. Furthermore, the coupling divergence of the laser input beam into the multiple clad fiber is variable and adjustable.
Die Kollimationseinheit und die wenigstens eine Kopplungseinheit der Vorrichtung können, gemeinsam mit der wenigstens einen optionalen Umlenkeinheit, vorzugsweise auf einer gemeinsamen Plattform angeordnet sein. An diese Plattform kann eingangsseitig das Lichtleitkabel der Laserstrahlquelle an die Kollimationseinheit angeschlossen werden. Ausgangsseitig kann an jede Kopplungseinheit eine Mehrfachcladfaser angeschlossen werden.The collimation unit and the at least one coupling unit of the device can, together with the at least one optional deflection unit, preferably be arranged on a common platform. The light guide cable from the laser beam source can be connected to the collimation unit on the input side of this platform. On the output side, a multiple clad fiber can be connected to each coupling unit.
Im Strahlengang unmittelbar nach der Kollimationseinheit, und vorzugsweise ebenfalls auf der Plattform, kann eine Modifikationseinheit, beispielsweise in Form eines teildurchlässigen Umlenkspiegels, angeordnet sein, die dazu ausgebildet ist, Anteile des Lasereingangsstrahls mit einer für die weitere Führung des Lasereingangsstrahls schädlichen Raman-Wellenläge herauszufiltern. Auf diese Weise können unter anderem nachfolgende Elemente zur Führung des Laserstrahls vor Beschädigung, insbesondere vor Überhitzung, geschützt werden.In the beam path immediately after the collimation unit, and preferably also on the platform, a modification unit, for example in the form of a partially transparent deflection mirror, can be arranged, which is designed to filter out portions of the laser input beam with a Raman wavelength that is harmful to the further guidance of the laser input beam. In this way, among other things, subsequent elements for guiding the laser beam can be protected from damage, in particular from overheating.
Der Lasereingangsstrahl kann vorzugsweise eine Wellenlänge von 1075 nm aufweisen. Die optischen Elemente zur Leitung des Lasereingangsstrahls können vorzugsweise eine Beschichtung aufweisen, die funktionsspezifisch auf die Wellenlänge des Lasereingangsstrahls angepasst ist. Insbesondere kann das optische Element der Kopplungseinheit an ihrer Eintrittsfläche und/oder an ihrer Austrittsfläche eine Beschichtung aufweisen, die eine möglichst vollständige und verlustfreie Transmission des Lasereingangsstrahls gewährleistet.The laser input beam may preferably have a wavelength of 1075 nm. The optical elements for guiding the laser input beam can preferably have a coating that is functionally adapted to the wavelength of the laser input beam. In particular, the optical element of the coupling unit can have a coating on its entrance surface and/or on its exit surface, which ensures the most complete and loss-free transmission of the laser input beam.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum selektiven Ändern des Strahlprofils eines Laserstrahls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt ein Bereitstellen eines Lasereingangsstrahls in einer Lasereingangsfaser. In einem zweiten Schritt umfasst das Verfahren ein Überführen des Lasereingangsstrahls an einem Austrittsende der Lasereingangsfaser in einen Freistrahl. In einem dritten Schritt umfasst das Verfahren ein Kollimieren des Lasereingangsstrahls und in einem vierten Schritt ein selektives Ablenken wenigstens eines Teils des Lasereingangsstrahls. In einem fünften Schritt umfasst das Verfahren ein Einkoppeln eines nicht abgelenkten Teils des Lasereingangsstrahls in einen Kernbereich einer Mehrfachcladfaser und/oder ein Einkoppeln eines abgelenkten Teils des Lasereingangsstrahls in einen den Kernbereich umgebenden Ringbereich der Mehrfachcladfaser. Das Einkoppeln umfasst vorzugsweise ein Fokussieren des entsprechenden Teilstrahls auf das Eintrittsende der Mehrfachclad-Faser in dem entsprechenden Bereich (Kernbereich und/oder Ringbereich).To achieve the object underlying the invention, a method for selectively changing the beam profile of a laser beam is also provided. In a first step, the method includes providing a laser input beam in a laser input fiber. In a second step, the method includes converting the laser input beam into a free beam at an exit end of the laser input fiber. In a third step, the method includes collimating the laser input beam and, in a fourth step, selectively deflecting at least a portion of the laser input beam. In a fifth step, the method includes coupling an undeflected part of the laser input beam into a core region of a multiple clad fiber and/or coupling a deflected part of the laser input beam into a ring region of the multiple clad fiber surrounding the core region. The coupling preferably includes focusing the corresponding partial beam onto the entrance end of the multi-clad fiber in the corresponding area (core area and/or ring area).
Durch die Verwendung des angegebenen Verfahrens kann an einem Austrittsende der Mehrfachcladfaser ein Laserausgangsstrahl mit einem selektiv wählbaren Strahlprofil bereitgestellt werden.By using the specified method, a laser output beam with a selectively selectable beam profile can be provided at an exit end of the multiple clad fiber.
Das Verfahren ist mittels einer Vorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten durchführbar.The method can be carried out using a device according to one of the variants described above.
Optionale Merkmale des Verfahrens ergeben sich aus den oben beschriebenen Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt.Optional features of the method result from the variants of the device according to the invention described above and vice versa.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird die Eingangslaserstrahlung mit einer Laserleistung von wenigstens 2 kW, bevorzugt wenigstens 4 kW, noch bevorzugter wenigstens 6 kW bereitgestellt.According to a preferred variant, the input laser radiation is provided with a laser power of at least 2 kW, preferably at least 4 kW, even more preferably at least 6 kW.
Das beschriebene Verfahren zum selektiven Ändern der Strahlqualität eines Laserstrahls kann beispielsweise in einem Prozess zum Laserschneiden oder Laserschweißen von vorzugsweise metallischen, insbesondere rohr- oder plattenförmigen Werkstücken. Dazu kann das ausgangsseitige Ende der Mehrfachcladfaser mit einem Laserbearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsanlage verbunden sein, sodass der Laserausgangsstrahl mit dem gewünschten Strahlprofil durch eine Fokussieroptik im Laserbearbeitungskopf, vorzugsweise unter Zuführung eines Prozessgasstrahls, auf die Werkstückoberfläche gerichtet wird.The described method for selectively changing the beam quality of a laser beam can be used, for example, in a process for laser cutting or laser welding of preferably metallic, in particular tubular or plate-shaped workpieces. For this purpose, the output end of the multiple clad fiber can be connected to a laser processing head of a laser processing system, so that the laser output beam with the desired beam profile is directed onto the workpiece surface through focusing optics in the laser processing head, preferably with the supply of a process gas jet.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich während eines Bearbeitungsprozesses (beispielsweise Laserschneiden oder Laserschweißen) das Strahlprofil des Bearbeitungslaserstrahls (Laserausgangsstrahl) zu ändern, ohne den Prozess zu unterbrechen. Zusätzlich steht für jede über den Querschnitt des Laserstrahls wählbare Leistungsverteilung (insbesondere die Leistungsverteilung zwischen Kernbereich und Ringbereich) die volle Laserleistung (Nennleistung) zur Verfügung.By using the method according to the invention, it is possible to change the beam profile of the machining process during a machining process (for example laser cutting or laser welding). of the laser beam (laser output beam) without interrupting the process. In addition, the full laser power (nominal power) is available for any power distribution that can be selected over the cross section of the laser beam (in particular the power distribution between the core area and the ring area).
AusführungsbeispieleExamples of embodiments
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.The following description of preferred exemplary embodiments serves to explain the invention in more detail in conjunction with the drawings.
Es zeigen:
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1 Eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur selektiven Veränderung des Strahlprofils eines Laserstrahls. -
2a-2c Verschiedene Stellungen einer Kopplungseinrichtung zur selektiven Einkopplung eines Lasereingangsstrahls in einen Kernbereich und/oder einen Ringbereich einer Doppelclad-Faser; und -
3a-3c Verschiedene mögliche Strahlprofile eines Laserausgangsstrahls am ausgangsseitigen Ende der Doppelclad-Faser gemäß1 .
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1 A variant of a device according to the invention for selectively changing the beam profile of a laser beam. -
2a-2c Different positions of a coupling device for selectively coupling a laser input beam into a core region and/or a ring region of a double-clad fiber; and -
3a-3c Various possible beam profiles of a laser output beam at the output end of the double-clad fiber according to1 .
Merkmale mit gleicher oder ähnlicher Struktur oder Funktion sind in den Figuren der Einfachheit halber mit den gleichen Bezugszeichen versehen.For the sake of simplicity, features with the same or similar structure or function are given the same reference numerals in the figures.
Weiter in Strahlausbreitungsrichtung (durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet) weist die beispielhafte Vorrichtung 10 gemäß
Die Doppelclad-Faser16b weist typischerweise einen Kernbereich 162 oder auch inneren Faserkern (z.B. aus undotiertem Quarzglas) mit einem Brechungsindex n1 sowie ein den Kernbereich umgebendes dünnes erstes Cladding (z.B. aus dotiertem Quarzglas) auf, dessen Brechungsindex n2 niedriger ist als n1. Daran anschließend folgt ein Ringbereich 164 bzw. ein den inneren Faserkern umgebender äußerer Ringkern (z.B. aus undotiertem Quarzglas) mit dem Brechungsindex n3, der ebenfalls von einem niedrig brechenden zweiten Cladding (z.B. aus dotiertem Quarzglas) mit Brechungsindex n4 umgeben ist. Die Brechungsindizes n1 und n3 können gleich oder unterschiedlich sein; gleiches gilt für die Brechungsindizes n2 und n4. Darüber kann eine weitere Schicht aus Glas folgen (nicht gezeigt), die den Außendurchmesser der Faser festlegt, aber keinen Einfluss auf deren Funktion im Sinne der Strahlführung hat. Den Abschluss bildet typischerweise ein Coating aus einem Kunststoffmaterial, wie Silikon und/oder Nylon, zum Schutz der Faser.The double-clad
Über die Kopplungseinheit 15a, 15b wird der Laserstrahl b jeweils durch Verschieben eines optischen Elements - hier ein Strahlteiler 152 - selektiv abgelenkt und in den Kernbereich 162 und/oder den Ringbereich 164 der Doppelclad-Faser 16a, 16b an einem eingangsseitigen Ende 161 der Doppelclad-Faser 16a, 16b eingekoppelt, sodass an einem ausgangsseitigen Ende 165 der Doppelclad-Faser 16a, 16b der Laserstrahl b als Laserausgangsstrahl mit einem selektiv wählbaren Strahlprofil (d.h. mit weitgehend frei wählbarer Intensitätsverteilung im Kern- und oder Ringbereich des Laserstrahls) bereitstellbar ist. Die Elemente der Vorrichtung 10 beginnend mit der Kollimationseinheit 12 bis einschließlich der Kopplungseinheit 15a, 15b können vorzugsweise auf einer gemeinsamen Plattform bereitgestellt werden, hier dargestellt durch einen gestrichelten Rahmen. Die Plattform weist zumindest einen eingangsseitigen Anschluss (bzw. Lasereingang) für wenigstens eine Eingangsfaser 11 auf, sowie wenigstens einen ausgangsseitigen Anschluss (bzw. Laserabgang) für wenigstens eine Mehrfachclad-Faser 16 auf.Via the
In den
Der Strahlteiler 152 ist hier in Form eines scheibenförmiges, (transparenten) optischen Elements 1520 ausgebildet, das eine Eintrittsfläche und eine der Eintrittsfläche gegenüberliegende Austrittsfläche aufweist. Das optische Element 1520 weist einen parallelwandigen, ersten Abschnitt 1521 und einen keilförmigen, zweiten Abschnitt 1522 auf, in dem die Austrittsfläche gegenüber der Austrittsfläche im ersten Abschnitt 1521 eine leichte Neigung aufweist. Der Strahlteiler 152 weist ferner einen Schwenkarm 1523 auf, an dem das optische Element 1520 befestigt ist, und der an seinem einen Ende um eine Schwenkachse 152x des Strahlteilers 152 rotierbar gelagert ist. Die Abschnitte 1521 und 1522 des optischen Elements 1520 können einen linienförmigen Übergang auf der Oberfläche des optischen Elements 1520 (hier an der Austrittsfläche) bilden. Die Linie entlang welcher sich der Übergang erstreckt, kann vorzugsweise die Schwenkachse 152x schneiden. Die Schwenkachse 152x verläuft parallel zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls b. Der Strahlteiler 152 weist ferner einen Antrieb (hier nicht dargestellt) auf, mittels welchem das optische Element 1520 um die Schwenkachse 152x herum in verschiedene vorgebbare Stellungen innerhalb des Strahlengangs des Laserstrahls b schwenkbar ist.
In den
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2022
- 2022-04-26 DE DE102022110078.2A patent/DE102022110078A1/en active Pending
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