DE102022118512B3

DE102022118512B3 - Lichtleitfasersystem zur Erzeugung einer seitlich emittierenden optischen Streulaserstrahlung aus einer eingekoppelten optischen Laserstrahlung und zugehöriges Lasersystem

Info

Publication number: DE102022118512B3
Application number: DE102022118512.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Witte; Simon Britten; Christoph Ullmann
Original assignee: LASERLINE GES fur ENTWICKLUNG und VERTRIEB VON DIODENLASERN MBH; Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH
Current assignee: LASERLINE GES fur ENTWICKLUNG und VERTRIEB VON DIODENLASERN MBH; Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH
Priority date: 2022-07-25
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2042-07-26
Also published as: US20240027712A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitfasersystem (1) zur Erzeugung einer seitlich emittierenden optischen Streulaserstrahlung (SLS) aus einer eingekoppelten optischen Laserstrahlung (LS) bestehend aus zumindest einer seitlich emittierenden optischen Faser (2) mit einem Fasereingang (2.1) und einem Faserausgang (2.2), wobei die seitlich emittierende optische Faser (2) zumindest einen Faserkern (2.3), eine den Faserkern (2.3) umgebende Streuschicht (2.4) und zumindest eine die Streuschicht (2.4) umgebende Mantelschicht (2.5) aufweist, wobei mittels der Streuschicht (2.3) eine seitlich emittierende Streulaserstrahlung (SLS) aus der in die optische Faser (2) eingekoppelten optischen Laserstrahlung (LS) erzeugt wird und wobei ein freiendseitiger Verbindungsabschnitt (VA) der seitlich emittierenden optischen Faser (2) am Fasereingang (2.1) zur Aufnahme in einem Faserstecker (3) und Herstellung einer mechanischen Verbindung mit dem Faserstecker (3) ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist zur Unterdrückung der seitlich emittierenden Streulaserstrahlung (SLS) im freiendseitigen Verbindungsabschnitt (VA) zumindest die Streuschicht (2.4) und die mindestens eine Mantelschicht (2.5) mittels Strippen entfernt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lichtleitfasersystem zur Erzeugung einer seitlich emittierenden optischen Streulaserstrahlung aus einer eingekoppelten optischen Laserstrahlung und ein zugehöriges Lasersystem.
Üblicherweise sind bei Lasersystemen der Ort der Strahlerzeugung und der Ort der Laserbearbeitung, d.h. die Anwendung einer erzeugten optischen Laserstrahlung voneinander getrennt. Der Transport der erzeugten optischen Laserstrahlung erfolgt dabei über ein hierfür eingerichtetes Lichtleitfasersystem.
Zur Übertragung einer optischen Laserstrahlung über ein derartiges Lichtleitfasersystem finden optische Fasern, auch Glasfasern, Lichtwellenleiter oder Lichtleitfasern genannt, in unterschiedlichsten Ausführungsvarianten Verwendung.
Derartige optische Fasern sind im Wesentlichen aus Quarzglas und abhängig von der Länge der Übertragungsstrecke auch aus geeigneten Kunststoffen hergestellt und weisen einen Faserkern („Core“), eine den Faserkern umgebende Mantelschicht („Cladding“) sowie zumindest eine Umhüllung („Buffer“ oder „Jacket“) zum Schutz vor äußeren Einflüssen, insbesondere mechanischer Beschädigung des Faserkerns auf. Hierbei sind viele unterschiedliche Ausgestaltungen derartiger optischer Fasern bekannt, und zwar beispielsweise Single-Mode-Fasern, Multi-Mode-Fasern, NZDS-Fasern und weitere Spezialfasern.
Zur Ein- und Auskopplung der optischen Strahlung bzw. Laserstrahlung weist die optische Faser eingangsseitig und vorzugsweise auch ausgangsseitig jeweils einen Faserstrecker auf, der eine mechanische Schnittstelle zu einer Laserquelle oder einer Laserkoppeleinheit bildet. Das jeweilige freiendseitige Ende der optischen Faser wird dabei vorzugweise unter Verwendung eines Klebstoffes im Faserstecker fixiert. Die Mantelschicht und/oder Umhüllung der optischen Fasern verhindert dabei üblicherweise den seitlichen und/oder radialen Strahlungsaustritt aus der optischen Faser.
Jedoch sind auch bereits optische Fasern bekannt, welche gezielt eine seitliche bzw. radiale Emission von optischer Strahlung aus der optischen Faser ermöglichen. Die durch die optische Faser entlang der Propagationsrichtung transportierte optische Strahlung wird mittels einer in der optischen Faser vorgesehenen Streuschicht, die beispielsweise spezielle Nanopartikel oder Kunststoffpartikel oder definierte Fehlstellen umfasst, derart gestreut, dass dadurch eine radial zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung orientierte seitliche Emission der optischen Strahlung aus der optischen Faser entsteht, welche auch als Streulaserstrahlung bezeichnet wird. Derartige seitlich emittierende optische Fasern werden u.a. bereits zu Beleuchtungszwecken eingesetzt, allerdings nur für optische Strahlung mit geringer Leistung im Bereich weniger Milliwatt. Derartige seitlich emittierende optische Fasern ermöglichen die Realisierung von gleichmäßigen Beleuchtungseffekten im Produktdesign oder auch einer so genannte „Ambiente“-Beleuchtung.
Der Aufbau einer derartigen seitlich emittierenden optischen Faser mit einem zentralen Faserkern aus Glas und einer polymerbasierten Ummantelung mit lichtstreuenden Materialien ist beispielsweise aus der US 2020 / 0 049 874 A1 bekannt, wobei durchaus unterschiedliche Ausführungsvarianten existieren. Aus der US 2020 / 0 081 182 A1 ist ein Lichtleitfasersystem zur Erzeugung einer seitlich emittierenden optischen Strahlung aus einer eingekoppelten Laserstrahlung bekannt, mit einer optischen Faser, deren Faserkern von einer Streuschicht umgeben ist, wobei diese Streuschicht im Bereich einer Verbindung der optischen Faser mit einer weiteren Faser entfernt ist.
Auch können derartige seitlich emittierende optische Fasern im Bereich der Photochemie, Hortikultur, Wärme- und/oder Polymerbehandlung sowie der Biochemie, Verfahrenstechnik als auch Trocknungstechnik eingesetzt werden. Beispielsweise ist in der US 10,258,957 B2 ein Aufbau eines photochemischen Reaktors beschrieben, der mittels eines starren lichtemittierenden Stabes eine Bestrahlung eines Durchflussreaktors ermöglicht. Der Reaktorstab weist hierzu eine seitlich emittierende optische Faser auf, welche die gewünschte Streulaserstrahlung bereitstellt.
Die US 10,156,672 B2 offenbart bereits eine Fasersteckeranordnung für eine seitlich emittierende optische Faser, bei der zur Anbindung der seitlich emittierenden optischen Faser an einen Faserstrecker die äußere Mantelschicht der optischen Faser entfernt wird und anschließend der freiliegende Abschnitt der optischen Faser einschließlich der Streuschicht in ein zylinderförmiges Verbindungselement („Ferrule“) aus Keramik unter Verwendung eines Klebstoffes, vorzugsweise eines Epoxid-Klebstoffes eingeklebt wird. Aufgrund der im Verbindungsbereich weiterhin vorliegenden Streuschicht erfolgt auch dort ein seitlicher Strahlungsaustritt. Nachteilig wird bei Einkopplung von optischer Strahlung mit hoher Leistung von mehreren Watt bis zu mehreren Kilowatt auch im Steck- bzw. Verbindungsbereich die eingekoppelte Strahlung seitlich gestreut, wodurch der Faserstecker erwärmt wird. Abhängig von der Höhe der Leistung der eingekoppelten optischen Strahlung und den Dämpfungseigenschaften der optischen Faser kann dies zu einer nachteiligen Zerstörung der Faser und des Fasersteckers führen. Auch kann dadurch der Klebstoff erwärmt werden, was zu einer schnelleren Alterung, insbesondere bei Epoxid-Klebstoffen führt.
Eine Verwendung einer Strahlungsquelle mit hoher Leistung ermöglicht beispielsweise auch die Schaffung einer „kalten“, homogen emittierenden und näherungsweise frei formbaren Lichtquelle, welche beispielsweise in Photoreaktorsystemen zum Einsatz kommen könnte. Problematisch hierbei ist jedoch ebenfalls die Einkopplung der hochenergetischen optischen Strahlung im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich in eine derartige seitlich bzw. radial emittierende optische Faser, insbesondere dessen freiendseitige Faserenden bzw. die dort vorgesehenen Faserstecker.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lichtleitfasersystem seitlich emittierenden optischen Streulaserstrahlung aus einer eingekoppelten optischen Laserstrahlung mit hoher Leistung anzugeben, das die zuvor beschriebenen Nachteile vermeidet, insbesondere eine verbesserte Einkopplung einer hochenergetischen optischen Laserstrahlung in eine seitlich emittierende optische Faser ermöglicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lichtleitfasersystem gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Lasersystem umfassend ein erfindungsgemäßes Lichtleitfasersystem gemäß dem Patentanspruch 23.
Vorteilhafte Weiterbildungen, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Lichtleitfasersystem besteht hierzu aus zumindest einer seitlich emittierenden optischen Faser mit einem Fasereingang und einem Faserausgang, wobei die seitlich emittierende optische Faser zumindest einen Faserkern, eine den Faserkern umgebende Streuschicht und zumindest eine die Streuschicht umgebende Mantelschicht aufweist, wobei mittels der Streuschicht eine seitlich emittierende Streulaserstrahlung aus der in die optische Faser eingekoppelten optischen Laserstrahlung erzeugt wird und wobei ein freiendseitiger Verbindungsabschnitt der seitlich emittierenden optischen Faser am Fasereingang zur Aufnahme in einem Faserstecker und Herstellung einer mechanischen Verbindung mit dem Faserstecker ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist zur Unterdrückung einer seitlich emittierenden Streulaserstrahlung im freiendseitigen Verbindungsabschnitt zumindest die Streuschicht und die mindestens eine Mantelschicht mittels Strippen entfernt. Dadurch wird gezielt die Erzeugung der Streulaserstrahlung im Einkoppelbereich des Lichtleitfasersystems unterbunden und dadurch effektiv eine Beschädigung der Faser und/oder des mit der Faser verbundenen Fasersteckers vermieden.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Lichtleitfasersystem zumindest einen Faserstecker auf, der mit dem gestrippten freiendseitigen Verbindungsabschnitt der seitlich emittierenden optischen Faser mechanisch verbunden ist. Der Faserstecker ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante sowohl mechanisch als auch thermisch mit dem gestrippten freiendseitigen Verbindungsabschnitt verbunden, und zwar mittels einer Klebeverbindung. Dabei findet zur Herstellung der Klebeverbindung bevorzugt ein organischer Klebstoff Verwendung. Besonders vorteilhaft erfolgt damit keine Beaufschlagung der Klebeverbindung mit Streulaserstrahlung, so dass eine vorzeitige Alterung der Klebeverbindung vermieden wird.
Weiterhin vorteilhaft ist der gestrippte freiendseitige Verbindungsabschnitt zumindest abschnittsweise in einem zylinderförmigen Verbindungsstück des Fasersteckers aufgenommen und mit diesem verklebt. Besonders vorteilhaft ist dadurch eine lösbare Verbindung zwischen Faser und Faserstecker möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Faserkoppeleinheit mit einer eingangsseitigen Faseraufnahme und einer ausgangsseitigen Faseraufnahme vorgesehen, wobei die Faseraufnahmen zur Herstellung einer mechanischen Steckverbindung mit dem Faserstecker ausgebildet sind. Die Faserkoppeleinheit ist besonderes bevorzugt in Form eines Freistrahl-Koppelelementes ausbildet, welches beispielsweise in Form eines „Faser-Faser-Kopplers“ realisiert ist. Über die Faserkoppeleinheit ist das erfindungsgemäße Lichtleitfasersystem mit nur geringen Leistungsverlusten an eine Laserquelle oder eine vorgeschaltete Transportfaser anschließbar.
Weiterhin vorteilhaft weisen der Faserstecker und/oder die Faserkoppeleinheit (4) eine Temperatur-, Steck- und/oder Bruchüberwachungseinrichtung auf. Das erfindungsgemäße Lichtleitfasersystem ist damit zur Bereitstellung von diversen Überwachungsfunktionen zur Erhöhung der Betriebssicherheit eines zugehörigen Lasersystems eingerichtet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung bildet der freiendseitige Verbindungsabschnitt zwischen der seitlich emittierenden optischen Faser und dem Faserstecker eine zur Einkopplung von hochenergetischer, optischer Laserstrahlung ausgebildete opto-mechanische Schnittstelle. Hierzu ist der Faserstecker in Form des LLK-D-Steckertyps realisiert. Aufgrund der Verwendung eines normierten Fasersteckers und zugehöriger Faserkoppeleinheiten kann das erfindungsgemäße Lichtleitfasersystem auch problemlos bei bestehenden Systemen nachgerüstet werden.
Besonders vorteilhaft ist die seitlich emittierende optische Faser derart flexibel ausgebildet ist, dass eine Biegung ohne Beschädigung in einem Biegeradius zwischen 50mm und 500mm möglich ist. Dadurch kann die Faser an individuelle Beleuchtungsanforderungen angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist die Streuschicht aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Acrylat hergestellt und umfasst eine Vielzahl an Streuelementen, mittels denen die seitlich bzw. radial emittierende Streulaserstrahlung aus der im Faserkern transportierten optischen Laserstrahlung erzeugt wird. Die Streuelemente sind aus einem Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid hergestellt sind und das zur Herstellung der Streuschicht verwendete Kunststoffmaterial entsprechend mit den Streuelementen aus einem Keramikmaterial, insbesondere Aluminiumoxid angereichert ist.
Weiterhin vorteilhaft können der Faserstecker und/oder die seitlich emittierende optische Faser flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt ausgebildet sein. Vorzugsweise ist daher der Faserstecker aus Kunststoff oder Metall hergestellt. Zur Flüssigkeits- bzw. Wasserkühlung des Fasersteckers sind beispielsweise Kühlkanäle vorgesehen und/oder die seitliche emittierende optische Faser ist in einer umhüllenden Ummantelung aufgenommen, welche vorzugsweise schlauchartig ausgebildet ist. Dadurch wird zusätzlich eine übermäßige Wärmeentwicklung im Verbindungsbereich und eine dadurch bedingte Beschädigung des Faserstreckers und/oder der Faser effektiv vermieden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung weist die seitliche emittierende optische Faser eine einkoppelseitige Faserfacette auf, der ein Lochblendenelement mit einer Lochblende vorgeschaltet ist. Durch die Verwendung einer Lochblende kann zusätzlich der Eintritt von ungewünschter Laserstrahlung in den Faserstecker bzw. den Verbindungsbereich Faserstecker/Faser vermieden werden.
Weiterhin vorteilhaft ist zumindest ein Teilabschnitt des gestrippten freiendseitigen Verbindungsabschnittes der seitlich emittierenden optischen Faser mit einer neuen Mantelschicht aus einem Kunststoffmaterial ohne Streuelemente versehen. Dadurch kann ein Teil der optischen Faser als reine Transportfaser ohne Streueffekt verwendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ausgangsseitig bzw. am Faserausgang der seitlich emittierenden optischen Faser ein Endkappenelement angeordnet, dass einen sphärischen Spiegel ausbildet, der ausgangsseitig austretenden Anteile der Laserstrahlung in die seitlich emittierende optische Faser zurück reflektiert. Da die Leistung der Laserstrahlung ausgangsseitig stark abnimmt, ermöglicht die Endkappe eine in z-Richtung homogenere Leistungsverteilung der Streulaserstrahlung. Das Endkappenelement kann hierzu beispielsweise durch eine hochreflektive sphärische oder paraboloide Endkappe gebildet sein.
Die seitlich emittierende optische Faser ist in einer vorteilhaften Ausführungsvariante zumindest abschnittsweise in einer Prozesskammer aufgenommen und zumindest der in der Prozesskammer aufgenommene Abschnitt der seitlich emittierenden optischen Faser spiralförmig angeordnet ist. Dadurch ist die Erzeugung einer homogenen Streulaserstrahlung in der Prozesskammer und eine effektive, gleichmäßige Bestrahlung von Werkstücken, Bauteilen oder Chemikalien in der Prozesskammer möglich.
Zusätzlich kann eine Innenseite der Prozesskammer oder eine die seitlich emittierende optische Faser aufnehmende Einhüllung reflektierend ausgebildet ist. Dadurch wird eine weitere Erhöhung des Homogenisierungsgrades erreicht.
Besonders bevorzugt ist die optische Laserstrahlung hochenergetisch und weist eine Leistung von mehreren Watt, vorzugsweise zwischen 50W und 10.000W Leistung und/oder eine Wellenlänge von 200nm bis 1.500nm.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Lasersystem umfassend zumindest eine Laserquelle zur Bereitstellung einer optischen Laserstrahlung und ein erfindungsgemäßes Lichtleitfasersystem zur Erzeugung einer seitlich emittierenden optischen Streulaserstrahlung aus der in die optische Faser eingekoppelten optischen Laserstrahlung, welches zumindest eine Faserkoppeleinheit zur Einkopplung der von der Laserquelle bereitgestellten optischen Laserstrahlung in die seitlich emittierende optische Faser bzw. dessen Faserstecker des Lichtleitfasersystems aufweist.
Hierbei ist besonders vorteilhaft die Laserquelle durch einen Halbleiterlaser oder eine Halbleiterlaseranordnung, insbesondere einen Diodenlaser oder eine Diodenlaseranordnung gebildet. Die Transportfaser weist vorzugsweise eine passive strahlführende optische Faser sowie einen einkoppel- und auskoppelseitigen Faserstecker auf, wobei die Laserquelle die Transportfaser und das Lichtleitfasersystem in Reihe geschaltet sind.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lichtleitlasersystems umfassend eine optische Faser und zumindest einen Faserstrecker,
2 einen schematischen Querschnitt durch die seitlich emittierende optische Faser des Lichtleitfasersystems,
3 ein schematisches Blockschaltbild eines alternativ ausgebildeten Lichtleitlasersystems mit integrierter Flüssigkeitskühlung in stark vereinfachter Darstellung,
4 ein schematisches Blockschaltbild eines Lasersystems umfassend ein erfindungsgemäßes Lichtleitlasersystem mit vorgeschalteter Transportfaser und Laserquelle,
5 ein schematischer Querschnitt durch eine optische Faser mit reflektierender Umhüllung,
6 ein schematisches Blockschaltbild eines Lasersystems umfassend ein erfindungsgemäßes Lichtleitlasersystem mit vor- und nachgeschalteter Transportfaser und zwei Laserquellen, und
7 eine schematische Seitenansicht des kegelförmigen Steckabschnittes eines Fasersteckers.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den Figuren identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersichtlichkeit halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Auch ist die Erfindung in den Figuren anhand schematischer Ansichten dargestellt. Insbesondere dienen diese schematischen Darstellungen der Erläuterung des grundlegenden Prinzips der Erfindung.
1 zeigt beispielhaft ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lichtleitfasersystems 1 umfassend eine optische Faser 2 zum Transport von optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung LS und einen Faserstecker 3 zur Einkopplung der optischen Strahlung, insbesondere Laserstrahlung LS in die optische Faser 2.
Die optische Faser 2 weist einen Fasereingang 2.1 und einen gegenüberliegenden Faserausgang 2.2 auf, wobei die optische Strahlung, vorzugsweise optische Laserstrahlung LS eingangsseitig, d.h. im Bereich des Fasereingangs 2.1 in die optische Faser 2 eingekoppelt wird und nach erfolgter Übertragung über die optische Faser 2 ausgangsseitig, d.h. im Bereich des Faserausgangs 2.2 wieder ausgekoppelt oder ggf. zumindest teilweise in die optische Faser 2 rückreflektiert wird.
Bei der eingekoppelten Laserstrahlung LS handelt es sich um eine hochenergetische optische Strahlung mit einer Leistung von mehreren Watt, beispielsweise zwischen 50W und 10.000W, vorzugsweise zwischen 50 W und 1000W. Ferner weist die optische Laserstrahlung LS einen Spektralbereich bzw. eine Wellenlänge von 200nm bis 1.500nm auf. Vorzugsweise findet eine Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung einer optischen Laserstrahlung im sichtbaren Spektralbereich von 425nm bis 465nm oder im nahinfraroten Spektralbereich von 800nm bis 1100nm Verwendung.
Die optische Faser 2 ist durch eine seitlich bzw. radial emittierende optische Faser gebildet, die zum einem zum Transport der optischen Laserstrahlung LS entlang einer Propagationsrichtung und zum anderen zur seitlichen bzw. radialen Emission zumindest eines Teils der in Propagationsrichtung fortschreitenden optischen Laserstrahlung LS aus der optischen Faser 2 nach außen ausgebildet ist, und zwar einer seitlich emittierenden seitlich bzw. radial emittierenden Streulaserstrahlung SLS. Die Propagationsrichtung erstreckt sich dabei jeweils entlang der Längsachse der optischen Faser 2.
Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger seitlich emittierender optischer Fasern 2 ist grundsätzlich bekannt. Vorzugsweise findet eine seitliche bzw. radial emittierende optische Faser 2 Verwendung die derart flexibel ausgebildet ist, dass diese eine Biegung der optischen Faser 2 um einen Biegeradius zwischen 50mm und 500mm ohne Beschädigung der optischen Faser 2 ermöglicht. Die optische Faser 2 kann damit auch nach dem Produktionsprozess flexibel in unterschiedliche Formen und/oder Geometrien gebogen werden.
Eine derartige optische Faser 2 weist zumindest einen Faserkern 2.3, eine den Faserkern 2.3 umgebende Streuschicht 2.4 und zumindest eine die Streuschicht 2.4 umgebende Mantelschicht 2.5 auf. Der Faserkern 2.3 ist beispielsweise aus Glas, vorzugsweise Quarzglas hergestellt, wobei vorzugsweise ein Vollmaterial-Glaskern Verwendung findet. Dabei kann die optische Faser 2 abhängig vom Anwendungsfall eine Gesamtlänge zwischen 1m und 100m, vorzugsweise zwischen 1m und 20m aufweisen. Es versteht sich, dass die optische Faser 2 zusätzlich zu den genannten Schichten noch weitere Schichten, insbesondere Mantelschichten aufweisen kann, ohne dass dadurch der erfindungsgemäße Gedanken verlassen wird.
Die Streuschicht 2.4 wird von einer den Faserkern 2.3 umgebenden Mantelschicht, auch „Buffer“ genannt gebildet, welche aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Acrylat hergestellt ist und eine Vielzahl an Streuelementen umfasst, mittels denen die seitlich bzw. radial emittierende Streulaserstrahlung SLS erzeugt wird. Die Streuelemente sind vorzugsweise aus Aluminiumoxid hergestellt und das verwendete Kunststoffmaterial, insbesondere Acrylat der Streuschicht 2.4 ist entsprechend mit Aluminiumoxid angereichert.
Diese Streuschicht 2.4 ist ferner von zumindest einer Mantelschicht 2.5, auch „Jacket“ genannt, umgeben, die aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyamid oder PTFE hergestellt ist und zum Schutz der optischen Faser 2 vor äußeren Einflüssen dient. Diese Mantelschicht 2.5 oder ggf. weitere Schichten sind entsprechend zu entfernen, um eine Entfernung einer in einem freiendseitigen Verbindungsabschnitt VA störenden Streuschicht 2.4 zu ermöglichen. In 2 ist beispielhaft ein schematischer Schnitt durch eine entsprechend ausgebildete optische Faser 2 in stark vereinfachter Weise dargestellt.
Die optische Faser 2 weist einen freiendseitigen Verbindungsabschnitt VA am Fasereingang 2.1 auf, der zur Aufnahme in einem Faserstecker 3 und Herstellung einer mechanischen Verbindung mit diesem ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist im freiendseitigen Verbindungsabschnitt VA zur Unterdrückung einer seitlich emittierenden Streulaserstrahlung SLS zumindest die Streuschicht 2.4 der optischen Faser 2 und weitere, diese umgebenden Schichten wie beispielsweise die Mantelschicht 2.5 mittels Strippen entfernt. Dieser entsprechend gestrippte freiendseitige Verbindungsabschnitt VA ist mit dem Faserstecker 3 verklebt oder auf sonstige Weise mechanisch verbunden. In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann nach dem Entfernen der Streuschicht 2.4 eine neue Mantelschicht zumindest abschnittsweise auf den freiendseitigen Verbindungsabschnitt VA aufgebracht werden, auch als „Recoaten“ des Verbindungsabschnittes VA bezeichnet. Vorzugsweise erfolgt dies derart, dass zumindest der Bereich um die Faserfacette weiterhin freiliegend verbleibt.
Das Strippen kann beispielsweise mechanisch mittels geeigneter Klingen aus Metall oder Kunststoff unter ggf. Verwendung von Lösungsmitteln erfolgen. Durch die Entfernung der Streuschicht 2.4 wird im Verbindungsabschnitt VA die Erzeugung einer seitlich emittierenden Streulaserstrahlung SLS effektiv unterbunden, so dass auch bei einer Einkopplung hochenergetischer Laserstrahlung LS über den Faserstecker 3 in die optische Faser 2 eine Beschädigung des Fasersteckers 3 aufgrund Streulaserstrahlung SLS der eingekoppelten hochenergetischen optischen Laserstrahlung LS vermieden werden kann. Erfindungsgemäß ist der Austritt von seitlich emittierenden Streulaserstrahlung SLS im Verbindungsabschnitt VA bzw. im Faserstrecker 3 durch die Entfernung der Streuschicht 2.4 unterbunden.
Der Faserstecker 3 bildet dabei eine opto-mechanische Schnittstelle des erfindungsgemäßen Lichtleitfasersystems 1 aus, über welche eine verbesserte Einkopplung von hochenergetischer optischer Laserstrahlung LS in die optische Faser 2 möglich ist. Mittels des Faserstecker 2 ist eine opto-mechanische Verbindung zwischen einer Faserkoppeleinheit 4 und der seitlich emittierenden optischen Faser 2 herstellbar. Die beispielsweise durch einen Faser-Faser-Koppler gebildete Faserkoppeleinheit 4 basiert auf der Kollimation und Fokussierung der eingangsseitigen optischen Laserstrahlung LS, die als Freistrahl in die Faserfacette der seitlich emittierenden optischen Faser 2 eingekoppelt wird.
Bei dem Faserstecker 3 handelt es sich um einen Hochleistungssteckverbinder für den Multi-KW-Leistungsbereich, welche grundsätzlich als Steckertypen LLK-A, LLK-B und LLK-D („LLK = Lichtleitkabel“) verfügbar sind. Deren Aufbau und Funktionsweise ist grundsätzlich bekannt. Besonders bevorzugt ist der Faserstecker 3 in Form des LLK-D-Steckertyps ausgebildet, und zwar beispielsweise als Kegelstecker. Bei einem LLK-D-Steckertyp ist die Ausgestaltung der mechanischen Schnittstelle definiert, insbesondere hinsichtlich Form und Abmessungen des Steckabschnittes sowie der darin aufgenommenen Anschlusselemente.
Diese durch den Faserstrecker 3 gebildete opto-mechanische Schnittstelle umfasst in einer bevorzugten Ausführungsvariante eine Temperatur-, Steck- und/oder Bruchüberwachungseinrichtung. Entsprechend ist auch die optische Faser 2 zur Bereitstellung der genannten Überwachungsfunktionalitäten eingerichtet. Der Faserstecker 3 ist ferner zur Herstellung einer opto-mechanischen Verbindung mit einer Faserkoppeleinheit 4 mit einer eingangsseitigen Fasersteckeraufnahme 4.1 und einer ausgangsseitigen Fasersteckeraufnahme 4.2 ausgebildet. Eine entsprechende Faserkoppeleinheit 4 ist in 1 mittels einer strichliert gezeichneten Linie angedeutet. Zur Herstellung der lösbaren Steckverbindung ist der Faserstecker 3 in die Faseraufnahme 4.2 einsteckbar.
Die Faserkoppeleinheit 4 kann eine Fortführung der Temperatur-, Bruch- und Stecküberwachung einer Transportfaser 6, 6' beinhalten, welche mit den entsprechenden Überwachungseinrichtungen im Faserstrecker 3, 3' zusammenwirkt. Zusätzlich kann die Faserkoppeleinheit 4 eine Sicherheitselektronik aufweisen, die ein Schaltmodul, beispielsweise in Form eines Relais umfasst und die im Fehlerfall einen Sicherheitskreis einer Transportfaser 6, 6' öffnet. Auch können Sensoren zur Zustandsüberwachung und eine Steuer- und Auswerteeinheit zur Auswertung der erhaltenen Sensordaten in der Faserkoppeleinheit 4 vorgesehen sein. Als Sensoren können beispielsweise Photodioden zur Streulichtdetektion und/oder Temperatursensoren (z.B. NTCs) zur Temperaturüberwachung und/oder Feuchtesensoren zur Dichtigkeitsüberwachung Verwendung finden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der gestrippte freiendseitige Verbindungsabschnitt VA, und zwar zumindest der an die Faserfacette anschließende Bereich, mit dem Faserstecker 3 durch Kleben mechanisch und thermisch verbunden, und zwar mittels einem zylinderförmigen Verbindungsstück („Patrone“), welches vorzugsweise aus Metall oder Glas hergestellt ist. Als Klebstoff findet vorzugsweise ein organischer Klebstoff Verwendung. In dem zylinderförmigen Verbindungsstück ist eine sich entlang der Zylinderlängsachse erstreckende Durchgangsbohrung vorgesehen, dessen Durchmesser zur Aufnahme des gestrippten Verbindungsabschnittes VA ausgerichtet ist.
Die optische Faser 2 wird mit dem gestrippten freiendseitigen Verbindungsabschnitt VA in die Durchgangsbohrung des zylinderförmigen Verbindungsstückes eingeklebt und dieses mechanisch mit dem Faserstecker 3 bzw. dem Gehäuse des Fasersteckers 3 verbunden, und zwar derart, dass sowohl eine mechanische als auch thermisch leitende Verbindung zwischen dem Verbindungabschnitt VA und dem Faserstecker 3 entsteht. Dabei ist das die Faserfacette des eingeklebten Verbindungsabschnittes VA beabstandet zum freien Ende des Fasersteckers 3, 3', wird jedoch nach dem Einstecken in die Faseraufnahme 4.2 der Faserkoppeleinheit 4 von dieser umschlossen. Beispielsweise kann eine lösbare mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse des Fasersteckers 3 und dem zylinderförmigen Verbindungsstück, welches ebenfalls Teil des Fasersteckers 3 ist, vorgesehen sein, insbesondere in Form einer Schraubverbindung.
Um eine Beschädigung der Klebestelle durch periphere Leistungsanteile der hochenergetischen optischen Laserstrahlung LS zu vermeiden, kann der einkoppelseitigen Faserfacette der optischen Faser 2 zusätzlich noch ein Lochblendenelement mit einer Lochblende vorgeschaltet sein, bei dem der Innendurchmesser der Lochblende nur geringfügig größer als der Durchmesser des Faserkerns 2.3 der seitlich emittierenden optischen Faser 2 ist. Dabei werden unter peripheren Leistungsanteilen der hochenergetischen optischen Laserstrahlung LS Strahlungsanteile verstanden, die nicht in den Faserkern 2.3 eingekoppelt werden können, sondern im Einkoppelbereich entsprechend in den Faserstecker 3 gelangen. Das Lochblendenelement ist ebenfalls im Faserstrecker 3 aufgenommen.
Das Lochblendenelement kann beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein und eine reflektierende, umlenkende, streuende oder absorbierende Oberfläche aufweisen. Zur Herstellung des Lochblendenelementes können beispielsweise Quarzglas, Kupfer oder Aluminium Verwendung finden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Lochblendenelementes weist dieses eine hohen Reflexionsgrad von mindestens 95% durch eine dielektrische, hochreflektive Beschichtung auf. In einer alternativen Ausführungsvariante einen aus Aluminium hergestellten Lochscheibenelementes kann durch Ultra-Präzisions-Drehen oder Ultra-Präzisions-Fräsen eine spiegelnde Oberfläche bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist die Faserfacette des freiendseitigen Verbindungsabschnittes VA freiliegend im Gehäuse des Fasersteckers 3 angeordnet und durch das Gehäuse in direkter seitlicher Sichtlinie geschützt ist. Bevorzugt ist zumindest der den Steckanschluss bildende stirnseitige Teil des Fasersteckers 3 aus einem hochschmelzenden Material (>600°C) hergestellt.
In einer Ausführungsvariante gemäß 3 weist der Faserstrecker 3 eine Flüssigkeitskühlung auf, wobei zusätzlich auch eine Flüssigkeitskühlung der optischen Faser 2 vorgesehen sein kann. Hierzu sind im Faserstecker 3 eine Vielzahl von Kühlkanälen vorgesehen, welche über eine gemeinsame Flüssigkeitszufuhr bzw. -abfuhr mit einer Kühlflüssigkeit versorgt bzw. die zugeführte Kühlflüssigkeit wieder dem Kühlkreis entnommen wird. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise Wasser, vorzugsweise deionisiertes Wasser Verwendung finden. Im freiendseitigen Verbindungsbereich VA weist der Faserstecker 3 vorzugsweise einen geringen thermischen Widerstand zur Kühlflüssigkeit auf.
Zur Kühlung der optischen Faser 2 ist eine diese umgebende umhüllende Ummantelung 5 vorgesehen, welche in fluiddichter Verbindung mit dem Faserstecker 3 steht. Um eine Durchführung der seitlich emittierenden Streulaserstrahlung SLS zu ermöglichen ist die umhüllende Ummantelung 5 transparent ausgeführt. Vorzugsweise ist die umhüllende Ummantelung 5 schlauchartig ausgebildet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig ein Faserstrecker 3, 3' vorgesehen, der jeweils erfindungsgemäß mit einem freiendseitigen Verbindungabschnitt VA der optischen Faser 2 mechanisch verbunden ist. Die in der umhüllenden Ummantelung 5 aufgenommene optische Faser 2 wird damit vollumfänglich von der Kühlflüssigkeit umströmt, d.h. zu Kühlung sowohl der Faserstrecker 3, 3' als auch der optischen Faser 2 ist ein gemeinsamer Kühlkreislauf vorgesehen.
Zur Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit in die bzw. aus denen im Faserstecker 3, 3' jeweils vorgesehenen Kühlkanälen sind ein eingangsseitiger Anschluss 3.1 und ein ausgangsseitiger Anschluss 3.2 vorgesehen, wobei beispielsweise über den eingangsseitigen Anschluss 3.1 die Kühlflüssigkeit den Kühlkanälen im eingangsseitigen Faserstecker 3 zugeführt wird, die in fluider Verbindung mit der umhüllenden Ummantelung 5 stehen, über welche die Kühlflüssigkeit zur Kühlung der optischen Faser 2 geführt wird und anschließend in die Kühlkanäle des ausgangseitigen Fasersteckers 3' geleitet wird. Von dort wird die Kühlflüssigkeit über den ausgangsseitigen Anschluss 3.2 wieder abgeführt.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann sowohl die Zuführung und Abführung der Kühlflüssigkeit über den eingangsseitigen oder ausgangsseitige Faserstecker 3, 3' erfolgen, der entsprechend über beide Anschlüsse 3.1, 3.2 verfügt. Bei dieser Ausführungsvariante kann auch der ausgangsseitige Faserstecker 3' entfallen und eine alternative ausgangsseitige Umlenkung der Kühlflüssigkeit erfolgen.
In 4 ist in einem schematischen Blockschaltbild ein Lasersystem mit einem erfindungsgemäßen Lichtleitfasersystem 1 und einer vorgeschalteten Transportfaser 6 dargestellt, die über eine Faserkoppeleinheit 4 mit dem eingangsseitigen Faserstecker 3 des Lichtleitfasersystem 1 verbunden ist. Die Faserkoppeleinheit 4 bildet ein Freistrahl-Koppelelement aus, welches beispielsweise in Form eines „Faser-Faser-Kopplers“ realisiert sein kann.
Die Transportfaser 6 umfasst eine passive strahlführende optische Faser, die zur Zuführung der Laserstrahlung LS an das erfindungsgemäße Lichtleitfasersystem 1 dient. Hierzu ist die Transportfaser 6 eingangsseitig mit einer Laserquelle 7 verbunden, welche beispielsweise eine Laserstrahlung LS mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 400nm und 1100nm, vorzugsweise zwischen 425nm und 465nm bereitstellt. Die Laserquelle 7 ist bevorzugt durch einen Diodenlaser oder eine Diodenlaseranordnung gebildet.
Die Transportfaser 6 weist zum Anschluss an die die Laserquelle 7 sowie an die Faserkoppeleinheit 4 sowohl ein- als auch ausgangsseitig einen Faserstecker 6.1, 6.2 auf, der mit entsprechenden Fasersteckeraufnahmen 7.1, 4.1 der Laserquelle 7 bzw. der Faserkoppeleinheit 4 verbunden ist.
Die Laserquelle 7, die Transportfaser 6 und die seitlich emittierende optische Faser 2 des Lichtleitfasersystems 1 sind somit in Reihe geschaltet. Dies dient zur räumlichen Trennung des Ortes der Erzeugung der Laserstrahlung LS und dem Ort der Anwendung der Laserstrahlung LS bzw. der Streulaserstrahlung SLS.
Zur Kostenreduktion und bei kürzeren Entfernungen zwischen dem Ort der Erzeugung der Laserstrahlung LS und dem Ort der Anwendung der Laserstrahlung LS und/oder geringeren Anforderungen an die Lasersicherheit kann auf das Vorsehen einer Laserkoppeleinheit 4 verzichtet werden. Die Transportfaser bzw. passive strahlführende optische Faser 6 sind dann einstückig bzw. monolithisch ausgeführt, und zwar durch die seitlich emittierende optische Faser 2 realisiert. Hierzu wird in dem die Transportfaser 6 bildenden einkoppelseitigen Abschnitt der optischen Faser 2 die Streuschicht 2.4 und die Mantelschicht 2.5 entfernt und anschließend eine neue Mantelschicht 2.6 aus einem Kunststoffmaterial ohne Streuelemente („Polymer-Coating“) auf den einkoppelseitigen gestrippten Abschnitt der seitlich emittierenden optischen Faser 2 aufgebracht. Es erfolgt damit ein so genanntes „Recoating“ mit Acrylaten oder Silikonen ohne Streuelement.
In 1 ist eine neue Mantelschicht 2.6 dargestellt, welche sich an die ursprüngliche Mantelschicht 2.5 anschließt und einen Teilabschnitt des gestrippten, freiendseitigen Verbindungsabschnittes VA umschließt. Dabei erstreckt sich die neue Mantelschicht 2.6 zumindest abschnittsweise auch in den Faserstecker 3.
Die Laserquelle 7 ist vorzugsweise durch einen Halbleiterlaser, insbesondere einen Diodenlaser mit Faserkopplung gebildet, der beispielsweise eine optische Ausgangsleistung von 50W bis 1000W aufweist. Die Laserquelle 7 kann in einem kontinuierlichen und gepulsten Betriebsmodus betrieben werden.
Die von der Laserquelle 7 erzeugte Laserstrahlung LS wird in die Transportfaser 6 eingekoppelt und an die Faserkoppeleinheit 4 übertragen, über welche wiederum die Einkopplung in das erfindungsgemäße Lichtleitlasersystem 1 bzw. dessen seitliche emittierende optische Faser 2 erfolgt. In der dargestellten Ausführungsvariante gemäß 4 weist die seitliche emittierende optische Faser 2 ausgangsseitig einen Endreflektor 8 auf, welcher die ausgangsseitig austretenden Strahlungsanteile der transportierten Laserstrahlung LS zurück in die Faser 2 reflektiert, wodurch die Leistung und/oder Homogenität der seitlich austretenden Streulaserstrahlung SLS erhöht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann zumindest die seitlich emittierende optische Faser 2 des erfindungsgemäßen Lichtleitlasersystems 1 in einer Prozesskammer 9 aufgenommen sein, in welcher die erzeugte Streulaserstrahlung SLS zur Durchführung von anwendungsspezifischen Prozessen Verwendung findet. Beispielsweise kann die Prozesskammer 9 Teil eines photochemischen Reaktors sein, insbesondere zur Bestrahlung eines Materials oder Werkstückes. Beispielsweise kann die Prozesskammer 9 durch ein Reaktorrohr gebildet sein, in welchem die seitlich emittierenden optische Faser 2 aufgenommen ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 4 weist die in der Prozesskammer 9 aufgenommene seitlich emittierende optische Faser 2 zumindest abschnittsweise eine spiralförmige Anordnung auf, beispielsweise kann diese auf ein nicht in der 4 gezeigtes Reaktorrohr spiralförmig aufgewickelt werden. Auch sind Doppel- oder Helix-Anordnungen der seitlich emittierenden optischen Faser 2 möglich. Die genannten räumlichen Anordnungen der seitlich emittierenden optischen Faser 2 in der Prozesskammer 9 dienen einer möglichst homogenen Ausleuchtung der zu behandelnden Werkstücken, Bauteilen oder Chemikalien, deren Behandlung entweder innerhalb der spiralförmigen Anordnung oder außerhalb dessen erfolgen kann.
Auch die Innenseite der Prozesskammer 9 oder eine sonstige die seitlich emittierenden optischen Faser 2 aufnehmende Einhüllung 10 reflektierend ausgebildet sein. Hierzu kann beispielsweise eine reflektierende Beschichtung vorgesehen sein, beispielsweise durch Aufdampfen einer Aluminiumschicht oder dergleichen reflektierender Materialien. Hierdurch wird der Homogenisierungsgrad der erzeugten Streulaserstrahlung SLS noch weiter erhöht. In 5 ist in einer stark vereinfachten schematischen Schnittdarstellung die Reflexion des Streulaserstrahlung SLS an der reflektierenden Einhüllung 10 dargestellt.
Zur weiteren Erhöhung des Homogenisierungsgrades der Streulaserstrahlung SLS kann ausgangsseitig bzw. am Faserausgang 2.2 der seitlich emittierenden optischen Faser 2 ein Endkappenelement 11 vorgesehen sein, welches einen sphärischen Spiegel ausbildet, der die austretenden Strahlungsanteile der transportierten Laserstrahlung LS in die Faser 2 zurück reflektiert. Die ausgangsseitige Faserfacette der seitlich emittierenden optischen Faser 2 ist vorzugsweise im Brennpunkt des sphärischen Spiegels angeordnet, und zwar mit einem maximalen Versatz von +/- 0,5mm. Der Spiegel ist vorzugsweise aus Quarzglas hergestellt und weist einen Durchmesser im Bereich zwischen 4mm und 12mm auf.
Besonders bevorzugt bildet das Endkappenelement 11 eine hochreflektive sphärische oder paraboloide Endkappe mit den genannten Spiegeleigenschaften aus, um den Homogenisierungsgrad zu erhöhen. Der Bereich zwischen Faserfacette und Spiegelfläche wird beispielsweise von einem zylindrisch geformten Bauteil des Endkappenelementes 11 ausgefüllt. Zur Bereitstellung eines hohen Reflexionsgrades ist eine dielektrische, hochreflektierende Beschichtung vorgesehen. Bevorzugt wird hierzu ein „Breitband-Coating“ verwendet, um die Schichtdickenvariation, die beim Aufwachsen der Beschichtung durch den kleinen Krümmungsradius des Spiegels bedingt wird, zu kompensieren. Entscheidend ist eine präzise Justage des Endkappenelementes 11 quer zur Längsachse der optischen Faser 2, und zwar derart, dass der Faserkern 2.3 und die Spiegelachse möglichst konzentrisch zueinander angeordnet sind. Nach der beschriebenen Justage wird das Endkappenelement 11 an die optische Faser 2 angespleißt, wobei das Spleißen mittels handelsüblicher Kohlendioxid-, Wasserstoff- oder Lichtbogen-Spleißer erfolgen kann.
Die seitlich emittierende optische Faser 2 wird vor bzw. im Verbindungsabschnitt mit dem Endkappenelement 11, beispielsweise auf einer Länge zwischen 10mm und 100 mm ebenfalls gestrippt, um einerseits eine Erwärmung des Endkappenelementes 11 durch die seitlich emittierte Streulaserstrahlung SLS und andererseits eine Verunreinigung der Spleiß-Stelle durch aufgeschmolzene Kunststoff-Reste zu vermeiden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird das freie ausgangsseitige Ende der seitlich emittierende optische Faser 2 ebenfalls in einen Faserstecker 3 aufgenommen, der besonders bevorzugt gemäß dem LLK-D-Steckertyp realisiert ist.
In 6 ist eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Lichtleitfasersystems 1 gezeigt, bei der eine beidseitige, d.h. sowohl eingangs- als auch ausgangsseitige Einkopplung einer Laserstrahlung LS, LS' in die seitlich emittierende optische Faser 2 erfolgt. Hierzu ist zusätzlich zu der in 4 gezeigten Anordnung auch ausgangsseitig eine weitere Laserquelle 7' vorgesehen, über die eine weitere Laserstrahlung LS' erzeugt wird. Auskoppelseitig ist erfindungsgemäß in einem Verbindungsbereich VA ein weiterer Faserstecker 3' vorgesehen, der mechanisch mit optischen Faser 2 mittels Kleben verbunden ist. Auch hier ist sowohl die Streuschicht 2.4 als auch die Mantelschicht 2.5 im Verbindungsabschnitt VA zur Unterdrückung der Streulaserstrahlung SLS entfernt. Die weitere Laserquelle 7' ist beispielsweise direkt oder über eine zusätzliche Transportfaser 6' über eine weitere Faserkoppeleinheit 4' mit der seitlich emittierenden optischen Faser 2 des Lichtleitfasersystems 1 verbunden. Analog zur 4 umfasst die weitere Faserkoppeleinheit 4' entsprechende Fasersteckeraufnahmen 4.1', 4.2' und die weitere Transportfaser 6' entsprechende Faserstecker 6.1', 6.2', wobei die weitere Laserquelle 7' ebenfalls über eine Fasersteckeraufnahme 7.1' verfügt.
In 7 ist in einer schematischen Ausschnittsdarstellung der kegelstumpfförmige Anschlussbereich des Fasersteckers 3, 3' dargestellt, welcher ein freiendseitiges kegelstumpfförmiges Anschlussstück 3.1 aufweist, dass sich entlang der Steckerlängsachse LA erstreckt. Das kegelstumpfförmiges Anschlussstück 3.1 weist beispielsweise einen Öffnungswinkel von näherungsweise 12°, einem minimalen Durchmesser D von 17,6 mm und einer Länge L von 23 mm auf.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen der erfindungsgemäßen Faserlaseranordnung 3 möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Lichtleitfasersystem
2: optische Faser
2.1: Fasereingang
2.2: Faserausgang
2.3: Faserkern
2.4: Streuschicht
2.5: Mantelschicht
2.6: neue Mantelschicht
3, 3': Faserstecker
3.1: Anschluss
3.2: Anschluss
3.3: kegelstumpfförmiges Anschlussstück
4, 4': Faserkoppler
4.1, 4.1': Fasersteckeraufnahme
4.2, 4.2': Fasersteckeraufnahme
5: umhüllende Ummantelung
6, 6': Transportfaser
6.1, 6.1': Faserstecker
6.2, 6.2': Faserstecker
7, 7': Laserquelle
7.1, 7.1': Fasersteckeraufnahme
8: Endreflektor
9: Prozesskammer
10: reflektierenden Einhüllung
11: Endkappenelement
D: Durchmesser
L: Länge
LA: Steckerlängsachse
LS, LS': Laserstrahlung
SLS: Streulaserstrahlung
VA: freiendseitiger Verbindungsabschnitt
w: Öffnungswinkel

Claims

Lichtleitfasersystem (1) zur Erzeugung einer seitlich emittierenden optischen Streulaserstrahlung (SLS) aus einer eingekoppelten optischen Laserstrahlung (LS) bestehend aus zumindest einer seitlich emittierenden optischen Faser (2) mit einem Fasereingang (2.1) und einem Faserausgang (2.2), wobei die seitlich emittierende optische Faser (2) zumindest einen Faserkern (2.3), eine den Faserkern (2.3) umgebende Streuschicht (2.4) und zumindest eine die Streuschicht (2.4) umgebende Mantelschicht (2.5) aufweist, wobei mittels der Streuschicht (2.3) eine seitlich emittierende Streulaserstrahlung (SLS) aus der in die optische Faser (2) eingekoppelten optischen Laserstrahlung (LS) erzeugt wird und wobei ein freiendseitiger Verbindungsabschnitt (VA) der seitlich emittierenden optischen Faser (2) am Fasereingang (2.1) zur Aufnahme in einem Faserstecker (3) und Herstellung einer mechanischen Verbindung mit dem Faserstecker (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung der seitlich emittierenden Streulaserstrahlung (SLS) im freiendseitigen Verbindungsabschnitt (VA) zumindest die Streuschicht (2.4) und die mindestens eine Mantelschicht (2.5) mittels Strippen entfernt ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Faserstecker (3, 3') vorgesehen ist, der mit dem gestrippten freiendseitigen Verbindungsabschnitt (VA) der seitlich emittierenden optischen Faser (2) mechanisch verbunden.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstecker (3, 3') mechanisch und thermisch mit dem gestrippten freiendseitigen Verbindungsabschnitt (VA) verbunden ist, und zwar mittels einer Klebeverbindung.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Klebeverbindung ein organischer Klebstoff Verwendung findet.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gestrippte freiendseitige Verbindungsabschnitt (VA) zumindest abschnittsweise in einem zylinderförmigen Verbindungsstück des Fasersteckers (3) aufgenommen und mit diesem verklebt ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Faserkoppeleinheit (4, 4') mit einer eingangsseitigen Faseraufnahme (4.1, 4.1') und einer ausgangsseitigen Faseraufnahme (4.2, 4.2') vorgesehen ist, wobei die Faseraufnahmen (4.1, 4.1', 4.2, 4.2') zur Herstellung einer mechanischen Steckverbindung mit dem Faserstecker (3, 3') ausgebildet sind.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserkoppeleinheit (4) ein Freistrahl-Koppelelement ausbildet, welches beispielsweise in Form eines „Faser-Faser-Kopplers“ realisiert ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstecker (3, 3') und/oder die Faserkoppeleinheit (4) eine Temperatur-, Steck- und/oder Bruchüberwachungseinrichtung aufweisen.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freiendseitige Verbindungsabschnitt (VA) zwischen der seitlich emittierenden optischen Faser (2) und dem Faserstecker (3, 3') eine zur Einkopplung von hochenergetischer, optischer Laserstrahlung (LS) ausgebildete opto-mechanische Schnittstelle bildet.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlich emittierende optische Faser (2) derart flexibel ausgebildet ist, dass eine Biegung ohne Beschädigung in einem Biegeradius zwischen 50mm und 500mm möglich ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuschicht (2.4) aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Acrylat hergestellt ist und eine Vielzahl an Streuelementen umfasst, mittels denen die seitlich bzw. radial emittierende Streulaserstrahlung (SLS) aus der im Faserkern (2.3) transportierten optischen Laserstrahlung (LS) erzeugt wird.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuelemente aus einem Keramikmaterial, beispielsweise Aluminiumoxid hergestellt sind und das zur Herstellung der Streuschicht (2.4) verwendete Kunststoffmaterial entsprechend mit den Streuelementen aus einem Keramikmaterial, insbesondere Aluminiumoxid angereichert ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstecker (3, 3') und/oder die seitlich emittierende optische Faser (2) flüssigkeitsgekühlt, insbesondere wassergekühlt ausgebildet sind.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Flüssigkeits- bzw. Wasserkühlung im Faserstecker (3, 3') Kühlkanäle vorgesehen sind und/oder die seitliche emittierende optische Faser (2) in einer umhüllenden Ummantelung (5) aufgenommen ist, welche vorzugsweise schlauchartig ausgebildet ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seitliche emittierende optische Faser (2) eine einkoppelseitige Faserfacette aufweist, der ein Lochblendenelement mit einer Lochblende vorgeschaltet ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserstecker (3, 3') in Form des LLK-D-Steckertyps ausgebildet ist und/oder aus Kunststoff oder Metall hergestellt ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilabschnitt des gestrippten freiendseitigen Verbindungsabschnittes (VA) der seitlich emittierenden optischen Faser (2) mit einer neuen Mantelschicht aus einem Kunststoffmaterial ohne Streuelemente versehen wird.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig bzw. am Faserausgang (2.2) der seitlich emittierenden optischen Faser (2) ein Endkappenelement (11) angeordnet ist, das einen sphärischen Spiegel ausbildet, der ausgangsseitig austretenden Anteile der Laserstrahlung (LS) in die seitlich emittierende optische Faser (2) zurück reflektiert.
Lichtleitfasersystem (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Endkappenelement (11) durch eine hochreflektive sphärische oder paraboloide Endkappe gebildet ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlich emittierende optische Faser (2) zumindest abschnittsweise in einer Prozesskammer (9) aufgenommen ist und zumindest der in der Prozesskammer (9) aufgenommene Abschnitt der seitlich emittierenden optischen Faser (2) spiralförmig angeordnet ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenseite der Prozesskammer (9) oder eine die seitlich emittierende optische Faser (2) aufnehmende Einhüllung (10) reflektierend ausgebildet ist.
Lichtleitfasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Laserstrahlung (LS) hochenergetisch ist und eine Leistung von mehreren Watt, vorzugsweise zwischen 50W und 10.000W Leistung und/oder eine Wellenlänge von 200nm bis 1.500nm aufweist.
Lasersystem (1) umfassend zumindest eine Laserquelle (7, 7') zur Bereitstellung einer optischen Laserstrahlung (LS) und ein Lichtleitfasersystem (1) zur Erzeugung einer seitlich emittierenden optischen Streulaserstrahlung (SLS) aus der optischen Laserstrahlung (LS) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie zumindest eine Faserkoppeleinheit (4, 4') zur Einkopplung der von der Laserquelle (2) bereitgestellten Laserstrahlung (LS) in die seitlich emittierende optische Faser (2) des Lichtleitfasersystems (1).
Lasersystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (7, 7') durch einen Halbleiterlaser oder eine Halbleiterlaseranordnung, insbesondere einen Diodenlaser oder eine Diodenlaseranordnung gebildet ist.
Lasersystem nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (1) eine Transportfaser (6) umfasst, wobei die Transportfaser (6) eine passive strahlführende optische Faser sowie einen einkoppel- und auskoppelseitigen Faserstecker (6.1, 6.2) aufweist.