DE112021003639T5 - Stufen-kern-faserstrukturen und verfahren zur veränderung von strahlform und intensität - Google Patents

Stufen-kern-faserstrukturen und verfahren zur veränderung von strahlform und intensität Download PDF

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Francisco Villarreal-Saucedo
Bien Chann
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Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Werkstück unter Verwendung eines oder mehrerer Ausgangsstrahlen bearbeitet, die von einer Stufen-Kern-Lichtleitfaser emittiert und aus einem oder mehreren Eingangsstrahlen gebildet werden, die nicht kreisförmige Strahlformen haben können. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Eingangsstrahl ein Laserstrahl mit variabler Leistung sein, dessen numerische Apertur (NA) in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls variiert. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser kann eine äußere Kern-NA aufweisen, die größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Laserleistung von etwa 100 % ist, eine innere Kern-NA, die kleiner oder gleich der äußeren Kern-NA ist, und eine innere Kern-NA, die größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von 50 % ist.

Description

  • Verwandte Anwendungen
  • Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/048,714 , eingereicht am 7. Juli 2020, und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/060,801 , eingereicht am 4. August 2020, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Technischer Bereich
  • In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lasersysteme und optische Fasern, insbesondere auf Lasersysteme und optische Fasern, die eine Steuerung der Strahlintensität und der Strahlparameter, wie z. B. des Strahlparameterprodukts, ermöglichen.
  • Hintergrund
  • Hochleistungslasersysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Schweißen, Schneiden, Bohren und zur Materialbearbeitung. Solche Lasersysteme bestehen in der Regel aus einem Laserstrahler, dessen Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach „Faser“ oder Lichtleitfaser) eingekoppelt wird, und einem optischen System, das das Laserlicht aus der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Das optische System ist in der Regel so ausgelegt, dass es den hochwertigsten Laserstrahl erzeugt, d. h. den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (BPP). Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d. h. die Strahltaille, die minimale Spotgröße). Das heißt, BPP = NA×D/2, wobei D der Durchmesser des Fokussierpunkts (der Strahltaille) und NA die numerische Apertur ist; somit kann der BPP durch Variation von NA und/oder D variiert werden. Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird normalerweise in Millimeter-Millradiant (mm-mrad) angegeben. Ein gaußförmiger Strahl hat den geringstmöglichen BPP, der durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch pi angegeben wird. Das Verhältnis zwischen dem BPP eines tatsächlichen Strahls und dem eines idealen Gaußschen Strahls bei derselben Wellenlänge wird mit M2 bezeichnet und ist ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität.
  • Industrielle Hochleistungslaser werden in der Regel mit herkömmlichen Multimode-Stufenindexfasern betrieben. Bei solchen Systemen ist der BPP am Ausgang in der Regel wesentlich größer als der BPP am Eingang, ein BPP-Verschlechterungseffekt, der hauptsächlich durch die Fehlanpassung der Form und/oder Größe des Eingangslaserspots an den Faserkern verursacht wird. Darüber hinaus sind bei einer gegebenen Gesamtstrahlleistung eine höhere Spitzenintensität und ein kleinerer effektiver Laserspot auf dem Werkstück für viele Anwendungen, wie z. B. das Schneiden und Bohren von Blechen, von Vorteil. Daher besteht ein Bedarf an faseroptischen Strukturen, Systemen und Techniken, die die kopplungsbedingte Verschlechterung des BPP beheben und gleichzeitig die Erzeugung eines kleinen Ausgangsstrahls und einer damit einhergehenden hohen Strahlintensität für verschiedene Anwendungen ermöglichen.
  • Zusammenfassung
  • Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten Lasersysteme, Kopplungs- und Liefertechniken und optische Fasern, die eine effiziente Strahlkopplung und - lieferung mit minimaler BPP-Verschlechterung ermöglichen, selbst wenn sich die Eingangsstrahlform ändert. Darüber hinaus können optische Fasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, um effektiv kleinere Ausgangsspots und wesentlich größere Spitzenstrahlintensitäten zu erzeugen, ohne dass kleinere Fasern verwendet werden müssen. Auf diese Weise erzeugen die Ausführungsformen der Erfindung Ausgangsstrahlen, ohne die Effizienz der Faserkopplung und die Strahlstabilität zu beeinträchtigen.
  • Ausführungsformen der Erfindung umfassen und verwenden optische Fasern, die hier als „Step-Core“-Fasern (Stufen-Kern-Fasern) bezeichnet werden. Herkömmliche Lasersysteme, insbesondere solche für die industrielle Verarbeitung, verwenden herkömmliche Stufenindex-Lichtleitfasern mit einem einzigen zentralen Kern und einer einzigen äußeren Umhüllung, die den Kern umgibt. Im Gegensatz dazu umfassen Stufenindexfasern gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen inneren Kern, einen äußeren ringförmigen Kern, der den inneren Kern umgibt, und einen Mantel, der den äußeren Kern umgibt, oder bestehen im Wesentlichen aus einem solchen. In verschiedenen Ausführungsformen ist der äußere Kern zwischen dem inneren Kern und der Ummantelung angeordnet und berührt diese auf gegenüberliegenden Oberflächen direkt. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Stufenkernfaser eine oder mehrere Kern-, Beschichtungs- und/oder Mantelschichten enthalten, die außerhalb der Mantelschicht angeordnet sind. Solche Schichten können für verschiedene Zwecke vorgesehen sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf BPP-Manipulation, Faserstrukturunterstützung, Faserschutz usw. Während also der innere Kern, der äußere Kern und die Mantelschicht typischerweise Glas, z. B. Quarzglas oder dotiertes Quarzglas, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, können die außerhalb der Mantelschicht angeordneten Schichten Glas (z. B. Quarzglas, dotiertes Quarzglas), ein Polymer, Kunststoff usw. enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind keine Modenabstreifer in oder auf der optischen Faserstruktur enthalten. Ebenso sind die verschiedenen Schichten der optischen Fasern in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der Erfindung kontinuierlich entlang der gesamten Länge der Faser und enthalten keine Löcher, photonischen Kristallstrukturen, Brüche, Lücken oder andere Diskontinuitäten darin.
  • Optische Fasern (Lichtleitfasern) mit Stufenkern gemäß der Erfindung können Multimode-Fasern sein und daher mehrere Moden unterstützen (z. B. mehr als drei, mehr als zehn, mehr als 20, mehr als 50 oder mehr als 100 Moden). Darüber hinaus sind erfindungsgemäße Stufenkernfasern im Allgemeinen passive Fasern, d. h. sie sind nicht mit aktiven Dotierstoffen (z. B. Erbium, Ytterbium, Thulium, Neodym, Dysprosium, Praseodym, Holmium oder anderen Seltenerdmetallen) dotiert, wie sie typischerweise für gepumpte Faserlaser und Verstärker verwendet werden. Vielmehr handelt es sich bei den Dotierstoffen, die zur Auswahl der gewünschten Brechungsindizes in verschiedenen Schichten von Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, im Allgemeinen um passive Dotierstoffe, die nicht durch Laserlicht angeregt werden, z. B. Fluor, Titan, Germanium und/oder Bor. Das Erreichen eines gewünschten Brechungsindex für eine bestimmte Schicht oder einen bestimmten Bereich einer optischen Faser gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann (durch Techniken wie Dotierung) von einem Fachmann ohne übermäßige Experimente durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang dürfen Lichtleitfasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung keine Reflektoren oder Teilreflektoren (z. B. Gitter wie Bragg-Gitter) enthalten. Fasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung werden typischerweise nicht mit Pumplicht gepumpt, das so konfiguriert ist, dass es Laserlicht einer anderen Wellenlänge erzeugt. Vielmehr propagieren Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung lediglich Licht entlang ihrer Länge, ohne dessen Wellenlänge zu verändern.
  • Darüber hinaus werden Stufenkernfasern und Systeme gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung typischerweise für die Materialbearbeitung (z. B. Schneiden, Bohren usw.) und nicht für Anwendungen wie optische Kommunikation oder optische Datenübertragung verwendet. Daher haben die in die Fasern eingekoppelten Laserstrahlen gemäß den Ausführungsformen der Erfindung typischerweise Wellenlängen, die kleiner sind als die 1,3 µm oder 1,5 µm, die für die optische Kommunikation verwendet werden. Tatsächlich können Fasern, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, Dispersion bei einer oder mehreren (oder sogar allen) Wellenlängen im Bereich von etwa 1260 nm bis etwa 1675 nm aufweisen, die für die optische Kommunikation verwendet werden. Beispielsweise können Laserwellenlängen, die gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, Wellenlängen im Bereich von etwa 780 nm bis etwa 1064 nm, von etwa 780 nm bis etwa 1000 nm, von etwa 870 nm bis etwa 1064 nm oder von etwa 870 nm bis etwa 1000 nm aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Wellenlänge (oder Primär- oder Zentralwellenlänge) des Laserstrahls beispielsweise etwa 1064 nm, etwa 970 nm, etwa 780 oder 850 bis etwa 1060 nm oder etwa 950 nm bis etwa 1070 nm betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Laserwellenlänge weitaus größer sein als die für die optische Kommunikation verwendeten Wellenlängen (z. B. etwa 1260 nm bis etwa 1675 nm), z. B. im Bereich von etwa 2 µm bis etwa 11 µm oder von etwa 5 µm bis etwa 11 µm.
  • In verschiedenen Ausführungsformen hat der Laserstrahl eine Wellenlänge (oder einen Bereich von Wellenlängen) im hochenergetischen sichtbaren (z. B. blau, grün oder violett) oder ultravioletten (UV) Bereich. Die Wellenlänge kann beispielsweise zwischen ca. 300 nm und ca. 740 nm, ca. 400 nm und ca. 740 nm, ca. 530 nm und ca. 740 nm, ca. 300 nm und ca. 810 nm, ca. 400 nm und ca. 810 nm, oder ca. 530 nm und ca. 810 nm liegen. In verschiedenen Ausführungsformen liegt die Wellenlänge des Laserstrahls im UV- oder sichtbaren Bereich, obwohl die Wellenlänge für verschiedene Anwendungen bis zu etwa 810 nm reichen kann. In bestimmten Ausführungsformen kann die Wellenlänge (oder Primär- oder Zentralwellenlänge) des Laserstrahls z. B. etwa 810 nm, etwa 400 - etwa 460 nm oder etwa 532 nm betragen. (Hierin wird davon ausgegangen, dass Verweise auf verschiedene „Wellenlängen“ verschiedene „Wellenlängenbereiche“ oder verschiedene „Primärwellenlängen“ umfassen).
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung werden zwei oder mehr Laserstrahlen, von denen jeder eine andere Wellenlänge hat, seriell und/oder gleichzeitig in die Stufenkernfaser eingekoppelt, um die Vorteile jeder Wellenlänge für die Optimierung der Materialbearbeitung zu nutzen. Solche Ausführungsformen können Details und Techniken beinhalten, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 16/984,489 beschrieben sind, die am 4. August 2020 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. In verschiedenen Ausführungsformen weist ein Lasersystem beispielsweise einen primären Laser auf, der bei einer relativ längeren Wellenlänge (z. B. Infrarot oder Nahinfrarot) emittiert und zum Schneiden von Materialien (z. B. metallischen Materialien) verwendet wird, sowie einen sekundären Laser, der bei einer relativ kürzeren Wellenlänge (z. B. ultraviolett oder sichtbar) emittiert und zumindest für erste Einstechvorgänge zu Beginn des Schneidens verwendet wird. Im Allgemeinen zeigen verschiedene Metalle eine größere Absorption von Laserlicht bei kürzeren Wellenlängen, zumindest im festen Zustand. Daher können Laser mit kürzeren Wellenlängen effizient für Einstechvorgänge genutzt werden, die z. B. zu Beginn des Laserschneidens durchgeführt werden. Das heißt, Einstechvorgänge können mit Lasern kürzerer Wellenlänge schneller und mit höherer Qualität (z. B. Kantenrauheit) durchgeführt werden. Leider sind viele Laser mit kurzer Wellenlänge (z. B. Laser im grünen oder blauen Wellenlängenbereich) weniger effizient, haben eine kürzere Lebensdauer, sind teurer und erreichen ihre volle Leistung langsamer und/oder weniger leicht als verschiedene Laser mit längerer Wellenlänge, z. B. Nahinfrarotlaser. Außerdem ist die Absorption des Laserlichts bei geschmolzenen Metallen weniger von der Laserwellenlänge abhängig oder sogar unabhängig davon. Daher können die eigentlichen Schneidvorgänge, sobald die Metalle durchdrungen und geschmolzen sind, schneller und effizienter mit Lasern längerer Wellenlänge durchgeführt werden, die im Allgemeinen eine längere Lebensdauer und einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Solche Laser mit längeren Wellenlängen können für den anfänglichen Einstechvorgang ungeeignet sein, weil (1) das Material die längeren Wellenlängen weniger gut absorbiert und/oder (2) das Material die längeren Wellenlängen stark reflektiert, was nicht nur die Einleitung des Laserschneidens verhindern, sondern auch zu einer Beschädigung des Lasersystems (oder verschiedener seiner Komponenten) durch Störreflexionen führen kann.
  • Beim Schneiden wird beispielsweise ein Laser auf die Oberfläche des Materials gerichtet, woraufhin zumindest ein Teil der Laserenergie absorbiert wird, wodurch das Material erhitzt wird. Nach ausreichender Energieabsorption schmilzt die Oberfläche des Materials und wird geschmolzen. Danach schmilzt auch das Material unterhalb der Oberfläche, wodurch ein Loch im Material entsteht. Sobald ein solches Loch entstanden ist, kann die Laserenergie über das Material übertragen werden und das Material in einem gewünschten Muster durchschneiden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird ein sekundärer Laser mit kleinerer Wellenlänge verwendet, um einen Schneidvorgang einzuleiten. In verschiedenen Ausführungsformen emittiert der Sekundärlaser Licht auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials, zumindest solange, bis ein Teil der Oberfläche des Materials geschmolzen ist. (Das heißt, der Sekundärlaser muss nicht eingesetzt werden, bis das Loch tatsächlich durch das Material erzeugt wird, solange zumindest ein Teil des Materials geschmolzen und daher für Laserlicht längerer Wellenlängen besser absorbierbar ist; in verschiedenen Ausführungsformen wird der Sekundärlaser jedoch mindestens so lange eingesetzt, bis sich ein Loch durch das Material bildet). Nachdem zumindest ein Teil der Materialoberfläche aufgeschmolzen ist, strahlt der primäre Laser längerwelliges Licht auf das Material an im Wesentlichen demselben Punkt (d. h., der primäre und der sekundäre Laserstrahl können koaxial sein, da sie in dieselbe Stufenleiter-Lichtleitfaser eingekoppelt werden) und wird dann über das Material verschoben, um einen Schnitt zu erzeugen. So kann der Sekundärlaser in verschiedenen Ausführungsformen mit geringerer Leistung und/oder kürzerer Zeit eingesetzt werden, was seine Lebensdauer verlängert. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des sekundären Lasers die effiziente Bearbeitung von Materialien, die für längere Laserwellenlängen (z. B. Infrarot oder Nahinfrarot) stark reflektieren, wie z. B. Kupfer.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der sekundäre Laser nicht nur zum Einstechen in das Material verwendet werden (d. h. er kann Laserenergie auf das Material emittieren), sondern auch während des Schneidvorgangs, wenn sich eine oder mehrere Eigenschaften des Materials ändern oder wenn eine oder mehrere Eigenschaften des Schnitts selbst geändert werden sollen. Wenn sich beispielsweise die Dicke des Materials an einem oder mehreren Punkten ändert (z. B. zunimmt), kann der Sekundärlaser an diesen Punkten eingesetzt werden, um den Schneidvorgang effizient fortzusetzen. Darüber hinaus kann der sekundäre Laser (mit oder ohne den primären Laser) an einer Stelle eingesetzt werden, an der die Größe des Schnittes verändert (z. B. vergrößert) werden soll, und/oder an einer Stelle, an der sich die Schnittrichtung ändert.
  • Wie oben beschrieben, können der primäre und der sekundäre Laser unabhängig voneinander während verschiedener Abschnitte des Einstech-/Schneidevorgangs (oder eines anderen Bearbeitungsvorgangs) eingesetzt werden. Das heißt, der sekundäre Laser kann verwendet werden, um den Schnitt einzuleiten, und dann ausgeschaltet werden, woraufhin der primäre Laser eingeschaltet werden kann, um den Vorgang abzuschließen, und die beiden Laser strahlen nicht gleichzeitig Licht auf das Material ab. In verschiedenen Ausführungsformen sind jedoch beide Laser in die Stufenfaser eingekoppelt und strahlen daher zumindest während eines Teils des Bearbeitungsvorgangs gleichzeitig Licht auf das Material ab. Das heißt, die Stufenkernfaser kann während mindestens eines Teils des Einstechvorgangs und/oder während mindestens eines Teils des anschließenden Schneidvorgangs Licht von beiden Lasern auf die Oberfläche emittieren. Die gleichzeitige Verwendung beider Laser kann zusätzliche Laserleistung liefern und dadurch ein schnelleres Schneiden und/oder das Schneiden dickerer Materialien ermöglichen. Darüber hinaus kann die erweiterte Bandbreite, die durch den gleichzeitigen Einsatz beider Laser bereitgestellt wird, die Oberflächenqualität des bearbeiteten/geschnittenen Materials verbessern, da die Laserkohärenz und die Fleckenbildung stärker gestreut werden. In verschiedenen Ausführungsformen strahlen beide Laser gleichzeitig Licht auf das Material ab, aber die Leistung des einen oder anderen Lasers wird während eines oder mehrerer Teile des Prozesses moduliert. Beispielsweise kann der primäre Laser während des Einstechens Licht emittieren, allerdings mit einer geringeren Leistung als während des anschließenden Schneidens. In ähnlicher Weise kann der sekundäre Laser während des Schneidens Licht emittieren, allerdings mit einer geringeren Leistung als während des ersten Einstechvorgangs.
  • In verschiedenen Ausführungsformen wird der Betrieb des primären und des sekundären Lasers und damit die Einkopplung der Laser in die Stufenkernfaser durch eine computergestützte Steuerung geregelt. In Ausführungsformen, in denen der primäre Laser zum Schneiden verwendet wird (oder hauptsächlich verwendet wird), nachdem der sekundäre Laser zum Einstechen verwendet wird (oder hauptsächlich verwendet wird), kann die Steuerung den primären Laser zu einem gewünschten Zeitpunkt im Prozess einschalten (oder seine Leistung hochfahren) (z. B. wenn mindestens ein Teil der Materialoberfläche geschmolzen ist, aber bevor ein Loch im Material gebildet wird, oder sogar nachdem das Loch im Material gebildet wird). Zu diesem Zeitpunkt kann die Steuerung den Sekundärlaser abschalten (oder seine Leistung herunterfahren). Die Steuerung kann diesen Einsatz des primären Lasers direkt als Reaktion auf den Zustand der Materialoberfläche einleiten (z. B. wenn diese geschmolzen ist). Das Lasersystem kann beispielsweise einen oder mehrere Sensoren enthalten, die die Materialoberfläche überwachen und anhand von Änderungen, z. B. des Reflexionsvermögens und/oder der Temperatur der Oberfläche, feststellen, wann sie geschmolzen ist. (Wie dem Fachmann bekannt ist, kann diese Phasenänderung, wenn eine Oberfläche schmelzflüssig wird, mit einer abrupten Änderung des Reflexionsvermögens einhergehen (z. B. zu längeren Wellenlängen wie Infrarot oder Nahinfrarot). Der Temperaturanstieg der Oberfläche des Materials kann sich auch verlangsamen, zumindest bis das Material zu verdampfen beginnt). In anderen Ausführungsformen kann das Steuergerät einfach den Einsatz des primären Lasers (und/oder die Abschaltung des sekundären Lasers) nach einer zeitlichen Verzögerung einleiten.
  • So wird in verschiedenen Ausführungsformen ein sekundärer Laser mit kürzerer Wellenlänge verwendet (oder hauptsächlich verwendet), um ein Material zu schmelzen, zu durchdringen oder teilweise zu durchdringen, und danach wird ein primärer Laser mit längerer Wellenlänge verwendet (oder hauptsächlich verwendet), um das Material zu schneiden (z. B. durch Translation des primären Laserspots über das Material). Im Allgemeinen kann der sekundäre Laser verwendet werden, um einen bestimmten Prozess einzuleiten, während der primäre Laser verwendet werden kann, um den Prozess abzuschließen, nachdem er eingeleitet wurde. Während solche Ausführungsformen besonders für metallische Werkstoffe geeignet sind, wird in verschiedenen Ausführungsformen der Laser mit der längeren Wellenlänge verwendet (oder hauptsächlich verwendet), um ein Material zu schmelzen, zu durchbohren oder teilweise zu durchbohren, und danach wird der Laser mit der kürzeren Wellenlänge verwendet (oder hauptsächlich verwendet), um das Material zu schneiden (z. B. durch Translation des primären Laserspots durch das Material). Beispielsweise sind viele nichtmetallische Materialien wie Gläser und Kunststoffe im sichtbaren und nahen IR-Bereich transparent, können aber eine hohe Absorption bei UV-Wellenlängen (z. B. weniger als ca. 350 nm) und/oder IR-Wellenlängen (z. B. im Bereich von ca. 2 µm bis ca. 11 µm) aufweisen. Während solche Materialien wie oben und hier beschrieben bearbeitet werden können, d. h. mit dem Laser mit kürzerer Wellenlänge zum Einstechen und/oder Schmelzen und dem Laser mit längerer Wellenlänge zum Schneiden, können die Laserwellenlängen so gewählt werden, dass solche Materialien mit dem Laser mit längerer Wellenlänge zum Einstechen und/oder Schmelzen und dem Laser mit kürzerer Wellenlänge zum Schneiden bearbeitet werden können. Daher kann der hier beschriebene „Sekundärlaser“ für solche Materialien in verschiedenen Ausführungsformen eine längere Wellenlänge als der „Primärlaser“ haben. (Beispielsweise kann ein primärer Laser eine Wellenlänge im nahen IR-Bereich haben, während der sekundäre Laser eine Wellenlänge von etwa 5 µm (z. B. ein CO-Laser) oder etwa 10,6 µm (z. B. ein CO2 -Laser) aufweisen kann).
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können sowohl der Primärlaser als auch der Sekundärlaser über dieselbe Fokussieroptik in die Stufenkernfaser eingekoppelt werden. Beispielsweise kann ein dichroitischer Spiegel oder ein anderes optisches Element verwendet werden, um die beiden Laser so zu fokussieren, dass sie annähernd koaxial zu einer Fokussierlinse sind, die die Laserstrahlen in die Step-Core-Faser einkoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen wird der sekundäre Laser (d. h. der Laser mit der kürzeren Wellenlänge) auf eine kleinere Spotgröße fokussiert und in den inneren Kern der Stufenkernfaser eingekoppelt, und der primäre Laser (d. h. der Laser mit der längeren Wellenlänge) wird auf eine größere Spotgröße fokussiert und sowohl in den inneren als auch in den äußeren, ringförmigen Kern der Stufenkernfaser eingekoppelt. Auf diese Weise wird die Verwendung einer gemeinsamen Fokussieroptik ermöglicht, ohne dass die Qualität des Ausgangsstrahls oder die Effizienz der Einkopplung beeinträchtigt wird, obwohl die Spotgröße des Primärlasers (zumindest in einer Dimension) größer sein kann als der Durchmesser des inneren Kerns der Stufenkernfaser.
  • Optische Elemente" können sich auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umlenken, reflektieren, krümmen oder auf andere Weise optisch manipulieren, sofern nicht anders angegeben. Der Begriff Strahlenemitter, Emitter oder Laseremitter bzw. Laser umfasst alle elektromagnetischen strahlenerzeugenden Vorrichtungen, wie z. B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, die aber auch selbstresonierend sein können. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser usw. Ein Emitter kann mehrere Strahlenemitter umfassen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen, wie z. B. eine Diodenleiste, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere Strahlen emittiert. Die in den hier beschriebenen Ausführungsformen empfangenen Eingangsstrahlen können aus Einzel- oder Mehrwellenlängenstrahlen bestehen, die mit verschiedenen in der Technik bekannten Techniken kombiniert werden. Die in Ausführungsformen der Erfindung erzeugten Ausgangsstrahlen können ein- oder mehrwellige Strahlen sein.
  • Ausführungsformen der Erfindung können mit wellenlängenkombinierenden Systemen (WBC) verwendet werden, die eine Vielzahl von Emittern, z. B. einen oder mehrere Diodenbalken, umfassen, die mit Hilfe eines dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Multiwellenlängenstrahl zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt individuell und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in den US-Patenten Nr. 6.192.062 , eingereicht am 4. Februar 2000, Nr. 6.208.679 , eingereicht am 8. September 1998, Nr. 8.670.180 , eingereicht am 25. August 2011, und Nr. 8.559.107 , eingereicht am 7. März 2011, beschrieben, wobei die gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Multi-Wellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Systemen können als Eingangsstrahlen in Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, z.B. für die BPP-Steuerung. So umfasst in verschiedenen Ausführungsformen eine Laserstrahlquelle einen WBC-Laser, der einen breitbandigen Laserstrahl mit mehreren Wellenlängen aussendet, oder besteht im Wesentlichen aus einem solchen. In verschiedenen Ausführungsformen können solche Laser Bandbreiten von z. B. etwa 10 nm bis etwa 60 nm aufweisen. Die Laserstrahlquelle kann eine Direktdiodenlaserquelle sein, im Gegensatz zu einem Faser- oder chemischen Laser.
  • Ausgangsstrahlen, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, können zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden, so dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird und/oder ein Merkmal auf oder in der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Verfahren, die eine Oberfläche lediglich mit Licht untersuchen (z. B. Reflexionsmessungen), und zu optischen Strahlen, die für die Datenübertragung verwendet werden. Zu den beispielhaften Verfahren gemäß den Ausführungsformen der Erfindung gehören Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. Die hierin beschriebenen optischen Fasern können an ihren Ausgangsenden einen Laserkopf aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er den Ausgangsstrahl der Faser auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert. Der Laserkopf kann ein oder mehrere optische Elemente zur Fokussierung und/oder Kollimierung des Ausgangsstrahls und/oder zur Steuerung der Polarisation und/oder der Trajektorie des Strahls enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Laserkopf kann so positioniert werden, dass der Ausgangsstrahl auf ein Werkstück und/oder auf eine Plattform oder ein positionierbares Portal, auf dem das Werkstück angeordnet werden kann, gerichtet wird.
  • Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können Werkstücke auch an einem oder mehreren Punkten oder entlang einer eindimensionalen linearen oder gekrümmten Bearbeitungsbahn bearbeiten, anstatt die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Werkstückoberfläche mit der Strahlung des Laserstrahls zu durchfluten. Im Allgemeinen können Bearbeitungspfade gekrümmt oder linear sein, und „lineare“ Bearbeitungspfade können eine oder mehrere Richtungsänderungen aufweisen, d. h., lineare Bearbeitungspfade können aus zwei oder mehr im Wesentlichen geraden Segmenten bestehen, die nicht unbedingt parallel zueinander sind. In ähnlicher Weise können „gekrümmte“ Pfade aus mehreren gekrümmten Segmenten mit Richtungsänderungen dazwischen bestehen. Andere Verarbeitungspfade gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfassen segmentierte Pfade, bei denen jedes Segment geradlinig oder gekrümmt ist und eine Richtungsänderung zwischen zwei beliebigen Segmenten vorhanden sein kann.
  • Ausführungsformen der Erfindung können die Strahlform und/oder BPP variieren, um die Leistung für verschiedene Arten von Bearbeitungstechniken oder verschiedene Arten von zu bearbeitenden Materialien zu verbessern oder zu optimieren. Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene zusätzliche Techniken zum Variieren von BPP und/oder der Form von Laserstrahlen verwenden, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/632,283 , eingereicht am 26. Februar 2015, der US-Patentanmeldung Serial No. 14/747,073 , eingereicht am 23. Juni 2015, der US-Patentanmeldung Serial No. 14/852,939 , eingereicht am 14. September 2015, US-Patentanmeldung Nr. 15/188,076 , eingereicht am 21. Juni 2016, US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, und US-Patentanmeldung Nr. 15/649,841 , eingereicht am 14. Juli 2017, deren Offenbarung hierin in vollem Umfang durch Bezugnahme enthalten ist.
  • Gemäß einem Aspekt betreffen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Eine stufenförmige optische Faser bzw. Lichtleitfaser, mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende wird bereitgestellt. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) einem inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einem den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, und (iii) einem den äußeren Kern umgebenden Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der zweite Brechungsindex ist. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser hat (a) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf die Ummantelung, (b) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern und (c) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf die Ummantelung. Ein Werkstück ist in der Nähe des Ausgangsendes der optischen Faser angeordnet. Ein Laserstrahl mit variabler Leistung, dessen NA in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls variiert, wird auf das Eingangsende der optischen Faser gerichtet. Ein vom Ausgangsende des Lichtwellenleiters emittierter Ausgangsstrahl wird erzeugt. Die NA des äußeren Kerns ist größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 %, (ii) die NA des zweiten inneren Kerns ist kleiner oder gleich der NA des äußeren Kerns, und (iii) die NA des zweiten inneren Kerns ist größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von 50 %. Das Werkstück wird mit dem Ausgangsstrahl bearbeitet.
  • Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen in einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Das Werkstück kann entlang einer Bearbeitungsbahn bearbeitet werden, die sich über mindestens einen Teil des Werkstücks erstreckt. Die Bearbeitung des Werkstücks kann die physikalische Veränderung mindestens eines Teils einer Oberfläche des Werkstücks und/oder mindestens eines Teils des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, dass mindestens ein Teil der Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird. Die Bearbeitung des Werkstücks kann das Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und/oder Hartlöten umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Laserstrahl kann einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der optischen Faser erzeugen, z. B. einen elliptischen oder rechteckigen Fleck. Der Fleck kann eine erste und eine zweite seitliche Abmessung haben, die sich voneinander unterscheiden und senkrecht zueinander stehen. Die erste seitliche Abmessung kann größer sein als die zweite seitliche Abmessung. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des äußeren Kerns kann größer sein als die erste seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des inneren Kerns kann größer sein als die zweite seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des inneren Kerns kann kleiner sein als die erste seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des inneren Kerns kann kleiner sein als die zweite seitliche Abmessung des Flecks. Eine Querschnittsform des inneren Kerns kann nicht kreisförmig sein, z. B. rechteckig, elliptisch, quadratisch, dreieckig, polygonal usw. Eine zentrale Achse des inneren Kerns kann nicht koaxial zu einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse der Ummantelung und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser sein. Der Laserstrahl kann einen Fleck auf dem Eingangsende der optischen Faser erzeugen, und der Fleck kann größer als der Durchmesser des inneren Kerns und kleiner als der Durchmesser des äußeren Kerns sein.
  • Der Laserstrahl kann von einem Strahlemitter emittiert werden. Der Strahlemitter kann eine oder mehrere Strahlenquellen enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die eine Vielzahl diskreter Strahlen aussenden, eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Laserstrahl durch ihn hindurchleitet und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück auf das dispersive Element reflektiert. Der Laserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, und ihm können ein oder mehrere Prismen zugeordnet sein. Das dispersive Element kann mit mindestens einem Prisma in Kontakt stehen und/oder Strahlen von dem/den Prisma(n) empfangen und/oder an diese weiterleiten. Das Ausgangsende der optischen Faser kann mit einem Laserkopf gekoppelt sein, der ein oder mehrere optische Elemente enthält. Der Strahl kann vor und/oder während der Bearbeitung des Werkstücks mit Hilfe des Laserkopfes gedreht werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Eine stufenförmige optische Faser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende wird bereitgestellt. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) einem inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einem den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, und (iii) einem den äußeren Kern umgebenden Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der zweite Brechungsindex ist. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser hat (a) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf die Ummantelung, (b) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern und (c) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf die Ummantelung. Eine zentrale Achse des inneren Kerns ist nicht koaxial mit einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse der Ummantelung und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser. Ein Werkstück ist in der Nähe des Ausgangsendes der optischen Faser angeordnet. Ein Laserstrahl wird in das Eingangsende der optischen Faser gerichtet, um dadurch einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der aus dem Ausgangsende der optischen Faser austritt. Der Laserstrahl kann eine Laserstrahl-NA aufweisen, die in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls variiert. Die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt mit dem Ausgangsstrahl.
  • Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer beliebigen Kombination enthalten. Der Laserstrahl kann ein Laserstrahl mit variabler Leistung sein, umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der eine Laserstrahl-NA aufweist, die in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls variiert. Die NA des äußeren Kerns kann größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 % sein. Die NA des zweiten inneren Kerns kann kleiner oder gleich der NA des äußeren Kerns sein. Die NA des zweiten inneren Kerns kann größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von 50 % sein. Das Werkstück kann entlang eines Bearbeitungspfades bearbeitet werden, der sich über mindestens einen Teil des Werkstücks erstreckt. Die Bearbeitung des Werkstücks kann die physikalische Veränderung mindestens eines Teils einer Oberfläche des Werkstücks und/oder mindestens eines Teils des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, dass mindestens ein Teil der Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird. Die Bearbeitung des Werkstücks kann das Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und/oder Hartlöten umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Laserstrahl kann einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der optischen Faser erzeugen, z. B. einen elliptischen oder rechteckigen Fleck. Der Fleck kann eine erste und eine zweite seitliche Abmessung haben, die sich voneinander unterscheiden und senkrecht zueinander stehen. Die erste seitliche Abmessung kann größer sein als die zweite seitliche Abmessung. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des äußeren Kerns kann größer sein als die erste seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des inneren Kerns kann größer sein als die zweite seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des inneren Kerns kann kleiner sein als die erste seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des inneren Kerns kann kleiner sein als die zweite seitliche Abmessung des Flecks. Die Querschnittsform des inneren Kerns kann nicht kreisförmig sein, z. B. rechteckig, elliptisch, quadratisch, dreieckig, polygonal usw. Eine zentrale Achse des Laserstrahls kann nicht koaxial mit einer zentralen Achse des inneren Kerns und/oder einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse des Mantels und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser sein. Eine zentrale Achse des Laserstrahls kann koaxial zu einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse der Ummantelung und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser sein. Der Laserstrahl kann einen Fleck auf dem Eingangsende der optischen Faser erzeugen, und der Fleck kann größer als der Durchmesser des inneren Kerns und kleiner als der Durchmesser des äußeren Kerns sein.
  • Der Laserstrahl kann von einem Strahlemitter emittiert werden. Der Strahlemitter kann eine oder mehrere Strahlenquellen enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die eine Vielzahl diskreter Strahlen aussenden, eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Laserstrahl durch ihn hindurchleitet und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück auf das dispersive Element reflektiert. Der Laserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, und ihm können ein oder mehrere Prismen zugeordnet sein. Das dispersive Element kann mit mindestens einem Prisma in Kontakt stehen und/oder Strahlen von dem/den Prisma(n) empfangen und/oder an diese weiterleiten. Das Ausgangsende der optischen Faser kann mit einem Laserkopf gekoppelt sein, der ein oder mehrere optische Elemente enthält. Der Strahl kann vor und/oder während der Bearbeitung des Werkstücks mit Hilfe des Laserkopfes gedreht werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Eine stufenförmige optische Faser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende wird bereitgestellt. Die optische Stufenfaser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) einer Vielzahl von nicht koaxialen inneren Kernen, die jeweils einen ersten Brechungsindex aufweisen, (ii) einem äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, der die inneren Kerne umgibt und sich zwischen ihnen erstreckt, und (iii) einem Mantel, der den äußeren Kern umgibt und einen dritten Brechungsindex aufweist, der kleiner ist als der zweite Brechungsindex. Ein Werkstück ist in der Nähe des Ausgangsendes der optischen Faser angeordnet. Ein Laserstrahl wird in das Eingangsende der optischen Faser gerichtet, um dadurch einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der vom Ausgangsende der optischen Faser emittiert wird. Der Laserstrahl kann eine Laserstrahl-NA aufweisen, die in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls variiert. Die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt mit dem Ausgangsstrahl.
  • Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Die ersten Brechungsindizes aller inneren Kerne können einander annähernd gleich sein. Die ersten Brechungsindizes von mindestens zwei der inneren Kerne können unterschiedlich sein. Die ersten Brechungsindizes aller inneren Kerne können unterschiedlich sein. Der Laserstrahl kann ein Laserstrahl mit variabler Leistung sein, beinhalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der eine numerische Apertur (NA) aufweist, die in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls variiert. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser kann eine äußere Kern-NA relativ zum Mantel haben. Die NA des äußeren Kerns kann größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 % sein. Einer oder mehrere der inneren Kerne können eine innere Kern-NA relativ zum äußeren Kern aufweisen. Die innere Kern-NA eines oder mehrerer oder sogar jedes inneren Kerns kann kleiner als die äußere Kern-NA sein. Die NA des inneren Kerns eines oder mehrerer oder sogar jedes inneren Kerns kann größer sein als die NA des Laserstrahls bei einer Leistung von 50 %. Eine zentrale Achse eines der inneren Kerne kann koaxial mit einer zentralen Achse des äußeren Kerns sein. Eine zentrale Achse des äußeren Kerns kann nicht koaxial mit einer zentralen Achse eines der inneren Kerne sein. Die Querschnittsform eines oder mehrerer der inneren Kerne kann nicht kreisförmig sein, z. B. rechteckig, elliptisch, quadratisch, dreieckig, polygonal usw. Eine zentrale Achse des Laserstrahls kann nicht koaxial zu einer zentralen Achse eines oder mehrerer (oder sogar aller) der inneren Kerne und/oder einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse der Ummantelung und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser sein. Eine zentrale Achse des Laserstrahls kann koaxial mit einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse der Ummantelung und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser und/oder einem der inneren Kerne sein.
  • Das Werkstück kann entlang eines Bearbeitungsweges bearbeitet werden, der sich über mindestens einen Teil des Werkstücks erstreckt. Die Bearbeitung des Werkstücks kann die physikalische Veränderung mindestens eines Teils einer Oberfläche des Werkstücks und/oder mindestens eines Teils des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, dass das Werkstück bearbeitet wird. Die Bearbeitung des Werkstücks kann das Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und/oder Hartlöten umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Laserstrahl kann einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der optischen Faser erzeugen, z. B. einen elliptischen oder rechteckigen Fleck. Der Fleck kann eine erste und eine zweite seitliche Abmessung haben, die sich voneinander unterscheiden und senkrecht zueinander stehen. Die erste seitliche Abmessung kann größer sein als die zweite seitliche Abmessung. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung des äußeren Kerns kann größer sein als die erste seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung von einem oder mehreren (oder sogar allen) der inneren Kerne kann größer sein als die zweite seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung von einem oder mehreren (oder sogar allen) der inneren Kerne kann kleiner sein als die erste seitliche Abmessung des Flecks. Ein Durchmesser oder eine seitliche Abmessung von einem oder mehreren (oder sogar allen) der inneren Kerne kann kleiner sein als die zweite seitliche Abmessung des Flecks.
  • Der Laserstrahl kann von einem Strahlemitter emittiert werden. Der Strahlemitter kann eine oder mehrere Strahlenquellen enthalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen, die eine Vielzahl diskreter Strahlen aussenden, eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Laserstrahl durch ihn hindurchleitet und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück auf das dispersive Element reflektiert. Der Laserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, und ihm können ein oder mehrere Prismen zugeordnet sein. Das dispersive Element kann mit mindestens einem Prisma in Kontakt stehen und/oder Strahlen von dem/den Prisma(n) empfangen und/oder an diese weiterleiten. Das Ausgangsende der optischen Faser kann mit einem Laserkopf gekoppelt sein, der ein oder mehrere optische Elemente enthält. Der Strahl kann vor und/oder während der Bearbeitung des Werkstücks mit Hilfe des Laserkopfes gedreht werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung eines primären Laserstrahls und eines sekundären Laserstrahls. Eine Wellenlänge des primären Laserstrahls ist länger als eine Wellenlänge des sekundären Laserstrahls. Eine stufenförmige optische Faser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende wird bereitgestellt. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) einem inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einem den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, und (iii) einem den äußeren Kern umgebenden Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der zweite Brechungsindex. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser hat (a) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf die Ummantelung, (b) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern und (c) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf die Ummantelung. Ein Werkstück ist in der Nähe des Ausgangsendes der optischen Faser angeordnet. Während einer ersten Stufe wird zumindest der sekundäre Laserstrahl in die optische Faser eingekoppelt, um einen ersten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der optischen Faser emittiert und auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird, wobei die Energie des ersten Ausgangsstrahls vom Werkstück absorbiert wird. Während einer zweiten Stufe, nachdem mindestens ein Teil der Oberfläche des Werkstücks auf die Absorption der Energie des ersten Ausgangsstrahls reagiert hat, (i) wird mindestens der primäre Laserstrahl in die optische Faser eingekoppelt, um einen zweiten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der optischen Faser emittiert wird und auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, und (ii) wird eine dauerhafte Relativbewegung zwischen dem zweiten Ausgangsstrahl und dem Werkstück verursacht, wodurch das Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads geschnitten wird, der mindestens teilweise durch die Relativbewegung bestimmt wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der primäre Laserstrahl kann ein Laserstrahl mit variabler Leistung sein, umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der eine Laserstrahl-NA aufweist, die in Abhängigkeit von der Leistung des primären Laserstrahls variiert. Die NA des äußeren Kerns kann größer oder gleich der NA des Laserstrahls des primären Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 % sein. Die zweite innere Kern-NA kann kleiner oder gleich der äußeren Kern-NA sein. Die NA des zweiten inneren Kerns kann größer oder gleich der NA des Laserstrahls des primären Laserstrahls bei einer Leistung von 50% sein. Der sekundäre Laserstrahl kann ein Laserstrahl mit variabler Leistung sein, beinhalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, dessen Laserstrahl-NA in Abhängigkeit von der Leistung des sekundären Laserstrahls variiert. Die NA des zweiten inneren Kerns kann kleiner oder gleich der NA des äußeren Kerns sein. Die zweite innere Kern-NA kann größer oder gleich der Laserstrahl-NA des sekundären Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 % sein.
  • Zumindest in der ersten Phase kann der sekundäre Laserstrahl den inneren Kern überlappen, aber nicht den äußeren Kern überlappen. Zumindest während der zweiten Stufe kann der primäre Laserstrahl den inneren Kern überlappen und den äußeren Kern überlappen. Der primäre Laserstrahl kann am Eingangsende der optischen Faser einen nicht kreisförmigen Fleck erzeugen, z. B. einen elliptischen oder rechteckigen Fleck. Der sekundäre Laserstrahl kann einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der optischen Faser erzeugen, z. B. einen elliptischen oder rechteckigen Fleck. Eine Querschnittsform des inneren Kerns kann nicht kreisförmig sein, z. B. rechteckig, elliptisch, quadratisch, dreieckig, polygonal usw. Eine zentrale Achse des inneren Kerns darf nicht koaxial mit einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse des Mantels und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser sein. Der primäre Laserstrahl darf während der ersten Stufe nicht in die optische Faser eingekoppelt werden. Der sekundäre Laserstrahl darf während der zweiten Stufe nicht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Der primäre Laserstrahl kann während der ersten Stufe in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Die Ausgangsleistung des primären Laserstrahls während der ersten Stufe kann geringer sein als die Ausgangsleistung des primären Laserstrahls während der zweiten Stufe. Der sekundäre Laserstrahl kann während der zweiten Stufe in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Die Ausgangsleistung des sekundären Laserstrahls während der zweiten Stufe kann geringer sein als die Ausgangsleistung des sekundären Laserstrahls während der ersten Stufe.
  • Die Wellenlänge des primären Laserstrahls kann im Bereich von etwa 870 nm bis etwa 11 µm liegen. Die Wellenlänge des primären Laserstrahls kann im Bereich von etwa 870 nm bis etwa 1064 nm liegen. Die Wellenlänge des primären Laserstrahls kann zwischen ca. 870 nm und ca. 1000 nm liegen. Die Wellenlänge des sekundären Laserstrahls kann im Bereich von ca. 300 nm bis ca. 810 nm liegen. Die Wellenlänge des sekundären Laserstrahls kann im Bereich von ca. 400 nm bis ca. 810 nm liegen. Die Wellenlänge des sekundären Laserstrahls kann im Bereich von etwa 530 nm bis etwa 810 nm liegen.
  • Zumindest die Oberfläche des Werkstücks kann ein metallisches Material enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Zumindest die Oberfläche des Werkstücks kann Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl, Gold, Silber und/oder Molybdän enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Vor der Einleitung der zweiten Stufe kann auf der Grundlage des Reflexionsvermögens und/oder der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks festgestellt werden, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Werkstücks geschmolzen ist. Während der zweiten Stufe kann zumindest der sekundäre Laserstrahl in die optische Faser an einem oder mehreren Punkten entlang des Bearbeitungsweges eingekoppelt werden, an denen sich (i) eine Dicke des Werkstücks ändert, (ii) eine Richtung des Bearbeitungsweges ändert und/oder (iii) eine Zusammensetzung des Werkstücks ändert. Während der ersten Stufe und vor der zweiten Stufe kann ein Loch durch mindestens einen Teil der Dicke des Werkstücks gebohrt werden. Ein Loch kann nicht durch eine Dicke des Werkstücks vor Beginn der zweiten Stufe gebildet werden.
  • In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem zur Bearbeitung eines Werkstücks auf. Das Lasersystem umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer optischen Stufenfaser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende, einem primären Laseremitter, der so konfiguriert ist, dass er einen primären Laserstrahl emittiert, einem sekundären Laseremitter, der so konfiguriert ist, dass er einen sekundären Laserstrahl emittiert, einem Kopplungsmechanismus zum Einkoppeln des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls in das Eingangsende der optischen Faser und einer computerbasierten Steuerung. Die Wellenlänge des primären Laserstrahls ist länger als die Wellenlänge des sekundären Laserstrahls. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) einem inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einem den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, und (iii) einem den äußeren Kern umgebenden Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der zweite Brechungsindex ist. Die Stufen-Kern-Lichtleitfaser hat (a) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf die Ummantelung, (b) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern und (c) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf die Ummantelung. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie während einer ersten Stufe mindestens den sekundären Laserstrahl in die optische Faser einkoppelt, um einen ersten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der optischen Faser emittiert wird und auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, wodurch die Energie des ersten Ausgangsstrahls vom Werkstück absorbiert wird. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie während einer zweiten Stufe, nachdem mindestens ein Teil der Oberfläche des Werkstücks auf die Absorption der Energie des ersten Ausgangsstrahls reagiert, (i) mindestens den primären Laserstrahl in die optische Faser einkoppelt, um einen zweiten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der optischen Faser emittiert wird und auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, und (ii) währenddessen eine Relativbewegung zwischen dem zweiten Ausgangsstrahl und dem Werkstück bewirkt, wodurch das Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads geschnitten wird, der zumindest teilweise durch die Relativbewegung bestimmt wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer beliebigen Kombination enthalten. Der Kopplungsmechanismus kann mindestens einen Reflektor (z. B. einen dichroitischen Spiegel) und/oder eine oder mehrere Fokussieroptiken (z. B. eine Fokussierlinse) umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der primäre Laserstrahl kann ein Laserstrahl mit variabler Leistung sein, beinhalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der eine Laserstrahl-NA aufweist, die in Abhängigkeit von der Leistung des primären Laserstrahls variiert. Die NA des äußeren Kerns kann größer oder gleich der NA des Laserstrahls des primären Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 % sein. Die zweite innere Kern-NA kann kleiner oder gleich der äußeren Kern-NA sein. Die NA des zweiten inneren Kerns kann größer oder gleich der NA des Laserstrahls des primären Laserstrahls bei einer Leistung von 50% sein. Der sekundäre Laserstrahl kann ein Laserstrahl mit variabler Leistung sein, beinhalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, dessen Laserstrahl-NA in Abhängigkeit von der Leistung des sekundären Laserstrahls variiert. Die NA des zweiten inneren Kerns kann kleiner oder gleich der NA des äußeren Kerns sein. Die zweite innere Kern-NA kann größer oder gleich der Laserstrahl-NA des sekundären Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 % sein.
  • Zumindest während der ersten Stufe kann das Steuergerät so konfiguriert sein, dass es den sekundären Laserstrahl so in die optische Faser einkoppelt, dass der sekundäre Laserstrahl den inneren Kern überlappt, aber nicht den äußeren Kern überlappt. Zumindest während der zweiten Stufe kann die Steuerung so konfiguriert sein, dass sie den primären Laserstrahl so in den Lichtwellenleiter einkoppelt, dass der primäre Laserstrahl den inneren Kern überlappt und den äußeren Kern überlappt. Der primäre Laserstrahl kann am Eingangsende des Lichtwellenleiters einen nicht kreisförmigen Fleck erzeugen, z. B. einen elliptischen oder rechteckigen Fleck. Der sekundäre Laserstrahl kann einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der optischen Faser erzeugen, z. B. einen elliptischen oder rechteckigen Fleck. Eine Querschnittsform des inneren Kerns kann nicht kreisförmig sein, z. B. rechteckig, elliptisch, quadratisch, dreieckig, polygonal usw. Eine zentrale Achse des inneren Kerns kann nicht koaxial zu einer zentralen Achse des äußeren Kerns und/oder einer zentralen Achse der Ummantelung und/oder einer zentralen Achse der optischen Faser sein.
  • Die Steuerung kann so konfiguriert werden, dass der primäre Laserstrahl während der ersten Stufe nicht in die optische Faser eingekoppelt wird. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass der sekundäre Laserstrahl während der zweiten Stufe nicht in die optische Faser eingekoppelt wird. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie den primären Laserstrahl während der ersten Stufe in den Lichtwellenleiter einkoppelt. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie den primären Laserstrahl (i) während der ersten Stufe mit einer ersten Ausgangsleistung und (ii) während der zweiten Stufe mit einer zweiten Ausgangsleistung, die höher als die erste Ausgangsleistung ist, in den Lichtwellenleiter einkoppelt. Das Steuergerät kann so konfiguriert sein, dass es den sekundären Laserstrahl während der zweiten Stufe in den Lichtwellenleiter einkoppelt. Das Steuergerät kann so konfiguriert sein, dass es den sekundären Laserstrahl (i) während der ersten Stufe mit einer ersten Ausgangsleistung und (ii) während der zweiten Stufe mit einer zweiten Ausgangsleistung, die niedriger als die erste Ausgangsleistung ist, in die optische Faser einkoppelt.
  • Das Lasersystem kann einen oder mehrere Sensoren umfassen. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie zumindest teilweise anhand der von dem einen oder den mehreren Sensoren empfangenen Signale feststellt, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Werkstücks geschmolzen ist. Der eine oder die mehreren Sensoren können einen oder mehrere optische Sensoren und/oder einen oder mehrere Temperatursensoren umfassen, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie während der zweiten Stufe zumindest den sekundären Laserstrahl in die optische Faser an einem oder mehreren Punkten entlang des Bearbeitungsweges einkoppelt, an denen sich (i) eine Dicke des Werkstücks ändert, (ii) eine Richtung des Bearbeitungsweges ändert und/oder (iii) eine Zusammensetzung des Werkstücks ändert. Das Steuergerät kann so konfiguriert sein, dass es die zweite Stufe erst dann einleitet, wenn während der ersten Stufe ein Loch durch mindestens einen Teil der Dicke des Werkstücks gebildet wurde. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie die zweite Stufe einleitet, bevor ein Loch durch eine Dicke des Werkstücks während der ersten Stufe gebildet wird.
  • Diese und andere Ziele sowie Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die hier offenbart werden, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher werden. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren können. Der hier verwendete Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet ±10% und in einigen Ausführungsformen ±5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hier nicht anders definiert. Dennoch können solche anderen Materialien insgesamt oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ werden hier austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Anordnung eines zweiten Elements zu bezeichnen, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element gestoßen ist, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements liegt. Der „optische Abstand“ zwischen zwei Bauteilen ist der Abstand zwischen zwei Bauteilen, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchlaufen wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht zwangsläufig gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Bauteilen sein, z. B. aufgrund von Reflexionen an Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das Licht auf dem Weg von einem der Bauteile zum anderen erfährt. Die hier verwendeten Entfernungen können als „optische Entfernungen“ betrachtet werden, sofern nicht anders angegeben.
  • Figurenliste
  • In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 zeigt das Brechungsindexprofil einer herkömmlichen Stufenindex-Lichtleitfaser;
    • 2 ist ein Brechungsindexprofil einer Stufen-Kern-Lichtleitfaser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 3A ist eine schematische Darstellung eines Eingangsstrahls am Eingang der optischen Faser von 1;
    • 3B ist eine schematische Darstellung des Ausgangsstrahls, der dem Eingangsstrahl von 3A entspricht;
    • 3C ist eine schematische Darstellung eines Eingangsstrahls am Eingang der optischen Faser von 2 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 3D ist eine schematische Darstellung des Ausgangsstrahls, der dem Eingangsstrahl von 3C entspricht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • In 4A sind die Simulationsergebnisse des Ausgangsstrahls BPP als Funktion des inneren Kerndurchmessers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung grafisch dargestellt;
    • In 4B sind die Simulationsergebnisse der Größe des Ausgangsstrahls als Funktion des inneren Kerndurchmessers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung grafisch dargestellt;
    • In den 5A-5C sind Ausgangsstrahlprofile für verschiedene Bedingungen in den Simulationen der 4A und 4B gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung grafisch dargestellt;
    • 6A ist ein Brechungsindexprofil einer dezentrierten Stufen-Kern-Lichtleitfaser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • Die 6B und 6C zeigen ein Bild des Strahls am Faserausgang bzw. ein Querschnittsprofil des Strahls am Ausgang, das einem in die dezentrierte Stufenkernfaser von 6A eingekoppelten Strahl entspricht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 7A ist ein schematischer Querschnitt einer beispielhaften Stufen-Kern-Lichtleitfaser mit mehreren inneren oder mittleren Kernen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 7B ist ein Bild eines Strahls am Ausgang der optischen Faser von 7A gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • Die 7C und 7D zeigen Querschnittsprofile der Strahlintensität entlang der horizontalen Achse (7C) und der vertikalen Achse (7D) von 7B gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 8 ist eine schematische Darstellung eines WBC-Resonators (Wavelength Beam Combining) gemäß den Ausführungsformen der Erfindung;
    • 9A ist eine schematische Ansicht einer ersten Seite eines Laserresonators gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 9B ist eine schematische Ansicht einer zweiten Seite eines Laserresonators gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
    • 10 ist ein schematisches Diagramm eines Lasersystems, das mehrere Laserstrahlen in eine optische Stufenfaser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung einkoppelt; und
    • 11 ist eine schematische Darstellung einer Lasermaschine mit mehreren Laserresonatoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In 1 ist das Brechungsindexprofil einer herkömmlichen Stufenindex-Lichtleitfaser 100 dargestellt, die für die Übertragung von Hochleistungsstrahlen verwendet wird. Wie gezeigt, hat die Stufenindexfaser 100 einen zentralen Kern 110 mit einem höheren Brechungsindex als der des umgebenden Mantels 120. Im Gegensatz dazu zeigt 2 das Brechungsindexprofil einer Step-Core-Lichtleitfaser 200 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, umfasst die Stufen-Kern-Faser 200 einen inneren zentralen Kern 210, einen äußeren Ring oder ringförmigen Kern 220, der den inneren Kern 210 umgibt, und einen Mantel 230, der den ringförmigen Kern 220 umgibt, oder besteht im Wesentlichen aus einem solchen. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung hat der innere Kern 210 einen höheren Brechungsindex als der des äußeren Ringkerns 220, so dass ein Großteil oder sogar im Wesentlichen die gesamte Leistung, die zunächst in den inneren Kern 210 eingekoppelt wird, im inneren Kern 210 eingeschlossen ist. In verschiedenen Ausführungsformen liegt der Durchmesser des inneren zentralen Kerns 210 im Bereich von beispielsweise etwa 10 % bis etwa 90 %, oder etwa 20 % bis etwa 80 %, oder etwa 30 % bis etwa 70 %, oder etwa 40 % bis etwa 60 % des Durchmessers des äußeren Ringkerns 220.
  • Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung umfassen Stufenkernfasern mit mehreren Innenkernen, wobei sich der Außenkern um und zwischen den verschiedenen Innenkernen erstreckt. In solchen Ausführungsformen reicht der Durchmesser jedes inneren Kerns beispielsweise von etwa 10 % bis etwa 90 % des Durchmessers des äußeren Ringkerns, geteilt durch die Anzahl der inneren Kerne, oder etwa 20 % bis etwa 80 % des Durchmessers des äußeren Ringkerns, geteilt durch die Anzahl der inneren Kerne, oder etwa 30 % bis etwa 70 % des Durchmessers des äußeren Ringkerns, geteilt durch die Anzahl der inneren Kerne, oder etwa 40 % bis etwa 60 % des Durchmessers des äußeren Ringkerns, geteilt durch die Anzahl der inneren Kerne. Unabhängig davon, ob die Stufenfaser einen einzelnen oder mehrere innere Kerne aufweist, kann jeder innere Kern in verschiedenen Ausführungsformen mehrere (z. B. mindestens drei, mindestens fünf oder mindestens 10) Moden unterstützen (d. h. er kann „multi-mode“ sein).
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann die numerische Apertur (NA) des inneren Kerns der Stufenkernfaser weniger als 0,14, weniger als 0,12 oder weniger als 0,10 betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die NA des inneren Kerns der Stufenkernfaser größer als oder gleich 0,07 sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die NA des äußeren Kerns der Stufenkernfaser größer sein als die NA des inneren Kerns. Zum Beispiel kann die NA des äußeren Kerns größer als 0,15 oder größer als 0,18 oder größer als 0,20 sein. Wenn in beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung die Gesamt-NA der Faser (d. h. des inneren Kerns relativ zum Mantel) als NA0 und die NA des inneren Kerns (relativ zum äußeren Ringkern) als NA1 bezeichnet wird, dann wird die NA des äußeren Ringkerns (NA2) berechnet als NA2 =sqrt(NA0 2 -NA1 2 ). Eine typische leistungsführende Faser aus Quarzglas hat einen NA0 =0,22. Wenn NA1 =0,12, dann ist NA2 =0,18. In verschiedenen Ausführungsformen ist die NA des äußeren Kerns kleiner oder gleich ungefähr 0,21 (z. B. wenn NA1 0,07 ist). In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist die NA des äußeren Kerns (NA2) größer oder gleich der NA des inneren Kerns relativ zum äußeren Kern (NA1).
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der Durchmesser des äußeren Kerns beispielsweise zwischen etwa 30 µm und etwa 200 µm, zwischen etwa 50 µm und etwa 150 µm oder zwischen etwa 60 µm und etwa 120 µm liegen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Durchmesser des inneren Kerns zwischen ca. 30 % und ca. 95 % oder zwischen ca. 50 % und ca. 90 % des Durchmessers des äußeren Ringkerns liegen (z. B. bei Fasern mit einem einzigen inneren Kern). Geht man beispielsweise von einem Außenkerndurchmesser von 100 µm aus, so können Ausführungsformen der Erfindung (1) eine kleinere effektive Spotgröße durch Auswahl eines relativ größeren Innenkerns (z. B. eines Innenkerndurchmessers im Bereich von etwa 80 µm bis 90 µm) ermöglichen, so dass der größte Teil der Leistung in den Innenkern eingekoppelt und in diesem eingeschlossen wird, oder (2) eine höhere Spitzenintensität durch Auswahl eines relativ kleineren Innenkerns (z. B. eines Innenkerndurchmessers im Bereich von etwa 30 µm bis 70 µm).
  • In den 3A-3D werden die resultierenden Strahlenausgänge bei gleicher Größe und Form des Eingangsstrahlflecks verglichen und gegenübergestellt, wenn die herkömmliche Stufenindexfaser 100 aus 1 und die Stufenkernfaser 200 aus 2 gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Wie gezeigt, ist gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung der Eingangsstrahlfleck 300 nicht kreisförmig. Vielmehr kann der Eingangsstrahlfleck länglich, elliptisch oder sogar rechteckig sein. Solche nicht kreisförmigen Strahlen werden häufig von Hochleistungs-Diodenlasern erzeugt, da die physikalische Form solcher Emitter gegeben ist. Wie in den 3A und 3B dargestellt, muss der nicht kreisförmige Eingangsstrahl 300 in einen Kernbereich 110 der herkömmlichen Faser 100 eingekoppelt werden, der größer ist als die größte Abmessung des Strahls 300, so dass ein großer Teil der Fläche am Fasereingang nicht mit Laserleistung gefüllt wird. Wie in 3B gezeigt, dehnt sich der Strahl am Ausgang aus, um den größeren kreisförmigen inneren Kern 110 auszufüllen, was zu einer erheblichen BPP-Verschlechterung des Strahls führt, wenn der Ausgangsstrahl 310 gebildet wird.
  • Im Gegensatz dazu überlappt gemäß den 3C und 3D bei Ausführungsformen der Erfindung der nicht kreisförmige Strahl 300 sowohl den mittleren Kern 210 als auch den äußeren Kern 220 der Stufenkernfaser 200. Das heißt, gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist der Durchmesser des mittleren Kerns 210 kleiner als die größte Abmessung des Eingangsstrahls 300 (oder sogar kleiner als die kleinste Abmessung des Eingangsstrahls 300), während der Außendurchmesser des ringförmigen Kerns 220 größer als oder ungefähr gleich dieser größten Abmessung des Eingangsstrahls 300 ist. Wie gezeigt, ist der Anteil der Fläche ohne Eingangsleistung innerhalb des inneren Kerns 210 viel geringer als bei der herkömmlichen Faser 100, und der Großteil der Leistung ist auf den inneren Kern 210 beschränkt. Dies führt zu einem Ausgangsstrahl 320 mit einer kleineren effektiven Spotgröße, einer höheren Spitzenintensität und einer geringeren Beeinträchtigung des BPP ohne Einbußen bei der Kopplungseffizienz und Stabilität.
  • Darüber hinaus ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung die Erzeugung von Ausgangsstrahlen mit geringerer BPP-Verschlechterung selbst bei Verwendung kreisförmiger innerer und äußerer Kerne und erfordern nicht die Herstellung von Lichtleitfasern mit inneren Kern- oder Mantelbereichen, die selbst nicht kreisförmig sind (z. B. elliptisch, rechteckig usw.), um einen nicht kreisförmigen Eingangsstrahl effizient einzuschließen. Daher können Fasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung einfacher und kostengünstiger hergestellt werden als exotischere Fasern mit Bereichen, die so geformt sind, dass sie nicht kreisförmige Strahlen aufnehmen können.
  • Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung koppeln mehrere Strahlen, die jeweils eine andere Wellenlänge haben, in die Stufenkernfaser ein und minimieren oder reduzieren dabei die Gesamt-BPP-Verschlechterung des/der resultierenden Ausgangsstrahls/- en. Die Strahlen können gleichzeitig oder einzeln (z. B. nacheinander) in die Stufenkernfaser eingekoppelt werden. Solche Ausführungsformen, wie sie weiter unten im Detail beschrieben werden, können verwendet werden, um die Verarbeitung verschiedener Materialien mit wellenlängenabhängigen Eigenschaften wie Absorption oder Reflexion zu erleichtern. Jeder der verschiedenen Eingangsstrahlen kann kreisförmig oder nicht kreisförmig sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein primärer Eingangsstrahl mit einer längeren Wellenlänge in die Stufenkernfaser eingekoppelt werden, wie in 3C gezeigt, d. h. der Spot (der kreisförmig oder nicht kreisförmig sein kann) kann nicht nur den inneren Kern, sondern auch den äußeren Kern überlappen, was eine geringere BPP-Verschlechterung im resultierenden Ausgangsstrahl ermöglicht. Außerdem kann ein sekundärer Eingangsstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge in die Stufenfaser eingekoppelt werden, so dass der Fleck (der wiederum kreisförmig oder nicht kreisförmig sein kann) nur den inneren Kern überlappt. Der primäre und der sekundäre Strahl können mit der gleichen Fokussieroptik in die Step-Core-Faser eingekoppelt werden, wodurch der sekundäre Strahl auf eine kleinere Eingangsfleckgröße als der primäre Strahl fokussiert werden kann. In solchen Fällen wird die BPP-Verschlechterung insgesamt reduziert oder minimiert, ohne dass exotischere oder kompliziertere Einkopplungstechniken oder -vorrichtungen erforderlich sind.
  • Um das allgemeine Prinzip der Verwendung von Stufenkernfasern und die sich daraus ergebenden Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung zu veranschaulichen, wurden numerische Simulationen durchgeführt, um den BPP und die Größe des Ausgangsstrahls zu untersuchen. In den Simulationen wurde der äußere Kerndurchmesser der Stufenkernfaser auf 100 µm festgelegt, während der Durchmesser des inneren Kerns zwischen 40 µm und 100 µm variiert wurde. (Bei einem inneren Kerndurchmesser von 100 µm entspricht die modellierte Faser einer herkömmlichen Stufenindexfaser mit einem einzigen Kern, da der innere und der äußere Kerndurchmesser gleich sind). Die numerische Apertur (NA) des inneren Kerns im Verhältnis zum äußeren Kern betrug 0,1 und die NA des inneren Kerns im Verhältnis zum Mantel 0,22. Die NA des äußeren Kerns in Bezug auf die Ummantelung betrug 0,196. Der Eingangsstrahl hatte eine Wellenlänge von 975 nm, und die Brechungsindizes des inneren Kerns, des äußeren Kerns und der Ummantelung betrugen 1,45076, 1,44731 bzw. 1,434.
  • Der simulierte Eingangsstrahl erzeugte einen rechteckigen Fleck auf dem Fasereingang mit einer Fleckgröße in zwei vertikalen (und senkrechten) Dimensionen von etwa 61 µm bzw. 83 µm und mit einer entsprechenden Eingangs-NA von etwa 0,075 und 0,095. Da der Eingangsstrahl asymmetrisch ist, werden die Größe des Eingangsflecks und die NA als eindimensionale Zwei-Sigma-Werte gemessen, was einem eindimensionalen Leistungsanteil von 95 % entspricht. Die Eingangs-BPP-Werte bei Zwei-Sigma in den beiden Richtungen können als 2,3 mm.mrad (=61/2×0,075) und 3,94 mm.mrad (=83/2×0,095) berechnet werden, was einem kombinierten BPP von etwa 3,0 mm.mrad (=sqrt(2,3×3,94)) entspricht.
  • In den 4A und 4B sind die Ergebnisse der Simulationen dargestellt. Sie zeigen BPP und Spotgröße am Strahlaustritt aus der Faser, gemessen als zweidimensionale Zwei-Sigma-Werte, die einem zweidimensionalen Leistungsgehalt von 87 % entsprechen. (BPP bei 87 % Leistungsanteil wird typischerweise für Hochleistungslaser als Indikator für die Strahlqualität verwendet, wie dem Fachmann bekannt ist). Wie bereits erwähnt, hat die simulierte Beispiel-Stufenkernfaser einen äußeren Kerndurchmesser von 100 µm und entspricht daher einer konventionellen 100-µm-Kern-Stufenindexfaser, wenn der innere Kerndurchmesser auf 100 µm vergrößert wird; die entsprechenden Datenpunkte ganz rechts, wie durch die Pfeile in den Diagrammen angezeigt, sind die Basispunkte für den Vergleich. Wie gezeigt, sind diese vergleichenden konventionellen Datenpunkte für die Step-Index-Faser ein BPP von 3,9 mm.mrad (Pfeil in 4A) und eine Spotgröße von 90 µm (Pfeil in 4B). Vergleicht man diesen BPP mit dem oben berechneten Eingangs-BPP, so beträgt die BPP-Verschlechterung mit der herkömmlichen Stufenindexfaser etwa 30 %, d. h. der BPP wird um etwa 30 % erhöht.
  • Im Gegensatz dazu zeigt 4A, dass eine signifikante BPP-Reduktion erreicht wird, wenn eine Step-Core-Faser gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und dass diese Reduktion mit einem inneren Kerndurchmesser von etwa 70 µm maximiert wird, wobei der BPP etwa 3,13 mm.mrad oder etwa 25 % kleiner als der BPP für die herkömmliche Step-Index-Faser ist. Im Vergleich zum Eingangs-BPP von etwa 3,0 beträgt die BPP-Verschlechterung nur etwa 4 %. Wie in 4B dargestellt, ist die BPP-Verringerung oder -Verbesserung hauptsächlich auf die Verringerung der effektiven Spotgröße am Ausgang zurückzuführen. Darüber hinaus (aber nicht im Diagramm dargestellt) erhöht sich die Ausgangs-NA geringfügig um bis zu ein paar Prozent, wenn der innere Kerndurchmesser auf 40 µm verringert wird, da einige Strahlen, die ursprünglich in den äußeren Ringkern eingekoppelt wurden, aus dem inneren Kern austreten.
  • In den 5A-5C sind die Austrittsstrahlprofile für verschiedene Bedingungen in den Simulationen der 4A und 4B grafisch dargestellt. Die Parameter, die jedem der dargestellten Profile entsprechen, sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. 5A entspricht der oben zusammengefassten konventionellen Stufenindexfaser, die durch die ganz rechten Datenpunkte in den 4A und 4B dargestellt ist, während die 5B und 5C Stufenkernfasern gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit unterschiedlichen inneren Kerndurchmessern darstellen.
    Profile Figure 5A Figure 5B Figure 5C
    Innerer Kerndurchmesser 100 70 50
    BPP bei 87% pc (mm.mrad) 3.9 3.13 4.0
    BPP Verringerung im Vergleich zum Eingang 30% 4% 33%
    Relative Spitzenintensität 1 1.45 1.9
    Strahldurchmesser bei 87% pc (µm) 90 70 85
    Volle Leistung Strahldurchmesser (µm) 100 100 100
  • Wie aus der obigen Tabelle und den 5A-5C hervorgeht, weisen die Stufenkernfasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung deutlich höhere Spitzenstrahlintensitäten und kleinere Strahldurchmesser (bei 87 % Leistungsanteil) am Ausgang auf. Diese Vorteile können für einige Anwendungen, wie z. B. das Schneiden und Bohren von dünnerem Metall, von großer Bedeutung sein. Darüber hinaus zeigen die 5B und 5C, wie BPP und Spitzenstrahlintensität in Stufenkernfasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung gegeneinander abgewogen werden können. Wie in 5C und den zugehörigen Parametern in der Tabelle gezeigt, wird in diesem Beispielsfall zwar der BPP im Vergleich zur Verwendung der herkömmlichen Stufenindexfaser (5A) nicht verbessert, aber die Spitzenintensität wird im Vergleich zu diesem Fall fast verdoppelt, was für einige Anwendungen (z. B. dünneres Metallschneiden und Bohren) von Bedeutung sein kann.
  • Bei herkömmlichen Lasersystemen kann eine höhere Intensität bei einer bestimmten Laserleistung durch die Verwendung einer kleineren Faser oder eines Laserkopfes mit Entgrößerungsoptik (optics of de-magnification) erreicht werden. Ersteres kann zu einer weniger effizienten Faserkopplung und einer viel größeren NA führen, was für Standard-Laserköpfe und -systeme möglicherweise nicht akzeptabel ist. Letzteres kann eine teurere Optik für den Laserkopf erfordern und führt auch zu einem wesentlich geringeren Arbeitsabstand. Somit bietet keine dieser konventionellen Techniken BPP-Verbesserungen, die durch die Verwendung von Stufenkernfasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ermöglicht werden. Die Vorteile der Verwendung von Stufenkernfasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung als Leistungsabgabefaser liegen auf der Hand, insbesondere für Hochleistungslaser. (In verschiedenen Ausführungsformen ist ein „Hochleistungslaser“ ein Laser, der eine Strahlleistung von mindestens 1 kW erzeugen kann.) Noch wichtiger ist, dass diese Vorteile (z. B. verbesserte BPP, verringerte Spotgröße und erhöhte Spitzenintensität) ohne Verringerung der Faserkopplungseffizienz und ohne Erhöhung der Strahlgröße bei voller Leistung erreicht werden. Ein kleiner Nachteil verschiedener Ausführungsformen ist eine Erhöhung der Ausgangs-NA um einige Prozent, was in der Regel akzeptabel ist und manchmal sogar von Vorteil sein kann.
  • Stufenkern-Lichtleitfasern und Lasersysteme gemäß den Ausführungsformen der Erfindung haben auch besondere Beziehungen für eine effiziente Kopplung und Leistungsabgabe. Zum Beispiel kann NA1 verwendet werden, um den inneren Kern NA relativ zum äußeren Ringkern darzustellen, NA0 kann verwendet werden, um den inneren Kern NA relativ zum Mantel darzustellen, und NA2 kann verwendet werden, um den äußeren Ringkern NA relativ zum Mantel darzustellen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann NA1 bei einem Leistungsanteil von über 50 % größer oder annähernd gleich der NA der Lasereingangskopplung sein, so dass der größte Teil der ursprünglich in den inneren Kern eingekoppelten Leistung auf den inneren Kern beschränkt wird. (In verschiedenen Ausführungsformen kann NA1 jedoch kleiner sein als die Lasereingangskopplung NA bei voller Leistung, so dass zumindest ein Teil des Lichts mit voller Leistung in den äußeren Kern eingekoppelt wird. In solchen Ausführungsformen kann der Anteil der Laserleistung, der außerhalb des inneren Kerns eingekoppelt wird, davon abhängen, wie viel größer die Lasereingangskopplung NA im Vergleich zu NA1 ist und wie viel größer der fokussierte Laserspot im Vergleich zum inneren Kerndurchmesser ist). Darüber hinaus ist in verschiedenen Ausführungsformen NA2 größer als die NA des Lasereingangs bei voller Leistung (d. h. die NA des Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 %), so dass keine nennenswerte Leistung aufgrund von NA-Akzeptanzproblemen an die Ummantelung verloren geht. Da Laserleistungen von 100 % praktisch nicht möglich oder ratsam sind, beziehen sich Laserleistungen von „ungefähr 100 %“ oder von „voller Leistung“ oder von „ungefähr voller Leistung“ in verschiedenen Ausführungsformen auf Laserleistungen von mindestens 98 % (z. B. 98 % - 100 %), mindestens 99 % (z. B. 99 % - 100 %) oder mindestens 99,5 % (z. B. 99,5 % - 100 %).
  • Darüber hinaus ist in verschiedenen Ausführungsformen NA1 nicht größer als NA2. Da NA1 2 + NA2 2 = NA0 2, ist NA1 ≤ NA0 /sqrt(2). Wenn zum Beispiel NA0 =0,22 ist, dann ist NA1 ≤ 0,155. Zur Veranschaulichung: Die in den Simulationen der 4A und 4B verwendete Stufenkernfaser hat eine NA0 von 0,22 und eine NA1 von 0,1, während der Laser eine effektive Eingangs-NA von etwa 0,06 und 0,09 bei 50 % bzw. 87 % Leistungsanteil hat. In verschiedenen Ausführungsformen weist die Stufenkernfaser mehrere Innenkerne auf, und die oben beschriebenen NA-Beziehungen gelten für jeden der Innenkerne.
  • In Ausführungsformen, in denen mehrere Eingangsstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden, können die oben beschriebenen NA-Beziehungen für einen oder mehrere der Strahlen, aber nicht für alle Strahlen gelten. Beispielsweise kann für einen Primärstrahl mit einer längeren Wellenlänge NA1 bei einem Leistungsanteil von mehr als 50 % größer oder annähernd gleich der NA des Lasereingangs sein, NA1 kann bei voller Leistung kleiner als die NA des Lasereingangs sein, und NA2 kann größer als die NA des Lasereingangs bei voller Leistung sein. Darüber hinaus kann bei einem Sekundärstrahl mit kürzerer Wellenlänge, der in dieselbe Stufenkernfaser eingekoppelt wird, NA1 (und damit auch NA2) größer oder annähernd gleich der NA des Lasereingangs bei voller Leistung sein. Darüber hinaus kann in verschiedenen Ausführungsformen NA1 ungefähr gleich oder größer als die Lasereingangs-NA (z. B. bei voller Leistung) sowohl des Primärstrahls als auch des Sekundärstrahls sein. In solchen Ausführungsformen kann die Leistung jedes Lasers, der außerhalb des inneren Kerns (z. B. in den äußeren Kern) eingekoppelt wird, in erster Linie davon abhängen, inwieweit der fokussierte Strahlfleck jedes Lasers größer ist als der innere Kerndurchmesser (z. B. der Anteil des Strahlflecks, der Teile der Faser außerhalb des inneren Kerns überlappt).
  • Während die oben beschriebenen beispielhaften Step-Core-Lichtleitfasern im Allgemeinen innere und äußere Kerne haben, die koaxial sind, d.h. innere Kerne mit zentralen Achsen, die mit den zentralen Achsen der Lichtleitfaser und des äußeren Kerns zusammenfallen, umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Step-Core-Fasern mit exzentrischen oder dezentrierten, inneren Kernen. In verschiedenen Ausführungsformen schneidet der Außendurchmesser des Innenkerns den Durchmesser des Außenkerns an einem oder mehreren Punkten (d. h. er fällt mit ihm zusammen). In anderen Ausführungsformen ist der innere Kern vollständig von dem äußeren Kern umgeben. In solchen Ausführungsformen kann die Dicke des äußeren Kerns, der zwischen dem inneren Kern und der Umhüllung angeordnet ist, mindestens etwa 1 µm, mindestens etwa 2 µm, mindestens etwa 3 µm oder mindestens etwa 5 µm betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke des äußeren Kerns, der zwischen dem inneren Kern und der Ummantelung angeordnet ist, höchstens etwa 15 µm, höchstens etwa 12 µm, höchstens etwa 10 µm oder höchstens etwa 8 µm betragen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Durchmesser des inneren Kerns beispielsweise zwischen etwa 20 % und etwa 80 % des äußeren Kerndurchmessers, zwischen etwa 30 % und etwa 70 % des äußeren Kerndurchmessers oder zwischen etwa 40 % und etwa 60 % des äußeren Kerndurchmessers liegen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verschiebung der Mittelachse des inneren Kerns gegenüber der Mittelachse des äußeren Kerns mindestens 10 %, mindestens 20 %, mindestens 30 %, mindestens 40 %, mindestens 50 %, mindestens 60 %, mindestens 70 %, mindestens 80 %, mindestens 90 % oder mindestens 100 % des Durchmessers des inneren Kerns betragen.
  • 6A zeigt ein beispielhaftes Brechungsindexprofil über den Durchmesser einer dezentrierten Stufen-Kern-Lichtleitfaser 600 gemäß den Ausführungsformen der Erfindung. Wie gezeigt, ist die zentrale Achse des inneren Kerns 610 nicht mit den zentralen Achsen des äußeren Kerns 620 (der selbst von einem Mantel 630 umgeben ist) oder der gesamten Faser 600 zusammen. In verschiedenen Ausführungsformen schneidet oder überschneidet sich kein Teil des inneren Kerns 610 mit den Mittelachsen des äußeren Kerns 620 oder der gesamten optischen Faser 600. Die 6B und 6C zeigen ein Bild des Strahls am Faserausgang bzw. ein Querschnittsbild des Strahls am Ausgang, das einem in die dezentrierte Stufenkernfaser der 6A eingekoppelten Strahl entspricht. Wie gezeigt, können solche Fasern vorteilhaft zu maßgeschneiderten Strahlen mit „scharfen“ Fronten mit deutlich höherer Intensität und „Schwänzen“ mit geringerer Intensität führen. Die Bilder in den 6B und 6C sind die Ergebnisse derselben Simulationen, die für die 4A und 4B verwendet wurden, wobei jedoch der innere Kern um 20 µm dezentriert und sein Durchmesser auf 40 µm festgelegt wurde. Die resultierenden Strahlen, wie in den 6B und 6C dargestellt, können für einige Anwendungen von Vorteil sein und die Leistung des Laserprozesses verbessern. Beispielsweise kann die scharfe Vorderseite mit hoher Spitzenintensität dazu beitragen, die Schnittfugenbreite des Lasers zu verringern, und das untere Ende kann dazu beitragen, die beim Schneiden anfallenden Ablagerungen auszustoßen. So kann in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ein Werkstück entlang eines Bearbeitungsweges mit einem Strahl aus einer dezentrierten Stufenkernfaser, wie sie in 6C gezeigt ist, bearbeitet (z. B. geschnitten) werden, wobei die hochintensive „vordere“ Spitze des Strahls parallel zum Bearbeitungsweg gehalten wird (auch während z. B. Richtungsänderungen) und den „Schwanz“ des Strahls mit geringerer Intensität während der Bearbeitung führt. Beispielsweise kann der Laserkopf (aus dem der Ausgangsstrahl austritt) oder das Werkstück während des Schneidens so gedreht werden, dass die vordere Kante des Schnitts von der Spitze des Strahls ausgeführt wird, während das Ende des Strahls hinterherläuft.
  • Während die oben beschriebenen beispielhaften Stufen-Kern-Lichtleitfasern im Allgemeinen einzelne innere Kerne haben, umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Stufen-Kern-Lichtleitfasern mit mehreren inneren Kernen, die in den äußeren Kernbereich eingebettet sind. In solchen Ausführungsformen umgibt der äußere Kern im Allgemeinen die verschiedenen inneren Kerne und erstreckt sich zwischen ihnen. 7A zeigt eine beispielhafte optische Stufenfaser 700 mit mehreren inneren oder mittleren Kernen 710 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die von einem äußeren Kern 720 und einer Ummantelung 730 umgeben sind. 7B ist ein Bild des resultierenden Strahls am Faserausgang, und die 7C und 7D sind Querschnittsprofile der Strahlintensität entlang der horizontalen Achse (7C) und der vertikalen Achse (7D) von 7B. Das Bild in 7B ist ein Simulationsergebnis auf der Grundlage desselben numerischen Beispiels wie in den 4A und 4B, jedoch mit drei 20-µm-Innenkernen 710, die gleichmäßig entlang der zentralen horizontalen Achse der Faser angeordnet sind, was zu einer Reihe von scharfen, intensiven Laserspitzen im Strahlenausgang führt. Im Vergleich zur konventionellen 100-µm-Stufenindexfaser ist die Spitzenintensität des von der Faser 700 in 7A emittierten Strahls um den Faktor 2,4 erhöht.
  • Wie bereits erwähnt, haben die inneren Kerne von Stufenkernfasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Allgemeinen einen höheren Brechungsindex als der des äußeren Kerns, aber die mehreren inneren Kerne müssen nicht denselben Brechungsindex haben (obwohl sie dies gemäß verschiedenen Ausführungsformen können). Darüber hinaus müssen die mittleren Kerne, selbst in Ausführungsformen, in denen nur ein einziger mittlerer Kern vorhanden ist, im Querschnitt nicht kreisförmig sein. Vielmehr können die Mittelkerne auch andere Formen haben, die sich voneinander unterscheiden, z. B. rechteckig, oval, dreieckig usw. In verschiedenen Ausführungsformen, in denen die Stufenkernfaser mehrere Innenkerne aufweist, ist die Größe des Eingangsstrahls (oder seine kleineren und/oder größeren Abmessungen) im Allgemeinen größer als der Durchmesser oder die kleinere oder größere seitliche Abmessung jedes der Innenkerne. Das heißt, in Ausführungsformen der Erfindung überlappt der Eingangsstrahl im Allgemeinen mehr als einen oder sogar alle inneren Kerne und hat keine ausreichend kleine Strahlgröße, so dass er von einem inneren Kern zum anderen übertragen werden kann, ohne beide inneren Kerne zu überlappen. Darüber hinaus werden in verschiedenen Ausführungsformen die Leistung des Eingangsstrahls und/oder seine Position auf der Eingangsfläche typischerweise nicht moduliert oder verändert, wenn der Strahl in die Stufen-Kern-Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Auf diese Weise können alle inneren Kerne sowie der äußere Kern (zumindest ein Teil davon) gleichzeitig mit dem gleichen Eingangsstrahl und/oder sogar mit im Wesentlichen der gleichen Eingangsstrahlintensität beleuchtet werden.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die BPP-Verbesserung (bzw. die Verringerung der BPP-Verschlechterung) ohne Einbußen bei der Faserkopplungseffizienz und -stabilität erreicht, zumindest weil davon ausgegangen wird, dass der äußere Kerndurchmesser der Step-Core-Faser gleich dem Kerndurchmesser einer herkömmlichen Step-Index-Faser ist, die ansonsten verwendet würde. Mit anderen Worten, die Kopplungseffizienz und -stabilität kann durch die Verwendung von Step-Core-Fasern mit einem größeren äußeren Kerndurchmesser verbessert werden, ohne dass es im Vergleich zu einer herkömmlichen Step-Index-Faser zu einer stärkeren BPP-Verschlechterung kommt. Darüber hinaus kann in verschiedenen Ausführungsformen die zentrale Achse des Eingangslaserspots auf die zentrale Achse des äußeren Kerns ausgerichtet werden, um die Kopplungseffizienz des Strahls zu maximieren. Bei Ausführungsformen mit dezentrierten und/oder mehreren inneren Kernen kann die zentrale Achse des Eingangslaserspots auf die zentrale Achse des inneren Kerns oder eines der inneren Kerne ausgerichtet werden, um die resultierende Ausgangsintensität, die von diesem inneren Kern ausgeht, weiter zu erhöhen. In verschiedenen Ausführungsformen überlappt der Eingangslaserspot die äußere Hüllschicht nicht, so dass beim Einkoppeln des Eingangsstrahls im Wesentlichen keine Leistung an die Hülle verloren geht.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das Ausgangsende der optischen Stufenfaser (d. h. das Ende der Faser, das dem Eingangsende, das den Strahl empfängt, gegenüberliegt) mit einem Laserkopf verbunden sein, um den Ausgangsstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu richten. Der Laserkopf kann ein oder mehrere optische Elemente zur Fokussierung und/oder Kollimierung des Ausgangsstrahls und/oder zur Steuerung der Polarisation und/oder der Trajektorie des Strahls enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Beispielsweise können Laserköpfe gemäß den Ausführungsformen der Erfindung einen oder mehrere Kollimatoren (d. h. Kollimationslinsen) und/oder Fokussieroptiken (z. B. eine oder mehrere Fokussierlinsen) enthalten. Ein Laserkopf muss keinen Kollimator enthalten, wenn der in den Laserkopf eintretende Strahl bzw. die eintretenden Strahlen bereits kollimiert sind. Laserköpfe gemäß verschiedenen Ausführungsformen können auch ein oder mehrere Schutzfenster, einen Mechanismus zur Fokuseinstellung (manuell oder automatisch, z. B. einen oder mehrere Drehregler und/oder Schalter und/oder Auswahlknöpfe) umfassen. Laserköpfe können auch ein oder mehrere Überwachungssysteme enthalten, z. B. für Laserleistung, Temperatur und/oder Reflexionsvermögen des Zielmaterials, Plasmaspektrum usw. Ein Laserkopf kann auch optische Elemente zur Strahlformung und/oder zur Einstellung der Strahlqualität (z. B. variabler BPP) sowie Steuersysteme für die Polarisation des Strahls und/oder die Flugbahn des Fokussierpunkts umfassen.
  • Der Laserkopf kann so positioniert werden, dass der Ausgangsstrahl auf ein Werkstück und/oder auf eine Plattform oder ein positionierbares Portal, auf dem das Werkstück angeordnet werden kann, gerichtet wird. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Laserkopf ein oder mehrere optische Elemente zum Drehen des Ausgangsstrahls. Solche Ausführungsformen können besonders nützlich sein, wenn der Ausgangsstrahl nicht rotationssymmetrisch ist, wie z. B. in 6C und den 7C und 7D gezeigt. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können Laserköpfe umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie asymmetrische und/oder drehbare Ausgangsstrahlen liefern, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 17/123,305 beschrieben, die am 16. Dezember 2020 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Auf diese Weise können Ausgangsstrahlen, die nicht rotationssymmetrisch sind, nach Wunsch entlang von Bearbeitungspfaden mit Richtungsänderungen ausgerichtet und gedreht werden, wie ebenfalls oben beschrieben.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann eine computergestützte Steuerung Prozesse initiieren und kontrollieren, die mit dem Ausgangsstrahl (und/oder dem Laserkopf) durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Steuerung sogar die Bewegung der Faser und/oder des Laserkopfes relativ zum Werkstück über die Steuerung von z. B. einem oder mehreren Aktuatoren steuern. Die Steuerung kann auch ein herkömmliches Positionierungssystem bedienen, das so konfiguriert ist, dass es eine relative Bewegung zwischen dem Ausgangslaserstrahl und dem zu bearbeitenden Werkstück bewirkt. Bei dem Positionierungssystem kann es sich beispielsweise um ein steuerbares optisches, mechanisches oder optomechanisches System handeln, mit dem der Strahl durch einen Bearbeitungspfad entlang eines zwei- oder dreidimensionalen Werkstücks gelenkt wird. Während der Bearbeitung kann die Steuerung das Positioniersystem und das Lasersystem so steuern, dass der Laserstrahl eine Bearbeitungsbahn entlang des Werkstücks durchläuft. Der Bearbeitungsweg kann von einem Benutzer vorgegeben und in einem integrierten oder entfernten Speicher abgelegt werden, in dem auch Parameter für die Art der Bearbeitung (Schneiden, Schweißen usw.) und die Strahlparameter (z. B. Strahlform, Intensität und/oder BPP) gespeichert werden können, die für die Durchführung dieser Bearbeitung erforderlich oder gewünscht sind. In diesem Zusammenhang kann eine lokale oder entfernte Datenbank eine Bibliothek von Materialien und Dicken enthalten, die das System verarbeiten wird. Die gespeicherten Werte können Strahleigenschaften enthalten, die für verschiedene Bearbeitungen des Materials (z. B. Einstechen, Schneiden usw.), die Art der Bearbeitung und/oder die Geometrie des Bearbeitungspfads geeignet sind. In Ausführungsformen mit mehreren Eingangsstrahlen kann das Steuergerät außerdem den relativen Leistungspegel jedes Strahls, den Betrieb der Strahlen (z. B. nacheinander und/oder gleichzeitig) usw. steuern, und eine solche Steuerung kann auf einer oder mehreren Eigenschaften des Werkstücks, erfassten Parametern oder Rückmeldungen vom Werkstück und/oder gespeicherten Werten beruhen, die sich auf verschiedene Prozesse und/oder die Geometrie des Bearbeitungspfads beziehen.
  • Wie im Bereich des Plottens und Scannens allgemein bekannt, kann die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Ausgangsstrahl (und/oder dem Laserkopf) und dem Werkstück durch optische Ablenkung des Strahls mit Hilfe eines beweglichen Spiegels, durch physische Bewegung des Lasers mit Hilfe eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder durch eine mechanische Anordnung zur Bewegung des Werkstücks anstelle des Strahls (oder zusätzlich zu diesem) erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung eine Rückmeldung über die Position und/oder die Bearbeitungseffizienz des Strahls relativ zum Werkstück von einer Rückmeldeeinheit erhalten, die mit geeigneten Überwachungssensoren verbunden ist.
  • Ausführungsformen der Erfindung können es einem Benutzer ermöglichen, ein Werkstück entlang eines gewünschten Bearbeitungsweges zu bearbeiten (z. B. zu schneiden, zu bohren oder zu schweißen), wobei die Eigenschaften des Ausgangsstrahls (z. B. Strahlform, BPP oder beides), die Leistung des Ausgangsstrahls und/oder die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit auf der Grundlage von Faktoren wie der Zusammensetzung des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks, der Geometrie des Bearbeitungsweges usw. ausgewählt werden. Beispielsweise kann ein Benutzer den gewünschten Bearbeitungsweg und/oder die Art (und/oder andere Eigenschaften wie die Dicke) des Werkstücks mit Hilfe eines geeigneten Eingabegeräts oder durch Dateiübertragung in das System eingeben oder vorprogrammieren. Danach kann das Steuergerät die optimalen Bearbeitungsgeschwindigkeiten oder Ausgangsstrahlleistungen in Abhängigkeit von der Position entlang des Bearbeitungspfads bestimmen. Im Betrieb kann die Steuerung das Lasersystem und die Positionierung des Werkstücks so steuern, dass das Werkstück entlang der vorprogrammierten Bahn bearbeitet wird, wobei die richtigen Eigenschaften des Ausgangsstrahls für Prozesse wie Schneiden oder Schweißen verwendet werden. Wenn sich die Zusammensetzung und/oder die Dicke des zu bearbeitenden Materials ändert, können Ort und Art der Änderung programmiert werden, und die Steuerung kann die Eigenschaften des Laserstrahls und/oder die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkstück und Strahl entsprechend anpassen.
  • Darüber hinaus kann das Lasersystem ein oder mehrere Systeme zur Erfassung der Dicke des Werkstücks und/oder der Höhe der darauf befindlichen Merkmale umfassen. Beispielsweise kann das Lasersystem Systeme (oder Komponenten davon) zur interferometrischen Tiefenmessung des Werkstücks enthalten, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/676,070 , eingereicht am 1. April 2015, beschrieben, deren gesamte Offenlegung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Solche Tiefen- oder Dickeninformationen können von der Steuerung verwendet werden, um die Eigenschaften des Ausgangsstrahls und/oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu steuern, um die Bearbeitung des Werkstücks zu optimieren, z. B. in Übereinstimmung mit Datensätzen in der Datenbank, die der Art des zu bearbeitenden Materials entsprechen.
  • Der Controller kann entweder als Software, Hardware oder eine Kombination davon bereitgestellt werden. Das System kann beispielsweise auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Serverklasse implementiert werden, wie z. B. einem PC mit einer CPU-Platine, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie z. B. die Pentium- oder Celeron-Prozessorfamilie, die von der Intel Corporation in Santa Clara, Kalifornien, hergestellt wird, die 680x0- und POWER-PC-Prozessorfamilie, die von der Motorola Corporation in Schaumburg, Illinois, hergestellt wird, und/oder die ATHLON-Prozessorreihe, die von Advanced Micro Devices, Inc. in Sunnyvale, Kalifornien, hergestellt wird. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Verfahren enthalten. Der Speicher kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und/oder einen FLASH-Speicher umfassen, der sich auf allgemein verfügbarer Hardware befindet, wie z. B. einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeichern (EEPROM), programmierbaren Festwertspeichern (PROM), programmierbaren Logikbausteinen (PLD) oder Festwertspeicherbausteinen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme mit Hilfe von externem RAM und/oder ROM, wie z. B. optischen Festplatten, Magnetplatten und anderen allgemein verwendeten Speichergeräten, bereitgestellt werden. Bei Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer beliebigen Hochsprache wie FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML geschrieben werden. Darüber hinaus kann die Software in einer Assemblersprache implementiert sein, die für den Mikroprozessor eines Zielcomputers bestimmt ist; so kann die Software beispielsweise in der Assemblersprache Intel 80x86 implementiert sein, wenn sie für die Ausführung auf einem IBM PC oder PC-Klon konfiguriert ist. Die Software kann auf einem Herstellungsgegenstand verkörpert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM.
  • Lasersysteme und Laserzuführungssysteme gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in und/oder mit WBC-Lasersystemen verwendet werden. Insbesondere in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können Multi-Wellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Lasersystemen als die Eingangsstrahlen für Step-Core-Lichtleitfasern und Laserstrahl-Zuführungssysteme, wie hierin beschrieben, verwendet werden. In 8 sind verschiedene Komponenten eines WBC-Lasersystems (oder „Resonators“) 800 schematisch dargestellt, die zur Bildung von Eingangsstrahlen verwendet werden können, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform kombiniert der Resonator 800 die von neun verschiedenen Diodenbarren bzw. -balken bzw. -stäben emittierten Strahlen (wie hier verwendet, bezieht sich „Diodenbarren“ auf jeden Mehrstrahlemitter, d. h. einen Emitter, von dem mehrere Strahlen aus einem einzigen Gehäuse emittiert werden). Ausführungsformen der Erfindung können mit weniger oder mehr als neun Emittern verwendet werden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Emitter einen einzelnen Strahl aussenden, oder jeder der Emitter kann mehrere Strahlen aussenden. Die Ansicht in 8 ist entlang der WBC-Dimension, d. h. der Dimension, in der die Strahlen der Balken kombiniert werden. Der beispielhafte Resonator 800 weist neun Diodenbalken 805 auf, und jeder Diodenbalken 805 enthält eine Anordnung (z. B. eine eindimensionale Anordnung) von Emittern entlang der WBC-Dimension, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus einer solchen. In verschiedenen Ausführungsformen emittiert jeder Emitter eines Diodenbalkens 805 einen unsymmetrischen Strahl mit einer größeren Divergenz in einer Richtung (bekannt als „schnelle Achse“, hier vertikal zur WBC-Dimension ausgerichtet) und einer kleineren Divergenz in der senkrechten Richtung (bekannt als „langsame Achse“, hier entlang der WBC-Dimension).
  • In verschiedenen Ausführungsformen ist jeder Diodenbalken 805 mit einem Fast-Axis-Kollimator (FAC)/optischen Twister-Mikrolinsenaufbau verbunden (z. B. angebracht oder anderweitig optisch gekoppelt), der die schnelle Achse der emittierten Strahlen kollimiert und gleichzeitig die schnelle und die langsame Achse der Strahlen um 90° dreht, so dass die langsame Achse jedes emittierten Strahls senkrecht zur WBC-Dimension stromabwärts des Mikrolinsenaufbaus verläuft. Die Mikrolinsenbaugruppe konvergiert auch die Hauptstrahlen der Emitter von jedem Diodenbalken 805 in Richtung eines dispersiven Elements 810. Geeignete Mikrolinsenbaugruppen sind in den US-Patenten Nr. 8.553.327 , eingereicht am 7. März 2011, und Nr. 9.746.679 , eingereicht am 8. Juni 2015, beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
  • In Ausführungsformen der Erfindung, in denen sowohl eine FAC-Linse als auch ein optischer Twister (z. B. als Mikrolinsenbaugruppe) mit jedem der Strahlemittenten und/oder emittierten Strahlen verbunden sind, wirken sich die SAC-Linsen (wie unten beschrieben) auf die Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension aus. In anderen Ausführungsformen werden die emittierten Strahlen nicht gedreht, und FAC-Linsen können verwendet werden, um die Ausrichtungswinkel in der Nicht-WBC-Dimension zu ändern. Es wird also davon ausgegangen, dass sich Verweise auf SAC-Objektive hier im Allgemeinen auf Objektive mit Brechkraft in der Nicht-WBC-Dimension beziehen, und solche Objektive können in verschiedenen Ausführungsformen FAC-Objektive umfassen. So können in verschiedenen Ausführungsformen, z. B. solchen, in denen die ausgesandten Strahlen nicht gedreht werden und/oder die schnellen Achsen der Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension liegen, FAC-Objektive verwendet werden, wie hierin für SAC-Objektive beschrieben.
  • Wie in 8 dargestellt, verfügt der Resonator 800 auch über eine Reihe von SAC-Linsen 815, wobei eine SAC-Linse 815 mit einem der Diodenstäbe 805 verbunden ist und von diesem Strahlen empfängt. Jede der SAC-Linsen 815 kollimiert die langsamen Achsen der von einem einzelnen Diodenbalken 805 ausgesandten Strahlen. Nach der Kollimation in der langsamen Achse durch die SAC-Linsen 815 breiten sich die Strahlen zu einer Reihe von Verschachtelungsspiegeln 820 aus, die die Strahlen 825 auf das dispersive Element 810 umlenken. Die Anordnung der Verschachtelungsspiegel 820 ermöglicht es, den freien Raum zwischen den Diodenbarren 805 zu reduzieren oder zu minimieren. Stromaufwärts des dispersiven Elements 810 (das z. B. ein Beugungsgitter, wie das in 8 dargestellte transmissive Beugungsgitter, oder ein reflektierendes Beugungsgitter umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann) kann optional eine Linse 830 verwendet werden, um die Teilstrahlen (d. h. andere als die Hauptstrahlen) von den Diodenstäben 805 zu kollimieren. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Linse 830 in einem optischen Abstand von den Diodenstäben 805 angeordnet, der im Wesentlichen gleich der Brennweite der Linse 830 ist. Es ist zu beachten, dass in typischen Ausführungsformen die Überlappung der Hauptstrahlen am dispersiven Element 810 in erster Linie auf die Umlenkung der Verschachtelungsspiegel 820 und nicht auf die Fokussierleistung der Linse 830 zurückzuführen ist.
  • Ebenfalls in 8 dargestellt sind Linsen 835, 840, die ein optisches Teleskop zur Abschwächung des optischen Übersprechens bilden, wie in den US-Patenten Nr. 9.256.073 , eingereicht am 15. März 2013, und Nr. 9.268.142 , eingereicht am 23. Juni 2015, offenbart, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Der Resonator 800 kann auch einen oder mehrere optionale Klappspiegel 845 zur Umlenkung der Strahlen enthalten, so dass der Resonator 800 in eine kleinere Grundfläche passen kann. Das dispersive Element 810 kombiniert die Strahlen von den Diodenstäben 805 zu einem einzigen Mehrwellenlängenstrahl 850, der sich zu einem teilreflektierenden Ausgangskoppler 855 ausbreitet. Der Koppler 855 überträgt einen Teil des Strahls als Ausgangsstrahl des Resonators 800, während er einen anderen Teil des Strahls als Rückkopplung zum dispersiven Element 810 und von dort zu den Diodenstäben 805 zurückreflektiert, um die Emissionswellenlängen der einzelnen Strahlen zu stabilisieren.
  • Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird ein Lasersystem mit externem Resonator eingesetzt und die erforderliche Größe des Resonators durch einen Laserresonator verringert, der sich entlang gegenüberliegender Seiten des Resonators erstreckt. In den 9A und 9B sind gegenüberliegende Seiten eines Resonators 900 dargestellt, die zusammen einen einzigen Laserresonator bilden (der durch eine zentrale Öffnung verbunden ist, wie nachstehend beschrieben). Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können beide Seiten des Resonators 900 abgedichtet werden, z. B. entlang einer Dichtungsbahn 905. Beispielsweise kann eine massive Abdeckplatte über jede Seite des Resonators 900 entlang der Dichtungspfade 905 abgedichtet werden, um den Laserresonator im Resonator 900 abzudichten. In verschiedenen Ausführungsformen kann jede Abdeckplatte am Resonator 900 über Befestigungselemente (z. B. Schrauben, Bolzen, Nieten usw.) befestigt und/oder abgedichtet werden, die sich in die im Resonator 900 definierten Öffnungen erstrecken (und mechanisch in diese eingreifen können, z. B. durch Gewindeeingriff). In anderen Ausführungsformen kann jede Abdeckplatte entlang ihres Dichtungspfads 905 durch eine Technik wie Schweißen, Löten oder die Verwendung eines Klebstoffs abgedichtet werden.
  • In verschiedenen Ausführungsformen können Reflektoren wie z. B. Spiegel verwendet werden, um die Strahlen von einem oder mehreren Strahlemittern in den Laserresonator zu lenken. Da sich der Laserresonator über beide Seiten erstreckt, kann die Gesamtgröße des Resonators 900 bei gleicher Resonatorgröße entsprechend verringert werden (z. B. im Vergleich zu einem Resonator mit einem optischen Resonator auf nur einer Seite).
  • In dem in den 9A und 9B gezeigten Ausführungsbeispiel können die Strahlen von den im Montagebereich 910 angeordneten Strahlemittern (z. B. die in 8 gezeigten Strahlemitter 805) durch eine Gruppe von Linsen (und/oder anderen optischen Elementen; z. B. die in 8 gezeigten SAC-Linsen 815), die im Linsenbereich 915 angeordnet sind, auf eine Gruppe von Spiegeln (z. B. die in 8 gezeigten Verschachtelungsspiegel 820) in einem Spiegelbereich 920 fokussiert werden. Vom Spiegelbereich 920 aus können die Strahlen von den Strahlemittern zu einem anderen Spiegelbereich 925 (der mehrere Reflektoren wie z. B. Spiegel enthält) und von dort durch eine Öffnung 930 zum verbleibenden Teil des Laserresonators auf der anderen Seite des Resonators 900 geleitet werden. Wie in 9B gezeigt, können die Strahlen auf einen Spiegelbereich 935 (mit mehreren Reflektoren wie z. B. Spiegeln) gerichtet werden, der die Strahlen auf einen Strahlenkombinationsbereich 940 reflektiert. In Ausführungsbeispielen kann der Strahlenkombinationsbereich 940 das in 8 gezeigte Diffusionselement 810 (und in einigen Ausführungsformen den Ausgangskoppler 845) enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen haben die Strahlen jeweils eine andere Wellenlänge, und die Strahlen werden im Strahlkombinationsbereich 940 zu einem Ausgangsstrahl kombiniert, der sich aus den verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt. Der Strahl aus dem Strahlkombinationsbereich 940 kann auf einen Spiegel 945 (der in verschiedenen Ausführungsformen ein teilreflektierender Ausgangskoppler 845 sein kann) und von dort auf einen Ausgang 950 zur Emission aus dem Resonator 900 gerichtet werden. Der Ausgang kann beispielsweise ein Fenster sein, durch das der Strahl emittiert wird, oder ein optischer Koppler, der so konfiguriert ist, dass er direkt an einen Lichtwellenleiter angeschlossen werden kann, wie z. B. ein Stufenkern-Lichtwellenleiter gemäß den Ausführungsformen der Erfindung. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Ausgang den Strahl an ein faseroptisches Modul (siehe unten) zur Einkopplung in eine optische Faser übertragen. In anderen Ausführungsformen kann der Ausgangsstrahl an ein Strahlkombinationsmodul (siehe unten) weitergeleitet und mit Ausgangsstrahlen anderer Resonatoren kombiniert werden. Der resultierende kombinierte Strahl kann an ein faseroptisches Modul zur Einkopplung in eine optische Faser übertragen und/oder zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden.
  • Wie in 9B gezeigt, kann der Resonator 900 auch einen Hohlraum für flüssiges Kühlmittel 955 enthalten. Der Flüssigkeitskühlmittelhohlraum 955 ist in verschiedenen Ausführungsformen ein Hohlraum, der so konfiguriert ist, dass er flüssiges Kühlmittel (z. B. Wasser, Glykol oder ein anderes Wärmeübertragungsfluid) direkt unter dem Montagebereich 910 enthält. Das flüssige Kühlmittel kann über einen Fluideinlass und einen Fluidauslass (nicht dargestellt) in den und aus dem Hohlraum 955 fließen, der z. B. mit einem Kühlmittelreservoir und/oder einem Wärmetauscher zur Kühlung des von den Strahlemittern erhitzten Fluids fluidisch verbunden sein kann. Ausführungsformen der Erfindung können ein Steuersystem aufweisen, das die Rate des Fluidstroms in den und aus dem Hohlraum 955 auf der Grundlage einer oder mehrerer erfasster Eigenschaften steuert, z. B. der Temperatur der Strahlemitter, des Kühlfluids und/oder einer oder mehrerer anderer Komponenten und/oder Positionen innerhalb des Resonators 900. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Laserhohlraum des Resonators 900 ohne Versiegelung oder Abdeckung des optischen Kühlmittelhohlraums 955 versiegelt werden, wodurch der optische Kühlmittelhohlraum 955 zugänglich bleibt (z. B. für Service, Wartung oder Reinigung), ohne dass die empfindlicheren Komponenten im Laserhohlraum entsiegelt oder freigelegt werden müssen.
  • Wie oben erwähnt, können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung mehrere Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen in die Stufenkernfaser eingekoppelt werden, um die Bearbeitung verschiedener Werkstücke zu erleichtern. Beispielsweise verwenden Ausführungsformen der Erfindung einen sekundären Laser mit kürzerer Wellenlänge zur Einleitung eines Schneidvorgangs (z. B. Einstechen), wenn sich ein Material im festen Zustand befindet, und, sobald das Material geschmolzen ist, wird ein primärer Laser mit längerer Wellenlänge für Prozesse wie das Schneiden des Materials verwendet. Zum Beispiel nimmt die Absorption der meisten Metalle zumindest im festen Zustand mit abnehmender Laserwellenlänge zu. Insbesondere Aluminium hat eine Absorptionsspitze bei ca. 810 nm, und Metalle wie Kupfer, Gold und Silber sind sehr reflektierend und weisen eine sehr geringe Absorption bei Wellenlängen im nahen Infrarotbereich und darüber hinaus auf (z. B. bei Wellenlängen von ca. 800 nm oder 1000 nm und höher). Daher ist bei vielen Materialien (z. B. metallischen Materialien) unterhalb des Schmelzpunkts des Materials die Absorption für Licht mit kürzerer Wellenlänge deutlich höher. Wenn jedoch der Schmelzpunkt erreicht ist und die Oberfläche zu schmelzen beginnt, nimmt die Absorption deutlich zu und wird im Wesentlichen unabhängig von der Wellenlänge. Die Absorption nimmt weiter zu, wenn die Temperatur bis zur Verdampfungstemperatur ansteigt (z. B. der Bereich, in dem das Schneiden durchgeführt wird), woraufhin die Absorption tendenziell auf einem signifikanten Niveau abfällt. Daher wird bei Ausführungsformen der Erfindung der sekundäre, kürzerwellige Strahl zur Einleitung eines Schneidvorgangs (z. B. Einstechen) verwendet, wenn sich das Material im festen Zustand befindet, und sobald das Material geschmolzen ist, wird der primäre, längerwellige Strahl für Prozesse wie das Schneiden des Materials verwendet. In anderen Beispielen können andere Materialien, z. B. Kunststoff, Glas oder polymere Materialien, das gegenteilige Verhalten zeigen, und daher können Ausführungsformen der Erfindung für solche Materialien den primären, längerwelligen Laser zur Einleitung eines Schneidvorgangs (z. B. Einstechen) verwenden, wenn sich das Material im festen Zustand befindet, und sobald das Material geschmolzen ist, wird der sekundäre, kürzerwellige Laser für Prozesse wie das Schneiden des Materials verwendet.
  • In 10 sind verschiedene Komponenten eines Lasersystems 1000 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Wie gezeigt, werden in dem Lasersystem 1000 der Primärstrahl 1010 von einem Primärlaser und der Sekundärstrahl 1020 von einem Sekundärlaser beide in eine stufenförmige optische Faser 1030 unter Verwendung eines oder mehrerer optischer Elemente gekoppelt (oder koppelbar). In der dargestellten Ausführungsform wird ein dichroitischer Spiegel 1040 verwendet, um den sekundären Strahl 1020 auf die Fokussieroptik 1050 umzulenken, die den Strahl in die Faser 1030 einkoppelt, während der dichroitische Spiegel 1040 den primären Strahl 1010 durch den Spiegel zur Fokussieroptik 1050 passieren lässt. Wie dargestellt, sind in verschiedenen Ausführungsformen der primäre und der sekundäre Strahl im Wesentlichen koaxial in die Step-Core-Lichtleitfaser 1030 gekoppelt oder koppelbar. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Stufen-Kern-Lichtleitfaser 1030 eine der hierin beschriebenen Fasern 200, 600, 700 umfassen, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen.
  • Wie in 10 gezeigt, fokussiert die Fokussierlinse 1050, die zur Einkopplung der Strahlen in die Stufen-Kern-Lichtleitfaser 1030 verwendet wird, in verschiedenen Ausführungsformen den sekundären Strahl 1020 mit kürzerer Wellenlänge auf eine kleinere Eingangsfleckgröße als die resultierende Fleckgröße für den primären Strahl 1010. Unter der Annahme, dass der primäre und der sekundäre Strahl M2 Werte haben, die annähernd gleich sind, ist der fokussierte Punktdurchmesser d jedes Strahls, der von der Fokussierlinse fokussiert wird, proportional zur Wellenlänge λ des Strahls und kann durch d=2×M2 /NA×λ/π berechnet werden, wobei die Laserkopplung NA durch NA=D/2/f gegeben ist, wobei D sich auf die volle Strahlgröße an der Fokussierlinse bezieht und f die Brennweite der Fokussierlinse ist. In verschiedenen Ausführungsformen hat der sekundäre Strahl 1020 mit kürzerer Wellenlänge daher eine kleinere Eingangsfleckgröße als der primäre Strahl 1010, wenn beide Strahlen durch dieselbe Fokussierlinse 1050 in die Stufen-Kern-Lichtleitfaser 1030 fokussiert werden. Darüber hinaus kann die Spotgröße eines der beiden Strahlen durch Anpassen der Lasereingangs-NA des Strahls stromaufwärts der Fokussierlinse 1050 weiter angepasst werden. So wird beispielsweise durch eine Erhöhung der Lasereingangs-NA durch Vergrößerung der Strahlgröße (z. B. unter Verwendung optischer Elemente wie eines optischen Teleskops, z. B. eines Galilei-Teleskops) stromaufwärts der Fokussierlinse 1050 die Größe des fokussierten Flecks des Strahls verringert. (Die Umkehrung des Teleskops kann die Strahlgröße und die NA des Lasereingangs vor der Linse verringern und die Größe des fokussierten Punkts des Strahls erhöhen).
  • So kann in verschiedenen Ausführungsformen der primäre Strahl 1010 sowohl den inneren Kern als auch den äußeren, ringförmigen Kern überdecken, während der sekundäre Strahl 1020 nur den inneren Kern überdeckt. Vorteilhafterweise kann für beide Strahlen dieselbe Fokussierlinse 1050 verwendet werden, wodurch die BPP-Verschlechterung des primären Strahls 1010 minimiert oder reduziert wird. Darüber hinaus kann der sekundäre Laser in verschiedenen Ausführungsformen eine geringere Emissionsleistung haben als der primäre Laser. In solchen Fällen wird durch die Einkopplung des sekundären Laserstrahls 1020 nur in den inneren Kern die Intensitätsverstärkung des sekundären Laserstrahls 1020 maximiert, was für viele Anwendungen, z. B. bei Einstechvorgängen, von Vorteil ist. In anderen Ausführungsformen haben sowohl der Primärstrahl 1010 als auch der Sekundärstrahl 1020 fokussierte Punktgrößen, die nur den inneren Kern überlappen, und der größte Teil oder im Wesentlichen die gesamte Laserleistung wird in den inneren Kern eingekoppelt. In solchen Ausführungsformen bietet die Stufen-Kern-Lichtleitfaser 1030 für beide Strahlen vorteilhafte Effekte, wie hier beschrieben, einschließlich eines verbesserten BPP, einer reduzierten effektiven Spotgröße und einer erhöhten Spitzenleistung.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann einer oder beide Strahlen nicht kreisförmig sein. Zum Beispiel kann der Primärstrahl 1010 nicht kreisförmig sein, während der Sekundärstrahl 1020 kreisförmig ist, oder beide Strahlen können nicht kreisförmig sein. Daher wird in verschiedenen Ausführungsformen etwa 100 % der Leistung des Sekundärstrahls 1020 in den inneren Kern eingekoppelt (z. B. auch dann, wenn die Sekundärstrahlquelle mit voller Leistung arbeitet), während der größte Teil der Leistung des Primärstrahls 1010 in den inneren Kern eingekoppelt wird, während ein Teil des Primärstrahls in den äußeren Kern eingekoppelt wird (z. B. wie oben in Bezug auf die 3C und 3D beschrieben).
  • Wie bereits erwähnt, emittiert der primäre Laser in verschiedenen Ausführungsformen einen Laserstrahl 1010 mit einer längeren Wellenlänge (oder einem größeren Wellenlängenbereich) als der vom sekundären Laser emittierte Laserstrahl 1020. In verschiedenen Ausführungsformen ist der primäre Laser kostengünstiger, weniger teuer im Betrieb und/oder besser verfügbar. Der primäre Laser kann auch so konfiguriert sein, dass er mit einer höheren maximalen Leistung arbeitet als der sekundäre Laser. In verschiedenen Ausführungsformen kann der sekundäre Laser weniger effizient sein, eine kürzere Lebensdauer haben und teurer sein (z. B. in Bezug auf die Kosten pro Ausgangsleistung).
  • In verschiedenen Ausführungsformen handelt es sich bei den primären und sekundären Lasern um unterschiedliche Arten von Lasern. So kann der primäre Laser beispielsweise einen Direktdiodenlaser (der z. B. im freien Raum emittiert oder in eine optische Faser eingekoppelt wird), einen Faserlaser oder einen Festkörperlaser (d. h. einen Laser, der ein festes Verstärkungsmedium wie ein Glas oder einen Kristall verwendet, das mit einem oder mehreren Seltenen Erden dotiert ist) umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der sekundäre Laser einen Direktdiodenlaser (z. B. im freien Raum emittierend oder in eine optische Faser eingekoppelt), einen Gaslaser oder einen Festkörperlaser umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen. In verschiedenen Ausführungsformen können WBC-Direktdiodenlaser für den Primärlaser und/oder den Sekundärlaser bevorzugt werden, da sie Materialien (z. B. metallische Materialien) mit höherer Qualität bearbeiten können. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, können WBC-Laser aufgrund ihrer Breitbandigkeit, die sich aus der Kombination von Dutzenden (oder sogar Hunderten) diskreten Emittern mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen ergibt, eine bessere Qualität liefern - dies kann die Laserkohärenz und Speckle stören und gleichzeitig das Laserintensitätsprofil sowohl im räumlichen als auch im zeitlichen Bereich glätten.
  • Wie hierin beschrieben, können also sowohl der primäre als auch der sekundäre Laser Strahlen mit mehreren Wellenlängen aussenden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die „Wellenlänge“ oder „Primärwellenlänge“ eines solchen Mehrwellenlängenstrahls der zentralen (d. h. mittleren) und/oder intensivsten Wellenlänge entsprechen, die vom Laser emittiert wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, enthalten praktisch alle Laserausgänge ein Band mit mehreren Wellenlängen, obwohl die Laserwellenlängenbänder in der Regel recht schmal sind. Beispielsweise kann ein Faserlaser, der bei 1064 nm emittiert, ein sehr schmales Band von etwa 2 nm haben, während ein WBC-Direktdiodenlaser, der bei 970 nm emittiert, ein Band von etwa 40 nm haben kann.
  • In verschiedenen Ausführungsformen hat der primäre Laserstrahl 1010 eine Wellenlänge (oder einen Wellenlängenbereich) von etwa 780 nm bis etwa 11 µm, von etwa 780 nm bis etwa 1064 nm, von etwa 780 nm bis etwa 1000 nm, von etwa 870 nm bis etwa 11 µm, von etwa 870 nm bis etwa 1064 nm oder von etwa 870 nm bis etwa 1000 nm. In bestimmten Ausführungsformen kann die Wellenlänge (oder primäre oder zentrale Wellenlänge) des primären Laserstrahls 1010 beispielsweise etwa 1064 nm, etwa 10,6 µm, etwa 970 nm, etwa 780 oder 850 bis etwa 1060 nm oder etwa 950 nm bis etwa 1070 nm betragen. In verschiedenen Ausführungsformen hat der sekundäre Laserstrahl 1020 eine Wellenlänge (oder einen Bereich von Wellenlängen) von etwa 300 nm bis etwa 740 nm, etwa 400 nm bis etwa 740 nm, etwa 530 nm bis etwa 740 nm, etwa 300 nm bis etwa 810 nm, etwa 400 nm bis etwa 810 nm oder etwa 530 nm bis etwa 810 nm. In verschiedenen Ausführungsformen liegt die Wellenlänge des sekundären Laserstrahls 1020 im UV- oder sichtbaren Bereich, obwohl die Wellenlänge bei Materialien (z. B. Aluminium) mit Absorptionsspitzen in diesem Bereich bis zu etwa 810 nm reichen kann. In bestimmten Ausführungsformen kann die Wellenlänge (oder primäre oder zentrale Wellenlänge) des sekundären Laserstrahls 1020 z. B. etwa 810 nm, etwa 400 - etwa 460 nm oder etwa 532 nm betragen. In verschiedenen Ausführungsformen ist die primäre Laserquelle und/oder die sekundäre Laserquelle ein WBC-Laser, der einen breitbandigen Laserstrahl mit mehreren Wellenlängen aussendet. In verschiedenen Ausführungsformen können solche Laser Bandbreiten von z. B. etwa 10 nm bis etwa 60 nm aufweisen.
  • So enthält ein Lasersystem in verschiedenen Ausführungsformen mehrere Resonatoren 900, und die Ausgangsstrahlen von den Resonatoren 900 werden stromabwärts kombiniert (z. B. in einem Master-Gehäuse und/oder durch ein oder mehrere optische Elemente, wie in 10 gezeigt) zu einem einzigen Ausgangsstrahl, der in eine Step-Core-Lichtleitfaser eingekoppelt und dann auf ein Werkstück zur Bearbeitung (z. B. Schweißen, Schneiden, Glühen usw.) gerichtet werden kann. In 11 ist beispielsweise ein beispielhaftes Lasersystem (oder „Lasermaschine“) 1100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. In dem Lasersystem 1100 sind mehrere Laserresonatoren 900 in einem Hauptgehäuse 1105 montiert, und die Ausgangsstrahlen der Resonatoren 900 werden in ein Strahlvereinigungsmodul 1110 und von dort in ein faseroptisches Modul 1115 geleitet. In beispielhaften Ausführungsformen kann das Strahlkombinationsmodul 1110 ein oder mehrere optische Elemente enthalten, wie z. B. Spiegel, dichroitische Spiegel, Linsen, Prismen, dispersive Elemente, Polarisationsstrahlkombinierer usw., die die von den verschiedenen Resonatoren empfangenen Strahlen zu einem oder mehreren Ausgangsstrahlen kombinieren können (z. B. wie in 10 dargestellt). In verschiedenen Ausführungsformen kann das faseroptische Modul 1115 z. B. ein oder mehrere optische Elemente zur Einstellung der Ausgangslaserstrahlen sowie Schnittstellenhardware zur Verbindung mit der optischen Faser für die Kopplung der Strahlen enthalten. Beispielsweise kann das faseroptische Modul 1115 einige oder alle der in 10 dargestellten Komponenten enthalten, die zur Einkopplung der Strahlenergie in die Faser 1030 verwendet werden. Während das Lasermodul 1100 mit vier Resonatoren 900 dargestellt ist, können Lasermodule gemäß den Ausführungsformen der Erfindung einen, zwei, drei oder fünf oder mehr Laserresonatoren umfassen. Jeder Resonator kann einen Strahl mit einer anderen Wellenlänge (oder einem anderen Wellenlängenbereich) emittieren, und diese Strahlen können wie hierin beschrieben kombiniert und in die Faser gekoppelt werden.
  • Obwohl in den hier beschriebenen Beispielen getrennte primäre und sekundäre Laser für die Emission der primären und sekundären Laserstrahlen verwendet und beschrieben werden, können die primären und sekundären Laserstrahlen in verschiedenen Ausführungsformen mit der gleichen Laserquelle erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Laserquelle, die für die Emission eines primären Laserstrahls mit längerer Wellenlänge konfiguriert ist, auch zur Erzeugung des sekundären Laserstrahls mit kürzerer Wellenlänge durch Frequenzverdopplung (d. h. Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG)) verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann der primäre Laserstrahl in die hier beschriebene stufenförmige optische Faser eingekoppelt und durch ein nichtlineares optisches Material geleitet werden, das SHG-Strahlung mit einer Wellenlänge erzeugt, die etwa die Hälfte derjenigen des primären Laserstrahls beträgt, um so den sekundären Laserstrahl zu erzeugen. (Solche Ausführungsformen haben zwar den Vorteil, dass sie nur eine einzige Laserquelle benötigen, aber da sie SHG nutzen, ist die Wellenlänge des einen Laserstrahls auf etwa die Hälfte der Wellenlänge des anderen Laserstrahls beschränkt). In verschiedenen Ausführungsformen können der primäre Laserstrahl und der daraus erzeugte sekundäre Laserstrahl im Wesentlichen kollinear sein, und der sekundäre Laserstrahl kann eine fokussierte Fleckgröße haben, die etwa halb so groß ist wie die des primären Laserstrahls, wenn man davon ausgeht, dass beide Strahlen durch dieselbe Fokussierlinse fokussiert werden (wie oben beschrieben).
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann das nichtlineare optische Material je nach Bedarf für die Erzeugung des sekundären Laserstrahls in den Strahlengang des primären Laserstrahls hinein- und aus diesem herausbewegt werden und/oder der Laserstrahl, der gerade nicht für die Bearbeitung benötigt wird (falls vorhanden, siehe unten), kann mit optischen Elementen wie Strahlteilern oder dichroitischen Spiegeln von der optischen Faser weggelenkt werden. In verschiedenen Ausführungsformen können Lasersysteme Mechanismen zur Ausrichtung des nichtlinearen optischen Kristalls (z. B. eine bewegliche und/oder drehbare Halterung) und/oder zur Steuerung seiner Temperatur (z. B. eine Heizung oder ein Ofen) umfassen, um z. B. die Umwandlungseffizienz zu erhöhen und/oder die Absorption von Feuchtigkeit zu verhindern.
  • In verschiedenen Ausführungsformen durchläuft ein nicht umgewandelter Teil des primären Laserstrahls das nichtlineare optische Material während der Erzeugung des sekundären Laserstrahls, und beide Laserstrahlen können direkt aus dem nichtlinearen optischen Material und der Fokussieroptik in die Step-Core-Lichtleitfaser gekoppelt werden. So kann in verschiedenen Ausführungsformen der in 10 gezeigte dichroitische Spiegel nicht vorhanden sein, und beide Strahlen können (im Wesentlichen kollinear) aus dem nichtlinearen optischen Material in die Fokussierlinse 1050 eintreten. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Laserquelle ein YAG- oder Faserlaser sein, der einen Laserstrahl 305 bei etwa 1064 nm aussendet, der einen SHG-Laserstrahl 315 mit einer Wellenlänge von etwa 532 nm erzeugt.
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann das nichtlineare optische Material ein oder mehrere Boratkristalle wie (3-Bariumborat (β-BaB2 O4, oder BBO), Lithiumtriborat (LiB3 O5, oder LBO), Cäsiumlithiumborat (CLBO, CsLiB6 O10), Bismuttriborat (BiB3 O6, oder BIBO) oder Cäsiumborat (CsB3 O5, oder CBO). Andere beispielhafte nichtlineare optische Kristalle sind Kaliumfluoroboratoberyllat (KBe2 BO3 F2, oder KBBF), Lithiumtetraborat (Li2 B4 O7, oder LB4), Lithiumrubidiumtetraborat (LiRbB4 O7, oder LRB4) und Magnesiumbariumfluorid (MgBaF4). Geeignete nichtlineare optische Materialien sind im Handel erhältlich und können von Fachleuten ohne übermäßige Experimente hergestellt werden.
  • Die verschiedenen Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche für die primären und sekundären Strahlen können für die Bearbeitung verschiedener Arten von Werkstücken verwendet werden, insbesondere von Werkstücken, die ein oder mehrere metallische Werkstoffe enthalten, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. In anderen Ausführungsformen können die Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche der „primären“ und „sekundären“ Strahlen für andere Arten von Werkstücken umgeschaltet werden, wie hierin beschrieben, zum Beispiel für die Bearbeitung von Werkstücken, die Glas, Kunststoff, Papier oder ein oder mehrere polymere oder andere nichtmetallische Materialien enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
  • In der nachstehenden Tabelle sind verschiedene Kombinationen von Primär- und Sekundärlasern sowie beispielhafte metallische Zielmaterialien (d. h. zu bearbeitende Materialien) für jede Kombination zusammengefasst. (In der Tabelle steht SHG für die Erzeugung der zweiten Harmonischen).
    Primärer Laser Sekundärer Laser Beispiel für Zielmaterialien
    1 WBC DDL bei 870-1000 nm WBC DDL bei 810 nm Al, Stahl, Fe
    2 WBC DDL bei 870-1000 nm WBC DDL bei 400-460 nm Cu, Ag, Au, Stahl, Fe, Mo, Al
    3 WBC DDL bei 870-1000 nm SHG des Nd:YAG-Lasers bei 532 nm Cu, Au, Stahl, Fe, Mo, Al
    4 Faserlaser bei 1064 nm WBC DDL bei 400-460 nm Cu, Ag, Au, Stahl, Fe, Mo, Al
    5 Faserlaser oder DDL bei NIR (z. B. 750-2500 nm) CO-Laser bei 5 µm, CO2 Laser bei 10,6 µm, oder Quantenkaskadenlaser bei 3-11 µm Glas, Papier, Kunststoff
  • In verschiedenen Ausführungsformen reagieren ein oder mehrere (oder sogar alle) der primären Strahlen (und/oder der primären Strahlenquelle), der sekundären Strahlen (und/oder der sekundären Strahlenquelle), der Stufenkernfaser und/oder der optischen Elemente, die verwendet werden, um die Strahlen zu lenken und sie in die Faser einzukoppeln, auf eine computerbasierte Steuerung. So kann die Steuerung beispielsweise Prozesse einleiten, die unter Verwendung der Stufenkernfaser (und, in verschiedenen Ausführungsformen, eines an deren Ausgangsende gekoppelten Laserkopfes) durchgeführt werden, und den Primärstrahl und den sekundären Laserstrahl entsprechend ein- und ausschalten (und/oder die Ausgangsleistung modulieren). In verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung sogar die Bewegung des Laserkopfes und/oder der Stufenfaser relativ zum Werkstück über die Steuerung von z. B. einem oder mehreren Aktuatoren steuern. Die Steuerung kann auch ein herkömmliches Positionierungssystem bedienen, das so konfiguriert ist, dass es eine relative Bewegung zwischen dem Ausgangslaserstrahl und dem zu bearbeitenden Werkstück bewirkt.
  • Wie im Bereich des Plottens und Scannens allgemein bekannt, kann die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Ausgangsstrahl und dem Werkstück durch optische Ablenkung des Strahls mit Hilfe eines beweglichen Spiegels, durch physische Bewegung des Lasers mit Hilfe eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder durch eine mechanische Anordnung zum Bewegen des Werkstücks anstelle des Strahls (oder zusätzlich zu diesem) erzeugt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung eine Rückmeldung über die Position und/oder die Bearbeitungseffizienz des Strahls relativ zum Werkstück von einer Rückmeldeeinheit erhalten, die mit geeigneten Überwachungssensoren verbunden ist.
  • In verschiedenen Ausführungsformen steuert die Steuerung das Ein- und Ausschalten und/oder die Ausgangsleistung des Primärstrahls und des Sekundärstrahls auf der Grundlage der erfassten Informationen in Bezug auf das Werkstück (z. B. seine Oberfläche). So kann das Lasersystem beispielsweise einen oder mehrere optische Sensoren und/oder Temperatursensoren enthalten, die erkennen, wenn zumindest ein Teil der Oberfläche des Werkstücks geschmolzen ist (z. B. durch eine Änderung des Reflexionsvermögens und/oder die Temperatur, bei der der Schmelzpunkt des Materials erreicht wird; solche Sensoren sind herkömmlich und können ohne übermäßige Experimente bereitgestellt werden). In verschiedenen Ausführungsformen wird der Sekundärstrahl verwendet, um die Oberfläche des Werkstücks zu erwärmen, bis mindestens ein Teil der Oberfläche des Werkstücks geschmolzen ist, oder sogar, um mindestens einen Teil der Dicke des Werkstücks zu durchdringen, und dann wird der Primärstrahl verwendet, um das Werkstück entlang einer Bearbeitungsbahn zu schneiden, die von dem zumindest teilweise geschmolzenen Bereich ausgeht. In anderen Ausführungsformen schaltet das Steuergerät lediglich nach einer zeitlichen Verzögerung vom Sekundärstrahl auf den Primärstrahl um, wobei die Dauer der Verzögerung auf der Grundlage von Faktoren wie der Art des Materials, der Dicke des Materials, der Punktgröße des Ausgangsstrahls usw. geschätzt werden kann.
  • In verschiedenen Ausführungsformen werden sowohl der primäre Laserstrahl als auch der sekundäre Strahl sowohl zum Einstechen als auch zum Schneiden verwendet und daher beide gleichzeitig während beider Vorgänge in die Stufenkernfaser eingekoppelt, wobei jedoch die Leistung des primären Strahls zum Schneiden erhöht (und somit zum Einstechen relativ verringert) und die Leistung des sekundären Strahls zum Einstechen erhöht (und somit zum Schneiden relativ verringert) wird. Solche Zweistrahl-Ausführungen können den Vorteil haben, dass die Qualität der Schnitte und Einstiche aufgrund des breiteren Spektralbandes des kombinierten Ausgangsstrahls, der die Laserkohärenz und die Fleckenbildung deutlich verringert, höher ist. In einigen Ausführungsformen wird der Primärstrahl erst dann eingesetzt, wenn zumindest ein Teil der Werkstückoberfläche durch den Sekundärstrahl aufgeschmolzen wurde, und dann werden beide Strahlen für den nachfolgenden Schnitt verwendet. Auf diese Weise werden schädliche Rückreflexionen von der Werkstückoberfläche, die Komponenten (z. B. optische Elemente) des Lasersystems beschädigen könnten, verhindert oder erheblich reduziert.
  • Ausführungsformen der Erfindung können einen Benutzer in die Lage versetzen, ein Werkstück entlang eines gewünschten Bearbeitungsweges zu bearbeiten (z. B. zu schneiden oder zu schweißen), wobei die Zusammensetzung des Ausgangsstrahls (z. B. einschließlich des Primärstrahls, des Sekundärstrahls oder beider), der Leistungspegel des Ausgangsstrahls (und/oder des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls) und die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit auf der Grundlage von Faktoren wie der Zusammensetzung des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks, der Geometrie des Bearbeitungsweges usw. ausgewählt wird. Beispielsweise kann ein Benutzer den gewünschten Bearbeitungsweg und/oder die Art (und/oder andere Eigenschaften wie die Dicke) des Werkstücks mit Hilfe eines geeigneten Eingabegeräts oder durch Dateiübertragung in das System eingeben oder vorprogrammieren. Danach kann das Steuergerät die optimale Zusammensetzung des Ausgangsstrahls (z. B. die Umschaltung zwischen Primär- und Sekundärstrahl und/oder deren relative Leistungspegel) in Abhängigkeit von der Position entlang des Bearbeitungspfads bestimmen. Im Betrieb kann die Steuerung das Lasersystem und die Positionierung des Werkstücks so steuern, dass das Werkstück entlang des vorprogrammierten Pfads bearbeitet wird, wobei die richtigen Ausgangsstrahlzusammensetzungen für Prozesse wie Einstechen und Schneiden verwendet werden. Wenn sich die Zusammensetzung und/oder die Dicke des zu bearbeitenden Materials ändert, können Ort und Art der Änderung programmiert werden, und die Steuerung kann die Zusammensetzung des Laserstrahls und/oder die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkstück und Strahl entsprechend anpassen.
  • Darüber hinaus kann das Lasersystem ein oder mehrere Systeme zur Erfassung der Dicke des Werkstücks und/oder der Höhe der darauf befindlichen Merkmale umfassen. Beispielsweise kann das Lasersystem Systeme (oder Komponenten davon) zur interferometrischen Tiefenmessung des Werkstücks enthalten, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/676,070 , eingereicht am 1. April 2015, beschrieben, deren gesamte Offenlegung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Solche Tiefen- oder Dickeninformationen können von der Steuerung verwendet werden, um die Zusammensetzung des Ausgangsstrahls zu steuern, um die Bearbeitung (z. B. Schneiden oder Einstechen) des Werkstücks zu optimieren, z. B. in Übereinstimmung mit Datensätzen in der Datenbank, die der Art des zu bearbeitenden Materials entsprechen.
  • Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (70)

  1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Stufen-Kern-Lichtleitfaser, step-core optical fiber, mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst: (i) einen inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den äußeren Kern umgebenden Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der zweite Brechungsindex, (iv) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf den Mantel, (v) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern, und (vi) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf den Mantel; Anordnen eines Werkstücks in der Nähe des Ausgangsendes der Lichtleitfaser; Richten eines Laserstrahls variabler Leistung mit einer Laserstrahl-NA, die als Funktion der Leistung des Laserstrahls variiert, in das Eingangsende der Lichtleitfaser, um dadurch einen vom Ausgangsende der Lichtleitfaser emittierten Ausgangsstrahl zu erzeugen, wobei (i) die NA des äußeren Kerns größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von ungefähr 100 % ist, (ii) die NA des zweiten inneren Kerns kleiner oder gleich der NA des äußeren Kerns ist und (iii) die NA des zweiten inneren Kerns größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von 50 % ist; und Bearbeitung des Werkstücks mit dem Ausgangsstrahl.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der Laserstrahl einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt; und der Fleck eine erste und eine zweite seitliche Abmessung hat, die sich voneinander unterscheiden und senkrecht zueinander stehen, wobei die erste seitliche Abmessung größer ist als die zweite seitliche Abmessung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des äußeren Kerns größer ist als die erste seitliche Abmessung des Flecks.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des inneren Kerns größer ist als die zweite seitliche Abmessung des Flecks.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des inneren Kerns kleiner ist als die erste seitliche Abmessung des Flecks.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Durchmesser des inneren Kerns kleiner ist als die zweite seitliche Abmessung des Flecks.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Laserstrahl einen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt, wobei der Fleck größer als der Durchmesser des inneren Kerns und kleiner als der Durchmesser des äußeren Kerns ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Laserstrahl von einem Strahlemitter emittiert wird, der Folgendes umfasst: eine oder mehrere Strahlenquellen, die eine Vielzahl diskreter Strahlen aussenden; Fokussierungsoptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; das dispersive Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die gestreuten Strahlen empfängt, einen Teil der gestreuten Strahlen als Laserstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei der Laserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
  9. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Stufen-Kern-Lichtleitfaser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst: (i) einen inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, (iii) einen den äußeren Kern umgebenden einen Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der zweite Brechungsindex, (iv) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf den Mantel, (v) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern und (vi) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf den Mantel, wobei eine zentrale Achse des inneren Kerns nicht koaxial mit einer zentralen Achse des äußeren Kerns ist; Anordnen eines Werkstücks in der Nähe des Ausgangsendes der Lichtleitfaser; Richten eines Laserstrahls in das Eingangsende der Lichtleitfaser, um dadurch einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der von dem Ausgangsende der Lichtleitfaser emittiert wird; und Bearbeitung des Werkstücks mit dem Ausgangsstrahl.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei: der Laserstrahl ist ein Laserstrahl mit variabler Leistung und einer Laserstrahl-NA, die in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls variiert; die NA des äußeren Kerns ist größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 %; der zweite innere Kern NA kleiner als oder gleich dem äußeren Kern NA ist; und der zweite innere Kern NA ist größer oder gleich dem NA des Laserstrahls bei einer Leistung von 50%.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei: der Laserstrahl einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt; und der Fleck eine erste und eine zweite seitliche Abmessung hat, die sich voneinander unterscheiden und senkrecht zueinander stehen, wobei die erste seitliche Abmessung größer ist als die zweite seitliche Abmessung.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Durchmesser des äußeren Kerns größer ist als die erste seitliche Abmessung des Flecks.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Durchmesser des inneren Kerns größer ist als die zweite seitliche Abmessung des Flecks.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Durchmesser des inneren Kerns kleiner ist als die erste seitliche Abmessung des Flecks.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Durchmesser des inneren Kerns kleiner ist als die zweite seitliche Abmessung des Flecks.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Mittelachse des Laserstrahls nicht koaxial zur Mittelachse des inneren Kerns verläuft.
  17. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Mittelachse des Laserstrahls nicht koaxial mit der Mittelachse des äußeren Kerns verläuft.
  18. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Laserstrahl einen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt, wobei der Fleck größer als der Durchmesser des inneren Kerns und kleiner als der Durchmesser des äußeren Kerns ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Emittieren des Laserstrahls von einem Strahlemitter umfasst, der Folgendes umfasst: eine oder mehrere Strahlenquellen, die eine Vielzahl diskreter Strahlen aussenden; Fokussierungsoptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; das dispersive Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die gestreuten Strahlen empfängt, einen Teil der gestreuten Strahlen als Laserstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei der Laserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
  20. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Stufen-Kern-Lichtleitfaser mit einem Eingangsende und einem Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende, wobei die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst: (i) eine Vielzahl von nicht-koaxialen inneren Kernen, die jeweils einen ersten Brechungsindex aufweisen, (ii) einen äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner ist als der erste Brechungsindex, der die inneren Kerne umgibt und sich zwischen ihnen erstreckt, und (iii) einen Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der zweite Brechungsindex, der den äußeren Kern umgibt; Anordnen eines Werkstücks in der Nähe des Ausgangsendes der Lichtleitfaser; Richten eines Laserstrahls in das Eingangsende der Lichtleitfaser, um dadurch einen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der von dem Ausgangsende der Lichtleitfaser emittiert wird; und Bearbeitung des Werkstücks mit dem Ausgangsstrahl.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die ersten Brechungsindizes aller inneren Kerne einander gleich sind.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die ersten Brechungsindizes von mindestens zwei der inneren Kerne unterschiedlich sind.
  23. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die ersten Brechungsindizes aller inneren Kerne unterschiedlich sind.
  24. Verfahren nach Anspruch 20, wobei: der Laserstrahl ist ein Laserstrahl mit variabler Leistung und einer numerischen Apertur (NA), die sich in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls ändert; die Stufen-Kern-Lichtleitfaser hat einen äußeren Kern NA relativ zum Mantel; die NA des äußeren Kerns ist größer oder gleich der NA des Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 %; jeder innere Kern hat einen inneren Kern NA relativ zum äußeren Kern; der innere Kern NA jedes inneren Kerns kleiner ist als der äußere Kern NA; und die NA des inneren Kerns jedes inneren Kerns ist größer als die NA des Laserstrahls bei einer Leistung von 50 %.
  25. Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine Mittelachse des äußeren Kerns nicht koaxial mit einer Mittelachse eines der inneren Kerne ist.
  26. Verfahren nach Anspruch 20, wobei: der Laserstrahl einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt; und der Fleck eine erste und eine zweite seitliche Abmessung hat, die sich voneinander unterscheiden und senkrecht zueinander stehen, wobei die erste seitliche Abmessung größer ist als die zweite seitliche Abmessung.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Durchmesser des äußeren Kerns größer ist als die erste seitliche Abmessung des Flecks.
  28. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Durchmesser eines oder mehrerer der inneren Kerne größer ist als die zweite seitliche Abmessung des Flecks.
  29. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Durchmesser eines oder mehrerer der inneren Kerne kleiner ist als die erste seitliche Abmessung des Flecks.
  30. Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Durchmesser eines oder mehrerer der inneren Kerne kleiner ist als die zweite seitliche Abmessung des Flecks.
  31. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Mittelachse des Laserstrahls nicht koaxial mit der Mittelachse eines der inneren Kerne verläuft.
  32. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Mittelachse des Laserstrahls nicht koaxial mit der Mittelachse des äußeren Kerns verläuft.
  33. Verfahren nach Anspruch 20, das ferner das Emittieren des Laserstrahls von einem Strahlemitter umfasst, der Folgendes umfasst: eine oder mehrere Strahlenquellen, die eine Vielzahl von einzelnen Strahlen aussenden; Fokussierungsoptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; das dispersive Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die gestreuten Strahlen empfängt, einen Teil der gestreuten Strahlen als Laserstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei der Laserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
  34. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks unter Verwendung eines primären Laserstrahls und eines sekundären Laserstrahls, wobei eine Wellenlänge des primären Laserstrahls länger ist als eine Wellenlänge des sekundären Laserstrahls, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Stufen-Kern-Lichtleitfaser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst: (i) einen inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den äußeren Kern umgebenden Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der zweite Brechungsindex, (iv) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf den Mantel, (v) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern, und (vi) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf den Mantel; Anordnen eines Werkstücks in der Nähe des Ausgangsendes der Lichtleitfaser; während einer ersten Stufe Einkoppeln mindestens des sekundären Laserstrahls in die Lichtleitfaser, um einen ersten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der Lichtleitfaser emittiert wird und auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, wodurch Energie des ersten Ausgangsstrahls durch das Werkstück absorbiert wird; und während einer zweiten Stufe, nachdem mindestens ein Teil der Oberfläche des Werkstücks auf die Absorption von Energie des ersten Ausgangsstrahls reagiert, (i) Einkoppeln mindestens des primären Laserstrahls in die Lichtleitfaser, um einen zweiten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der Lichtleitfaser emittiert wird und auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, und (ii) Härten, wodurch eine Relativbewegung zwischen dem zweiten Ausgangsstrahl und dem Werkstück verursacht wird, wodurch das Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads geschnitten wird, der mindestens teilweise durch die Relativbewegung bestimmt wird.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei (i) der primäre Laserstrahl ein Laserstrahl mit variabler Leistung ist, der eine Laserstrahl-NA aufweist, die als Funktion der Leistung des primären Laserstrahls variiert, (ii) die äußere Kern-NA größer oder gleich der Laserstrahl-NA des primären Laserstrahls bei einer Leistung von etwa 100 % ist, (iii) die zweite innere Kern-NA kleiner oder gleich der äußeren Kern-NA ist und (iii) die zweite innere Kern-NA größer oder gleich der Laserstrahl-NA des primären Laserstrahls bei einer Leistung von 50 % ist.
  36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei (i) der sekundäre Laserstrahl ein Laserstrahl mit variabler Leistung ist, der eine Laserstrahl-NA aufweist, die als Funktion der Leistung des sekundären Laserstrahls variiert, (ii) die zweite innere Kern-NA kleiner oder gleich der äußeren Kern-NA ist, und (iii) die zweite innere Kern-NA größer oder gleich der Laserstrahl-NA des sekundären Laserstrahls bei einer Leistung von ungefähr 100 % ist.
  37. Verfahren nach Anspruch 34, wobei zumindest während der ersten Stufe der sekundäre Laserstrahl den inneren Kern überlappt, aber nicht den äußeren Kern überlappt.
  38. Verfahren nach Anspruch 34, wobei zumindest während der zweiten Stufe der primäre Laserstrahl den inneren Kern überlappt und den äußeren Kern überlappt.
  39. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der primäre Laserstrahl einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt.
  40. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der sekundäre Laserstrahl einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt.
  41. Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine Mittelachse des inneren Kerns nicht koaxial mit einer Mittelachse des äußeren Kerns ist.
  42. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der primäre Laserstrahl während der ersten Stufe nicht in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
  43. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der sekundäre Laserstrahl während der zweiten Stufe nicht in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
  44. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der primäre Laserstrahl während der ersten Stufe in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird und eine Ausgangsleistung des primären Laserstrahls während der ersten Stufe geringer ist als eine Ausgangsleistung des primären Laserstrahls während der zweiten Stufe.
  45. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der sekundäre Laserstrahl während der zweiten Stufe in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird und eine Ausgangsleistung des sekundären Laserstrahls während der zweiten Stufe geringer ist als eine Ausgangsleistung des sekundären Laserstrahls während der ersten Stufe.
  46. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Wellenlänge des primären Laserstrahls im Bereich von etwa 870 nm bis etwa 11 µm liegt.
  47. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Wellenlänge des sekundären Laserstrahls im Bereich von etwa 300 nm bis etwa 810 nm liegt.
  48. Verfahren nach Anspruch 34, wobei zumindest die Oberfläche des Werkstücks aus einem metallischen Werkstoff besteht.
  49. Verfahren nach Anspruch 34, wobei mindestens die Oberfläche des Werkstücks mindestens eines der Elemente Aluminium, Kupfer, Eisen, Stahl, Gold, Silber oder Molybdän umfasst.
  50. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem vor dem Einleiten der zweiten Stufe auf der Grundlage des Reflexionsvermögens und/oder der Temperatur der Oberfläche des Werkstücks festgestellt wird, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Werkstücks geschmolzen ist.
  51. Verfahren nach Anspruch 34, das ferner umfasst, dass während der zweiten Stufe mindestens der sekundäre Laserstrahl in die Lichtleitfaser an einem oder mehreren Punkten entlang des Bearbeitungsweges eingekoppelt wird, an denen sich (i) eine Dicke des Werkstücks ändert, (ii) eine Richtung des Bearbeitungsweges ändert und/oder (iii) eine Zusammensetzung des Werkstücks ändert.
  52. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem während der ersten Stufe und vor der zweiten Stufe ein Loch durch die Dicke des Werkstücks gebildet wird.
  53. Verfahren nach Anspruch 34, bei dem vor Beginn der zweiten Stufe kein Loch durch die Dicke des Werkstücks geformt wird.
  54. Lasersystem zur Bearbeitung eines Werkstücks, wobei das Lasersystem Folgendes umfasst: eine Stufen-Kern-Lichtleitfaser mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die Stufen-Kern-Lichtleitfaser umfasst: (i) einen inneren Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den inneren Kern umgebenden äußeren Kern mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den äußeren Kern umgebenden Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner ist als der zweite Brechungsindex, (iv) eine erste numerische Apertur (NA) des inneren Kerns in Bezug auf den Mantel, (v) eine zweite NA des inneren Kerns in Bezug auf den äußeren Kern, und (vi) eine NA des äußeren Kerns in Bezug auf den Mantel; einen primären Laseremitter, der so konfiguriert ist, dass er einen primären Laserstrahl aussendet; einen sekundären Laseremitter, der so konfiguriert ist, dass er einen sekundären Laserstrahl emittiert, wobei eine Wellenlänge des primären Laserstrahls länger ist als eine Wellenlänge des sekundären Laserstrahls; einen Kopplungsmechanismus zum Einkoppeln des primären Laserstrahls und des sekundären Laserstrahls in das Eingangsende der Lichtleitfaser; und eine computergestützte Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie: während einer ersten Stufe mindestens den sekundären Laserstrahl in die Lichtleitfaser einkoppelt, um einen ersten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der Lichtleitfaser emittiert wird und auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, wodurch die Energie des ersten Ausgangsstrahls vom Werkstück absorbiert wird, und während einer zweiten Stufe, nachdem mindestens ein Teil der Oberfläche des Werkstücks auf die Absorption von Energie des ersten Ausgangsstrahls reagiert, (i) mindestens den primären Laserstrahl in die Lichtleitfaser einkoppelt, um einen zweiten Ausgangsstrahl zu bilden, der vom Ausgangsende der Lichtleitfaser emittiert wird und auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet ist, und (ii) währenddessen eine Relativbewegung zwischen dem zweiten Ausgangsstrahl und dem Werkstück bewirken, wodurch das Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads geschnitten wird, der mindestens teilweise durch die Relativbewegung bestimmt wird.
  55. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei der Kopplungsmechanismus einen dichroitischen Spiegel und eine Fokussierungslinse umfasst.
  56. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei (i) der primäre Laserstrahl ein Laserstrahl mit variabler Leistung ist, der eine Laserstrahl-NA aufweist, die als Funktion der Leistung des primären Laserstrahls variiert, (ii) die äußere Kern-NA größer oder gleich der Laserstrahl-NA des primären Laserstrahls bei einer Leistung von ungefähr 100 % ist, (iii) die zweite innere Kern-NA kleiner oder gleich der äußeren Kern-NA ist, und (iii) die zweite innere Kern-NA größer oder gleich der Laserstrahl-NA des primären Laserstrahls bei einer Leistung von 50 % ist.
  57. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei (i) der sekundäre Laserstrahl ein Laserstrahl mit variabler Leistung ist, der eine Laserstrahl-NA aufweist, die als Funktion der Leistung des sekundären Laserstrahls variiert, (ii) die zweite innere Kern-NA kleiner oder gleich der äußeren Kern-NA ist, und (iii) die zweite innere Kern-NA größer oder gleich der Laserstrahl-NA des sekundären Laserstrahls bei einer Leistung von ungefähr 100 % ist.
  58. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung zumindest während der ersten Stufe so konfiguriert ist, dass sie den sekundären Laserstrahl so in die Lichtleitfaser einkoppelt, dass der sekundäre Laserstrahl den inneren Kern überlappt, aber nicht den äußeren Kern überlappt.
  59. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung zumindest während der zweiten Stufe so konfiguriert ist, dass sie den primären Laserstrahl so in die Lichtleitfaser einkoppelt, dass der primäre Laserstrahl den inneren Kern überlappt und den äußeren Kern überlappt.
  60. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei der primäre Laserstrahl einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt.
  61. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei der sekundäre Laserstrahl einen nicht kreisförmigen Fleck auf dem Eingangsende der Lichtleitfaser erzeugt.
  62. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Mittelachse des inneren Kerns nicht koaxial mit der Mittelachse des äußeren Kerns ist.
  63. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass der primäre Laserstrahl während der ersten Stufe nicht in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
  64. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass der sekundäre Laserstrahl während der zweiten Stufe nicht in die Lichtleitfaser eingekoppelt wird.
  65. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den primären Laserstrahl (i) während der ersten Stufe mit einer ersten Ausgangsleistung und (ii) während der zweiten Stufe mit einer zweiten Ausgangsleistung, die höher als die erste Ausgangsleistung ist, in die Lichtleitfaser einkoppelt.
  66. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie den sekundären Laserstrahl (i) während der ersten Stufe mit einer ersten Ausgangsleistung und (ii) während der zweiten Stufe mit einer zweiten Ausgangsleistung, die niedriger als die erste Ausgangsleistung ist, in die Lichtleitfaser einkoppelt.
  67. Lasersystem nach Anspruch 54, das ferner einen oder mehrere Sensoren umfasst, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie zumindest teilweise auf der Grundlage von Signalen, die von dem einen oder den mehreren Sensoren empfangen werden, feststellt, dass der mindestens eine Teil der Oberfläche des Werkstücks geschmolzen ist.
  68. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie während der zweiten Stufe zumindest den sekundären Laserstrahl in die Lichtleitfaser an einem oder mehreren Punkten entlang des Bearbeitungspfads einkoppelt, an denen sich (i) eine Dicke des Werkstücks ändert, (ii) eine Richtung des Bearbeitungspfads ändert und/oder (iii) eine Zusammensetzung des Werkstücks ändert.
  69. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie die zweite Stufe erst dann einleitet, wenn während der ersten Stufe ein Loch durch eine Dicke des Werkstücks hindurch gebildet wurde.
  70. Lasersystem nach Anspruch 54, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie die zweite Stufe einleitet, bevor während der ersten Stufe ein Loch durch eine Dicke des Werkstücks gebildet wird.
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