DE19539558C2

DE19539558C2 - Optische Übertragungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19539558C2
Application number: DE19539558A
Authority: DE
Inventors: Kazuki Kuba; Akira Ishimori; Koji Yasui; Kenji Kumamoto; Kuniaki Iwashiro
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: DE19539558A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine opti sche Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laserstrahls mit einer hohen Fokussierfähigkeit, die für die Laserstrahlbearbeitung zur industriellen Ver arbeitung, zum Zwecke medizinischer Laseranwendung und dergleichen verwendet wird.

Fig. 35 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung nach dem Stand der Technik, die in der japanischen Veröffentlichung der Anmeldung Nr. 2-55157 offenbart ist.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik nach Fig. 35 bezeichnet ein Bezugszeichen 8 eine Fokussierlinse, das Bezugszeichen 90 eine optische Faser als Wellenleiter des Laser strahls, das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Laser oszillator zum Erzeugen von Laserlicht oder eines Laserstrahls, das Bezugszeichen 70 bezeichnet das Laserlicht oder den Laserstrahl, der von dem Laseros zillator 10 gesendet wird, das Bezugszeichen 101 be zeichnet einen Linsenhalter und das Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Halter der optischen Faser.

Da die optische Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik die oben beschriebene Anordnung aufweist, wird das von dem Laseroszillator 10 gesen det Laserlicht von der Fokussierlinse 8 fokussiert und auf eine Einfallsseitenebene der optischen Faser 90 übertragen und dann in das innere der optische Faser 90 geleitet. Der Linsenhalter 101 und/oder der Halter 102 für die optische Faser sind jeweils auf bewegbaren Tischen angeordnet. Der Laserstrahl 70 kann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 90 fokussiert werden, indem die Position des beweg baren Tisches eingestellt oder verändert wird.

Um im allgemeinen den Laserstrahl 70 ohne Verluste wie Streuverluste zu übertragen, muß der Winkel θ_in des Einfalls auf die optische Faser 90 entsprechend θ_insin^-1(NA) sein, wobei NA der Eigenwert oder inhä rente Wert der optischen Faser 90 ist. Der Eigenwert der optischen Faser 90 wird als (n₀ ² - n₁ ²)^1/2 ausge drückt, wenn die Brechzahl der Mitte des Kerns der optischen Faser 90 n₀ und die Brechzahl des Mantels in der optischen Faser n₁ ist.

Wenn andererseits der Laserstrahl 70 über die opti sche Faser 90 übertragen wird, wird der Wert der Fokussierfähigkeit des Laserstrahls 70 verringert. Bei spielsweise wird dθ als ein Index der Fokussierfähig keit des Laserstrahls ausgedrückt, wenn der Durchmes ser der schmalsten Stelle des Laserstrahls d und ein Aperturwinkel des Laserstrahls 2θ beträgt. In diesem Fall wird der durch die Linse 8 hindurchgehende La serstrahl in der Gesamtheit des Kerns der optischen Faser 90 gestreut und der Durchmesser des Laser strahls von der Ausgangsseite der optischen Faser 90 gesehen entspricht ungefähr dem Durchmesser des Kerns der optischen Faser. Daher kann ein Laserstrahl mit einer großen Fokussierfähigkeit erhalten werden, wenn der Ausgangswinkel θ_out des Laserstrahls aus der opti schen Faser kleiner ist.

Es wird nun eine Ausführung für den Index der Fokus sierfähigkeit des Laserstrahls zusammengefaßt. Es gibt viele Definitionen für den Durchmesser eines Laserstrahls. Hier wird der Durchmesser eines Laser strahls als solcher bezeichnet, bei dem eine Energie von 86,5% des Laserstrahls eingeschlossen ist. Im allgemeinen wird der Laserstrahl mit der höchsten Fokussierbarkeit als Gaußstrahl TEM₀₀ (Grundmode) be zeichnet. Der Radius (oder Halbdurchmesser) des Strahles des Gaußstrahls ist ω₀, der Öffnungswinkel des Gaußstrahls ist θ und die folgende Gleichung (1) wird vorgegeben:

wobei λ die Wellenlänge des Laserstrahls ist, n die Brechzahl des Laserstrahls ist und θ₀ geeignet klei ner als π ist.

In der Luftatmosphäre wird die folgende Gleichung bei n = 1 vorgegeben:

θ₀ = λ/πωϕ₀,

wobei θ₀ = 2ω₀ den Durchmesser der schmalsten Stelle des Strahls bezeichnet.

Zusätzlich ist es allgemein bekannt, den Wert M² zu verwenden, um die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls zu bezeichnen. Wie in Fig. 36 dargestellt ist, wird der Wert von M² des Laserstrahls mit der Wellenlänge λ, dem Durchmesser ϕ₀ der schmalsten Stelle des Strahls, dem Öffnungswinkel 2θ des Strahls (durchge zogene Linie) als eine Rate des Öffnungswinkels 2θ des Strahls und des Öffnungswinkels 2θ₀ (Totalwinkel) des Gaußstrahls (gestrichelte Linie) mit der gleichen Wellenlänge ausgedrückt, nämlich θ = M²θ₀.

Daher wird, wenn der Gaußstrahl und der Laserstrahl durch die Linse 8 mit der Brennweite f gesammelt wird und dann auf die Eingangsseite der optischen Faser 90 gestrahlt wird, der Strahldurchmesser oder der Durch messer der schmalsten Stelle des Strahls an dem fo kussierten Punkt des Laserstrahls 70 zu M² mal des Gaußstrahls. Wie dadurch offensichtlich ist, hat ein Laserstrahl eine höhere Fokussierbarkeit, wenn der Wert von M² kleiner wird. Wenn andererseits der Öff nungswinkel des Laserstrahls gleich dem des Gauß strahls ist, wird der Durchmesser der schmalsten Stelle des Laserstrahls M² mal dem des Gaußstrahls. Wenn darüber hinaus der Öffnungswinkel des Laser strahls M mal dem Durchmesser der schmalsten Stelle des Gaußstrahls ist, wird der Öffnungswinkel des La serstrahls M mal dem des Gaußstrahls. Wenn die Glei chung (1) unter Verwendung von θ = M²θ₀ gelöst wird, ergibt sich M² = (πϕ₀θ)/(2λ). Somit wird ein Laser strahl mit einem kleineren Öffnungswinkel ein Strahl mit besserer Fokussierfähigkeit oder ein Strahl mit höherer Helligkeit unter der Bedingung, daß der La serstrahl den gleichen Durchmesser des Gaußstrahls aufweist, und der Laserstrahl mit einem kleineren Durchmesser an der schmalsten Stelle wird ein Strahl mit besserer Fokussierfähigkeit oder ein Strahl mit höherer Helligkeit unter der Bedingung, daß der La serstrahl den gleichen Öffnungswinkel wie der Gauß strahl hat.

Fig. 37 ist eine Kennlinie, die die Beziehung zwi schen dem Einfallswinkel θ_in in die optische Faser 90 und dem Ausgangswinkel θ_out von der optischen Faser 90 zeigt, die in der japanischen Veröffentlichung der Anmeldung Nr. 2-55157 offenbart ist wie in dem in Fig. 35 gezeigten Fall. Diese Beziehung nach Fig. 37 wird für eine Stufenindexfaser mit einer einzigen Brechzahl verwendet. Wie klar in Fig. 37 gezeigt ist, wird der Ausgangswinkel auch kleiner, wenn der Ein gangswinkel kleiner ist, so daß ein Laserstrahl mit einer guten Fokussierfähigkeit erhalten werden kann. Allerdings gibt es in dem Fall nach Fig. 37 eine niedrigere Grenze des Ausgangswinkels θ_out um 6 bis 8° herum. Dabei wird üblicherweise der Ausgangswinkel 2θ von nicht mehr als 8° einer Linse mit einer langen Brennweite in dem optischen Übertragungssystem nach dem Stand der Technik verwendet.

Da, wie oben beschrieben, die optische Übertragungs vorrichtung nach dem Stand der Technik einen Aufbau, wie in Fig. 37 gezeigt wird, aufweist, gibt es eine Grenze der Fokussierbarkeit eines Laserstrahls durch die Grenze des Ausgangswinkels θ_out, selbst wenn ein Laserstrahl mit einer besseren Fokussierbarkeit ver wendet wird.

Um die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls zu erhö hen, ist es möglich, eine optische Faser mit einem kleineren Kerndurchmesser zu verwenden. Allerdings kann die optische Faser mit einem kleineren Kern durchmesser nicht einen Laserstrahl hoher Leistung übertragen. Im Fall eines Yttrium-Aluminium-Garnet (YAG)-Lasers wird die Verwendung einer optischen Fa ser mit einem Kerndurchmesser von mehr als 0,4 mm verlangt, um einen Laserstrahl 500 W zu übertragen. Darüber hinaus wird die Verwendung einer optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von mehr als 0,6 mm verlangt, um einen Laserstrahl von mehr als 500 W zu übertragen. Wie in Fig. 35 gezeigt wird, ist der kleinste Ausgangswinkel 2θ_out des Laserstrahls unge fähr 6°, der M² Wert des Laserstrahls von der opti schen Faser mit einem Kerndurchmesser von 0,4 mm ist ungefähr 30° als kleinster Wert und der M² Wert des Laserstrahls mit einem Kerndurchmesser von 0,6 mm ist ungefähr 46°. Daher gibt es eine Grenze der Fokus sierbarkeit eines Laserstrahls von der optischen Fa ser, selbst wenn der Laserstrahl mit einer höheren Fokussierbarkeit durch eine optische Faser übertragen wird.

Obwohl im Stand der Technik es einen Standardentwurf gibt, um einen von einer optischen Faser ausgehenden Laserstrahl mit einer hohen Fokussierbarkeit zu er reichen, indem eine Stufenindexfaser verwendet wird, gibt es keine Standardkonzepte, um einen aus einer optischen Faser ausgehenden Laserstrahl mit einer höheren Fokussierbarkeit unter Verwendung einer Gra dientenfaser zu erhalten. Wie auf den Seiten 66 bis 67 des "Laser Handbook" (Laser Society of Japan, 1982, OHMSYA) beschrieben ist, ist die Gradientenfa ser in der Theorie äquivalent zu einem Zustand, bei dem eine Vielzahl von Fokussierlinsen ohne Abstand angeordnet sind. Obwohl die Fokussierbarkeit eines einfallenden Laserstrahls beibehalten werden kann, wenn ideale Fokussierlinsen verwendet werden, gibt es keinen Bericht darüber. Entsprechend dem allgemeinen Wissen wird die Fokussierfähigkeit eines Laserstrahls während der Übertragung durch eine optische Faser verringert.

Zusätzlich gibt auf den Seiten 66 bis 67 des Laser Handbook (Laser Society of Japan, 1982, OHMSYA) eine Beschreibung hinsichtlich eines Laserstrahls eines Standardmodus einer kleinen Ausgangsleistung, der für die optische Kommunikation verwendet wird, in anderen Worten gesagt, gibt es eine Beschreibung einer Analy se für einen Laserstrahl des TEM₀₀ Modus. Allerdings gibt es keine Beschreibung für einen Laserstrahl ho her Leistung, der für die Laserstrahlbearbeitung für industrielle Bearbeitungszwecke oder dergleichen ver wendet wird. Da es insbesondere üblich ist, eine Mul timodeschwingung in einem Festkörperlaser zu ver wenden, ist es nicht bekannt, einen Multimodelaser strahl durch eine optische Faser zu übertragen, wäh rend die Fokussierbarkeit des Laserstrahls beibehal ten wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine opti sche Übertragungsvorrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, eine gute oder hohe Fokussierfähigkeit (focusability) eines einfallenden Laserstrahls unter Verwendung einer Gradientenfaser beizubehalten und automatisch eine optische Achse des Laserstrahls bei oder nahe einer Einfallsseite der optischen Faser einzustellen, wobei leicht eine gute Fokussierbarkeit eines von der optischen Faser ausgehenden Laser strahls gesteuert werden soll.

In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung ist eine optische Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laser strahls vorgesehen, die umfaßt: eine optische Faser, umfassend eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser ϕ_c des Kerns der optischen Faser, einer Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser und einer Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser und an einem Umfangs abschnitt des Kerns der optischen Faser, und ein Fokussiersystem der optischen Faser, das einen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist, durch die der Laserstrahl in die optische Faser eingeführt wird oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser, wobei der Durchmesser ϕ_in des Laserstrahls an der Einfallssei tenebene der optischen Faser die folgende Beziehung aufweist: 0,5ϕ_s ≦ ϕ_in ≦ 1,5ϕ_s und ϕ_s = (ϕ_cϕ₀θ(2n₀Δn) ^-1/2)^1/2, wobei der Durchmesser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle ϕ₀ und der Öffnungswinkel des La serstrahls 2θ ist.

Zusätzlich ist in der optischen Übertragungsvorrich tung der Laserstrahl ein Multimodelaserstrahl.

Darüber hinaus ist in der oben beschriebenen opti schen Übertragungsvorrichtung der Wert πθϕ₀/λ nicht größer als 100, wenn die Wellenlänge des Laserstrahls λ ist.

Somit wird der Laserstrahl an der Einfallsseitenebene der optischen Faser, an der der Laserstrahl den maxi mal fokussierten Punkt aufweist, fokussiert und da der Laserstrahl durch die optische Faser, die als Gradientenfaser ausgebildet ist, ohne eine Änderung der Fokussierbarkeit des Laserstrahls übertragen wird, kann er durch die optische Faser ohne eine Ver schlechterung der Fokussierbarkeit des Laserstrahls übertragen werden.

Die optische Übertragungsvorrichtung umfaßt darüber hinaus eine Blende oder Apertur, die nahe der Ein fallsseitenebene der optischen Faser angeordnet ist und deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser ϕ_c des Kerns der optischen Faser und größer als der Wert ϕ_s ist.

Da somit die Position des einfallenden Laserstrahls durch die Apertur begrenzt wird, so daß eine Wirkung der Differenz aus den optischen Achsen an der Ein fallsseitenebene der optischen Faser so klein wie möglich gesetzt werden kann, kann der Laserstrahl ohne jede Verschlechterung der Fokussierbarkeit über die optische Faser übertragen werden.

Die optische Übertragungsvorrichtung umfaßt eine Apertur, die nahe der Ausgangsseitenebene der opti schen Faser angeordnet ist, aus der der Laserstrahl austritt, wobei der Durchmesser der Apertur kleiner als der Durchmesser ϕ_c des Kerns der optischen Faser und größer als der Wert ϕ_s ist.

Somit kann ein reflektierender Strahl an der Aus gangsseitenebene der optischen Faser durch die Aper tur verhindert werden, so daß der Effekt des reflek tierenden Strahls so klein wie möglich gehalten wird. Zusätzlich kann die Überwachung des Laserstrahls leicht durchgeführt werden und der Laserstrahl kann ohne jede Verschlechterung der Fokussierbarkeit über die optische Faser übertragen werden.

In der optischen Übertragungsvorrichtung umfaßt das Eintrittssystem der optischen Faser Fokussierlinsen, die zwei Fokussierlinsen oder ein Paar von Fokussier linsen umfassen.

Somit kann der Laserstrahldurchmesser an der Ein fallsseitenebene der optischen Faser leicht verändert und eingestellt werden auf der Grundlage der Eigen schaft des Laserstrahls, indem eine Position der zwei Fokussierlinsen oder des Paars von Fokussierlinsen eingestellt wird.

Bei der obigen Übertragungsvorrichtung umfassen die an oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser angeordneten Linsen eine Gradientenlinse und diese Gradientenlinse ist nahe der optischen Faser angeordnet oder mit der optischen Faser verbunden.

Somit kann der Durchmesser des Laserstrahls an der Einfallsseitenebene der optischen Faser eingestellt und entsprechend der Eigenschaft des Laserstrahls geändert werden, indem die Position der Gradientenfa ser leicht geändert wird.

Die optische Übertragungsvorrichtung umfaßt weiterhin eine Apertur oder Blende, die nahe an der Einfalls seitenebene der Gradientenlinse angeordnet ist.

Somit verhindert die nahe der Gradientenlinse ange ordnete Apertur eine unnötige Bestrahlung auf die Gradientenlinse und einen Umfangsabschnitt der Ein fallsseitenebene der optischen Faser durch den Laser strahl, so daß der Laserstrahl ohne jede Verschlech terung der Fokussierbarkeit über die optische Faser übertragen werden kann.

Die optische Übertragungsvorrichtung umfaßt weiterhin eine Überwachungsvorrichtung des einfallenden Laser strahls zum Messen einer Größe des einfallenden La serstrahls an der Einfallsseitenebene der optischen Faser und eine Bewegungsvorrichtung, auf der das Ein fallssystem der optischen Faser angeordnet ist, um das Einfallssystem für die optische Faser zu bewegen, wobei die Position des Einfallssystems der optischen Faser auf der Grundlage des von der Überwachungsvor richtung für den Einfallsstrahl übertragenen Aus gangssignals eingestellt wird.

Somit kann die Position der Fokussierlinse einge stellt und in die am besten geeignete Position durch die Bewegungsvorrichtung geändert werden, während die Überwachungsvorrichtung für den einfallenden Laser strahl die Position und den Durchmesser des Laser strahls an der Einfallsseitenebene der optischen Fa ser überwacht.

Die optische Übertragungsvorrichtung umfaßt weiterhin eine Überwachungsvorrichtung für den ausgehenden La serstrahl zum Messen einer Größe des aus der Aus gangsseitenebene der optischen Faser austretenden Laserstrahls und eine Bewegungsvorrichtung, auf der das Einfallssystem der optischen Faser befestigt ist, um das Einfallssystem der optischen Faser zu bewegen, wobei die Position des Einfallssystems für die opti sche Faser auf der Grundlage des von der Überwa chungsvorrichtung für den austretenden Strahl über tragenen Ausgangssignals eingestellt wird.

Somit können die Eigenschaften der Fokussierbarkeit des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls durch die Überwachungsvorrichtung überwacht werden und die Position der Fokussierlinse wird in die ge eignetste Position für die Fokussierbarkeit des aus tretenden Laserstrahls durch die Bewegungsvorrichtung eingestellt und geändert.

In der optischen Übertragungsvorrichtung umfaßt die Überwachungsvorrichtung für den austretenden Laser strahl einen Strahlungssensor, wobei eine Apertur nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser an geordnet ist und eine Position des Einfallssystems für die optische Faser wird eingestellt, so daß die Ausgangsleistung des Laserstrahls, die von dem Strahlungssensor detektiert wird, einen maximalen Wert annimmt.

Somit überwacht der Strahlungssensor den aus der op tischen Faser austretenden Laserstrahl, so daß der austretende Laserstrahl die maximale Strahlungslei stung aufweist durch eine Kombination des Strahlungs sensors und der Apertur, die beispielsweise an der Einfallsseitenebene der optischen Faser angeordnet ist.

In der optischen Übertragungsvorrichtung umfaßt die Überwachsungsvorrichtung für den austretenden Laser strahl eine Photodiode, die an einem Punkt angeordnet ist, der zu der optischen Achse der Ausgangsseiten ebene der optischen Faser verschoben ist, und die Position des Einfallssystems für die optische Faser wird so eingestellt, daß das Ausgangssignal der Pho todiode einen minimalen Wert annimmt.

Dabei kann die Position der Fokussierlinse einge stellt und verändert werden, indem das Ausgangssignal von der Photodiode, die an einem Punkt angeordnet ist, der zur optischen Achse der Ausgangsseitenebene der optischen Faser verschoben ist, so daß das Aus gangssignal von der Photodiode einen minimalen Wert annimmt.

In der optischen Übertragungsvorrichtung umfaßt die Überwachungsvorrichtung für den austretenden Laser strahl eine Apertur, die an der Ausgangsseite der optischer Faser angeordnet ist, und einen Sensor zum Erfassen eines Laserstrahls, der durch die Apertur hindurchgeleitet wird, wobei eine Position des Ein fallssystems der optischen Faser so eingestellt wird, daß die Strahlungsleistung des Laserstrahls durch die Apertur maximal wird.

Somit kann die Position der Fokussierlinse durch Überwachen des Laserstrahls durch die Apertur, die an der Ausgangsseite der optischen Faser angeordnet ist, über die Verwendung eines Strahlungssensors einge stellt und verändert werden, derart, daß das Aus gangssignal des Strahlungssensors maximal ist.

Fig. 1 zeigt einen Aufbau der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung.

Fig. 2 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Ausbreitungszustände eines Laser strahls in einer Gradientenfaser zeigt.

Fig. 3 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Durchmesser der Einfallsseite und der Fokussierbarkeit eines ausgehenden Laserstrahls in ei ner Gradientenfaser zeigt.

Fig. 4 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem zwei ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 5 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem drit ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 6 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem vier ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 7 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem fünf ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 8 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem sech sten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung.

Fig. 9 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem sie benten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung.

Fig. 10 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem ach ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 11 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem neun ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 12 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem zehn ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 13 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem elf ten Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung.

Fig. 14 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem zwölften Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung.

Fig. 15 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem drei zehnten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung.

Fig. 16 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem vier zehnten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung.

Fig. 17 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem fünf zehnten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung.

Fig. 18 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Verschie bungsdifferenz eines Laserstrahls an der Einfallsseite einer Gradientenfa ser und der Fokussierbarkeit eines aus der optischen Faser austretenden La serstrahls zeigt.

Fig. 19 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach einem sechzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 20 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörperlaservorrich tung nach einem siebzehnten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 21 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörperlaservorrichtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem achzehnten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 22 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörperlaservorrich tung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem neunzehnten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 23 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörperlaservorrich tung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem zwanzigsten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 24 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörperlaservorrich tung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem einundzwanzigsten Aus führungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 25 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörperlaservorrich tung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 26 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus einer Festkörperlaservorrich tung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem dreiundzwanzigsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 27 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem M² Wert eines austretenden Laserstrahls und eines eintretenden Laserstrahls in der Fest körperlaservorrichtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach dem drei undzwanzigsten Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 26 der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 28A und 28B sind Darstellungen des Aufbaus einer Festkörperlaservorrichtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 29A und 29B sind Darstellungen des Aufbaus einer Festkörperlaservorrichtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem fünfundzwanzigsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 30A und 30B sind Darstellungen des Aufbaus einer Festkörperlaservorrichtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem sechsundzwanzigsten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 31 ist eine Querschnittsansicht, die ei nen Aufbau einer Laserbearbeitungsvor richtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem siebenundzwanzig sten Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung zeigt.

Fig. 32 ist eine Querschnittsansicht, die ei nen Aufbau einer Laserbearbeitungsvor richtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem achtundzwanzigsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 33 ist eine Querschnittsansicht, die ei nen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem neunundzwanzigsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 34 ist eine Querschnittsansicht, die ei nen Aufbau einer Laserbearbeitungsvor richtung mit der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem dreißigsten Aus führungsbeispiel der vorliegenden Er findung zeigt.

Fig. 35 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertragungsvorrichtung nach dem Stand der Technik.

Fig. 36 ist ein erläuterndes Programm zum Er klären eines Fokussierbarkeitsindex des Laserstrahls.

Fig. 37 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel und dem Ausgangswinkel einer Stufen indexfaser zeigt.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 ist eine Darstellung des Aufbaus einer opti schen Übertragungsvorrichtung 100 als Ausführungsbei spiel 1 nach der vorliegenden Erfindung.

Da in der optischen Übertragungsvorrichtung 100 nach Fig. 1 die Bezugszeichen 8, 10, 70, 101 und 102 die gleichen Bauteile in ihrem Aufbau und ihrer Funktion sind, wie diejenigen, die in der optischen Übertra gungsvorrichtung nach dem Stand der Technik nach Fig. 35 sind, werden die gleichen Bezugszeichen 8, 10, 70, 101 und 102 für diese Bauteile verwendet und es wird ihre Beschreibung weggelassen.

Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Gradientenfaser mit einem Kern, dessen Brechzahlverlauf ungefähr ei nen quadratischen Verlauf aufweist. Der fokussierende Linsenhalter 101 umfaßt eine kreuzbewegbare Stufe, die eine bewegbare Stufe, die in der Richtung der optischen Achse einer optischen Faser bewegbar ist und eine optische Stufe aufweist, die in die Richtung des Radius der optischen Faser durch Handbetrieb oder manuellen Betrieb bewegbar ist.

Wie in dem Stand der Technik dieser Anmeldung be schrieben ist, wird bei dem Übertragungssystem nach Fig. 35 der Einfallswinkel θ_in von nicht mehr als 8° des Laserstrahls unter der Bedingung verwendet, bei der eine Linse mit einer langen Brennweite als Fokus sierlinse verwendet wird. Andererseits wird bei der optischen Übertragungsvorrichtung 100 dieses Ausfüh rungsbeispiel 1 die Brennweite und die Position der Fokussierlinse 8 festgelegt, damit die folgenden Be dingungen erfüllt werden.

Es gibt den kleinsten Brennpunkt auf der Einfallssei te oder einem Punkt nahe der Einfallsseite der opti schen Faser 9 und der Durchmesser ϕ_in der optischen Faser 9 ist:

0,5ϕ_s ≦ ϕ_in ≦ 1,5ϕ_s,

wobei ϕ_s = (ϕ_cϕ₀θ(2n₀Δn)^-1/2)^1/2, ϕ_cϕ₀θ und Δn ein Kern durchmesser der optischen Faser 9, eine Brechzahl an der Mitte des Kerns der optischen Faser 9, die Diffe renz der Brechzahlen des Kerns und des Überzugs der optischen Faser 9 sind, und ϕ₀, θ jeweils der Durch messer des Laserstrahls 70, der von einem Laserresonator 10 erzeugt wird, und der Öffnungswinkel (ein halber Winkel) des Laserstrahls 70 sind. Zusätzlich ist in der optischen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels 1 eine Strahlschweifung (schmal ste Stelle) des Laserstrahls 70 nahe der Ausgangssei te des Laseroszillators 10 vorgesehen, an der der Laserstrahl 70 emittiert wird.

Als nächstes wird die Funktionsweise der optischen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels 1, wie es oben beschrieben wurde, erläutert.

Der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 wird durch die Fokussierlinse 8, dessen Position durch den Fokussierlinsenhalter 101 eingestellt wird, um den Laserstrahl 70 in die Mitte der Eingangssei tenebene der optischen Faser 9 zu strahlen, indem die Position des Fokussierlinsenhalters 101 eingestellt wird.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Ausbreitungszustände des Laserstrahls in der optischen Faser 9 zeigt. Wie besonders in Fig. 2 gezeigt wird, wird der Laser strahl 70 zuerst in einen kleineren Durchmesser als ein Einfallsdurchmesser an der Einfallsseitenebene fokussiert und dann durch die optische Faser 9 hin durchgegeben, während eine divergierende Ausbreitung und eine fokussierte Ausbreitung in der optischen Faser 9 wiederholt wird, wenn der Laserstrahl 70 durch die Fokussierlinse 8 fokussiert wird, so daß der Laserstrahl 70 auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser gestrahlt wird, bei der der Laser strahl 70 den kleinsten fokussierten Punkt aufweist und, wie im Fall (c) in Fig. 2 gezeigt wird, wenn der Durchmesser ϕ_in des Laserstrahls 70 größer als der vorbestimmte Wert ϕ_s, nämlich ϕ_in << ϕ_s ist.

Andererseits wird, wie in dem Fall (c) in Fig. 2 ge zeigt wird, der Laserstrahl 70 zuerst in der opti schen Faser 9 abgelenkt und dann durch die optische Faser 9 übertragen, während die divergierende Aus breitung und die fokussierte Ausbreitung in der opti schen Faser 9 wiederholt wird, wenn der Durchmesser ϕ_n des Laserstrahls 70 kleiner als der vorbestimmte Wert ϕ_s, nämlich ϕ_in << ϕ_s ist.

Im Gegensatz zu der Ausbreitung in den Fällen (a) und (c) in Fig. 2 geht der Laserstrahl 70 durch die opti sche Fasr 9 ohne jede Änderung des Laserstrahldurch messers, wenn der Durchmesser ϕ_in des Laserstrahls 70 ungefähr gleich dem vorbestimmten Wert ϕ_s, insbeson dere ϕ_in = ϕ_in = ϕ_s ist, wie in dem Fall (b) in Fig. 2 gezeigt wird.

Wenn berücksichtigt wird, daß die Gradientenfaser in der Theorie äquivalent zu einem Zustand ist, bei dem eine Vielzahl von idealen Fokussierlinsen ohne Ab stand zueinander angeordnet ist, kann die Fokussier barkeit des einfallenden Laserstrahls beibehalten werden. Allerdings wird vorausgesagt, daß die Fokus sierbarkeit des Laserstrahls 70 in der optischen Fa ser 9 in den Fällen (a) und (c) verringert wird, wie in Fig. 2 gezeigt wird, da eine Aberrationskomponente der optischen Faser 9 als eine Linse und eine Streu komponente des Laserstrahls 70 vorhanden sind.

Zusätzlich wird verlangt, das Brechen der optischen Faser 9 zu berücksichtigen, wenn die Hochleistungsübertragung durch die optische Faser 9 durchgeführt wird. In diesem Fall gibt es ein Problem hinsichtlich des Widerstandes gegen die Übertragung eines Laser strahls hoher Leistung, bei der es einen fokussierten Punkte in der optischen Faser 9 gibt.

Bei der obigen Betrachtung kann geschlossen werden, daß der Laserstrahlübertragungszustand, der im Fall (b) in Fig. 2 gezeigt wird, der vorteilhafteste Über tragungszustand der Fälle (a), (b) und (c) aus Fig. 2 ist.

Wie insbesondere auf den Seiten 66 und 67 des Laser Handbook (Laser Society of Japan, 1982, OHMSYA) be schrieben wird, ist es allgemein bekannt, daß der Wert ϕ_s für einen Laserstrahl eines Grundmodus (oder TEM₀₀ Modus) mit einem Laserstrahl niedriger Lei stung, der üblicherweise für die optische Kommunika tion verwendet wird, durch ein analytisches Verfahren erhalten werden kann.

Obwohl im allgemeinen ein Laserstrahl hoher Leistung, insbesondere ein durch eine Festkörperlaservorrich tung erzeugter, für die industrielle Bearbeitung ver wendeter Laserstrahl ein Multimodelaserstrahl ist, gibt es jedoch keine Berichte der Techniken für eine optische Kommunikation unter Verwendung eines Multi modelaserstrahls, wobei der Zustand der hohen Fokus sierbarkeit des Multimodelaserstrahls beibehalten wird.

Es wurde die optische Kommunikation mit der hohen Fokussierbarkeit des Laserstrahls hoher Leistung stu diert und das Verfahren entwickelt, um den Wert ϕ_s des Laserstrahls unter Verwendung des oben beschriebenen Wertes M² zu erhalten und um die analytische Gleichung zu finden, mit dem Ziel, den Wert ϕ_s durch Verwendung des Durchmessers der schmalsten Stelle des Laserstrahls und den Öffnungswinkel des Laserstrahls zu erhalten.

Zuerst wird die folgende Näherung durchgeführt, um einen Laserstrahl zu berechnen, dessen Fokussierbar keit durch den Wert M² ausgedrückt wird wie die Be rechnung für den Lasermodus TEM₀₀. In diesem Fall wird der Laserstrahl mit dem Durchmesser verwendet, bei dem die Energie von 86,5% des Laserstrahls kon zentriert ist.

Wenn der Laserstrahl-Öffnungswinkel θ durch die Funk tion θ(λ₁, m²) der Wellenlänge λ des Laserstrahls und des Wertes M² ausgedrückt wird, wird die folgende Gleichung erhalten:

θ(λ₁, M²) = M² . θ(λ₁, 1).

Wenn andererseits zwei Gaußstrahlen, deren Wellenlän ge unterschiedlich zueinander sind, in dem gleichen Durchmesser konzentriert werden, wird die folgende Gleichung erhalten, da der Öffnungswinkel des Laser strahls proportional der Wellenlänge dieses Laser strahls ist:

θ(λ₂, 1) = (λ₂/λ₁) . θ(λ₁, 1).

Es wird θ(λ₁, M²) = (λ₁, λ₁) erhalten, wenn λ₂ = M² . λ₁ ist.

Dabei kann die Operation des Laserstrahls, dessen Fokussierbarkeit durch den Wert M² definiert ist, ungefähr mit dem Gaußstrahl ausgedrückt werden, des sen Wellenlänge durch den Wert M² . λ₁ ersetzt ist.

Unter Verwendung der oben beschriebenen Näherung wird der Wert ϕ_s für den Laserstrahl erhalten, dessen Fo kussierbarkeit durch den M² Wert ausgedrückt wird.

Wenn in der folgenden Operation der Wert M² 1 ist (M² = 1), ist ϕ_s des Laserstrahls gleich dem des Gaußstrahls. Die Gradientenfaser weist eine Vertei lung der quadratischen Brechzahl auf. Wie beispiels weise in der Literatur "Optical Electronics", Seite 42, A. Yariv, Saunder College Publishing, Harcourt Brace Jovanovich College Publishers, vierte Edition, be schrieben ist, wird die Brechzahl der optischen Faser durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:

wobei n(r) eine Brechzahl bei einer Position r von der Mitte des Kerns der optischen Faser bezeichnet, n₀ ist die Brechzahl in der Mitte des Kerns der opti schen Faser, k = 2πn/λ₀ ist die Wellenlänge des Laser strahls, k₂ ist ein konstanter Wert entsprechend der Verteilung der Brechzahlen in der optischen Faser.

Die folgende Matrix für das optische Licht in der Gradientenfaser wird erhalten:

Es ist allgemein bekannt, daß die Ausbreitung des Gauß-Laserstrahls unter Verwendung des Index q und der Matrix des optischen Lichts entsprechend Glei chung (3) ausgedrückt werden kann. Wenn eine Krümmung des Gauß-Laserstrahls R ist, ist der Radius des Gauß- Laserstrahls ω, die Wellenlänge des Gauß-Laserstrahls λ und die Brechzahl der optischen Faser n ist, kann die folgende Beziehung (4) ausgedrückt werden:

Wenn berücksichtigt wird, daß die Gleichung (4) für eine Multimodelaserstrahl durch die Verwendung der oben beschriebenen Näherung erweitert wird, wird die folgende Gleichung (5) erhalten:

Um in diesem Fall die Bedingung zu erhalten, daß der Durchmesser eines Laserstrahls in der Gradientenfaser nicht geändert wird, wird verlangt, daß eine ebene Welle des Laserstrahls in die Einfallsseitenebene der Gradientenfaser mit einer vorgegebenen Länge ge strahlt wird, und die Bedingung, daß die ebene Welle des Laserstrahls mit dem Laserstrahldurchmesser der Einfallsseitenebene an der Ausgangsseitenebene der optischen Faser erzielt werden kann, erhalten wird.

Da bei der ebenen Welle R = ∞, nämlich 1/R = 0 ist, kann nur der zweite Teil der rechten Komponente der Gleichung (5) berücksichtigt werden. Wenn ein einfal lender Laserstrahl und ein ausfallender Laserstrahl in einem optischen System mit q₁ und q₂ bezeichnet werden, wird die folgende Gleichung (6) erhalten:

Wenn somit die Gleichung (6) für den Wert ω_s unter der Bedingung q₁ = q₂ = -i(πnω_s ²/M²λ) gelöst wird, kann das folgende Ergebnis (7) erhalten werden:

Wenn der Kerndurchmesser der Gradientenfaser ϕ_s ist und die Differenz der Brechzahlen der Mitte des Kerns und des Seitenabschnitts des Kerns in der Gradienten faser Δn ist, wird die folgende Gleichung (8) erhal ten:

Die obige Gleichung (8) wird in die Gleichung (7) für ω_s eingesetzt und wenn n = n₀ ist, wird die folgende Gleichung (9) erhalten:

Somit wird ϕ_s = 2ω_s für die Multimodelaserstrahl durch die folgende Gleichung (10) gegeben:

Durch die oben beschriebene Diskussion kann ein Stan dardeinfallsdurchmesser ϕ_s des Laserstrahls für eine hoch fokussierte Faserübertragung erhalten werden.

Als nächstes wird die Gleichung ϕ_s als der Index zur Fokussierung eines normalen oder eines üblichen La serstrahls auf der Grundlage des Durchmessers des Strahls an der schmalsten Stelle ϕ₀ und des Öffnungs winkels θ des Laserstrahls erklärt. Wie oben be schrieben wurde, gibt es eine Beziehung M² = πϕ₀θ/ 2λ zwischen dem Laserstrahlöffnungswinkel θ und dem Wert M². Wenn diese Beziehung in die Gleichung ϕ_s eingefügt wird, wird die folgende Gleichung (11) ge geben durch:

Dabei kann der Wert ϕ_s als der Standardeinfallsdurch messer der optischen Faser für den Laserstrahl erhal ten werden, dessen Fokussierbarkeit mit dem Durchmes ser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle und dem Laserstrahlöffnungswinkel bei der hoch fokussierten optischen Faserübertragung ausgedrückt werden.

Im folgenden wird ein Beispiel erläutert, wie der Wert ϕ_s erhalten wird.

Wenn beispielsweise der Nd:YAG Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ = 1,064 µm durch eine Gradientenfaser mit n₀ = 1,473, Δn = 0,021 und dem Kerndurchmesser von 400 µm hindurchgeht, wird der Wert ϕ_s 148 µm. In diesem Fall wird der Einfallswinkel 2θ_in des Laser strahls in die optische Faser ungefähr 10,5°.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die experimentellen Er gebnisse für den gemessenen M² Wert (M² _out) des austre tenden Laserstrahls entsprechend der Änderung der Brennweite der Fokussierlinse 8 zeigt, wobei der La serstrahl 70 an der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 fokussiert wird, derart, daß an der Einfalls seitenebene der optischen Faser 9 der Laserstrahl den kleinsten fokussierten Punkt des Laserstrahls auf weist.

In dem experimentellen Ergebnis nach Fig. 3 ist der Durchmesser ϕ_s des Einfallslaserstrahls proportional zu dem reziproken Wert des Einfallswinkels 2θ_in.

Wie offensichtlich in Fig. 3 gezeigt wird, kann die höchste Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten werden, da der Wert M² _out des austretenden Laserstrahls ungefähr gleich dem Wert M² _in des einfallenden Laserstrahls wird, wenn der Durchmesser des einfal lenden Laserstrahls ungefähr gleich dem Wert ϕ_s ge setzt wird.

Andererseits wird die Fokussierbarkeit des austreten den Laserstrahls verringert, wenn der Einfallswinkel 2θ_in, nicht größer als 8° ist, indem der Laserstrahl und die optische Faser 90 bei der optischen Übertra gungsvorrichtung nach dem Stand der Technik entspre chend Fig. 35 verwendet wird. Dieser Zustand ist of fensichtlich unterschiedlich zu dem Merkmal des ein fallenden/austretenden Laserstrahls unter Verwendung der idealen Stufenindexfaser, wie in Fig. 35 be schrieben wurde.

Zusätzlich zeigt Fig. 3 klar, daß sie durchgeführt werden kann, um einen Laserstrahl ohne Verschlechte rung der Fokussierbarkeit des einfallenden Laser strahls zu senden, wenn der Durchmesser ϕ_in des ein fallenden Laserstrahls im Bereich von ϕ_s ± 50% liegt (0,5 ≦ ϕ_in ≦ 1,5ϕ_s).

Zusätzlich ist es nun klargelegt worden, daß die Fo kussierbarkeit des austretenden Laserstrahls ver schlechtert wird, wenn der Fokussierpunkt des Laser strahls von der Mitte des Kerns der optischen Faser verschoben wird, der Öffnungswinkel θ_out (ein Halbwin kel) des austretenden Laserstrahls wird klein, wenn die Fokussierbarkeit des von der Gradientenfaser aus tretenden Laserstrahls hoch ist und der Öffnungswin kel θ_out (Halbwinkel) proportional zum Wert

ist.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 100 nach dem Ausführungsbeispiel 1, das in Fig. 1 dargestellt ist, liegt der schmalste Fokussierpunkt nahe der Sei teneinfallsebene der optischen Faser, wobei die Posi tion der Fokussierlinse 8 so gesetzt ist, daß der Durchmesser des schmalsten fokussierten Punkts im Bereich von ϕ_s ± 50% liegt. Wie klar in der obigen Abhandlung gezeigt wird, kann der Laserstrahl durch die optische Faser 9 übertragen werden, während die hohe Fokussierbarkeit des Laserstrahls aufrechterhal ten wird. Somit kann der Laserstrahl mit einer höhe ren Fokussierbarkeit, der in einem Laseroszillator erzeugt wird, von der optischen Faser 9 erhalten wer den, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls aufrechterhalten wird.

Die optische Übertragungsvorrichtung 100 des Ausfüh rungsbeispiels 1, das den Aufbau nach Fig. 1 auf weist, kann für die Übertragung eines Multimodelaser strahls von M² < 50, insbesondere M² < 40 zusätzlich zu der Übertragung des Gaußschen Laserstrahls ange wandt werden, während die Fokussierbarkeit des Laser strahls beibehalten wird. In anderen Worten gesagt, kann die optische Übertragungsvorrichtung 100 für die Übertragung eines Laserstrahls mit πϕ₀θ/λ kleiner als 100, insbesondere nicht größter als 80 auf der Grund lage der Beziehung von M² = πϕ₀θ/2λ angewandt werden.

Zusätzlich ist in der optischen Übertragungsvorrich tung 100 des Ausführungsbeispiels 1 eine schmalste Stelle des Laserstrahls 70 nahe der Ausgangsseite des Laseroszillators 10 vorgesehen. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt wird, kann der Wert ϕ_s und die Brenn weite f_s für ϕ_s leicht erhalten werden, wenn der Durchmesser der schmalsten Stelle ϕ₁ des Laserstrahls und der Öffnungswinkel θ₁ des Laserstrahls gemessen werden. Insbesondere wird durch Verwendung der Eigen schaften, daß das Produkt des Durchmessers des Laser strahls und des Öffnungswinkels des Laserstrahls ei nen konstanten Wert während der Übertragung durch das optische Linsensystem einnimmt, zuerst der Wert ϕ_s durch die Verwendung der Beziehung ϕ₁θ₁ = ϕ₀θ erhalten und unter Verwendung von ϕ = 2f_θ wird erhalten:

f_s = f₁ϕ_s/ϕ₁.

Wenn zusätzlich die schmalste Stelle des Laserstrahls in dem Laseroszillator 10 liegt, wird ein Berech nungsfehler des Brennpunktes f_s klein unter Verwen dung des Durchmessers des Laserstrahls an der Aus gangsseite des Laseroszillators 10, solange als der Öffnungswinkel des Laserstrahls nicht extrem größer ist. Daher kann es annehmbar sein, den Brennpunkt unter Verwendung des Durchmessers und des Öffnungs winkels des Laserstrahls, wie in einem Katalog be schrieben, zu berechnen.

Zusätzlich wird bei der optischen Übertragungsvor richtung 100 des Ausführungsbeispiels 1 die Kombina tion des bewegbaren Tisches zu der Z-Achse und des quer bewegbaren Tisches verwendet, jedoch kann es annehmbar sein, einen Halter zu verwenden, der eine andere Ausbildung aufweist, die in der Lage ist, die Position der optischen Linse einzustellen.

Darüber hinaus ist bei optischen Übertragungsvorrich tung 100 des Ausführungsbeispiels 1 der Fokussierlin senhalter 101 in der Lage, die Stellung der Fokus sierlinse einzustellen, jedoch kann es annehmbar sein, daß der Halter 102 an der Einfallsseite der optischen Faser die gleiche Einstellfunktion auf weist.

Darüber hinaus kann bei der optischen Übertragungs vorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels 1 die Fokus sierlinse 8 den Laserstrahl 70 fokussieren, um den Laserstrahl 70 auf den oder nahe den schmalsten fo kussierten Punkt auf der Einfallsseitenebene der op tischen Faser 9 zu bestrahlen und der Durchmesser des Laserstrahls 70 weist einen vorbestimmten Wert an dem schmalsten fokussierten Punkt auf, jedoch kann ein Spiegel anstelle der Fokussierlinse 8 verwendet wer den.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 4 ist eine Darstellung eines Aufbaus einer opti schen Übertragungsvorrichtung 200 des zweiten Ausfüh rungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungvorrichtung 200 nach Fig. 2 sind die Bauteile, die die gleichen Bauteile wie in der optischen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausfüh rungsbeispiels 1 nach Fig. 1 sind, hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion mit den gleichen Bezugs zeichen versehen und ihre Erklärung wird hier wegge lassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 200 nach Fig. 4 bezeichnet ein Bezugszeichen eine Apertur, deren Öffnungswinkel größer als der Wert ϕ_s und klei ner als der Durchmesser ϕ_c des Kerns der optischen Faser ist. Zusätzlich ist die Mittenposition der Öff nung der Apertur 11 ungefähr gleich der Mittenposition des Kerns der optischen Faser 9. Die Apertur 11 ist nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 angeordnet.

Obwohl der Aufbau des Fokussierlinsenhalters 101 kurz in Fig. 4 gezeigt wird, wie der Fokussierlinsenhalter 101 in der optischen Übertragungsvorrichtung 100 nach Fig. 1, weist der Aufbau des Fokussierlinsenhalters 101 im Ausführungsbeispiel 2 auch die Kombination des bewegbaren Tisches, zu dessen Bewegung zur optischen Achsenrichtung hin durch Hand und einen quer beweg baren Tisch zu seiner Bewegung in die Durchmesser richtung der optischen Faser 9 auf.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 200 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Strahlstelle und dem Öffnungswinkel θ des Laserstrahls an die Fo kussierlinse 8 und die Apertur 11 geliefert und zu dem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in im Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und auf die Einfallssei tenebene der optischen Faser 9 bestrahlt. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 9 hindurch gegeben, während die Fokussierbarkeit des Laser strahls erhalten bleibt und dann auf die Ausgangssei te der optischen Faser 9 übertragen.

In diesem Fall wird der Laserstrahl, der von der Mit te der optischen Faser 9 verschoben ist, von der Apertur 11 abgefangen.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 200 des Ausführungsbeispiels 2 nach Fig. 4 kann, selbst wenn der Laserstrahl 9 auf einen anderen Punkt gestrahlt wird, der unterschiedlich zu der Mitte der optischen Faser 9 während der Einstelloperation der optischen Achse ist, die Apertur 11 verhindern, daß der Laser strahl auf den Mantel der optischen Faser und auf ein Dichtungsteil der optischen Faser gestrahlt wird.

Wenn zusätzlich verschiedene Arten von Fehlern be wirkt werden, wie ein Bestrahlungspositionsfehler, bei dem die Bestrahlungsposition des Laserstrahls unterschiedlich zu der Mitte der optischen Faser 9 ist, und ein Entfernungsfehler, bei dem die Entfer nung zwischen der Fokussierlinse 8 und der Einfalls seitenebene der optischen Faser 9 von einer vorbe stimmten geeigneten Entfernung verschoben wird, so wird das Ausgangssignal des Laserstrahls verringert, da der Laserstrahl auf die Apertur 11 gestrahlt wird. In diesem Fall kann die Position der Fokussierlinse 8 leicht durch Überwachen der Leistung des Laserstrahls eingestellt werden, indem der Leistungsmesser verwen det wird, der an der Ausgangsseite der optischen Fa ser angeordnet ist.

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 5 ist eine Darstellung des Aufbaus einer opti schen Übertragungsvorrichtung 300 des Ausführungsbei spiels 3 nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 300 nach Fig. 5 werden Bauteile, die die gleichen Bauteile sind, wie die, die bei der optischen Übertragungsvor richtung 100 des Ausführungsbeispiels 1 im Aufbau und Funktion sind, mit den gleichen Bezugszeichen be zeichnet und ihre Beschreibung wird hier ausgelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 300 nach Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 12 eine Apertur, dessen Öffnungsdurchmesser größer als der Wert ϕ_s und kleiner als der Durchmesser des Kerns der optische Faser 9 ist. Zusätzlich ist die Mitte der Öffnung der Apertur 12 ungefähr gleich der Mitte des Kerns der optischen Faser 9. Die Apertur 12 ist nahe der Aus gangsseite der optischen Faser 9 angeordnet.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 300 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit einem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ zu der Fokussierlinse 8 gesendet und zu dem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in in einem Bereich von ϕ_s± 50% ist und der auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt wird. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 9 gesendet, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt und durch die Apertur 12 und dann auf die Ausgangsseite der optischen Faser 9 übertragen wird.

Wenn bei der optischen Übertragungsvorrichtung 300 des Ausführungsbeispiels 3 nach Fig. 5 der aus der optischen Faser 9 austretende Laserstrahl zur Verar beitung einer Zielarbeit verwendet wird, beispiels weise, selbst wenn der Laserstrahl durch die Zielar beit reflektiert und dann auf die optische Faser 9 gestrahlt wird, verhindert die Apertur 12 eine Be schädigung der optischen Faser 9 durch den von dem Zielwerkstück reflektierten Laserstrahl.

Wenn zusätzlich verschiedene Arten von Fehlern be wirkt werden, wie ein Bestrahlungspositionsfehler, bei dem die Bestrahlungsposition des Laserstrahls sich von der Mitte der optischen Faser 9 unterschei det, und ein Distanzfehler, bei dem die Distanz zwi schen der Fokussierlinse 8 und der Einfallsseitenebe ne der optischen Faser 9 zu einer vorbestimmten ge eigneten Entfernung verschoben ist, wird das Aus gangssignal des Laserstrahls durch die Apertur 12 verringert, da der Öffnungswinkel des Laserstrahls größer wird und ein Teil des Laserstrahls wird auch auf die Apertur 12 gestrahlt. In diesem Fall wird ein Leistungsmesser nahe an der Ausgangsseite der Apertur 12 angeordnet, um die Leistung des Laserstrahls durch die Apertur 12 zu überwachen, so daß die Position der Fokussierlinse 8 leicht eingestellt werden kann, in dem das Ausgangssignal des Leistungsmessers verwendet wird.

Ausführungsbeispiel 4

Fig. 6 zeigt den Aufbau einer optischen Übertragungs vorrichtung 400 des vierten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 400 nach Fig. 6 werden Bauteile, die die gleichen sind wie die bei der optischen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels 1 nach Fig. 1 hinsichtlich des Aufbaus und der Funktion, mit den gleichen Bezugszei chen versehen und ihre Erklärung wird daher hier weg gelassen.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 400 nach Fig. 6 bezeichnen die Bezugszeichen 81 und 82 jeweils eine Fokussierlinse und 101 ein Fokussierlinsenhal ter, auf dem die jeweiligen Fokussierlinsen angeord net sind.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 400 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ emittierte Laserstrahl 70 zu den Fokussierlinsen 81 und 82 übertragen und in den La serstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in in einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und der auf die Eingangs ebene der optischen Faser gestrahlt wird. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 9 hindurch gesandt, während die Fokussierbarkeit des Laser strahls erhalten bleibt und wird dann zu der Aus gangsseite der optischen Faser 9 übertragen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 400 des Aus führungsbeispiels 4 kann der Durchmesser des Laser strahls 70 an der Einfallsseitenebene der optischen Faser leicht durch Ändern der Entfernung zwischen den zwei Fokussierlinsen 81 und 82 geändert werden. Somit können die Fokussierlinsen 81 und 82 in der optischen Übertragungsvorrichtung 400 unter Verwendung von vor handenen Linsen bei niedrigen Kosten hergestellt wer den.

Zusätzlich kann durch die optische Übertragungsvor richtung 400, selbst wenn der Durchmesser der schmal sten Stelle des von dem Laseroszillator 10 emittier ten Laserstrahls die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls und der Öffnungswinkel des Laser strahls geändert werden, der Durchmesser ϕ_in des La serstrahls über einen Bereich von ϕ_s ± 50% einfach erhalten werden.

Zusätzlich sind die Fokussierlinsen 81 und 82 von unterschiedlichem Typ und sind voneiander in der op tischen Übertragungsvorrichtung 400 des Ausführungsbeispiels 4 getrennt, aber diese Fokussierlinsen 81 und 82 können auch durch eine einzige integrale Fo kussierlinse realisiert werden.

Ausführungsbeispiel 5

Fig. 7 ist ein Aufbau einer optischen Übertragungs vorrichtung 500 des Ausführungsbeispiels 5 der vor liegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 500 nach Fig. 7 werden die Bauteile, die den Bauteilen der optischen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausfüh rungsbeispiels 1 nach Fig. 1 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Erläuterung wird hier weggelas sen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 500 nach Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen 83 eine Gradien tenlinse, die an oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 angeordnet ist. Beide Oberflä chen der Linse 83 sind mit einem nichtreflektierenden Material beschichtet, das nicht die Wellenlänge des Laserstrahls 70 reflektiert. Das Bezugszeichen 103 bezeichnet einen Linsenhalter für die Gradientenlin se. Die Gradientenlinse 83 ist an dem Halter 103 so befestigt, daß die Mittenachse der Gradientenlinse 83 gleich der optischen Achse der optischen Faser 9 ist.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 500 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ auf die Fokussierlinse 8 über tragen und fokussiert und weiter auf die Gradientenlinse 83 gesandt. In diesem Fall wird der Laserstrahl 70 weiter in den Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in in einem Bereich von ϕ_s ± 50% an der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 ist, und der auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt wird. Dann geht der Laserstrahl 70 durch die optische Faser 9, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt und dann in die Aus gangsseite der optischen Faser 9 übertragen wird.

Im Vergleich mit der optischen Übertragungsvorrich tung 400 des Ausführungsbeispiels 4 wird die Gradien tenlinse 83 als eine der Fokussierlinsen 83, 84 ver wendet, so daß der Durchmesser des Laserstrahls 70 in der optischen Übertragungsvorrichtung 500 weit geän dert werden kann. Somit wird der Durchmesser des La serstrahls 70 an der Einfallsseitenebene der opti schen Faser 9 im breiten Bereich verändert, indem die Position der Fokussierlinse 8 und der Gradientenlinse 83 leicht geändert werden. Dabei kann die optische Übertragungsvorrichtung einfach mit der Änderung der Fokussierbarkeit des von dem Laseroszillator emit tierten Laserstrahls fertigwerden.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 500 des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels 5 ist die Gradien tenlinse 83 nahe der Einfallsseitenebene der opti schen Faser 9 angeordnet, aber die vorliegende Erfin dung ist nicht auf eine derartigen Konfiguration be grenzt, es kann annehmbar sein, daß die Gradienten linse 83 mit der optischen Faser 9 über ein optisches Kontaktelement verbunden ist. Zusätzlich kann es auch annehmbar sein, daß die Gradientenlinse 83 mit der optischen Faser 9 über ein Indexanpassungsfluid ver bunden ist. In diesem Fall gibt es keine Reflexionsverluste an der Seitenebene zwischen der Gradienten linse 83 und der optischen Faser 9, so daß der Über tragungswirkungsgrad des Laserstrahls erhöht werden kann.

Ausführungsbeispiel 6

Fig. 8 ist eine Anordnung einer optischen Übertra gungsvorrichtung 600 des sechsten Ausführungsbei spiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 600 nach Fig. 8 werden die Bauteile, die mit den Bauteilen in der optischen Übertragungsvorrichtung 500 des Ausfüh rungsbeispiels 5 nach Fig. 7 im Aufbau und in der Funktion übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszei chen versehen und ihre Beschreibung wird hier ausge lassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 600 nach Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 13 eine Apertur, wobei die Mitte der Öffnung der Apertur 13 ungefähr gleich der optischen Achse der optischen Faser 9 ist. Die Apertur 13 ist nahe der Gradientenlinse 83 ange ordnet.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 600 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Strahlstelle und dem Öffnungswinkel θ auf die Fokussierlinse 8 und die Apertur 13 übertragen. Der durch die Apertur 13 hindurchgehende Laserstrahl wird auf die Gradienten linse 83 übertragen und in den Laserstrahl fokus siert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 bestrahlt. Dann geht der Laser strahl durch die optische Faser 9, während die Fokus sierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt und er wird dann auf die Ausgangsseite der optischen Faser 9 übertragen. In diesem Fall wird ein Teil des Laser strahls, der zu der optischen Achse der Gradienten linse 83 verschoben ist, durch die Apertur 13 abge schnitten.

Unter Verwendung der optischen Übertragungsvorrich tung 600 des Ausführungsbeispiels 6 kann, selbst wenn der Laserstrahl 70 auf einen anderen Punkt gestrahlt wird, der unterschiedlich zu der Gradientenlinse 83 ist und dies während der Einstelloperation der opti schen Achse, die Apertur 11 verhindern, daß der La serstrahl auf den Mantel der optischen Faser und den Dichtteil der optischen Faser gestrahlt wird.

Wenn zusätzlich verschiedene Arten von Fehlern be wirkt werden, wie ein Bestrahlungspositionsfehler, bei dem die Laserstrahlbestrahlungsposition unter schiedlich zu der Mitte der optischen Achse der Gra dientenlinse 83 ist, und ein Entfernungsfehler, bei dem die Entfernung zwischen der Fokussierlinse 8 und der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 zu ei ner vorbestimmten geeigneten Entfernung verschoben ist, das Ausgangssignal des Laserstrahls verringert, da der Laserstrahl auf die Apertur 11 gestrahlt wird. In diesem Fall kann die Position der Fokussierlinse 8 leicht durch Überwachen der Leistung des Laserstrahls eingestellt werden, indem das Leistungsmeßgerät ver wendet wird, das an der Ausgangsseite der optischen Faser steht.

Ausführungsbeispiel 7

Fig. 9 zeigt den Aufbau einer optischen Übertragungs vorrichtung 700 des Ausführungsbeispiels 7 nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 700 nach Fig. 9 werden die Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung 600 im Aufbau und Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.

Die optische Übertragungsvorrichtung 700 nach Fig. 9 weist einen Aufbau auf, bei dem die Aperturen 13 und 11 nahe der Einfallsseite der Gradientenlinse 83 und nahe der Einfallsseite der optischen Faser 9 angeord net sind.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 700 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der dünnsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ auf die Fokussierlinse 8 und die Apertur 13 übertragen. Der durch die Apertur 13 hin durchgehende Laserstrahl wird auf die Gradientenlinse 83 übertragen. Dann wird der Laserstrahl zu der Ein fallsseitenebene der optischen Faser 9 übertragen, nachdem er durch die Gradientenlinse 83 und die Aper tur 11 hindurchgegangen ist. Der Laserstrahl wird in den Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist durch die Gra dientenlinse 83 fokussiert und auf die Einfallssei tenebene der optischen Faser 9 übertragen. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 9 hindurch geleitet, während die Fokussierbarkeit des Laser strahls aufrechterhalten bleibt und wird dann auf die Ausgangsseite der optischen Faser 9 übertragen. In diesem Fall wird ein Teil des Laserstrahls, der zu der optischen Achse der Gradientenlinse 83 und der Mitte des Kerns der optischen Faser 9 verschoben ist, von der Apertur 11 abgeschnitten.

Da in der optischen Übertragungsvorrichtung 700 des Ausführungsbeispiels 7 nur der Laserstrahl, dessen optische Achse gleich der optischen Achse der Gra dientenlinse 83 und der Mitte des Kerns der optischen Faser 9 ist, durch die optische Faser 9 übertragen, so daß verhindert wird, daß die optische Faser 9 auf grund der Positionsverschiebung zu der optischen Ach se beschädigt wird.

Zusätzlich kann durch Einschließen des Leistungsmes sers und dergleichen in die optische Übertragungsvor richtung die Position der Fokussierlinse und der Gra dientenlinse eingestellt oder geändert werden.

Ausführungsbeispiel 8

Fig. 10 ist eine Darstellung eines Aufbaus einer op tischen Übertragungsvorrichtung 800 des Ausführungs beispiels 8 nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 800 nach Fig. 10 werden die Bauteile, die denen in der opti schen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausführungsbei spiels 1 nach Fig. 1 im Aufbau und Funktion entspre chen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird daher hier ausgelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 800 nach Fig. 10 bezeichnet ein Bezugszeichen 14 einen Laserstrahlteiler zum Übertragen eines Teils des Laser strahls 70 auf die optische Faser 9. Ein Bezugszei chen 15 bezeichnet eine Überwachungsvorrichtung des einfallenden Laserstrahls zum Erfassen der Leistung des Laserstrahls 70, nachdem der Laserstrahl 70 durch den Laserstrahlteiler 14 hindurchgegangen ist. Die Überwachungsvorrichtung 15 für den einfallenden La serstrahl wird so angeordnet, daß die Entfernung zwi schen einer Laserstrahlerfassungsebene der Überwa chungsvorrichtung 15 und dem Laserstrahlteiler 14 ungefähr gleich der Entfernung zwischen der Einfalls seitenebene der optischen Faser 9 und dem Laser strahlteiler 14 ist. Beispielsweise werden die Posi tion des Laserstrahls und der Durchmesser des Laser strahls unter Verwendung der Überwachungsvorrichtung 15 berechnet, die die Leistung des Laserstrahls 70 mißt, nachdem der Laserstrahl 70 durch den Laser strahlteiler 14 hindurchgegangen ist.

Ein Bezugszeichen 104 bezeichnet einen Linsenhalter, der eine bewegbare Vorrichtung zum Bewegen des Lin senhalters 101 aufweist, so daß der Durchmesser und die Position des Laserstrahls, der durch die Überwa chungsvorrichtung 105 für den einfallenden Laser strahl erfaßt wird, vorgegebene Werte annehmen.

Obwohl es bei der optischen Übertragungsvorrichtung 800 des achten Ausführungsbeispiels nach Fig. 10 nicht gezeigt wird, umfaßt die bewegbare Vorrichtung für den Linsenhalter insbesondere einen Gleichstrom motor und ein Piezoelement beispielsweise mit piezo elektrischen Eigenschaften, die mit dem bewegbaren Tisch und dem quer bewegbaren Tisch verbunden ist, die den optischen Linsenhalter 101 in der optischen Übertragungsvorrichtung 100 nach Fig. 1 bilden, so daß die Position des Laserstrahls 70 automatisch ein gestellt wird.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 800 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ auf die Fokussierlinse 8 und dem Laserstrahlteiler 14 übertragen. Die meiste Leistung des Laserstrahls 70 geht durch den Teiler 14, da die Fokussierlinse den fokussierten Laserstrahl zu dem Teiler 14 vorsieht. Ein Teil des an dem Laserstrahl teiler 14 reflektierten Laserstrahls wird in einen Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser gleich dem durch den Strahlteiler 14 hindurchgehenden Laser strahl ist, und der auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 übertragen wird. Der größte Teil der Leistung des Laserstrahls 70 geht über den Teiler 14, da die Fokussierlinse 8 den fokussierten Laser strahl zu dem Teiler 14 vorsieht. Ein Teil des an dem Laserstrahlteiler 14 reflektierten Laserstrahls wird in einen Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser gleich dem des Laserstrahls ist, der durch den Teiler 14 hindurchgeht und auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 übertragen wird. Der an dem Teiler 14 reflektierte Laserstrahl wird von der Überwa chungsvorrichtung 15 für den einfallenden Laserstrahl erfaßt. Die Überwachungsvorrichtung 15 zur Überwa chung des einfallenden Laserstrahls berechnet den Durchmesser des Laserstrahls und die Position des Laserstrahls. Auf der Grundlage des Ausgangssignals der Überwachungsvorrichtung 15 bewegt die Linsenhal tervorrichtung 104 den Fokussierlinsenhalter 101 un ter Verwendung des Gleichstrommotors oder des Piezo elementes. In einem aktuellen Beispiel wird der Wert der Verschiebung der Position für den optischen Linsenhalter 101 auf der Grundlage eines Wertes der Po sitionsverschiebung von dem zuvor bestimmten Wert in der X-Achsen-Richtung und der Y-Achsen-Richtung be stimmt.

Zusätzlich wird um die geeignetste Position der Fo kussierlinse 8 in der X-Achsen-Richtung der Tisch in dem optischen Linsenhalter 101 so bewegt, daß der Durchmesser des Laserstrahls den kleinsten Wert hat, das heißt den Wert, der am meisten fokussiert ist. Als Ergebnis wird der Laserstrahl 70 fokussiert und auf die Mitte der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 übertragen. Der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls ist ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50%. Dann geht der Laserstrahl durch die optische Faser 9, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhal ten bleibt und wird dann auf die Ausgangsseite der optischen Faser 9 übertragen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 800 des ach ten Ausführungsbeispiels kann automatisch durchge führt werden, daß der Laserstrahl in der geeignetsten Weise fokussiert und die optische Achse des Laser strahls entsprechend der Änderung der Einfallsrich tung des Laserstrahls eingestellt und geändert wird.

Ausführungsbeispiel 9

Fig. 11 ist eine Darstellung des Aufbaus einer opti schen Übertragungsvorrichtung 900 des Ausführungsbei spiels 9 nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 900 nach Fig. 11 werden Bauteile, die mit den Bauteilen der optischen Übertragungsvorrichtung 800 des Ausführungsbeispiels 8 nach Fig. 10 im Aufbau und in der Funktion übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszei chen versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 900 des Aus führungsführungsbeispiels 9 sind zwei Fokussierlini sen 81 und 82 oder ein Paar von Fokussierlinsen 81 und 82 zusätzlich zu dem Aufbau der optischen Über tragungsvorrichtung 800 des Ausführungsbeispiel 8 nach Fig. 10 eingeschlossen.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 900 können die Positionen der Fokussierlinsen 81 und 82 geändert werden, während der Durchmesser und die Stellung des Laserstrahls 70 an der Einfallsseitenebene der opti schen Faser 9 durch die Überwachungsvorrichtung 15 für den einfallenden Laserstrahl überwacht werden, so daß der Laserstrahl auf die Mitte des Kerns der opti schen Faser 9 gestrahlt wird, indem automatisch die Änderung der Fokussierbarkeit und die schmalste Stel le des Laserstrahls verfolgt werden, so daß der Durchmesser des Laserstrahls 70 in einem Bereich von ϕ_s ± 50% liegt, selbst wenn die Fokussierbarkeit und die schmalste Stelle des Laserstrahls 70 geändert werden.

Die Erläuterungen zu den Wirkungen, dem Betrieb und dem Aufbau der anderen Komponenten der optischen Übertragungsvorrichtung 900 werden hier weggelassen, da sie die gleichen sind wie die der optischen Über tragungsvorrichtung 800 des Ausführungsbeispiels 8 nach Fig. 10.

Ausführungsbeispiel 10

Fig. 12 zeigt den Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung 1000 des zehnten Ausführungsbei spiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1000 nach Fig. 12 werden Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung 900 des Ausführungsbeispiels 9 nach Fig. 11 im Aufbau und der Funktion entspre chen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird daher hier weggelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1000 des Ausführungsbeispiels 10 nach Fig. 12 bezeichnet das Bezugszeichen 15 eine Überwachungsvorrichtung für den einfallenden Laserstrahl, wie die in Zusammenhang mit den optischen Übertragungsvorrichtungen 800 und 900 verwendeten Überwachungsvorrichtungen für den einfal lenden Laserstrahl, aber die Überwachungsvorrichtung 15 für den einfallenden Laserstrahl des Ausführungs beispiels 10 weist eine Bildeingangsvorrichtung, wie eine CCD-Kamera-Vorrichtung auf. Die Überwachungsvor richtung 15 für den einfallenden Laserstrahl des Aus führungsbeispiels 10 erfaßt direkt die Einfallssei tenebene der optischen Faser 9. Ähnlich zu der opti schen Übertragungsvorrichtung 800 des Ausführungsbei spiels 8 ist die optische Übertragungsvorrichtung 1000 des Ausführungsbeispiels 10 in der Lage, die optische Achse des Laserstrahls automatisch einzu stellen. Da zusätzlich die optische Übertragungsvor richtung 1000 direkt die Einfallsseitenebene der op tischen Faser 9 erfaßt, kann sie so ausgebildet sein, daß sie einen Schaden auf der Einfallsseite der optischen Faser detektiert und sie kann als Sicherheits vorrichtung verwendet werden.

Ausführungsbeispiel 11

Fig. 13 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung 1100 des elften Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1100 nach Fig. 13 sind die Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung 900 der neunten Ausführungs beispiels nach Fig. 11 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1100 des elften Ausführungsbeispiels bezeichnet ein Bezugszei chen 14 einen Laserstrahlteiler zum Reflektieren ei nes Teils des Laserstrahls von der optischen Faser 9. Ein Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Überwachungsvor richtung für den austretenden Laserstrahl zum Messen des Durchmessers des von der optischen Faser 9 ausge henden Laserstrahls, indem die Leistung des durch den Laserstrahlteiler 16 hindurchgehenden Laserstrahls gemessen wird.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1100 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ zu den Fokussierlinsen 81 und 82 übertragen und dann auf die Einfallsseitenebe ne der optischen Faser 9 geleitet. Der Laserstrahl wird in einen Laserstrahl fokussiert, dessen Durch messer ϕ_in in einem Bereich von ϕ_s ± 50 liegt, und zwar durch die Fokussierlinsen 81 und 82, und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann geht der Laserstrahl durch die op tische Faser 9, während die Fokussierbarkeit des La serstrahls erhalten bleibt und der Laserstrahl wird dann auf die Ausgangsseite der optischen Faser 9 übertragen.

Der meiste Teil des Laserstrahls, der durch den La serstrahlteiler 14 hindurchgeht, wird für eine Ver arbeitungsoperation verwendet, und der andere Teil des Laserstrahls, der von dem Laserstrahlteiler 14 reflektiert wird, wird auf die Überwachungsvorrich tung 16 des ausgehenden Laserstrahls übertragen. Die Überwachungsvorrichtung 16 für den austretenden La serstrahl berechnet die Daten hinsichtlich des Durch messers des aus der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls und überträgt die Daten an den optischen Linsenhalter 104. Der optische Linsenhalter 104 emp fängt die Daten von der Überwachungsvorrichtung 16 für den austretenden Laserstrahl und stellt ein und bewegt die Positionen der Fokussierlinsen 81, 82, so daß der Durchmesser des austretenden Laserstrahls, der von der Überwachungsvorrichtung 16 für den aus tretenden Laserstrahl gemessen wird, den kleinsten Wert aufweist.

Wie oben beschrieben wird, wird der Öffnungswinkel des Laserstrahls kleiner und der Durchmesser des aus gehenden Laserstrahls, der von der Überwachungsvor richtung 16 detektiert wird, wird kleiner, wenn die Fokussierbarkeit des Laserstrahls steigt. Somit kann die geeignetste Einfallsbedingung für den Laserstrahl gesetzt werden, indem der Aufbau und das Verfahren der optischen Übertragungsvorrichtung 1100 des Aus führungsbeispiels 11 verwendet wird.

Zusätzlich kann in der optischen Übertragungsvorrich tung 1100 des Ausführungsbeispiels 11 die Fokussier barkeit des Laserstrahls zu jeder Zeit überwacht wer den.

Obwohl darüber hinaus in der optischen Übertragungs vorrichtung 1100 des Ausführungsbeispiels 11 der aus tretende Laserstrahl direkt auf den Laserstrahlteiler 14 übertragen wird, kann es annehmbar sein, den aus gehenden Laserstrahl zu übertragen, nachdem der La serstrahl von der optischen Faser 9 durch eine Fokus sierlinse gesammelt wird, der an der Ausgangsseiten ebene der optischen Faser 9 angeordnet ist, durch die der ausgehende Laserstrahl nach außerhalb der opti schen Faser 9 übertragen wird.

Ausführungsbeispiel 12

Fig. 14 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung 1200 des zwölften Ausführungsbei spiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1200 nach Fig. 14 werden Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung 1100 des elften Ausführungs beispiels nach Fig. 13 im Aufbau und Funktion ent sprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Erläuterung wird hier weggelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1200 des zwölften Ausführungsbeispiels bezeichnet ein Bezugs zeichen 11 eine Apertur, deren Öffnungsdurchmesser größer als der Wert ϕ_s und kleiner als der Durchmes ser ϕ_c des Kerns der optischen Faser 9 ist. Zusätz lich ist die Mittenposition der Öffnung der Apertur 11 ungefähr gleich der Mittenposition des Kerns der optischen Faser 9. Die Apertur 11 ist nahe der Ein gangsseitenebene der optischen Faser 9 angeordnet. Ein Bezugszeichen 14 bezeichnet einen Laserstrahltei ler zum Reflektieren eines Teils des Laserstrahls von der optischen Faser 9 und ein Bezugszeichen 161 be zeichnet einen Leistungssensor.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1200 wird der von dem Laseroszillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ zu den Fokussierlinsen 81 und 82 und der Apertur 11 übertragen und dann zu der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gesendet. Der Laserstrahl wird in den Laserstrahl durch die Fokussierlinsen 81 und 82 fokussiert, dessen Durch messer ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann geht der Laserstrahl durch die opti sche Faser 9, während die Fokussierbarkeit des Laser strahls erhalten bleibt und er wird dann von der op tischen Faser 9 nach außen übertragen. Der Laser strahl, dessen optische Achse von der Mitte des Kerns der optischen Faser 9 verschoben ist, wird durch die Apertur 11 beschnitten. Der größte Teil des von der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls 70 geht durch den Laserstrahlteiler 14 hindurch und der ande re Teil des austretenden Laserstrahls wird von dem Laserstrahlteiler 14 reflektiert. Der von dem Teiler 14 reflektierte Laserstrahl wird zu dem Leistungssen sor 161 gesendet. Die von dem Leistungssensor 161 übertragenen Ausgangsdaten werden an den Linsenhalter 104 zurückgegeben, um die Positionen der Fokussier linsen 81 und 82 zu bewegen und einzustellen, so daß die Ausgangsleistung des Laserstrahls den maximalen Wert erreicht.

Wie klar in Fig. 14 gezeigt wird, kann in der opti schen Übertragungsvorrichtung 1200 des Ausführungs beispiels 12 die Positionseinstellung der Fokussier linsen automatisch mit einem einfachen Aufbau der optischen Übertragungsvorrichtung durchgeführt wer den.

Obwohl es in dem Aufbau nach Fig. 14 nicht darge stellt ist, kann eine Rückkopplung zur Verhinderung der Beschädigung der optischen Faser 9 vorgesehen sein, um den Betrieb des Laseroszillators 10 zu stop pen, wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls ab nimmt.

Ausführungsbeispiel 13

Fig. 15 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung 1300 des dreizehnten Ausführungsbei spiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1300 nach Fig. 15 werden die Bauteile, die den in der optischen Übertragungsvorrichtung 1100 des elften Ausführungs beispiels nach Fig. 13 verwendeten Bauteilen im Auf bau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1300 des dreizehnten Ausführungsbeispiels bezeichnet ein Bezugszeichen 162 eine Photodiode, die an der Stelle angeordnet ist, die zu der optischen Achse der opti schen Faser 9 an der Ausgangsseite der optischen Fa ser 9 verschoben ist.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1300 wird der von dem Laseroszillator 10 ausgesandte Laser strahl 70 mit einem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ zu den Fokussierlin sen 81 und 82 übertragen und dann auf die Einfalls seitenebene der optischen Faser 9 durch die Fokus sierlinsen 81 und 82 gesandt. Der Laserstrahl wird von den Fokussierlinsen 81 und 82 zu einem Laser strahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und dann auf die Einfalls seitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann geht der Laserstrahl durch die optische Faser 9 hin durch, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt und auf die Ausgangsseite der opti schen Faser 9 übertragen wird.

In dem Aufbau der optischen Übertragungsvorrichtung 1300 nach Fig. 15 wird der größte Teil des aus der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls nicht von der Photodiode 162 detektiert. Wenn jedoch die Ein fallsbedingung für die Bestrahlung des Laserstrahls 70 auf die optische Faser 9 sich von der vorbestimm ten Bedingung unterscheidet, wird sich der auf die Photodiode 162 fallende Lichtstrom des austretenden Laserstrahls bzw. die Leistung erhöhen, da der Öff nun 71766 00070 552 001000280000000200012000285917165500040 0002019539558 00004 71647gswinkel des aus der optischen Faser 9 austreten den Laserstrahls vergrößert wird. Das Ausgangssignal der Photodiode 162 wird zu dem optischen Linsenhalter 104 übertragen. Der optische Linsenhalter 104 emp fängt das Ausgangssignal von der Photodiode 162 und stellt ein und bewegt die Position der Fokussierlin sen 81 und 82 so, daß das Ausgangssignal der Photo diode 162 den minimalen Wert aufweist.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1300 des dreizehnten Ausführungsbeispiels kann die Einstell operation für die optische Achse des Laserstrahls an der Einfallsseite der optischen Faser mit dem einfa chen Aufbau der optischen Übertragungsvorrichtung nach Fig. 15 durchgeführt werden.

Ausführungsbeispiel 14

Fig. 16 zeigt den Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung 1400 nach dem vierzehnten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei der optischen Übertragungsvorrichtung 1400 nach Fig. 16 werden für die Bauteile, die den Bauteilen der optischen Übertragungsvorrichtung 1100 des elften Ausführungsbeispiels nach Fig. 13 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszei chen bezeichnet und ihre Beschreibung wird daher weg gelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1400 des Ausführungsbeispiels 14 bezeichnet ein Bezugszeichen 17 eine Apertur, die nahe der Ausgangsseite der opti schen Faser 9 angeordnet ist, und ein Bezugszeichen 161 bezeichnet einen Sensor zur Erfassung der Strah lungsleistung.

Der Durchmesser der Apertur 17 wird so festgelegt, daß die Apertur 17 einen kleinen Teil des Laser strahls aus der optischen Faser 9 abschneidet, wenn der Laserstrahl 70, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, auf die Mitte des Kerns der optischen Faser 9 gestrahlt wird.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1400 des Ausführungsbeispiels 14 wird die Größe der Leistung des Laserstrahls, der durch die Apertur 17 abge schnitten wird, erhöht, da das Ausgangssignal des Strahlungssensors 161 verringert wird, wenn die Ein fallsposition des Laserstrahls auf die optische Faser 9 zu der geeignetsten Position verschoben wird.

Durch Einstellen der Position der Fokussierlinsen 81 und 82 durch den optischen Linsenhalter 104, derart, daß das Ausgangssignal des Strahlungssensors 161 ei nen maximalen Wert annimmt, kann die Einstellopera tion des Durchmessers des Laserstrahls und die Ein stelloperation der Position des Laserstrahls mit dem einfachen Aufbau der optischen Übertragungsvorrich tung 1400 nach Fig. 16 durchgeführt werden.

Ausführungsbeispiel 15

Fig. 17 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausführungsbei spiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1500 nach Fig. 15 sind die Bauteile, die den Bauteilen in der optischen Übertragungsvorrichtung 800 des achten Aus führungsbeispiels nach Fig. 10 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Erläuterung wird daher hier weg gelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 17 be zeichnet ein Bezugszeichen 18 ein Einstellsystem für die Fokussierbarkeit zum Einstellen des Wertes M² des Laserstrahls 70 unter Verwendung eines Pegeldreh schalters, eines digitalen Schalters oder derglei chen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1500 nach Fig. 17 wird der von dem Laseroszillator 10 emittier te Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel θ zu der Fokussierlinse 8 gesandt und auf die Einfallsseiten ebene der optischen Faser 9 übertragen, nachdem er durch die Fokussierlinse 8 hindurchgegangen ist. Der Laserstrahl wird von der Fokussierlinse 8 in einen Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und auf die Ein fallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Der Laserstrahl 70 kann durch die optische Faser 9 hin durchgeleitet werden, während die hohe Fokussierbar keit des Laserstrahls erhalten bleibt, wenn diese Fokussierbedingung des Laserstrahls erfüllt wird. Wenn jedoch die optische Achse des Laserstrahls aus der Mitte des Kerns der optischen Faser 9 verschoben wird, wird die Fokussierbarkeit des Laserstrahls ver ringert.

Fig. 18 zeigt die Beziehung zwischen dem Wert Δx der Verschiebung des Laserstrahls an der Einfallsseiten ebene der optischen Faser 9 in Richtung des Durchmes sers des Kerns der optischen Faser 9 und dem Wert M² _out des aus der optischen Faser 9 austretenden La serstrahls.

Da der Wert ϕ_s 148 µm in der Bedingung des Ausfüh rungsbeispiels 17 ist, wird der gesamte Laserstrahl 70 in den Kern der optischen Faser 9 gestrahlt, selbst wenn die Position des einfallenden Laser strahls um 80 µm aus der Mitte des Kerns der opti schen Faser 9 verschoben wird. Mit anderen Worten gesagt, gibt es keine Wirkung der Positionsverschie bung des einfallenden Laserstrahls und die Strah lungsleistung des austretenden Laserstrahls verrin gert sich nicht. Dabei kann die Einstellung der Fo kussierbarkeit des Laserstrahls gesteuert werden, indem die Position des Laserstrahls in einem Bereich von 80 µm bewegt wird. Anders gesagt, kann durch die Verwendung des Wertes M² der Laserstrahl mit dem Wert M² über den Bereich von 20 bis 50 erhalten werden.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 17 kann erreicht werden, den Laserstrahl mit einer verlangten Fokussierbarkeit, die durch das Einstellsystem 18 der Fokussierbarkeit vorgebbar ist, zu übertragen, indem die Position der Fokussierlinse 8 durch die Bewe gungsvorrichtung 104 des Linsenhalters und der opti sche Linsenhalter 101 auf der Grundlage der Beziehung zwischen dem vorgegebenen Verschiebewert Δx des La serstrahls und des Wertes M² als Fokussierbarkeits wert des Laserstrahls bewegt wird.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1500 des Ausführungsbeispiels 15 kann die Fokussierbarkeit des Laserstrahls leicht geändert werden, um einen Laser strahl mit der geeignetsten Strahlungsleistung zu erzeugen, so daß die optische Übertragungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausführungsbeispiels für verschiedene Arten von Bearbeitungen anwendbar ist, wie Schweißen, Schneiden oder dergleichen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausführungsbeispiels wird die Beziehung zwischen dem Wert Δx der Verschiebung des Laser strahls an der Einfallsseitenebene der optischen Fa ser in Richtung des Durchmessers des Kerns der opti schen Faser 9 und dem Wert M² _out des aus der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls dargestellt. Der Wert M² _out wird geändert, wenn der minimale fokussier te Punkt des Laserstrahls in Richtung zur optischen Achse der optischen Faser verschoben wird. Unter Ver wendung dieser Veränderung des Wertes M², die oben beschrieben wurde, wird die Fokussierlinse 8 in Rich tung der optischen Achse der optischen Faser 9 durch die Bewegungsvorrichtung 104 des Linsenhalters und der optische Linsenhalter 101 entsprechend dem vor bestimmten Wert, der schon in dem Einstellsystem 18 für die Fokussierbarkeit gesetzt wurde, und der Be ziehung zwischen dem Wert der Verschiebung in der vorbestimmten Achsenrichtung und der Fokussierbarkeit (M² Wert) des austretenden Laserstrahls verschoben, so daß der Laserstrahl mit der gewünschten Fokussier barkeit erhalten wird.

Zusätzlich wird mit der optischen Übertragungsvor richtung 1500 des Ausführungsbeispiels 15 das Bei spiel des Laserstrahls erläutert, der in den Laser strahl fokussiert wird, dessen Durchmesser ϕ_in einen Bereich von ϕ_s ± 50% an oder nahe der Einfallssei tenebene der optischen Faser 9 aufweist. Allerdings ist die optische Übertragungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausführungsbeispiels in der Lage, für eine andere Art von Laserstrahl angewandt zu werden, dessen Zustand unterschiedlich zu dem oben beschrie benen Zustand ist.

Ausführungsbeispiel 16

Fig. 19 zeigt einen Aufbau einer optischen Übertra gungsvorrichtung 1600 nach dem sechzehnten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1600 nach Fig. 16 werden die Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 17 im Aufbau und Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeich net und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.

In der optischen Übertragungsvorrichtung 1600 des sechszehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 17 be zeichnet ein Bezugszeichen 105 eine Bewegungsvorrich tung für einen optischen Faserhalter. In der opti schen Übertragungsvorrichtung 1500 des fünfzehnten Ausführungsbeispiels wird die Fokussierlinse 8 durch die Bewegungsvorrichtung 104 des Linsenhalters und den optischen Linsenhalter 101 bewegt, so daß der Laserstrahl der verlangten Fokussierbarkeit, die durch das Einstellsystem 18 für die Fokussierbarkeit angegeben wird, von der optischen Faser 9 vorgesehen wird. Dagegen wird in der optischen Übertragungsvor richtung 1600 die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 durch die Bewegungsvorrichtung 105 des opti schen Faserhalters und den optischen Faserhalter 102 bewegt, so daß der Laserstrahl mit der verlangten Fokussierbarkeit, die durch das Einstellsystem 18 für die Fokussierbarkeit angegeben wird, auch von der optischen Faser 9 vorgesehen werden kann. Zusätzlich ist es auch möglich, die Fokussierlinse 8 und die Einfallsseitenebene der optischen Faser zu bewegen, was die Kombination der Ausführungsbeispiele 15 und 16 ist, um die Strahlungsleistung des aus der opti schen Faser 9 austretenden Laserstrahls zu steuern.

Ausführungsbeispiel 17

Fig. 20 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservor richtung 1700 nach dem siebzehnten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung.

In der Festkörperlaservorrichtung 1700 nach Fig. 20 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen total reflektie renden Spiegel, 2 einen teilreflektierenden Spiegel, der mit einer teilreflektierenden Beschichtung be deckt ist und den Ausgangsspiegel bildet, 3 bezeich net ein Festkörperlaserelement mit einem aktiven Festkörperlasermedium, beispielsweise ist das aktive Festkörpermedium Nd im YAG-Laser (Yttrium-Aluminium- Garnet-Laser). Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Lichtquelle, wie eine Bogenlampe. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine elektrische Spannungsversorgung, die die Spannung für die Lichtquelle 4 liefert. Das Be zugszeichen 6 bezeichnet eine Fokussiervorrichtung, deren Querschnitt bzw. Querschnittsphase elliptisch ist und deren innere Fläche eine lichtreflektierende Ebene umfaßt. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein La serlicht, das in einem Laserresonator mit Spiegeln 1 und dem Ausgangsspiegel 2 erzeugt wird. Somit umfaßt der Laserresonator die zwei Spiegel 1 und den Aus gangsspiegel 2.

Andere Bauteile haben den gleichen Aufbau und Funk tion wie die Bauteile in optischen Übertragungsvorrichtung 100 des Ausführungsbeispiels 1 nach der vor liegenden Erfindung. Folglich werden die Beschreibun gen für die anderen Bauteile hier weggelassen.

Im folgenden wird der Betrieb der Festkörperlaservor richtung 1700 des Ausführungsbeispiels 17 mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert.

Die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 sind in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innen fläche mit einem reflektierenden Material, wie einer weißen Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsquelle 5 eingeschaltet wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperele ment 3 gestrahlt oder wird von der Fokussiervorrich tung 6 reflektiert und dann wird das reflektierte Licht auf das Festkörperelement 3 gestrahlt. Ein Teil des auf das Festkörperelement 3 gestrahlte Licht wird in dem Festkörperelement 3 selbst absorbiert. Das in dem Festkörperelement 3 absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es in ein Lasermedium verwandelt wird.

Die spontane in dem Lasermedium erzeugte Lichtemis sion wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangs spiegel 2 verstärkt, während sie zwischen dem Spiegel 1 und dem Spiegel 2 übertragen wird und dann ändert sich das spontane verstärkte Laserlicht in das Laser licht 7. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ auf die Außenseite der Spiegel 1 und 2 in dem Laserresonator emittiert, wenn das La serlicht eine größere als eine vorbestimmte Leistung aufweist. Der Laserstrahl 70 im Laserresonator wird auf die Fokussierlinse 8 gestrahlt. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laserstrahl wird in einen Laserstrahl durch die Fokussierlinse 8 fokus siert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und dann auf die Eingangsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann geht der Laser strahl durch die optische Faser, während die Fokus sierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt und wird dann von der optischen Faser 9 nach außen übertragen.

In der Erläuterung des Ausführungsbeispiels 17 weist der Ausgangsspiegel 2 einen Aufbau auf, bei dem der Ausgangsspiegel 2 eine flache Oberfläche aufweist oder ein Spiegel ist, dessen absoluter Wert der Krüm mung beider Oberflächen zueinander gleich ist, das heißt, es ist keine Leistung wie die Linse vorhanden. Allerdings muß verlangt werden, die Werte ϕ₀ zu be rechnen, die für die Berechnung des Durchmessers des Standardlaserstrahls an der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 unter Verwendung des Abstandes von der Brennweite f und von dem Ausgangsspiegel 2 ver wendet werden, wenn die transparenten Eigenschaften des Ausgangsspiegels 2 die gleichen Eigenschaften einer Linse aufweisen, deren Brennweite den Wert f aufweist und die schmalste Stelle des Laserstrahls in dem Laserresonator ist. Da diese Berechnungen durch eine einfache optische geometrische Berechnung erhal ten wird, wird eine ausführliche Beschreibung der Berechnungen hier weggelassen.

Unter Verwendung der Festkörperlaservorrichtung 1700 des siebzehnten Ausführungsbeispiels kann der Laser strahl 70 durch die optische Faser 9 übertragen wer den, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls 70 erhalten bleibt, wobei er der Ausgangsseite der opti schen Faser 9 zur Verfügung gestellt wird.

Ausführungsbeispiel 18

Fig. 21 ist ein Aufbau einer Festkörperlaservorrich tung 1800 eines achtzehnten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 1800 nach Fig. 21 werden die Bauteile, die denen der Festkörperlaser vorrichtung 1700 des siebzehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 20 im Aufbau und in der Funktion entspre chen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird hier weggelassen.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 1800 des achtzehn ten Ausführungsbeispiel nach Fig. 21 bezeichnet ein Bezugszeichen 21 eine Fokussierlinse, 22 bezeichnet einen teilreflektierenden Spiegel und die Bezugszei chen 106 und 107 bezeichnen Bewegungsvorrichtungen zum Bewegen des teilreflektierenden Spiegels 22 und der Fokussierlinse 21. In diesem Fall bilden die Fo kussierlinse 21 und der teilweise reflektierende Spiegel 22 ein Bildübertragungssystem. In dem opti schen Bildübertragungssystem ist die Brennweite f_r der Fokussierlinse 21 die gleiche wie der Krümmungs radius des teilreflektierenden Spiegels 22 und der Abstand zwischen der Fokussierlinse 21 und dem teil reflektierenden Spiegel 22 ist 2fr(1 + Δ). Darüber hinaus ist das optische Bildübertragungssystem in der Lage, einen Spiegel mit veränderbarer Krümmung in einem sehr weiten Bereich auf der Grundlage des Wer tes Δ zu bilden. Somit kann durch nahes und langsames Einstellen der Positionen der Fokussierlinse 21 und des teilreflektierenden Spiegels 22 die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls und der Öffnungs winkel des Laserstrahls über einen weiten Bereich eingestellt werden. Dabei kann es leicht gesteuert werden, daß der Durchmesser des Laserstrahls einen Bereich von ϕ_s ± 50% aufweist. Darüber hinaus kann die oben beschriebene Einfallsbedingung der optischen Faser auch in bezug auf die Änderung der thermischen Linse des Festkörpermediums eingehalten werden, wobei diese Änderung bewirkt wird, wenn die Spannung der Spannungsversorgung zum Einstellen der Größe der Aus gangsleistung des Laserstrahls auf einen gewünschten Wert geändert wird.

Ausführungsbeispiel 19

Fig. 22 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservor richtung 1900 eines neunzehnten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 1900 nach Fig. 22 werden die Bauteile, die denen der Festkörperlaser vorrichtung 1700 des siebzehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 20 im Aufbau und in der Funktion entspre chen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.

In der Festkörperlaservorrichtung 1900 des neunzehn ten Ausführungsbeispiels nach Fig. 22 sind die Aper tur 17 und der Strahlungssensor 161 der optischen Übertragungsvorrichtung 1700 des siebzehnten Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 16 zusätzlich zu dem opti schen Bildübertragungssystem der Festkörperlaservor richtung 1800 vorgesehen. In dem neunzehnten Ausfüh rungsbeispiel werden die Positionen der Fokussierlin se 21 und/oder des teilreflektierenden Spiegel 22 auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Strahlungssen sor 161 eingestellt.

In der Festkörperlaservorrichtung 1900 des neunzehn ten Ausführungsbeispiels kann die Einstellung des Laserresonators durchgeführt werden, während die ak tuelle Fokussierbarkeit des Laserstrahls aus der op tischen Faser 9 überwacht wird. Darüber hinaus kann die Einstellung für die Position der schmalsten Stel le des Laserstrahls und des Durchmessers des Laser strahls sicher und automatisch in bezug auf die Ände rung der thermischen Linse des Festkörpermediums durchgeführt werden. Darüber hinaus gibt es die Mög lichkeit, die Fokussierbarkeit des aus der optischen Faser zu jeder Zeit austretenden Laserstrahls zu überwachen.

Ausführungsbeispiel 20

Fig. 23 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservor richtung 2000 des zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

In der Festkörperlaservorrichtung 2000 nach Fig. 23 werden die Bauteile, die denen der Festkörperlaser vorrichtung 1700 des siebzehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 20 im Aufbau und in ihrer Funktion entspre chen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird hier weggelassen.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 200 des zwanzig sten Ausführungsbeispiels nach Fig. 23 bezeichnet ein Bezugszeichen 19 eine Apertur oder Blende, deren Ab messung der Öffnung auf der Grundlage eines von außen übertragenen Steuersignals geändert werden kann. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Einstellsystem zum Einstellen der Größe der ausgehenden Strahlungslei stung des Laserstrahls, das als Pegelschalter, Drehschalter, digitale Eingabevorrichtung oder derglei chen ausgebildet ist. Der Brennpunkt und die Position der Fokussierlinse 8 weisen den kleinsten fokussier ten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser auf und der Durchmesser des kleinsten fokus sierten Punkts wird so festgelegt, daß er in einem Bereich des Wertes ϕ_s ± 50%.

Die Einstellung der Ausgangsleistung des Laserstrahls wird durch mechanisches oder elektrisches Einstellen des Durchmessers der Öffnung der Apertur 19 entspre chend der Angabe von dem Einstellsystem 20 für die Ausgangsleistung durchgeführt. Da in diesem Fall die Spannung der Spannungsversorgung 5, die der Lampe 4 zugeführt wird, nicht verändert wir, wird der Effekt der thermischen Linse des Festkörperelementes nicht geändert. Es gibt keine Änderung der optischen Bedin gung des Laserstrahlresonators, mit der Ausnahme, daß ein Teil des Laserstrahls durch die Apertur 19 abge schirmt wird, so daß die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls nicht verändert wird. Obwohl die Größe der Ausgangsleistung des Laserstrahls, der Durchmesser, der Wert M² und der Öffnungswinkel des Laserstrahls geändert werden, wird die Position der schmalsten Stelle des Laserstrahls und die Krümmung des Spiegels nicht geändert. Unter diesen Bedingungen ist es bekannt, daß der Durchmesser des Laserstrahls und der Öffnungswinkel des Laserstrahls proportional zu dem folgenden Wert sind;

√M².

Da zusätzlich das Bild des Laserstrahls an der linken Seite der Fokussierlinse 8 nahe der Einfallsseiten ebene der optischen Faser 9 fokussiert wird, werden die Bildposition des Laserstrahls und die Vergrößerung des Laserstrahls nicht verändert, es sei denn, die Größe der schmalsten Stelle des Laserstrahls wird verändert. Somit ist der Durchmesser der schmalsten Stelle des Laserstrahls nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser proportional zu dem Wert

√M².

Andererseits ist auch der Wert ϕ_s proportional zu dem Wert

√M².

Daher weist der Laserstrahl 70 immer den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 auf und der Durchmesser des schmal sten fokussierten Punktes hat einen Bereich des Wer tes ϕ_s ± 50%, wenn die Größe der Ausgangsleistung des Laserstrahls durch Änderung des Durchmessers der Öffnung der Apertur eingestellt wird.

Wie oben beschrieben wurde, kann die Festkörperlaser vorrichtung 2000 des zwanzigsten Ausführungsbeispiels den Laserstrahl mit einer gewünschten, durch die op tische Faser hindurchgehenden Leistung liefern, wäh rend die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.

Obwohl in der obigen Beschreibung die Festkörperla servorrichtung 2000 des zwanzigsten Ausführungsbei spiels den Laserstrahlresonator nach dem Stand der Technik umfaßt, kann der Aufbau der Festkörperlaser vorrichtung 2000 auf eine Festkörperlaservorrichtung mit einem optischen Bildübertragungssystem, das in dem Resonator eingeschlossen ist, angewandt werden. Dieser Fall hat die gleiche Wirkung wie die Festkörperlaservorrichtung 2000 des zwanzigsten Ausführungs beispiels.

Ausführungsbeispiel 21

Fig. 24 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservor richtung 2100 des einundzwanzigsten Ausführungsbei spiel nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 2100 nach Fig. 24 weisen die Bauteile, die denen der Festkörperlaser vorrichtung 1800 des achtzehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 21 im Aufbau und in der Funktion entspre chen, die gleichen Bezugszeichen auf und ihre Erläu terung wird daher weggelassen.

In der Festkörperlaservorrichtung 2100 des einund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach Fig. 24 be zeichnet das Bezugszeichen 191 eine Apertur oder Blende, die zwischen der Fokussierlinse 21 und dem teilreflektierenden Spiegel 22 angeordnet ist, die das Bildübertragungssystem bilden. Ein Bezugszeichen 108 bezeichnet eine Bewegungsvorrichtung für die Apertur, die Apertur 191 in die Richtung der opti schen Achse verschiebt.

Die Brennweite und die Position der Fokussierlinse 8 werden so eingestellt, daß der Laserstrahl den klein sten fokussierten Punkt nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser aufweist und der Durchmesser des Laserstrahls einen Bereich ϕ_s ± 50% in bezug auf einen Zustand hat, in dem die Festkörperlaservorrich tung 2100 ein Laserstrahlausgangssignal liefern kann, das die größte Strahlungsleistung aufweist. Die Ein stellung des Laserstrahlausgangssignals wird durch Bewegen der Apertur 191 in Richtung der optischen Achse der optischen FAser 9 über die Bewegungsvor richtung 108 entsprechend der Angabe des Ausgangssi gnaleinstellsystems 20 durchgeführt, während ein Um fangsbereich des Laserstrahls abgetrennt wird.

Die Festkörperlaservorrichtung 2100 dieses Ausfüh rungsbeispiels 21 ebenso wie die Festkörperlaservor richtung 2000 des zwanzigsten Ausführungsbeispiels kann den Laserstrahl liefern, der eine gewünschte durch die optische Faser hindurchgehende Strahlungs leistung aufweist, während die Fokussierbarkeit des Laserstrahls erhalten bleibt.

Obwohl darüber hinaus in der obigen Beschreibung die Festkörperlaservorrichtung 2100 des Ausführungsbei spiels 21 den Laserstrahlresonator umfaßt, der das optische Bildübertragungssystem einschließt, kann es auch für eine Festkörperlaservorrichtung verwendet werden, die einen Laserstrahlresonator nach dem Stand der Technik aufweist und es wird die gleiche Wirkung wie bei der Festkörperlaservorrichtung 2100 dieses einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels geliefert.

Ausführungsbeispiel 22

Fig. 25 zeigt einen Aufbau einer Festkörperlaservor richtung 2200 eines zweiundzwanzigsten Ausführungs beispiels nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 2200 nach der Fig. 25 werden die Bauteile, die der Festkörperlaservor richtung 1700 des siebzehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 20 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird daher weggelassen.

In der Festkörperslaservorrichtung 2200 des zweiund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach Fig. 25 werden die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektierenden Material, wie weiße Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsver sorgung eingestrahlt wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperelement 3 ge strahlt oder wird von der Fokussiervorrichtung 6 re flektiert und das reflektierte Licht wird dann auf das Festkörperelement 3 gestrahl. Ein Teil des auf das Festkörperelement 3 gestrahlte Licht wird in dem Festkörperelement 3 selbst absorbiert. Das in dem Festkörperelement 3 absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3 so, daß sich das Festkörperele ment 3 in ein Lasermedium ändert. Die in dem Laserme dium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 verstärkt, während die spontane Lichtemission zwischen dem Spie gel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 übertragen wird, und dann wird das verstärkte spontane Laserlicht geändert in das Laserlicht 7. Das Laserlicht 7 wird als Laser strahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ der schmalsten Stel le des Laserstrahls und dem Öffnungswinkel 2θ außer halb der Spiegel 1 und 2 in dem Laserresonator emit tiert, wenn das Laserlicht 7 eine größere als eine vorgegebene Strahlungsleistung aufweist. Der Laser strahl 70 von dem Laserresonator wird zu der Fokus sierlinse 8 gesendet. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laserstrahl wird durch die Fokussier linse 8 in den Laserstrahl fokussiert, dessen Durch messer ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt.

Die Bewegungsvorrichtung 105 für den Faserhalter und der optische Faserhalter 101 bewegen die Position der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 auf der Beziehung zwischen einem vorbestimmten Verschiebungs wert und der Fokussierbarkeit des ausgehenden Laser strahls in Übereinstimmung mit dem Wert, der durch das Einstellsystem 18 für die Fokussierbarkeit einge stellt wird, so daß die Festkörperlaservorrichtung 2200 einen Laserstrahl mit der Fokussierbarkeit vor sieht, die durch das Einstellsystem 18 spezifiziert ist.

In der Festkörperlaservorrichtung 2200 des zweiund zwanzigsten Ausführungsbeispiels kann die Fokussier barkeit der Laserstrahls leicht geändert werden, um einen Laserstrahl zu erzeugen, der eine verlangte Strahlungsleistung aufweist, so daß die Festkörperla servorrichtung 2200 nach dem zweiundzwanzigsten Aus führungsbeispiel für verschiedene Arten der Verarbei tung, wie Schweißen, Schneiden und dergleichen an wendbar ist.

Darüber hinaus wird in der Festkörperlaservorrichtung 2200 des zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels die Position der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 durch die Bewegungsvorrichtung 105 für den opti schen Faserhalter geändert, aber es kann auch annehm bar sein, die Position der Fokussierlinse 8 über die Bewegungsvorrichtung für den Fokussierlinsenhalter zu bewegen, der dem Aufbau der Festkörperlaservorrich tung 2200 zugefügt wird. In diesem Fall kann die gleiche Wirkung auch erhalten werden.

Obwohl darüber hinaus in der Festkörperlaservorrich tung 2200 des zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels ein Laserstrahlresonator nach dem Stand der Technik verwendet wird, ist diese Erfindung nicht darauf be grenzt, sie kann auch für eine Festkörperlaservor richtung mit einem Laserstrahlresonator angewandt werden, der ein optisches Bildübertragungssystem oder eine Apertur zur Steuerung der Größe des Laserstrahls aufweist. In diesem Fall werden gleichfalls die glei chen Wirkungen erzielt.

Ausführungsbeispiel 23

Fig. 26 ist eine Darstellung des Aufbaus einer Fest körperlaservorrichtung 2300 des dreiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

Bei dieser Festkörperlaservorrichtung 2300 nach Fig. 26 werden die Bauteile, die denen der Festkörperla servorrichtung 2200 des zweiundzwanzigsten Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 25 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird daher weggelassen.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 2300 des dreiund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach Fig. 26 weisen der total reflektierende Spiegel 1 und der Ausgangs spiegel 2, die den Laserresonator als symmetrischen Laserresonator bilden, die gleiche Krümmung auf und das Festkörperelement 3 ist ungefähr in der Mitte des Laserresonators angeordnet.

Die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 sind in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innen fläche mit einem reflektierenden Material, wie weißer Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Span nungsversorgung 5 eingeschaltet wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperele ment 3 gestrahlt oder wird durch die Fokussiervor richtung 6 reflektiert und dann auf das Festkörper element 3 gestrahlt. Ein Teil des auf das Festkörper element 3 gestrahlten Lichts wird in ihm selbst ab sorbiert. Das in dem Festkörperelement 3 absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es sich in ein Lasermedium ändert. Die in dem Lasermedium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 verstärkt, wäh rend sie zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspie gel 2 hin und her übertragen wird und dann ändert sich das verstärkte spontane Laserlicht in das Laser licht 7. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ außerhalb der Spiegel 1 und 2 in dem Laserresonator emittiert, wenn das Laserlicht 7 eine größere Strahlungsleistung als eine vorbestimmte aufweist.

Obwohl die Festkörperlaservorrichtung 2600 mit der oben beschriebenen Anordnung eine sehr stabile Laser strahloszillationsoperation durchführen kann, weist sie auch das Merkmal auf, daß der Durchmesser und der Öffnungswinkel des Laserstrahls sich stark entspre chend der Größe der Laserstrahlausgangsleistung än dern. In diesem Fall ändert sich der Wert ϕ₀θ und der Wert M² des Laserstrahls, der proportional zu dem Wert ϕ₀θ ist, ebenfalls sehr stark.

Fig. 27 ist eine Kennlinie, die Beziehung zwischen der Laserstrahlausgangsleistung und dem Wert M² des Laserstrahls in der Festkörperlaservorrichtung mit einem symmetrischen Resonator aufweist, und zwar als dünne Linie. Wenn die Größe der Laserstrahlausgangs leistung kleiner wird, wird der Laserstrahl mit dem kleineren Wert M² erzeugt. Dabei ist offensichtlich, daß der Durchmesser des Laserstrahls für die Ausbrei tung unterschiedlich ist entsprechend der Größe der Laserstrahlausgangsleistung. In der Festkörperlaser vorrichtugn 2300 des Ausführungsbeispiels 23 wird der Laserstrahl 70 von dem Laserresonator durch die Fo kussierlinse 8 in einen Laserstrahl fokussiert, des sen kleinster fokussierter Punkt nahe der Einfalls seitenebene der optischen Faser 9 liegt und der einen Durchmesser von ϕ_cϕ₀θ(2n₀Δn)^-1/2)^1/2 ± 50% auf der Grundlage des Wertes ϕ₀θ der Ausgangsleistung des Laserstrahls von 300 W, die den größten M² Wert er gibt, nicht durch Bewegen des optischen Systems in der Größe einer anderen Laserstrahlausgangsleistung.

In der Festkörperlaservorrichtung 2300 des dreiund zwanzigsten Ausführungsbeispiels wird der Wert M² des Laserstrahls nach der Ausbreitung entsprechend der Änderung des Laserstrahldurchmessers und dergleichen erhöht, wenn die Laserstrahlausgangsleistung nicht 300 W beträgt. Allerdings wird die Änderung des Wer tes M², bewirkt durch die Laserstrahlausgangslei stung, verringert, da der Wert von M² des ursprüng lich von dem Laserresonator emittierten Laserstrahls kleiner als 300 W ist, so daß die Festkörperlaservor richtung den Laserstrahl mit einer stabilen Fokus sierbarkeit vorsehen kann.

In Fig. 27 zeigt die Kennlinie eine experimentelles Ergebnis der Ausbreitung des Laserstrahls mit dem Wert ϕ₀θ, wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls 300 W ist, bezeichnet durch die dünne Linie, während der Durchmesser des auf die optische Faser 9 auftref fenden Laserstrahls 70 eingestellt wird. In Fig. 27 liegt die Änderung von M² des einfallenden Laser strahls im Bereich von 5 bis 22. Andererseits hat der Wert M² des aus der optischen Faser 9 austretenden Laserstrahls den Bereich von 15 bis 22. Somit kann selbst, wenn die Ausgangsleistung des Laserstrahls aus dem Laserresonator geändert wird, ein ausgehender Laserstrahl mit einer stabilen Fokussierbarkeit vor gesehen werden, indem die Festkörperlaservorrichtung 2300 des dreiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels ver wendet wird.

Ausführungsbeispiel 24

Die Fig. 28A und 28B zeigen den Aufbau einer Fest körperlaservorrichtung 2400 eines vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung. Fig. 28B ist eine Aufsicht auf die Festkörperlaser vorrichtung 2400 nach Fig. 28A.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 2400 in Fig. 28A und 28B werden die Bauteile, die denen der Festkör perlaservorrichtungen 2200 und 2300 des zweiundzwan zigsten und dreiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels nach Fig. 25 und 26 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.

In der Festkörperlaservorrichtung 2400 des vierund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach den Fig. 28A und 28B umfaßt das Festkörperelement 3 ein Slab-La sermedium in dünner Plattenform. Da das Slab-Laserme dium unterschiedliche Werte ϕ_0xθ_x und ϕ_0yθ_y in der Richtung der X-Achse und der Y-Achse jeweils auf weist, sind diese Werte ϕ_0xθ_x und ϕ_0yθ_y stark zueinan der unterschiedlich, wenn der Laserresonator eine übliche sphärische Linse aufweist.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 2400 des vierund zwanzigsten Ausführungsbeispiels werden die Laser strahlkomponenten in der X-Richtung und in der Y- Richtung unabhängig unter Verwendung von zylindri schen Linsen fokussiert. Genauer gesagt, wird der Laserstrahl 70 vom Laserresonator durch die zylindri sche Linse 84 so fokussiert, daß die Komponente des Laserstrahls in der X-Richtung den kleinsten fokus sierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser liegt, und ihr Durchmesser einen Bereich von (ϕ_cϕ_0xθ_x(2n₀Δn)^-1/2)^1/2 ± 50% hat, und weiterhin durch die zylindrische Linse 84 so fokussiert, daß die Kom ponente des Laserstrahls in Y-Richtung den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der opti schen Faser liegt und ihr Durchmesser einen Bereich von (ϕ_cϕ_0yθ_y(2n₀Δn)^-1/2)^1/2 ± 50% aufweist.

In der Festkörperlaservorrichtung 2400 des vierund zwanzigsten Ausführungsbeispiels weist der Wert M² des aus der optischen Faser 9 austretenden Laser strahls einen Wert zwischen dem Wert M² der Komponen te des einfallenden Laserstrahls in der X-Achse und dem Wert M in der Y-Achse auf. Somit kann eine Fest körperlaservorrichtung zum Liefern eines Laserstrahls mit einer stabilen Fokussierbarkeit vorgesehen wer den, selbst wenn die Festkörperlaservorrichtung den Laserresonator mit einer unterschiedlichen Fokussier barkeit in X-Richtung und in Y-Richtung einschließt. Zusätzlich weist die Festkörperlaservorrichtung noch den Effekt auf, daß während der Ausbreitung des Laserstrahls in der Festkörperlaservorrichtung die Ani sotropie des Laserstrahls verbessert werden kann.

Ausführungsbeispiel 25

Die Fig. 29A und 29B zeigen einen Aufbau einer Fest körperlaservorrichtung 2500 nach einem fünfundzwan zigsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung. Fig. 29B ist eine Aufsicht auf die Festkörper laservorrichtung 2500 nach Fig. 29A.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 2500 nach den Fig. 29A und 29B werden Bauteile, die denen der Festkörperlaservorrichtungen 2200, 2300 und 2400 der Ausführungsbeispiele 22, 23 und 24 entsprechend den Fig. 25, 26, 28A und 28B im Aufbau und in der Funk tion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.

In der Festkörperlaservorrichtung 2500 des fünfund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach den Fig. 29A und 29B ist das Festkörperelement 3 ein Slab-Laserme dium, das eine dünne Platte f aufweist, und der La serresonator ist als Laserresonator des Hybridtyps ausgebildet, in dem die X-Achsenrichtung stabil und die Y-Achsenrichtung instabil ist. Es ist allgemein bekannt, daß ein solcher Laserresonator einen Laser strahl erzeugen kann, der theoretisch eine hohe Fo kussierbarkeit aufweist. Allerdings kann im allgemei nen der instabile Laserresonsator einen Laserstrahl mit einer noch höheren Fokussierbarkeit erzeugen. In diesem Fall ist der Wert ϕ_0xθ_x des Laserstrahls in der X-Richtung unterschiedlich zu dem Wert ϕ_0yθ_y in der Y- Richtung, so daß die folgende Beziehung erhalten wird:

ϕ_0xθ_x < ϕ_0yθ_y.

In der Festkörperlaservorrichtung 2500 des fünfund zwanzigsten Ausführungsbeispiels, wie in der Festkör perlaservorrichtung 2400 des oben beschriebenen Aus führungsbeispiels 24, werden die Laserstrahlkomponen ten in der X-Richtung und in der Y-Richtung unabhän gig durch die Verwendung von zylindrischen Linsen fokussiert. Genauer gesagt, wird der von dem Laserre sonator gelieferte Laserstrahl 70 jeweils von den zylindrischen Linsen 84 und 85 so fokussiert, daß die Komponente des Laserstrahls in der X-Richtung den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser hat und ihr Durchmesser einen Bereich von (ϕ_cϕ_0xθ_x(2n₀Δn)^-1/2)^1/2 ± 50% aufweist und die Komponente des Laserstrahls in Y-Richtung den kleinsten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser hat und ihr Durchmesser einen Bereich (ϕ_cϕ_0yθ_y(2n₀Δn)^-1/2)^1/2 ± 50% aufweist.

In der Festkörperlaservorrichtung 2500 des fünfund zwanzigsten Ausführungsbeispiels wie bei der Festkör perlaservorrichtung 2300 und 2400 des dreiundzwanzig sten und vierundzwanzigsten Ausführungsbeispiels weist der Wert M² des aus der optischen Faser 9 aus tretenden Laserstrahls einen Wert zwischen dem Wert M² der Komponente des einfallenden Laserstrahls in X- Richtung und dem Wert M² in Y-Richtung auf. Somit kann eine Festkörperlaservorrichtung vorgesehen wer den, die einen Laserstrahl mit einer stabilen Fokus sierbarkeit aufweist.

Ausführungsbeispiel 26

Die Fig. 30A und 30B zeigen einen Aufbau einer Fest körperlaservorrichtung 2600 des sechsundzwanzigsten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung. Fig. 30B ist eine Aufsicht auf die Festkörperlaser vorrichtung 2600 nach Fig. 30A.

Bei der Festkörperlaservorrichtung 2600 nach den Fig. 30A und 30B werden Bauteile, die denen der Festkörperlaservorrichtungen 2200, 2300, 2400 und 2500 der Ausführungsbeispiele 22, 23, 24 und 25 nach den Fig. 25, 26, 28A, 28B, 29A und 29B im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugs zeichen versehen und ihre Beschreibung wird weggelas sen.

In der Festkörperlaservorrichtung 2600 des sechsund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach den Fig. 30A und 30B umfaßt das Festkörperelement 3 ein Slab-La sermedium als Laserresonator des Hybridtyps. Die Kom ponente des Laserstrahls in X-Richtung wird auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 unter Ver wendung einer üblichen sphärischen Linse fokussiert und die Komponente des Laserstrahls in Y-Richtung wird so fokussiert, daß diese Komponente den klein sten fokussierten Punkt nahe der Einfallsebene der optischen Faser aufweist und ihr Durchmesser im Be reich von (ϕ_cϕ_0yθ_y(2n₀Δn)^-1/2)^1/2 ± 50% aufweist. In diesem Fall wird vorhergesagt, daß die Position und der Durchmesser des kleinsten fokussierten Punkts in der X-Achsenrichtung zu den geeignetsten Werten sehr verschoben werden. Jedoch wird die Beziehung ϕ_0xθ_x < ϕ_0yθ_y in dem Laserresonator der Festkörperlaservor richtung 2600 erfüllt und der Wert M² des austreten den Laserstrahls wird zwischen den M² Werten in X- Richtung und in Y-Richtung gewählt. Somit wird, selbst wenn der M² Wert der X-Richtung leicht zu dem am besten geeigneten Wert verschoben ist, die Größe des Wertes M² des austretenden Laserstrahls in X- Richtung nicht größer als die in Y-Richtung, so daß insgesamt der ausgehende Laserstrahl die gewünschte hohe Fokussierbarkeit während seiner Ausbreitung auf weist.

Die Festkörperlaservorrichtung 2600, die in der Lage ist, die hohe Fokussierbarkeit während der Ausbrei tung wie in dem sechsundzwanzigsten Ausführungsbei spiel zu erhalten, kann den sehr einfachen Aufbau nach den Fig. 30A und 30B aufweisen, obwohl die Festkörperlaservorrichtung einen Laserresonator auf weist, dessen Fokussierbarkeit in der X-Richtung und in der Y-Richtung unterschiedlich ist. Außerdem hat die Festkörperlaservorrichtung den weiteren Effekt, daß während der Ausbreitung des Laserstrahls in der Festkörperslaservorrichtung die Anisotropie des La serstrahls verbessert werden kann.

Ausführungsbeispiel 27

Fig. 31 zeigt den Aufbau einer Laserverarbeitungsvor richtung 2700 des siebenundzwanzigsten Ausführungs beispiels der vorliegenden Erfindung.

In der Laserbe- bzw. -verarbeitungsvorrichtung 2700 nach Fig. 31 werden die Bauteile, die denen der opti schen Übertragungsvorrichtung 100 des ersten Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 1 im Aufbau und in der Funk tion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen ver sehen und ihre Erläuterung wird hier ausgelassen.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2700 des sieben undzwanzigsten Ausführungsbeispiels nach Fig. 31 be zeichnet ein Bezugszeichen 23 eine Fokussierlinse, 80 bezeichnet ein Zielarbeitsgut, das durch Bestrahlen mit einem Laserstrahl von der Laserbearbeitungsvor richtung 2700 bearbeitet werden soll, 810 bezeichnet eine Bearbeitungsdüse und das Bezugszeichen 820 be zeichnet einen Einlaß für ein Arbeitsgas. In der La serbearbeitungsvorrichtung 2700 des siebenundzwanzig sten Ausführungsbeispiels wird der von dem Laseros zillator 10 emittierte Laserstrahl 70 mit dem Durch messer ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungs winkel θ auf die Fokussierlinse 8 übertragen und zu einem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% aufweist, und der Laserstrahl wird auf die Einfallsseitenebene der op tischen Faser 9 gestrahlt. Dann geht der Laserstrahl durch die optische Faser 9, während die Fokussierbar keit des Laserstrahls erhalben bleibt, und wird dann von der Ausgangsseite der optischen Faser 9 nach au ßen übertragen. Der austretende Laserstrahl wird durch die Fokussierlinse 23 fokussiert und das Ziel arbeitsgut wird durch den fokussierten Laserstrahl bearbeitet.

Somit kann die Laserbearbeitungsvorrichtung eine noch höheren fokussierten Laserstrahl als der Laserstrahl von der optischen Faser 9 für eine hoch genaue Laser verarbeitung vorsehen, da der Laserstrahl in der op tischen Faser 9 noch weiter durch die Fokussierlinse 23 fokussiert wird.

In der Laserverarbeitungsvorrichtung 2700 des sieben undzwanzigsten Ausführungsbeispiels wird die optische Übertragungsvorrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 verwendet, aber der Umfang der Erfindung ist nicht auf dies begrenzt, es kann an nehmbar sein und es kann die gleiche Wirkung erzielt werden, indem die optischen Übertragungsvorrichtungen 1400, 1700 und 2100 der Ausführungsbeispiele 14, 17 und 21 nach den Fig. 16, 20 und 21 verwendet werden.

Ausführungsbeispiel 28

Fig. 32 zeigt einen Aufbau einer Laserbearbeitungs vorrichtung 2800 nach dem achtundzwanzigsten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 nach Fig. 32 werden Bauteile, die denen der Festkörperlaservor richtung 2200 des zweiundzwanzigsten Ausführungsbei spiels nach Fig. 25 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Erläuterung wird hier weggelassen.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 des achtund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach Fig. 32 sind die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektierenden Material, wie weißer Kera mik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungs versorgung 5 eingeschaltet wird, wird das Licht von der Lichtquelle 4 direkt auf das Festkörperelement 3 gestrahlt oder wird durch die Fokussiervorrichtung 6 reflektiert und dann auf das Festkörperelement 3 ge strahlt. Ein Teil des auf das Festkörperelement 3 gestrahlte Licht wird in ihm selbst absorbiert und das absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es sich in ein Lasermedium ändert. Die in dem Lasermedium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 ver stärkt, während die spontane Lichtemission zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 übertragen wird, und dann wird die verstärkte spontane Licht emission in das Laserlicht 7 geändert. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ nach außen außerhalb der Spiegel 1 und 2 und des Laserre sonators emittiert, wenn das Laserlicht 7 eine größe re Ausgangsleistung als eine vorhergegebene aufweist. Der aus dem Laserresonator austretende Laserstrahl 70 wird zu der Fokussierlinse 8 gestrahlt. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laserstrahl wird durch sie zu einem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt.

Die Bewegungsvorichtung 105 für den optischen Faser halter und der optische Faserhalter 101 bewegen die Position der Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 auf der Grundlage der Beziehung zwischen einem vor bestimmten Verschiebungswert und der Fokussierbarkeit des ausgehenden Laserstrahls in Übereinstimmung mit dem Wert, der von dem Einstellsystem 18 für die Fo kussierbarkeit eingestellt ist, so daß die Festkör perlaservorrichtung einen Laserstrahl vorsieht, der eine von dem Einstellsystem 18 für die Fokussierbar keit spezifizierte Fokussierbarkeit aufweist. Der erhaltene Laserstrahl wird noch einmal durch die Fo kussierlinse 23 fokussiert. Das Zielarbeitsgut wird unter Verwendung des fokussierten Laserstrahls bear beitet.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2800 des Ausfüh rungsbeispiels 28 kann die Fokussierbarkeit des La serstrahls einfach in einem Laserstrahl geändert wer den, der einen anderen Fokussierbarkeitspegel auf weist, so daß sie für verschiedene Arten von Verar beitungen, wie für eine hoch genaue Verarbeitung, eine Verarbeitung in weiten Bereichen, zum Beispiel Schweißen, Schneiden oder dergleichen angewendet wer den kann.

Darüber hinaus wird in der Laserbearbeitungsvorrich tung 2800 des achtundzwanzigsten Ausführungsbeispiels die Festkörperlaservorrichtung 2200 des zweiundzwan zigesten Ausführungsbeispiels nach Fig. 25 verwendet, aber der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist nicht auf dieses begrenzt, es kann gleichfalls unter ähnlichen Wirkungen mit den optischen Übertragungs vorrichtungen 1500 un 1600 der Ausführungsbeispiele 15 und 16 entsprechend den Fig. 17 und 19 verwendet werden.

Ausführungsbeispiel 29

Fig. 33 zeigt einen Aufbau einer Laserbearbeitungs vorrichtung 2900 eines neunundzwanzigsten Ausfüh rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 nach Fig. 33 werden Bauteile, die denen der optischen Übertra gungsvorrichtung 100 des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 im Aufbau und in der Funktion entspre chen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 des Ausführungsbeispiels 29 wird der Laserstrahl mit dem Durch messer ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ aus dem Laseroszillator 10 von der Fokussierlin se 8 zu dem Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in in einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 des neunund zwanzigsten Ausführungsbeispiels wird der austretende Laserstrahl direkt auf ein Zielarbeitsgut zur Verar beitung gestrahlt, ohne ihn weiter zu fokussieren. Da der Laserstrahl durch die optische Faser auf das Ar beitsgut übertragen wird, während die Fokussierbar keit des Laserstrahls erhalten bleibt, ist der Öff nungswinkel des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls relativ kleiner als in Laserbearbei tungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik und sie kann ohne jede Fokussierlinse realisiert werden, um eine Laserverarbeitungsoperation für einen weiten Bereich zum Beispiel Läserhärten mit der sehr einfa chen Konfiguration nach Fig. 33 zu realisieren.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 2900 des neunund zwanzigsten Ausführungsbeispiels wird die optische Übertragungsvorrichtugn 100 des ersten Ausführungs beispiels nach Fig. 1 verwendet, allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt, es kön nen auch mit der ähnlichen Wirkung die optischen Übertragungsvorrichtungen 200 und 1600 des Ausfüh rungsbeispiels 2 und des Ausführungsbeispiels 16 nach den Fig. 4 und 19 verwendet werden. In einem Fall, in dem die optische Übertragungsvorrichtung 200 des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 verwendet wird, wird der Laserstrahl 70 mit dem Öffnungswinkel 2θ durch die Fokussierlinse 8 und die Apertur 11 in den Laserstrahl fokussiert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist, und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischer Faser 9 ge strahlt. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 9 übertragen, während seine Fokussierbarkeit erhalten bleibt und wird dann auf der Ausgangsseite der optischen Faser für das Zielarbeitsgut vorgese hen.

Ausführungsbeispiel 30

Fig. 34 zeigt einen Aufbau einer Laserbearbeitungs vorrichtung 3000 des dreißigsten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 3000 nach Fig. 34 werden für die Bauteile, die denen der optischen Übertragungsvorrichtung 1700 des siebzehnten Ausfüh rungsbeispiels nach Fig. 20 im Aufbau und in der Funktion entsprechen, die gleichen Bezugszeichen vor gesehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.

In der Laserverarbeitungsvorrichtung 3000 des Ausfüh rungsbeispiels 30 sind die Lichtquelle 4 und das Festkörperelement 3 in der Fokussiervorrichtung 6 angeordnet, deren Innenfläche mit einem reflektieren den Material, wie weißer Keramik beschichtet ist. Wenn die elektrische Spannungsversorgung 5 einge schaltet wird, wird das von der Lichtquelle 4 ausge sandte Licht direkt auf das Festkörperelement 3 be strahlt oder wird durch die Fokussiervorrichtung 6 reflektiert und dann auf das Festkörperelement 3 ge strahlt. Ein Teil des bestrahlten Lichts wird in dem Festkörperelement 3 absorbiert. Das absorbierte Licht erregt das Festkörperelement 3, so daß es sich in ein Lasermedium ändert. Die in dem Lasermedium erzeugte spontane Lichtemission wird zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 verstärkt, während die spontane Lichtemission zwischen dem Spiegel 1 und dem Ausgangsspiegel 2 übertragen wird und das verstärkte spontane Laserlicht wird in das Laserlicht 7 geän dert. Das Laserlicht 7 wird als Laserstrahl 70 mit dem Durchmesser ϕ₀ an der schmalsten Stelle und dem Öffnungswinkel 2θ von den Spiegeln 1 und 2 des Laser resonators nach außerhalb emittiert, wenn das Laser licht 7 eine größere als eine vorbestimmte Leistung aufweist. Der von dem Laserresonator emittierte La serstrahl 70 wird auf die Fokussierlinse 8 gesandt. Der durch die Fokussierlinse 8 hindurchgehende Laser strahl wird durch sie auf einen Laserstrahl fokus siert, dessen Durchmesser ϕ_in mit einem Bereich von ϕ_s ± 50% ist und wird dann auf die Einfallsseitenebene der optischen Faser 9 gestrahlt. Dann wird der Laser strahl durch die optische Faser 9 geleitet, während die Fokussierbarkeit erhalten bleibt. Der Laserstrahl tritt an der Ausgangsseite der optischen Faser 9 aus und wird direkt auf ein Zielarbeitsgut zur Bearbei tung ohne jede Fokussierung gerichtet.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 3000 des Ausfüh rungsbeispiels 30 ebenso wie in der Laserbearbei tungsvorrichtung 2900 des neunundzwanzigsten Ausfüh rungsbeispiels ist der Öffnungswinkel des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls relativ kleiner als in den Laserbearbeitungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik, so daß er für eine Laser bearbeitung in einem weiten Bereich, beispielsweise für Laserhärten verwendet werden kann, wobei der Aufbau der Vorrichtung entsprechend Fig. 34 sehr einfach ist, denn die Laserstrahlübertragung kann durchge führt werden, während die Fokussierbarkeit des Laser strahls erhalten bleibt.

In der Laserbearbeitungsvorrichtung 3000 des vierund dreißigsten Ausführungsbeispiels wurde für die Erläu terung die Festkörperlaservorrichtung 1700 des sieb zehnten Ausführungsbeispiels nach Fig. 20 verwendet, aber die Erfindung ist nicht auf diese begrenzt, sie kann in gleicher Weise für die Festkörperlaservor richtungen 1800 und 2200 des achzehnten und zweiund zwanzigsten Ausführungsbeispiels nach Fig. 21 und 25 verwendet werden.

Wie oben im Detail beschrieben wurde, umfaßt in der optischen Übertragungsvorrichtung nach der vorliegen den Erfindung die optische Faser eine Gradientenfaser mit einem Durchmesser ϕ_c des Kerns der optischen Fa ser, einer Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser und einer Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns und an dem Um fangsabschnitt des Kerns der optischen Faser. Durch das optische Eintrittssystem der optischen Faser weist der Laserstrahl den kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene der optischen Faser auf, durch die der Laserstrahl in die optische Faser eingeführt wird oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser und der Durchmesser ϕ_in des Laser strahls an der Einfallsseitenebene der optischen Fa ser hat die folgende Beziehung:

0,5ϕ_s ≦ ϕ_in ≦ 1,5ϕ_s und

ϕ_s = (ϕ_cϕ₀θ(2n₀Δ_n)^-1/2)^1/2,

wobei der Durchmesser des Laserstrahls an der schmal sten Stelle ϕ₀ und der Öffnungswinkel des Laser strahls 2θ ist.

Somit kann der in dem Laserresonator oder dem Lase roszillator erzeugte Laserstrahl an der Ausgangsseite der optischen Faser vorgesehen werden, während die hohe Fokussierbarkeit des Laserstrahls aufrechterhal ten bleibt.

Darüber hinaus kann in der optischen Übertragungsvor richtung der vorliegenden Erfindung die gleiche Wir kung erzielt werden, wenn der Laserstrahl ein Multi modelaserstrahl ist, selbst wenn ein Hochleistungs laserstrahl verwendet wird.

Da darüber hinaus in der optischen Übertragungsvor richtung der vorliegenden Erfindung der Wert πθϕ₀/λ nicht größer ist als 100, wenn eine Wellenlänge des Laserstrahls λ ist, der Laserstrahl mit der hohen Fokussierbarkeit vorgesehen werden, wobei die hohe Fokussierbarkeit erhalten bleibt.

Außerdem umfaßt die optische Übertragungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Apertur oder Blende, die nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser angeordnet ist, um eine Bestrahlung des Laserstrahls auf einen Umfangsbereich nahe der Einfallsseite der optischen Faser zu verhindern.

Zusätzlich umfaßt das optische Übertragungssystem der vorliegenden Erfindung weiterhin eine Apertur oder Blende, die nahe der Ausgangsseitenebene der opti schen Faser angeordnet ist, um die Bestrahlung eines reflektierten Laserstrahls auf einen Mantel oder dergleichen in der optischen Faser zu verhindern. Dabei kann ein nachteiliger Effekt, der durch den reflek tierten Laserstrahl bewirkt wird, auf einen minimalen Wert reduziert werden.

Weiterhin sind in dem optischen Übertragungssystem nach der vorliegenden Erfindung für das Einfallssy stem der optischen Faser Fokussierlinsen vorgesehen, die zwei Fokussierlinsen oder ein Paar von Fokussier linsen umfassen.

Somit kann der Laserstrahldurchmesser an der Ein fallsseiteneben der optischen Faser leicht geändert und auf der Grundlage der Eigenschaft des Laser strahls eingestellt werden, indem eine Position der zwei Fokussierlinsen oder des Paars von Fokussierlin sen eingestellt wird.

Da in der optischen Übertragungsvorrichtung der vor liegenden Erfindung eine Gradientenlinse als eine der Fokussierlinsen verwendet wird und nahe der Einfalls seite der optischen Faser angeordnet oder mit der optischen Faser verbunden wird, kann der Laserstrahl durchmesser der Einfallsseitenebene der optischen Faser eingestellt und geändert werden entsprechend dem Merkmal des Laserstrahls, indem leicht die Posi tion der Gradientenfaser verändert wird.

Da darüber hinaus die optische Übertragungsvorrich tung der vorliegenden Erfindung eine nahe der Ein fallsseitenebene der Gradientenlinse angeordnete Apertur umfaßt, verhindert die nahe der Gradienten linse angeordnete Apertur eine unnötige Bestrahlung des Laserstrahls auf die Gradientenlinse und einen Umfangsabschnitt der Einfallsseite der optischen Fa ser.

Da die optische Übertragungsvorrichtung nach der vor liegenden Erfindung weiterhin eine Überwachungsvor richtung des einfallenden Laserstrahls zum Messen der Größe eines einfallenden Laserstrahls an der Ein fallsseitenebene der optischen Faser und eine Bewe gungsvorrichtung umfaßt, kann die Position der Fokus sierlinse eingestellt und auf die geeignetste Posi tion geändert werden, und somit kann automatisch die geeignetste Fokussierung des Laserstrahls durchge führt werden.

Da die optische Übertragungsvorrichtung nach der vor liegenden Erfindung weiterhin eine Überwachungsvor richtung zur Messung der Größe eines ausgehenden La serstrahls an der Ausgangsseite der optischen Faser und eine Bewegungsvorrichtung aufweist, kann die Po sition der Fokussierlinse eingestellt und auf eine geeignete Position geändert werden und somit kann automatisch die am besten geeignete Fokussierung des Laserstrahls durchgeführt werden.

In der optischen Übertragungsvorrichtung der vorlie genden Erfindung umfaßt die Überwachungsvorrichtung für den ausgehenden Laserstrahl einen an der Aus gangsseite der optischen Faser angeordneten Strah lungssensor, wobei eine Apertur nahe der Einfallssei te der optischen Faser angeorndet ist, und es wird eine optische Position des Einfallssystems der opti schen Faser so eingestellt, daß die Ausgangsleistung des von dem Strahlungssensor erfaßten Laserstrahls einen maximalen Wert annimmt. Daher kann ein Laserstrahl mit der am besten geeignetsten Fokussierbar keit mit einem sehr einfachen Aufbau erzielt werden.

Außerdem kann bei der optischen Übertragungsvorrich tung der vorliegenden Erfindung die Überwachungsvor richtung für den ausgehenden Laserstrahl eine Photo diode umfassen, die an einem Punkt angeordnet ist, die zu der optischen Achse der Ausgangsseitenebene der optischen Faser verschoben ist. Somit kann auto matisch der Laserstrahl mit der am besten geeigneten Fokussierbarkeit erreicht werden.

In der optischen Übertragungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfaßt die Überwachungsvor richtung für den ausgehenden Laserstrahl eine Aper tur, die an der Ausgangsseite der optischen Faser angeordnet ist und einen Strahlungssensor zum Erfas sen des Laserstrahls, der durch die Apertur oder Blende hindurchgeht.

Somit kann automatisch der Laserstrahl mit der am besten geeigneten Fokussierbarkeit in einem sehr ein fachen Aufbau erzielt werden.

Weiterhin hat die optische Übertragungsvorrichtung die Wirkung, daß die Fokussierbarkeit des austreten den Laserstrahls überwacht werden kann.

Die optische Übertragungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt weiterhin die Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Fokussierlinse und/oder der optischen Faser, um die Positionsbeziehung zwischen ihnen ein zustellen, wodurch die vorliegende Erfindung einen Laserstrahl vorsehen kann, der jeden Grad der Fokus sierbarkeit aufweist.

Weiterhin ist eine Festkörperlaservorrichtung nach vorliegenden Erfindung vorgesehen, die ein Festkör perelement als Lasermedium, den Laserresonator und die optische Übertragungsvorrichtung aufweist. In dem Laserresonator sind das optische Bildübertragungssy stem mit dem Spiegel, der Fokussierlinse und der Be wegungsvorrichtung zum Bewegen des Spiegels und der Fokussierlinse eingeschlossen. Somit kann durch das optische Bildübertragungssystem der Laserstrahl mit der hohen Fokussierbarkeit oszilliert werden und zur gleichen Zeit kann der Durchmesser des Laserstrahls an der Einfallsseite der optischen Faser über dem Bereich von ϕ_s ± 50% eingestellt werden.

Claims

1. Optische Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laserstrahls mit:
einer optischen Faser (9), die als Gradientenfa ser ausgebildet ist und einen Durchmesser ϕ_c eines Kerns der optischen Faser, eine Brechzahl n₀ an der Mitte des Kerns der optischen Faser und eine Differenz Δn zwischen den Brechzahlen an der Mitte des Kerns der optischen Faser und an einem Umfangsabschnitt des Kerns der opti schen Faser aufweist; und
einem Fokussiersystem (8, 101) der optischen Fa ser, das einen kleinsten fokussierten Punkt an der Einfallsseitenebene oder nahe der Einfalls seitenebene der optischen Faser erzeugt, durch die der Laserstrahl in die optische Faser (9) eingeführt wird, wobei ein Durchmesser ϕ_in des Laserstrahls an der Einfallsseitenebene der op tischen Faser die folgende Beziehung aufweist:
0,5ϕ_s ≦ ϕ_in ≦ 1,5ϕ_s und
ϕ_s = (ϕ_cϕ₀θ(2n₀Δ_n)^-1/2)^1/2,
wobei der Durchmesser des Laserstrahls an der schmalsten Stelle ϕ₀ ist und der Öffnungswinkel des Laserstrahls 2θ.

2. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl ein multi-mode-Laserstrahl ist.

3. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert πθϕ₀/λ nicht größer als 100 ist, wenn die Wel lenlänge des Laserstrahls λ ist.

4. Optische Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Apertur (11) vorgesehen ist, die nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) an geordnet ist und deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser ϕ_c des Kerns der optischen Faser (9) und größer als der Wert ϕ_s ist.

5. Optische Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Apertur (12) nahe der Ausgangsseitenebene der optischen Faser (9) angeordnet ist, durch die der Laserstrahl austritt, und deren Durch messer kleiner als der Durchmesser ϕ_c des Kerns der optischen Faser (9) und größer als der Wert ϕ_s ist.

6. Optische Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokussiersystem für die optische Faser wei terhin Fokussierlinsen (81, 82) umfaßt, die als zwei oder als Paar von Linsen ausgebildet sind.

7. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an oder nahe der Einfallsseitenebene der optischen Faser (9) angeordneten Linsen eine Gradientenlinse (83) aufweist, wobei die Gradientenlinse nahe der optischen Faser (9) angeordnet oder mit der op tischen Faser (9) verbunden ist.

8. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Apertur (13) vorgesehen ist, die nahe der Einfallsseitenebene der Gradientenlinse (83) angeordnet ist.

9. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Über wachungsvorrichtung für den einfallenden Laser strahl zum Messen einer Größe des einfallenden Laserstrahls an der Einfallsseitenebene der op tischen Faser und eine Bewegungsvorrichtung vor gesehen sind, an der das Fokussiersystem für die optische Faser befestigt ist, um das Fokussier system für die optische Faser zu bewegen, wobei die Position des Fokussiersystems für die opti sche Faser auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Überwachungsvorrichtung für den einfal lenden Laserstrahl eingestellt wird.

10. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsvorrichtung für den austreten den Laserstrahl zum Messen einer Größe des aus der Ausgangsseitenebene der optischen Faser aus tretenden Laserstrahls und eine Bewegungsvor richtung vorgesehen sind, auf der das Fokussier system für die optische Faser angeordnet ist, um das Fokussiersystem für die optische Faser zu bewegen, wobei die Position des Einfallssystems für die optische Faser auf der Grundlage des Ausgangssignals von der Überwachungsvorrichtung für den ausgehenden Laserstrahl eingestellt wird.

11. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwa chungsvorrichtung für den austretenden Laser strahl einen Strahlungsleistungssensor (161) umfaßt, wobei eine Apertur (11) nahe der Ein fallsseitenebene der optischen Faser (9) angeordnet ist, und daß die Position des Einfalls systems für die optische Faser so eingestellt wird, daß die von dem Strahlungsleistungssensor erfaßte Ausgangsleistung des Laserstrahls einen maximalen Wert annimmt.

12. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra gungsvorrichtung für den austretenden Laser strahl Photodiode (162) umfaßt, die an einem Punkt angeordnet ist, der zu der optischen Achse der Ausgangsseitenebene der optischen Faser (9) versetzt ist, und daß die Position des Fokussier systems für die optische Faser so eingestellt wird, daß ein Ausgangssignal von der Photodiode (162) einen minimalen Wert annimmt.

13. Optische Übertragungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwa chungsvorrichtung für den austretenden Laser strahl eine Apertur (17), die an der Ausgangs seite der optischen Faser (9) angeordnet ist, und einen Strahlungsleistungssensor (161) zum Erfassen eines Laserstrahls, der durch die Aper tur übertragen wird, umfaßt, und daß die Posi tion des Fokussiersystems für die optische Faser so eingestellt wird, daß die Strahlungsleistung des Laserstrahls durch die Apertur die maximale Strahlungsleistung wird.

14. Optische Übertragungsvorrichtung mit einem Ein fallssystem für eine optische Faser und eine Lasererzeugungsvorrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls, wobei das Einfallssystem für die optische Faser umfaßt:
eine Fokussierlinse (8) zum Fokussieren des von der Laserstrahlerzeugungsvorrichtung ausgesand ten Laserstrahls und
eine optische Faser (9), durch die der Laser strahl übertragen wird, wobei das Einfallssystem für die optische Faser den durch die Fokussier linse konzentrierten Laserstrahl auf die Ein fallsseitenebene der optischen Faser fokussiert,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser eine Gradientenfaser aufweist und daß eine Bewe gungsvorrichtung zum Bewegen des Fokussier systems der optischen Faser und/oder der opti schen Faser und eine Vorgabevorrichtung (18) für die Fokussierbarkeit zum Steuern der Bewegung der Bewegungsvorrichtung, um die Fokussierbar keit des Laserstrahles vorzugeben, vorgesehen ist, wobei die Fokussierbarkeit des Laserstrahls durch Bewegen des Fokussiersystems für die opti sche Faser und/oder der optischen Faser durch die Bewegungsvorrichtung eingestellt wird.

15. Verwendung der optischen Übertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten ei nes Zielarbeitsguts, wobei der übertragene La serstrahl durch ein optisches Fokussiersystem fokussiert von der optischen Übertragungsvor richtung und auf das Zielarbeitsgut gerichtet wird.

16. Verwendung einer optischen Übertragungsvorrich tung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten ei nes Zielarbeitsgutes, wobei der aus der opti schen Übertragungsvorrichtung austretende Laser strahl direkt auf das Arbeitsgut zu dessen Be arbeitung gerichtet wird.