DE4305313C1 - Lichtleiteranordnung für Laserstrahlen - Google Patents
Lichtleiteranordnung für LaserstrahlenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Lichtleiteranordnung für Laser
strahlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Lichtleiter werden in Verbindung mit Lasern benutzt, um die
Laserstrahlung vom Laser über eine Strecke zu einer Anwen
dung, z. B. zu einer Materialbearbeitung, zu leiten. Es
werden hierzu sowohl Lichtleiter mit einem stufenförmigen
Verlauf der Brechzahl (Stufenprofil-Fasern) oder mit sich
stetig änderndem Verlauf der Brechzahl (Gradienten- Fasern)
verwendet. Um diesen Verlauf der Brechzahl zu erzielen,
besteht der Lichtleiter aus einem Kernbereich (core) und
einem Mantelbereich (cladding). Der Kernbereich hat gegen
über dem Mantelbereich einen höheren Brechungsindex und
kann das Laserlicht bis zu einem maximalen Akzeptanzwinkel
mit Hilfe der Totalreflexion weiterleiten. Der Mantelbe
reich dient nicht zur Lichtübertragung, sondern liefert den
für die Totalreflexion erforderlichen geringeren Brechungs
index. Auf dem Mantelbereich ist als Schutz des Lichtlei
ters ein Schutzmantel aus flexiblen unterschiedlichen
Materialien (z. B. Silikone, Kunststoffe oder Teflon) aufge
bracht, die im allgemeinen das Laserlicht absorbieren.
Zur Einkopplung eines Laserstrahls in den Lichtleiter wird
dieser auf das Eintrittsende des Kernbereichs fokussiert.
Dabei gelangt häufig ein Teil des Laserlichtes auch in den
Mantelbereich. Dies tritt insbesondere bei der notwendigen
gegenseitigen Justierung von Laserstrahl und Lichtleiter
auf. Ebenso kann Strahlungsleistung des Laserlichtes durch
Rückstreuung und Reflexion vom bearbeiteten Werkstück in
den Mantelbereich gelangen. Dieser in den Mantelbereich
gelangende Anteil des Laserlichtes wird durch Totalreflexi
on innerhalb des Mantelbereichs gehalten. Teilweise wird
die Totalreflexion des Mantelbereichs durch das Material
des Schutzmantels aufgehoben, das einen größeren Brechungs
index als der Mantelbereich aufweist, so daß das Laserlicht
aus dem Mantelbereich austreten und in den Schutzmantel
eindringen kann. Durch die Absorption des Laserlichtes in
dem Schutzmantel kann dieser erhitzt und zerstört werden.
Bei höheren Impuls- oder Dauerleistungen tritt dies regel
mäßig ein.
Um diese Schwierigkeiten zu verringern, ist gemäß der US-PS
4 678 273 außen auf dem Mantelbereich des Lichtleiters ein
für das Laserlicht durchlässiges und gegen die Laserstrah
lung resistentes Material angebracht, welches einen Bre
chungsindex aufweist, der größer oder gleich dem Brechungs
index des Mantelbereichs ist. Durch dieses Material wird
somit die Totalreflexion des Mantelbereichs aufgehoben und
das Laserlicht aus dem Mantelbereich ausgelenkt. Das das
Laserlicht auslenkende Material ist von einem Absorber für
das Laserlicht umschlossen, der eine gute Wärmeleitfähig
keit aufweist und in wärmeleitender Berührung mit diesem
Material steht. Der Absorber absorbiert das aus dem Mantel
bereich ausgelenkte Laserlicht und führt die durch die
Absorption erzeugte Wärme ab. Bei höheren Laserstrahllei
stungen und damit auch höheren Leistungen des in den Man
telbereich gelangenden Strahlanteils ergibt sich eine
starke Erwärmung des Absorbers trotz dessen guter Wärme
leitfähigkeit, so daß das die Strahlung auslenkende Mate
rial und über dieses der Lichtleiter in schädlicher Weise
erwärmt werden. Außerdem treten auch eine thermische Aus
dehnung und thermische Verformungen des Absorbers auf, die
zu mechanischen Schädigungen des Lichtleiters führen kön
nen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Lichtleiter
anordnung für Laserstrahlen zur Verfügung zu stellen, die
auch bei höheren Strahlungsleistungen die Gefahr einer
Beschädigung durch in den Mantelbereich gelangendes Laser
licht verringert.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Lichtleiteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird das in den Mantelbereich des Lichtlei
ters gelangende Laserlicht durch geeignete Mittel aus dem
Mantelbereich ausgelenkt und durch einen vorzugsweise
gekühlten Absorber absorbiert. Der Absorber ist in radialem
Abstand zu den Mitteln zum Auslenken des Laserlichtes
angeordnet, so daß sich Luft, ein sonstiges Gas oder Vakuum
zwischen den Mitteln zum Auslenken des Laserlichtes bzw.
dem Mantelbereich des Lichtleiters und dem Absorber befin
det. Da somit zwischen dem durch das absorbierte Laserlicht
aufgeheizten Absorber und dem Lichtleiter bzw. den Mitteln
zum Auslenken des Laserlichtes keine wärmeleitende Berüh
rung vorhanden ist, wirkt die in dem Absorber erzeugte
Wärme nicht auf den Lichtleiter, die Mittel zum Auslenken
des Laserlichtes und den Schutzmantel des Lichtleiters
zurück. Auch bei hohen Strahlungsleistungen des Laserlich
tes und dementsprechend hohen von dem Absorber aufgenomme
nen Leistungen ist eine thermische Beschädigung oder eine
Beschädigung durch thermomechanische Verformung ausge
schlossen. Die Anordnung des Absorbers im Abstand von dem
Lichtleiter führt zu einer erheblichen Vergrößerung der
Absorberfläche, so daß die Flächenbelastung des Absorbers
durch die Strahlungsleistung und damit die Erwärmung des
Absorbers reduziert werden. Die große Absorberfläche ermög
licht außerdem eine effektivere Kühlung des Absorbers, was
weiter dazu beiträgt, daß der Absorber weniger stark er
wärmt wird.
Der Absorber ist vorzugsweise als zylindrische Hülse ausge
bildet, die den Lichtleiter koaxial umschließt. Dadurch
wird ein großflächiger Absorber geschaffen, der das ausge
lenkte Laserlicht in einem großen Raumwinkel absorbiert.
Der Absorber kann mittels Halteelementen an dem Lichtleiter
befestigt werden.
Zum Auslenken des Laserlichtes aus dem Mantelbereich können
unterschiedliche Mittel verwendet werden. Wesentlich ist,
daß diese Mittel die Laserstrahlleistung aus dem Mantelbe
reich wirkungsvoll auskoppeln und selbst das Laserlicht
nicht absorbieren, also durch das Laserlicht nicht erwärmt
werden. Das Auslenken des Laserlichtes kann durch Streuung
aufgrund einer geeigneten Veränderung der Manteloberfläche
des Lichtleiters bewirkt werden. Hierzu kann die Mantel
oberfläche aufgerauht werden oder es kann ein streuendes
Material, z. B. ein Salz, auf die Manteloberfläche aufge
bracht werden. Ebenso ist es möglich, auf die Mantelober
fläche des Lichtleiters in optischem Kontakt mit dieser
Manteloberfläche ein Medium aufzubringen, welches einen
höheren Brechungsindex als der Mantelbereich aufweist, so
daß an der Grenzfläche zwischen dem Mantelbereich und
diesem Medium keine Totalreflexion auftritt. Das für das
Laserlicht transparente Medium ist dabei vorzugsweise mit
Streuzentren versehen, um eine diffuse Streuung des Laser
lichtes auf den Absorber zu bewirken.
Der Absorber wird vorzugsweise am Eintrittsende der Licht
leiteranordnung angebracht, wo der stärkste Anteil der
Laserlichtleistung in den Mantelbereich gelangt. Das in den
Mantelbereich gelangende Laserlicht wird dann bereits vor
dem Schutzmantel des Lichtleiters ausgekoppelt, so daß die
Intensität der im Mantelbereich verbleibenden Reststrahlung
zuverlässig unterhalb der Zerstörschwelle des Schutzmantels
gehalten wird. Die Anordnung des Absorbers am Eintrittsende
der Lichtleiteranordnung ergibt auch einen Justierraum um
das Lichtleitereintrittsende, in welchem der Fokus des
Laserlichtes bei der Justierung bewegt werden kann, ohne
den Lichtleiter zu zerstören.
Es können selbstverständlich auch in anderen streckenberei
chen des Lichtleiters Absorber angeordnet werden, z. B.
insbesondere auch am Austrittsende um die von einem zu
bearbeitenden Werkstück oder auf sonstige Weise auf das
Austrittsende des Lichtleiters reflektierte Laserstrahlung
ohne Schädigung des Lichtleiters zu absorbieren.
Vorzugsweise sind in dem hülsenförmigen Absorber noch
zusätzlich radiale Blenden aus einem absorbierenden, wärme
leitenden Material vorgesehen. Diese Blenden stehen mit dem
Absorber, jedoch nicht mit dem Lichtleiter in wärmeleiten
der Berührung. Die Blenden sorgen dafür, daß auch unter
kleinem Winkel zur Lichtleiterachse gerichtete Laserlicht
strahlung absorbiert wird und die absorbierte Leistung als
Wärme über den Absorber der Kühlung zugeführt wird. Solche
nahezu achsparallele Strahlung tritt insbesondere am Ein
trittsende der Lichtleiteranordnung in den hülsenförmigen
Absorber ein, wenn der Fokusquerschnitt des Laserstrahles
größer als der Eintrittsquerschnitt des Lichtleiters ist
und insbesondere auch bei der Justierung des Laserfokus
auf die Eintrittsfläche des Lichtleiters. Weiter wird auch
bei der Auslenkung des Laserlichtes aus dem Lichtleiter
Laserlicht in achsnahen Richtungen gestreut.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen Axialschnitt des Eintrittsen
des einer Lichtleiteranordnung.
Ein Laserstrahl 1 wird mittels einer Linse 2 auf das Ein
trittsende 3 eines Lichtleiters fokussiert. Der Lichtleiter
weist einen Kernbereich 15 auf, der von einem Mantelbereich
16 mit kleinerem Brechungsindex umschlossen ist. Der Bre
chungsindex kann sich dabei stufenförmig (Stufenprofil-
Faser) oder kontinuierlich (Gradienten-Faser) ändern. Der
Lichtleiter ist von einem Schutzmantel 11 beispielsweise
aus Silikon, einem Kunststoff wie Tetrafluoräthylen (Tef
lon) oder dgl. umschlossen. Der Schutzmantel 11 dient zum
mechanischen Schutz des Lichtleiters, wobei das Material
des Schutzmantels 11 im allgemeinen das Laserlicht absor
biert.
An dem eintrittsseitigen Ende des Lichtleiters wird über
eine gewisse axiale Länge der Schutzmantel 11 entfernt, so
daß die Oberfläche des Mantelbereichs 16 freiliegt. Auf
dieser freigelegten Oberfläche des Mantelbereichs 16 werden
über eine gewisse axiale Länge Mittel 9 zum Auslenken des
Laserlichtes aus dem Mantelbereich 16 aufgebracht. Diese
Mittel 9 können darin bestehen, daß die Oberfläche des
Mantelbereichs 16 aufgerauht wird, um das Laserlicht aus
dem Mantelbereich herauszustreuen, es kann eine das Laser
licht aus dem Mantelbereich streuende Beschichtung z. B. aus
einem aufgetragenen Salz aufgebracht werden oder es kann in
optischem Kontakt mit der Oberfläche des Mantelbereichs ein
Medium aufgebracht werden, welches einen gleichen oder
größeren Brechungsindex wie das Material des Mantelbereichs
16 aufweist und mit Streuzentren versehen ist.
Das freigelegte Ende des Lichtleiters wird von einem zylin
drischen hülsenförmigen Absorber 13 koaxial umschlossen.
Der Absorber 13 weist eine längere axiale Ausdehnung auf
als das auslenkende Mittel 9 und erstreckt sich axial in
beiden Richtungen über dieses Mittel 9 hinaus. Der Absorber
13 weist einen Innenradius auf, der größer ist als der
Außenradius des Mantelbereichs 16 und der Außenradius der
Mittel 9 zum Auslenken des Laserlichtes und der vorzugswei
se das Drei- bis Vierfache des Außendurchmessers des Man
telbereichs 16 beträgt. Am eintrittsseitigen Ende des
Absorbers 13 ist ein Halteelement 4 angeordnet. Das Halte
element 4 hat die Form einer in den Absorber 13 eingesetz
ten Kreisringscheibe, die sich mit ihrem Innenumfang auf
dem Mantelbereich 16 des Lichtleiters abstützt und mit
ihrem Außenumfang den Absorber 13 trägt. Das Halteelement 4
positioniert auf diese Weise den Absorber 13 auf dem Licht
leiter.
Am entgegengesetzten Ende des Absorbers 13 ist ein entspre
chendes Halteelement 12 vorgesehen, welches den Absorber 13
positionierend auf dem Schutzmantel 11 des Lichtleiters
abstützt.
Im Inneren des Absorbers 13 sind Blenden 8 und 10 in Form
von Kreisringscheiben angeordnet. Die Blenden 8 und 10
schließen die auslenkenden Mittel 9 axial zwischen sich
ein. Die Blenden 8 und 10 sind mit ihrem Außenumfang an dem
Absorber 13 angebracht und stehen mit diesem in wärmelei
tender Berührung. Der Innenumfang der Blenden 8 und 10 ist
von dem Außenumfang des Mantelbereichs 16 radial beabstan
det, so daß keine wärmeleitende Berührung zwischen den
Blenden 8 und 10 und dem Lichtleiter vorhanden ist. Die
Blenden 8 und 10 bestehen aus einem das Laserlicht absor
bierenden Material guter Wärmeleitfähigkeit. Vorzugsweise
bestehen die Blenden 8 und 10 ebenso wie der hülsenförmige
Absorber 13 aus Metall.
Der hülsenförmige Absorber 13 ist an seinem gesamten Außen
umfang koaxial von einem Kühlmantel 14 umschlossen, der die
in dem Absorber 13 und in den Blenden 8 und 10 absorbierte
Laserstrahlleistung abführt.
Der Innenraum des Absorbers 13 ist mit Luft gefüllt. Gege
benenfalls kann der Innenraum auch mit einem anderen gas
förmigen Medium gefüllt oder evakuiert sein.
Der Laserstrahl 1 wird durch die Linse 2 auf das Eintritts
ende 3 des Lichtleiters fokussiert. Ein nutzbarer Anteil 5
des Laserlichtes tritt in den Kernbereich 15 ein und wird
in diesem zu der Anwendung, beispielsweise einem zu bear
beitenden Werkstück, geleitet. Ein weiterer Anteil 6 des
Laserlichtes trifft auf den Mantelbereich 16 und wird in
diesem durch Totalreflexion geführt. Gelangt das Laserlicht
im Mantelbereich 16 in den Bereich der Mittel 9, so wird
das Laserlicht aus dem Mantelbereich 16 ausgekoppelt und in
den gesamten Raumwinkel gestreut. Das gestreute Laserlicht
trifft auf den Absorber 13 und die Blenden 8 und 10, wird
dort absorbiert und in Wärme umgewandelt, die über den
Kühlmantel 14 abgeführt wird.
Laserlicht, das außerhalb des Eintrittsendes 3 an dem
Lichtleiter vorbeigelangt, trifft auf die Blende 8 bzw. den
Absorber 13 und wird dort ebenfalls absorbiert.
Sowohl das in den Mantelbereich 16 eintretende Laserlicht
als auch das neben dem Eintrittsende 3 auftreffende Laser
licht werden auf diese Weise vor dem Schutzmantel 11 effek
tiv absorbiert, so daß der Schutzmantel 11 zuverlässig
unterhalb der Temperatur seiner Zerstörschwelle gehalten
wird.
Die das Laserlicht absorbierenden Teile, nämlich der Absor
ber 13 und die Blenden 8 und 10 stehen nicht in wärmelei
tender Berührung mit dem Lichtleiter und dessen Schutzman
tel 11. Die Erwärmung dieser absorbierenden Teile führt
somit nicht zu einer Schädigung des Lichtleiters.
Selbstverständlich ist die Anordnung eines solchen Absor
bers 13 nicht auf das Eintrittsende des Lichtleiters be
schränkt. Es kann ein entsprechender Absorber 13 ebenso am
Austrittsende des Lichtleiters angeordnet werden, um bei
spielsweise von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückge
streutes und reflektiertes Laserlicht zu absorbieren.
Ebenso kann an beliebigen Stellen der axialen Erstreckung
des Lichtleiters ein Absorber 13 angeordnet werden, um die
in den Mantelbereich 16 gelangende Verlustleistung auszu
koppeln.
Claims (12)
1. Lichtleiteranordnung für Laserstrahlen mit einem einen
Kernbereich und einen Mantelbereich aufweisenden Licht
leiter, mit in zumindest einem Längenbereich des Licht
leiters angeordneten Mitteln zum Auslenken des Laser
lichtes aus dem Mantelbereich und mit einem die Mittel
zum Auslenken des Laserlichtes umschließenden Absorber
für das ausgelenkte Laserlicht, dadurch gekennzeichnet,
daß der Absorber (13) in Abstand zu den Mitteln (9) zum
Auslenken des Laserlichtes und ohne wärmeleitende
Berührung mit diesen Mitteln (9) und dem Lichtleiter
(15, 16, 11) angeordnet ist.
2. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Absorber (13) den Lichtleiter (15,
16, 11) koaxial umschließt.
3. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Absorber (13) durch wenigstens
ein Halteelement (4, 12) auf dem Lichtleiter (15, 16,
11) positioniert ist.
4. Lichtleiteranordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des
Absorbers (13) eine oder mehrere Blenden (8, 10) aus
einem das Laserlicht absorbierenden Material angeordnet
sind, die den radialen Zwischenraum zwischen dem Man
telbereich (16) des Lichtleiters und dem Absorber (13)
nicht vollständig ausfüllen, die mit dem Absorber (13)
oder dessen Kühlung (14) in wärmeleitender Berührung
stehen und die ohne wärmeleitende Berührung gegenüber
dem Mantelbereich (16) des Lichtleiters beabstandet
sind.
5. Lichtleiteranordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber
(13) und gegebenenfalls die Blenden (8, 10) gekühlt
sind.
6. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Absorber (13) über seinen gesamten
Außenumfang von einem Kühlmantel (14) umschlossen ist.
7. Lichtleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9) zum Auslen
ken des Laserlichtes aus dem Mantelbereich (16) des
Lichtleiters durch eine Aufrauhung der Außenoberfläche
des Mantelbereichs (16) gebildet sind.
8. Lichtleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9) zum Auslenken
des Laserlichtes aus dem Mantelbereich (16) des Licht
leiters durch auf die Außenoberfläche des Mantelbereichs
(16) aufgebrachte feste Materialien gebildet sind.
9. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf die Außenoberfläche des Mantelbereichs
(16) ein Salzauftrag aufgebracht ist.
10. Lichtleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (9) zum Auslen
ken des Laserlichtes aus dem Mantelbereich (16) des
Lichtleiters durch ein in optischem Kontakt mit dem
Mantelbereich (16) stehendes transparentes Medium
gebildet sind, welches einen gleichen oder größeren
Brechungsindex wie der Mantelbereich (16) aufweist.
11. Lichtleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das transparente Medium mit Streuzentren
versehen ist.
12. Lichtleiteranordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber
(13) am Eintrittsende (3) und/oder Austrittsende des
Lichtleiters (15, 16, 11) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4305313A DE4305313C1 (de) | 1993-02-20 | 1993-02-20 | Lichtleiteranordnung für Laserstrahlen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4305313A DE4305313C1 (de) | 1993-02-20 | 1993-02-20 | Lichtleiteranordnung für Laserstrahlen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4305313C1 true DE4305313C1 (de) | 1994-03-31 |
Family
ID=6480988
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4305313A Expired - Lifetime DE4305313C1 (de) | 1993-02-20 | 1993-02-20 | Lichtleiteranordnung für Laserstrahlen |
Country Status (1)
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