DE4305313C1 - Lichtleiteranordnung für Laserstrahlen - Google Patents

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.