LU100495B1 - Ultrakurzpulslaser Lichtleitkabel - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, welches über seinen gesamten Verlauf aus einer Hohlkernfaser besteht und der Hohlkern mit einem Gas bei einem definier- ten Druck befüllt ist, und die beiden Enden des Lichtleitkabels gasdicht durch ein erstes und zweites optisches Element verschlossen sind, wobei wenigstens das erste und/oder das zweite optische Element oder die Hohlkernfaser eine Bohrung zur Evakuierung aufweisen.

Description

ULTRAKURZPULSLASER LICHTLEITKABEL
Beschreibung
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft ein Lichtleitkabel fur Ultrakurzpulslaser.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002] Laserstrahlquellen, welche gepulstes Laserlicht mit Pulsdauem im Bereich von Femto bis Pikosekunden ausstrahlen, werden als Ultrakurzpulslaser (UKP) bezeichnet. Diese ermög lichen Wellenlängen im UV und sogar NIR-Bereich und erlauben Verbreitungsprozesse, di< mit konventionellen Werkzeugen nicht möglich sind. Mit der konzentrierten Energie der La serpulse lassen sich Werkstoffe schnell, präzise und in hoher Stückzahl bearbeiten.
[0003] UKP Strahlung wird derzeit als Freistrahl oder in einem evakuierten / gasgefüllten Lichtleitkabel (LLK) übertragen. Neben dem bloßen Strahltransport bietet die Hohlkernfaser technologie neue Möglichkeiten, um die Pulse anzupassen. Durch gezielte Kontrolle voi nichtlinearen Effekten ist es möglich eine Pulskompression zu erreichen. Dabei wird eim Selbstphasenmodulation des Laserpulses innerhalb der Faser induziert. Durch die Steuerunj des Gasdrucks innerhalb des Laserlichtkabels kann die resultierende spektrale Verbreiterunj und der induzierte Pulschirp genau eingestellt werden und nachfolgend mit einem externe] Kompressor komprimiert werden. Es ist somit möglich, die Pulsdauer über einen sehr weitei Bereich von Pulsparametem zu verändern. Kompressionsfaktoren von 3 bis 10 können er reicht werden, sodass ein 1 ps-Puls auf wenige 100 fs komprimiert werden kann.
[0004] Ein Nachteil gasgefüllter Lichtleitkabel ist darin zu sehen, dass diese permanent über wacht werden müssen, um die erzielten Strahleigenschaften gewährleisten zu können ode durch Evakuieren oder Befüllen des Lichtleitkabels erst überhaupt erreichen zu können. Da: Befüllen einer Hohlkernfaser mit Luft führt zu einer Puls- und Spektralaufweitung, wobei di<
Ionisationsschwelle gering ist und diese daher nicht für hohe Pulsenergien geeignet sind. Wenn eine Hohlkemfaser mit einem Edelgas gefüllt wird, so führt dies ebenfalls zu einer Puls- und Spektralaufweitung, allerdings mit einer hohen Ionisationsschwelle, welche eine Eignung für hohe Pulsenergien mit sich bringt. Somit ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ein hoher konstruktiver Aufwand bei der Überwachung der Lichtleitka-bel gegeben.
[0005] Zudem ist dafür Sorge zu tragen, dass diese speziellen Lichtleitkabel auch mit entsprechenden Anschlüssen versehen werden, da Gasdrücke von bis zu 50 bar verwendet werden. In diesem Zusammenhang ist auch die Sicherheit der Verbindungen von Lichtleitkabeln zu be-riicksichtigen.
[0006] Die EP 2 309 609 A2 beschreibt eine optische Anordnung, bei welcher eine gasgefüll-te Hohlkemfaser zwischen optischen Fasem angeordnet ist. Dabei ist der gasgefüllte Teil zwischen die optischen Fasem mit geeigneten Methoden gespleißt, nachdem dieser evakuiert und mit einem gewünschten Gas gefüllt wurde. Die in der EP 2 309 609 A2 beschriebene optische Vorrichtung eignet sich nicht als Lichtleitkabel zur Übertragung hoher Pulsenergien, da der gasgefüllte Teil von nicht gasgefüllten optischen Fasem flankiert wird. Diese würden bei Ein-kopplung hoher Pulsenergien unmittelbar zerstört werden.
[0007] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleitlaserkabel vermeidet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0008] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelost.
[0009] Die vorliegende Erfindung stellt ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser zur Verfügung, welches über seinen gesamten Verlauf aus einer Hohlkemfaser besteht und der Hohl-kem mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt bzw. evakuiert ist, und die beiden
Enden des Lichtleitkabels gasdicht durch ein erstes und zweites optisches Element verschlos-sen sind, wobei wenigstens das erste und/oder das zweite optische Element oder die Hohl-kemfaser eine Bohrung zur Evakuierung aufweisen.
[0010] In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest das erste und/oder das zweite optische Element in der Ein- und/oder Auskoppelebene sphärisch sein kann.
[0011] Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Hohlkemfaser zumindest an einem Ende weitere optische Elemente zum gasdichten Verschluss aufweisen kann.
[0012] In einer weiteren Ausführungsform kann das das äußerste optische Element die Hohlkemfaser gasdicht abschließen.
[0013] In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Bohrung des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser durch ein weiteres optisches Element abgedich-tet sein.
[0014] Es ist zudem erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bohrung des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser an ihrem äußeren Ende aufgeweitet sein kann und das weitere optische Element, dass sphärisch sein kann, in der Aufweitung zur Ab-dichtung liegt.
[0015] In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das weitere optische Element ringförmig um das ersten und/oder zweite optische Element oder die Hohlkemfaser zur Ab-dichtung anliegen kann.
[0016] In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lichtleitkabel in einem Rohr angeordnet sein kann, wobei Abdichtungen an jeder Seite der Bohrung quer zur Längsachse des Rohrs angeordnet sind, deren Durchmesser zumindest dem Abstand zwischen Außenumfang des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser und dem Innendurchmesser des Rohrs entspricht.
[0017] Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Hohlkemfaser mit Luft oder einem Gas befüllt oder evakuiert sein kann.
[0018] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Herstellungsverfahren fur ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, umfassend die Schritte; a. Bereitstellen einer optischen Hohlkemfaser; b. Aufspleißen eines ersten und zweiten optischen Elements an den beiden Enden der optischen Hohlkemfaser; c. Evakuieren des Hohlkerns über eine Bohrung, welche das erste und/oder das zweite optische Element oder die Hohlkemfaser aufweist; d. Befüllen des Hohlkerns mit Luft oder einem Gas bei einem definierten Druck; und e. Verschließen der Bohrung.
[0019] In einem weiteren Aspekt des Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass die Bohrung mit einem weiteren optischen Element verschlossen wird.
[0020] Zudem kann das Lichtleitkabel in einem Rohr angeordnet werden und die Bohrung dadurch verschlossen werden, dass Abdichtungen an jeder Seite der Bohrung quer zur Lângs-achse des Rohrs angeordnet werden, deren Durchmesser zumindest dem Abstand zwischen Außenumfang des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser und dem Innendurchmesser des Rohrs entspricht.
[0021] Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung eines wie zuvor beschrieben in einem Ultrakurzpulslaser.
[0022] Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kompression der Pulsdauer in einem Ultrakurzpulslaser unter Verwendung eines wie oben beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0023] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um eine mögliche Ausführungsform handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigt:
Figur 1 Darstellung eines sphärischen optischen Elements in der Ein-/Auskoppelebene
Figur 2 Darstellung eines mehrteiligen Faseranschlusses
Figur 3A-C Darstellung der Abdichtung einer Bohrung zur Evakuierung
Figur 4A, B Darstellung der Abdichtung einer Bohrung an der Hohlkernfaser
Figur 5 Darstellung einer Anordnung optischer Elemente in einem Grundkörper
Figur 6 Beispiele zur Aufweitung eines Faserendes
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0024] Die vorliegende Erfindung steilt ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser zur Verfu-gung, welches über seinen gesamten Verlauf aus einer Hohlkernfaser besteht und der Hohl-kem mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt ist, und die beiden Enden des Lichtleitkabels gasdicht durch ein erstes und zweites optisches Element verschlossen sind, wobei wenigstens das erste und/oder das zweite optische Element oder die Hohlkernfaser eine Bohrung zur Evakuierung aufweisen.
[0025] Wenn die optimalen Übertragungsbedingungen für Ultrakurzpulslaser bekannt sind, liegt der wesentliche Vorteil der beschriebenen Erfindung darin, dass das Lichtleitkabel nicht permanent evakuiert oder befüllt werden muss. Eine Überwachung des Gasdrucks ist eben-falls überflüssig. Vielmehr macht sich die Erfindung zunutze, dass sowohl das Medium zur Befüllung der Hohlkernfaser als auch der erforderliche Druck in Bezug zu den gewünschten Übertragungseigenschaften gesetzt werden kann. Dadurch ist es möglich vorkonfigurierfe
Lichtleitkabel herzustellen, bei denen der konstruktive Aufwand bei deren Verwendung ver-ringert ist.
[0026] Sofem der Druck in gasgefüllten Kabeln aus dem Stand der Technik abfällt, kommt es zu einem Abbrennen des Lichtleitkabels, wodurch der Produktionsprozess unterbrochen werden muss, da das Kabel ausgetauscht werden muss. Neben dem Austausch muss ein neues Lichtleitkabel aus dem Stand der Technik aber auch erst einmal wieder evakuiert und gegebe-nenfalls mit einem Gas neu befüllt werden. Anschließend muss der Druck im Hohlkem der Lichtleitfaser wieder so eingestellt werden, wie es für den jeweiligen Produktionsprozess er-forderlich ist. All diese Maßnahmen gehen mit einem langen Produktionsstillstand einher.
[0027] Lichtleitkabel gemäß der vorliegenden Erfindung bieten neben der höheren Prozesssi-cherheit zudem gleiche und konstante Eigenschaften bei der Laserstrahlübertragung. Die Einstellung kann vor dem Einsatz des Lichtleitkabels erfolgen, wodurch der Produktionsprozess von diesem Vorgang unabhängig ist.
[0028] Das Risiko von Kontaminationen des Lichtleitkabels wâhrend der Überwachung und Kalibrierung wâhrend des laufenden Produktionsprozesses wird durch die Verwendung von Kabeln, die unter Reinraumbedingungen vorkonfiguriert werden können, ebenfalls reduziert.
[0029] Wâhrend der Evakuierung einer Hohlkemfaser eines Lichtleitkabels gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein kollabiertes Ende übergangsweise als Abdichtung fungieren, bis das Ende dann wie beschrieben gasdicht durch das Anspleißen einer Endkappe oder eines Steckers abgedichtet wird. Es ist also im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wenn bei dem Herstellungsprozess eine evakuierte Hohlkemfaser vorübergehend zumindest an einem Ende durch das Kollabieren der Faser abgedichtet ist und anschließend erst mittels des An-spleißens von Endkappen nachfolgend versiegelt wird.
[0030] Für eine axiale Aufweitung ist vorgesehen, dass diese stufenförmig oder stufenlos (z.B. konisch) sein kann. Eine stufenförmige Aufweitung kann durch Bohrungen mit unter-schiedlichem Durchmesser erreicht werden.
[0031] Eine Abdichtung kann durch dafiir geeignete Elemente (z.B.: Dichtringe) und/oder Klebung bzw. Dichtmasse gewährleistet werden.
[0032] Figur 1 zeigt die Verbindung eines in der Ein- und Auskoppelebene sphärischen optischen Elements 5 mit einer Hohlkemfaser 1 als Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser. Die Verbindungsstellen 10 dienen der Abdichtung der Hohlkemfaser 1.
[0033] Figur 2 zeigt einen mehrteiligen Abschluss einer Hohlkemfaser 1 als Lichtleitkabel. Dabei ist ein erstes oder zweites optisches Element 6 über Verbindungsstellen 10 mit der Hohlkemfaser 1 verbunden. Das erste oder zweite optische Element 6 ist wiederum über Verbindungsstellen 10 mit einem dritten optischen Element verbunden, welches letztlich zur Abdichtung der Hohlkemfaser 1 dient.
[0034] In den Figur 3A-C sind beispielhaft unterschiedliche Ausführungsformen der Bohrung 20 mit weiteren optischen Elementen 25 dargestellt. Dabei handelt es sich in den Figuren 3A-C um Bohrungen 20 des ersten oder zweiten optischen Elements 6.
[0035] Eine dauerhafte Abdichtung kann durch das Aufschmelzendes weiteren optischen Elements 25 erfolgen. Dieses kann in seinem Querschnitt sphârisch sein (Figur 3B) und in einer am äußeren Ende aufgeweiteten Bohrung 25 angeordnet sein. In Figur 3A ist das weitere optische Element 25 innerhalb der Bohrung 20 zur Abdichtung angeordnet sein. Figur 3C zeigt ein optisches Element, welches auf der Bohrung am Außendurchmesser der Hohlkemfaser 1 aufgeschmolzen ist, um die Bohrung 20 abzudichten.
[0036] Bei alien in den Figuren 3A-C gezeigten Ausführungsformen kann es sich um ring-förmige weitere optische Elemente handeln, welche um die Hohlkemfaser gelegt werden und dann auf die Bohrung aufkollabiert werden.
[0037] Figuren 4A, B zeigen alternative Möglichkeiten einer Bohrung 20. Es liegt auch im Schutzbereich der Erfindung, dass die Faser geteilt ist und durch den „Ring“ wieder zueinan-der ausgerichtet, fixiert und abgedichtet wird, wobei Bohrung und Ring an einer beliebigen Stelle an der Hohlkemfaser 1 angeordnet sein können. Dabei wird die Bohrung durch ein wei- teres optisches Element 25 verschlossen (Figur 4A). Alternativ wird die Bohrung durch zwei weitere optische Elemente 25 verschlossen (Figur 4B).
[0038] In Figur 5 ist die Anordnung einer Hohlkernfaser 1 mit einem ersten oder zweiten optischen Element 6 an dem jeweiligen Ende in einem Grundkörper 35 gezeigt. Die Hohlkemfa-ser 1 und ein erstes oder zweites optisches Element 6 sind über die Verbindungstellen 10 ver-bunden. Diese Anordnung befindet sich in einem Grundkörper 35, welcher beispielsweise ein Hohlkörper sein kann, wie ein Schlauch oder ein Rohr. Die Abdichtungen 30 sind an jeder Seite der Bohrung 20 quer zur Längsachse des Grundkörpers 35 angeordnet, deren Durchmes-ser zumindest dem Abstand zwischen Außenumfang des ersten und/oder zweiten optische Element 6 oder der Hohlkernfaser lund dem Innendurchmesser des Grundkörpers 35 ent-spricht.
[0039] In dem Grundkörper 35 kann weiterhin eine Bohrung 40 angeordnet sein, welche die Möglichkeit zur Evakuierung der Hohlkernfaser 1 bietet. Diese Bohrung 40 kann dann eben-falls verschlossen werden, wobei in diesem Fall kein optisches Element zum Verschluss der Bohrung 40 erforderlich ist.
[0040] Der Grundkörper 35 soli im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als Hohlkörper oder auch als zylindrischer Grundkörper verstanden werden, welcher sogar einen Lichtleitkabelsteckverbinder und ggf. den Flansch umfassen kann.
[0041] Figur 6 zeigt beispielhaft unterschiedliche Formen bei der Aufweitung 8 des Endes eines ersten oder zweiten optischen Elements 6. Die Aufweitung 8 kann konisch (links) oder stufenweise (rechts) sein.

Claims (15)

1. Ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, welches über seinen gesamten Verlauf aus einer Hohlkemfaser besteht und der Hohlkem mit einem Gas bei einem definierten Druck befüllt ist, und die beiden Enden des Lichtleitkabels gasdicht durch ein erstes und zweites optisches Element verschlossen sind, wobei wenigstens das erste und/oder das zweite optische Element oder die Hohlkemfaser eine Bohrung zur Evakuierung aufweisen.
2. Das Lichtleitkabel nach Anspruch 1, wobei zumindest das erste und/oder das zweite optische Element in der Ein- und/oder Auskoppelebene sphärisch ist.
3. Das Lichtleitkabel nach Anspruch 1, wobei die Hohlkemfaser zumindest an einem Ende ein drittes optisches Elemente zum gasdichten Verschluss aufweist.
4. Das Lichtleitkabel nach Anspruch 3, wobei das äußerste optische Element die Hohlkemfaser gasdicht abschließt.
5. Das Lichtleitkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bohrung des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser durch ein weiteres optisches Element abgedichtet ist.
6. Das Lichtleitkabel nach Anspruch 5, wobei die Bohrung des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser an ihrem äußeren Ende axial aufgeweitet ist und das weitere optische Element sphärisch sein kann und in der Aufweitung zur Ab-dichtung liegt.
7. Das Lichtleitkabel nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das weitere optische Element ringförmig um das ersten und/oder zweite optische Element oder die Hohlkemfaser zur Abdichtung anliegt.
8. Das Lichtleitkabel nach eine der Ansprüche 1 bis 4, welches in einem zylindrischen Grundkörper angeordnet ist, wobei Abdichtungen an jeder Seite der Bohrung quer zur Längsachse des Grundkörpers angeordnet sind, deren Durchmesser zumindest dem Abstand zwischen Außenumfang des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser und dem Innendurchmesser des Grundkörpers entspricht.
9. Das Lichtleitkabel nach Anspruch 8, wobei der zylindrische Grundkôrper eine Boh-rung neben eine Bohrung des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser aufweist, wodurch die Hohlkemfaser evakuiert werden kann.
10. Das Lichtleitkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Hohlkemfaser mit Luft oder einem Gas befüllt oder evakuiert ist.
11. Ein Herstellungsverfahren für ein Lichtleitkabel für Ultrakurzpulslaser, umfassend die Schritte; a. Bereitstellen einer optischen Hohlkemfaser; b. Aufspleißen eines ersten und zweiten optischen Elements an den beiden Enden der optischen Hohlkemfaser; c. Evakuieren des Hohlkems über eine Bohrung, welche das erste und/oder das zweite optische Element oder die Hohlkemfaser aufweist; d. Befüllen des Hohlkems mit Luft oder einem Gas bei einem definierten Druck; und e. Verschließen der Bohrung.
12. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Bohrung mit einem weiteren optischen Element verschlossen wird.
13. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Lichtleitkabel in einem zylindrischen Grundkôrper angeordnet wird und Abdichtungen an jeder Seite der Bohrung quer zur Lângsachse des Grundkörpers angeordnet werden, deren Durchmesser zumindest dem Abstand zwischen Außenumfang des ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfaser und dem Innendurchmesser des Grundkörpers entspricht, wobei die Evakuierung der Hohlkemfaser durch eine Bohrung im zylindrischen Grundkôrper neben der Bohrung im ersten und/oder zweiten optische Element oder der Hohlkemfa-ser erfolgt.
14. Die Verwendung eines Lichtleitkabels nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Ult-rakurzpulslaser.
15. Ein Verfahren zur Kompression der Pulsdauer in einem Ultrakurzpulslaser unter Verwendung eines Lichtleitkabels nach einem der Ansprüche 1 bis 9. BEZUGSZEICHEN 1 Hohlkemfaser 5 sphärisches optisches Element in der Ein- und/oder Auskoppelebene 6 erstes oder zweites optisches Element 8 Aufweitung 10 Verbindungsstellen 15 drittes optisches Element 20 Bohrung 25 weiteres optisches Element 30 Abdichtung 35 Grundkörper
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