WO2021260010A1 - Fibre coupler - Google Patents

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WO2021260010A1
WO2021260010A1 PCT/EP2021/067155 EP2021067155W WO2021260010A1 WO 2021260010 A1 WO2021260010 A1 WO 2021260010A1 EP 2021067155 W EP2021067155 W EP 2021067155W WO 2021260010 A1 WO2021260010 A1 WO 2021260010A1
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WO
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fiber
fiber coupler
processing head
laser
laser processing
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/067155
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German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Rudolf
Original Assignee
Precitec Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4296Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/36Mechanical coupling means
    • G02B6/3616Holders, macro size fixtures for mechanically holding or positioning fibres, e.g. on an optical bench
    • G02B6/3624Fibre head, e.g. fibre probe termination
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/241Light guide terminations

Definitions

  • the present invention relates to a fiber coupler for attaching a laser light guide fiber to a laser processing head.
  • a laser processing system for processing a workpiece by means of a laser beam
  • the laser beam emerging from one end of a laser guide fiber is focused or bundled onto a workpiece to be processed with the help of beam guidance and focusing optics in order to locally heat the workpiece to the melting temperature.
  • the processing can in particular include laser welding or laser cutting.
  • the laser processing system comprises a laser processing head, in particular a laser welding head or laser cutting head.
  • an optical fiber is generally used, also called optical fiber, optical fiber or optical fiber for short, in which the optical fiber is guided by total reflection.
  • the interface between the optical fiber and the laser processing head is of utmost importance for the most loss-free, precisely defined and easily reproducible coupling into the laser processing head, especially with high laser powers from 1 kW.
  • the interface between the optical fiber and the laser processing head is two-part and consists of a fiber connector integrated with the optical fiber and a fiber socket mounted on the laser processing head.
  • the optical fiber typically ends in what is known as the fiber connector, which is inserted and locked along the length of the fiber socket attached to the processing head.
  • the position of the fiber connector in the laser processing head system is defined by the fiber socket.
  • connection between the fiber connector and the fiber socket and the connection between the fiber socket and the laser processing head must ensure a hermetically sealed demarcation from the environment, also in order to to avoid the penetration of dirt particles into the optical beam path of the laser processing head.
  • FIG. 1 A schematic representation of such a conventional interface between the optical fiber and the laser processing head is shown in FIG. 1:
  • a fiber bushing 3 is attached to a laser processing head 100, for example by means of screws 33.
  • an annular projection can be provided on one of the two components laser processing head 100 and fiber bushing 3 (also called centering collar) and a corresponding recess on the other of the two components.
  • the fiber connector 2, in which one end of the optical fiber 1 is attached or integrated, is then inserted into the fiber socket 3 and locked therein after the fiber connector 2 has been aligned or centered.
  • the cylindrical or conical fiber connector is inserted into the narrow fiber socket, usually over a length of at least 40 mm, manually by a specialist who has to insert the connector smoothly and with high precision into the fiber socket attached to the laser processing head. Due to the tight mechanical tolerances, frictional contacts between plug and socket are unavoidable. This can result in metallic abrasion, which then gets onto the optical fiber end and / or the optics of the processing head - be it immediately or later when the head is moved. If the connected high-power laser is then switched on, this can lead to irreparable damage to the fiber end face and / or the optics, as the metal particles heat up strongly and burn themselves into the glass material.
  • the termination of the fiber connector is typically formed by a protective glass 4, which protects the end of the optical fiber and in particular the end surface or exit surface of the optical fiber target.
  • the protective glass is embedded in a metal sleeve with a thread and is screwed onto the fiber plug. As a result of the screwing on, metallic abrasion can in turn arise, which then reaches the optical fiber end and / or the optics of the processing head, with the same consequences as described above.
  • Another disadvantage of the conventional connection between optical fiber and laser processing head is that, as soon as the plug has been inserted into the socket, the protective glass can no longer be inspected, since it is completely surrounded by the fiber socket and laser processing head. To inspect the protective glass, the fiber connector must first be removed from the fiber socket. This process - just like the subsequent plugging process - is again associated with the risk of abrasion.
  • the fiber plug 2 and the fiber socket 3 are each provided with their own cooling circuit WK for cooling with external water.
  • Another cooling circuit WK must also be provided for a diaphragm 5 in the laser processing head 100. This not only increases the installation space of the individual components, but also the risk of leakage in the area of the external water connections.
  • Fig. 1 the functions of the various areas of the fiber socket 3 and the fiber connector 2 are marked with arrows.
  • the arrows A here mark an area of the fiber socket 3, which is used for centering or alignment with respect to the laser processing head 100, and an area of the fiber connector 2, which is used for centering or alignment with respect to the fiber socket 3.
  • the arrows B mark an area of the fiber bushing 3, which is used for sealing with respect to the laser processing head 100, and an area of the fiber plug 2, which is used for sealing with respect to the fiber bushing 3.
  • the arrow C marks an area of the fiber connector 2 which provides electrical contacts for a safety circuit.
  • the arrow D marks an area of the fiber connector 2, which is used to fasten conditions to the fiber socket 3.
  • a plug connection for a laser light guide cable connector which comprises a plug, a socket and an actuating element for releasing or locking the connection.
  • the present invention is based on the idea of providing a fiber coupler which can connect a laser optical fiber directly to the laser processing head. So there is no need for a further connection element. A plugging process or a connecting process with strong mechanical friction can thus be dispensed with and the risk of dirt particles entering the optical path of the laser processing head can be reduced.
  • a fiber coupler for attaching a laser light guide fiber to a laser processing head comprises: a laser light guide fiber with a fiber end as well as a housing with an exit opening for an exit of laser light from the fiber coupler and a flange at least partially surrounding the exit opening with a contact surface for attaching the Fiber coupler on a laser processing head.
  • the fiber end is fastened or integrated in a region of the housing opposite the exit opening in such a way that laser light emerging from the fiber end falls through the exit opening.
  • the outlet opening and / or the contact surface can be arranged on an end face of the housing or of the fiber coupler.
  • the end face can also be referred to as the end face of the housing or the fiber coupler in the direction of laser beam propagation.
  • a connection between an optical fiber and a laser processing head can be made with only one element, instead of two as before.
  • only one assembly process ie only one centering process and one fastening process, is not necessary and the number of potential leaks is reduced.
  • Due to the better accessibility a visual inspection of the head is simplified as long as the fiber coupler is not yet mounted. This enables simpler, faster and safer handling, in particular installation or assembly, by specialist personnel.
  • there is no need to plug a fiber connector into a socket so that the risk of contamination due to abrasion or contact corrosion is greatly reduced. This increases the long-term stability of the overall system and reduces the overall complexity, which also leads to cost savings.
  • the fiber end of the laser optical fiber is integrated in the housing, i.e. firmly connected to the housing.
  • the laser optical fiber can have a so-called fiber end block at the fiber end.
  • the fiber end can be designed as a fiber end block.
  • An end face or end face of the fiber end block then serves as a light exit face for laser light from the laser optical fiber.
  • the fiber end block can be a cylinder, for example made of quartz glass or of the same material as the laser optical fiber itself, which is fused onto the laser optical fiber or spliced to the fiber end.
  • the fiber end block can be fixed, e.g. glued, in the housing.
  • An optical axis of the fiber end can lead through the center point of the light exit surface of the fiber end or the fiber end block and / or be perpendicular to the light exit surface.
  • a region of the housing in which the fiber end is fastened and the flange or the contact surface are preferably formed in one piece.
  • the contact surface can extend perpendicular to a laser beam propagation direction and / or perpendicular to an optical axis of the fiber end and / or parallel to a light exit surface of the fiber end.
  • the fiber coupler can be connected flush with the laser processing head via the contact surface.
  • the contact surface preferably forms one End face of the fiber coupler in the direction of laser beam propagation and / or along an optical axis of the fiber end.
  • the contact surface can lie on an end face of the fiber coupler or form an end face of the fiber coupler.
  • the contact surface can be essentially flat or planar.
  • the contact surface is preferably designed in such a way that the fiber coupler can be connected flush with the laser processing head.
  • no other part of the fiber coupler extends further in the direction of laser beam propagation than the contact surface of the flange.
  • the contact surface can be designed in accordance with a coupling surface of the laser processing head in order to close flush with it. This means that the fiber coupler is not plugged in or inserted.
  • the contact surface can therefore be designed as an essentially flush end surface of the fiber coupler perpendicular to the optical axis of the fiber end or perpendicular to the direction of laser beam propagation.
  • the contact surface and the outlet opening are preferably in one plane.
  • the contact surface and the outlet opening can be arranged at the same height along an optical axis of the fiber end and / or in the direction of laser beam propagation.
  • This means that the outlet opening can be formed in the contact surface.
  • the contact surface can surround the outlet opening.
  • the contact surface can adjoin the outlet opening.
  • the contact surface and the outlet opening can be arranged perpendicular to an optical axis of the fiber end and / or to the direction of laser beam propagation.
  • the exit opening and the fiber end, in particular a light exit surface of the fiber end are spaced apart from one another in the direction of laser beam propagation or along the optical axis of the fiber end.
  • the fiber end in particular a light exit surface of the fiber end, is arranged in the housing or in the interior of the housing.
  • the flange in particular the contact surface, can be provided with fastening means in order to fasten the fiber coupler to the laser processing head.
  • the fastening means can include, for example, a hole or a threaded hole for a screw, or also a threaded hole with a screw, a latch, a bolt and the like.
  • the fastening means of the fiber coupler are preferably designed corresponding to fastening means of the Laserbear processing head.
  • the fastening means are preferably on an outer edge of the flange arranged.
  • the flange can extend outwardly from the housing, preferably radially.
  • the outlet opening can be completely surrounded by the flange and / or by the contact surface.
  • the flange and / or the contact surface can be designed in an annular manner or surround the outlet opening in an annular manner.
  • the flange may comprise one or more projections extending radially outward from the housing.
  • An outer circumference of the flange, or a cross section of the flange in a plane perpendicular to the direction of laser beam propagation, can be circular or rectangular.
  • the flange can extend perpendicular to a laser beam propagation direction and / or perpendicular to an optical axis of the fiber end and / or parallel to a light exit surface of the fiber end.
  • the outlet opening is preferably circular.
  • the housing can have an interior space adjoining the outlet opening.
  • the interior space is therefore preferably open to the outside of the fiber coupler through the outlet opening.
  • the fiber end can protrude into the interior or be arranged in the interior.
  • the fiber end can be spaced from a side wall of the interior space.
  • the side wall of the interior can denote a wall which delimits or surrounds the interior, in particular in the radial direction or in a direction perpendicular to the laser beam propagation direction.
  • the side wall of the interior can in particular be a wall which extends in the direction of laser beam propagation.
  • the interior space can be cylindrical in essence union.
  • At least two of the following elements are arranged coaxially: the outlet opening, the interior space, the fiber end, the fiber end block, the flange, and the contact surface.
  • a protective glass cap can be fastened to surround the fiber end.
  • the protective glass cap can comprise a protective glass and a holder, for example a sleeve, in particular a metal sleeve.
  • the protective glass cap can be fastened in the housing in such a way that the protective glass is arranged parallel to a light exit surface of the laser optical fiber.
  • the laser beam can pass through the protective glass cap unhindered, but is at the same time in front Dirt particles and damage protected.
  • an interchangeable cassette with a protective glass can be provided between the outlet opening and the fiber end. The interchangeable cassette can be accessed from an outside of the housing.
  • the interchangeable cassette can be provided perpendicular to the direction of laser beam propagation or to the optical axis of the fiber end so that it can be accessed, in particular pushed in and pulled out, in the housing.
  • the protective glass can easily be replaced without having to remove the fiber coupler from the laser processing head. This means that the protective glass can also be checked and replaced after installation.
  • a diaphragm is preferably provided between the outlet opening and the fiber end.
  • the edge radiation does not even penetrate through the diaphragm into the processing head, but is absorbed at the earliest possible point in time.
  • a corresponding aperture in the processing head can therefore be omitted.
  • the diaphragm can be designed to limit a diameter of the laser beam emerging from the fiber coupler.
  • the screen can be integrated in the fiber coupler or in the housing of the fiber coupler. In other words, the diaphragm can be arranged in the interior of the housing in front of the outlet opening.
  • the panel can also be arranged in an interchangeable cassette that can be pushed into and pulled out of the housing.
  • At least one sensor can be provided in the housing or in the interior of the housing.
  • the at least one sensor can be arranged adjacent to the fiber end or between the outlet opening and the fiber end.
  • the at least one sensor for example for temperature or scattered light detection, can be provided adjacent to the diaphragm or between the diaphragm and the outlet opening.
  • the at least one sensor can also be arranged on the outlet opening or in the outlet opening.
  • the sensor can be fastened in the housing or arranged to be exchangeable.
  • the sensor can be arranged, for example, in an interchangeable cassette that can be pushed into and pulled out of the housing.
  • the interchangeable cassette is preferably in the form of a frame with an opening for the laser beam to pass through.
  • the sensor can be a thermal sensor or an optical sensor.
  • the sensor can be set up to detect at least one parameter for the fiber end and / or a protective glass and / or a screen.
  • the sensor can for example be a temperature sensor or a scattered light sensor.
  • the signal transmission can take place to the laser processing head and / or to a higher-level control unit of the laser processing device.
  • the signal transmission can be electrical or optical, or wired or wireless.
  • the housing can have a cooling circuit, e.g. a cooling circuit with a water connection for cooling with water.
  • the cooling circuit can be set up to cool the housing, a protective glass arranged in the housing, and / or a screen arranged in the housing. Due to the reduced number of cooling circuits, costs and the risk of leakage can be reduced.
  • the flange or the contact surface can have at least one sealing element for sealing between the fiber coupler and the laser processing head and / or a receptacle for such a sealing element.
  • the sealing element can comprise a sealing ring or an O-ring.
  • the receptacle can be a groove for receiving a sealing element.
  • the sealing element or the receptacle preferably surround the outlet opening. The you telement or the receptacle can be arranged directly adjacent or adjacent to the outlet opening on the contact surface of the flange.
  • the flange or the contact surface can have at least one alignment element for aligning the fiber coupler on the laser processing head.
  • the contact surface can comprise a centering groove or a centering recess.
  • a centering collar or centering collar or a centering projection or a centering nose can be formed on the contact surface.
  • the flange or the contact surface can have dowel pins or bores.
  • a coupling surface of the laser processing head can have a corresponding alignment element that corresponds to the alignment element on the contact surface, for example corresponding holes for the dowel pins attached to the contact surface or dowel pins corresponding to the holes formed in the contact surface.
  • the fiber coupler can be designed for coupling or importing a high-power laser beam.
  • the laser beam can have a power of 1 kW or more.
  • a safety circuit is required in the field of high-power lasers. The laser beam is only generated by a laser source when the safety circuit is closed.
  • the flange or the contact surface can therefore comprise at least one electrical contact or at least one interface for a safety circuit. This makes it possible to quickly determine whether the fiber coupler is correctly mounted on the laser processing head.
  • the flange or the contact surface can have at least one interface for a sensor provided in the fiber coupler to the laser processing head and / or to a higher-level control unit of the laser processing device.
  • a laser processing device comprising a laser processing head with a coupling surface to which a fiber coupler according to one of the embodiments described herein is attached, and a coupling opening for coupling the laser beam into the laser processing head, wherein the contact surface of the fiber coupler is in contact with the coupling surface and the exit opening of the fiber coupler is opposite the coupling opening.
  • the coupling surface is preferably a part of an outer surface of the laser processing head.
  • the laser processing head can furthermore comprise an optical beam path.
  • the optical beam path can run in a so-called optical space in a housing of the laser processing head.
  • the laser processing device can comprise a laser source, in particular a high-power laser source.
  • the laser source can be set up to generate a laser beam of at least 1 kW.
  • Fig. 1 shows a connection between optical fiber and laser processing head with fiber plug and fiber socket according to the prior art
  • 2 shows a fiber coupler in accordance with embodiments of the present invention
  • FIG. 3 shows a laser processing device with a fiber coupler according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 shows a laser processing device with a fiber coupler according to further embodiments of the present invention.
  • Fig. 2 shows a fiber coupler for attaching a laser optical fiber (hereinafter optical fiber) to a laser processing head according to an embodiment of the present invention.
  • the fiber coupler comprises a housing 20 in which an optical fiber 10 is integrated.
  • a fiber end 11 of the optical fiber 10 opens into an interior 24 of the housing 20.
  • the interior 24 is open to an outside of the housing 20 through an exit opening 21 so that laser light emerging from the fiber end 11 can exit the fiber coupler through the exit opening 21.
  • the fiber end 11 can, as shown in the figures, be designed as a fiber end block.
  • a quartz block can be spliced to one end of the laser optical fiber 10.
  • the fiber end 11 can thus also comprise an end of a laser optical fiber 10 which does not have a fiber end block.
  • the housing 20 has a flange 25 for attachment to a laser processing head which adjoins the outlet opening 21.
  • the flange 25 is preferably designed to protrude radially outward.
  • the flange 25 is designed to be annular or to completely surround the outlet opening 21.
  • An outer circumference of the flange, ie in the radial direction or in a plane perpendicular to the optical axis of the fiber end 11 or perpendicular to the laser beam propagation direction, can be circular or rectangular, in particular square.
  • the flange 25 can also comprise several projections that extend from the housing se 20, preferably radially, protrude outward.
  • a surface of the flange 25 adjoining the outlet opening 21 serves as a contact surface 26 which is in contact with the laser processing head in the assembled state of the fiber coupler.
  • the flange 25 also has fastening means 22 for fastening the fiber coupler to the laser processing head, which are designed as through holes in FIG. 2 in order to carry out a screw or a bolt.
  • the housing 20 can also have a cooling circuit WK for water cooling.
  • a cap 40 with a protective glass 44, which surrounds the fiber end 11, is optionally provided in the housing 20.
  • the cap 40 is removably fastened in the interior 24 of the housing 20, for example by means of a thread or a plug-in or bayonet connection. In this way, the protective glass 40 can be replaced in the event of contamination or damage.
  • the fiber coupler according to the present invention thus has, with the contact surface 26, a substantially flush end surface perpendicular to the optical axis of the fibers of FIG. 11, which is provided with fastening means.
  • the fiber coupler can be attached to a laser processing head in a stable and simple manner without a plugging process or any other mechanical fastening process associated with abrasion.
  • FIG 3 shows a laser processing device with a laser processing head 100, to which the fiber coupler according to an embodiment of the present invention is attached by means of attachment means 23, such as screws or bolts.
  • attachment means 23 such as screws or bolts.
  • the contact surface 26 of the flange 25 and a coupling surface of the laser processing head lie against one another.
  • the exit opening 21 of the fiber coupler is aligned with a coupling opening of the laser processing head in such a way that the laser beam emerging through the exit opening 21 is coupled or introduced through the coupling opening into the beam path of the laser processing head.
  • an interchangeable cassette 110 with a protective glass 111 is arranged at the beginning, ie adjacent to the coupling opening, in order to seal the optical space or the optical beam path and protect it from incoming dirt.
  • a screen 5 can be provided in order to To absorb edge rays of an incident laser beam in a targeted manner.
  • a cooling circuit can be provided (arrow next to screen 5).
  • the flange 25, in particular the contact surface 26, can be provided with an alignment element 27.
  • the fiber coupler and laser processing head are almost flush with one another, with the exception of the alignment element which is designed as a centering collar and is typically a few millimeters in height.
  • the centering collar can be located either on the fiber coupler or on the laser processing head.
  • the alignment element 27 is a groove or recess formed in the contact surface 25.
  • a corre sponding alignment element is formed on a coupling surface of the laser processing head 100, in Fig. 3 as a projection or collar.
  • a fiber coupler according to embodiments of the present invention can have an exchangeable cassette 400 with a protective glass 44 which is provided in the housing 20 in an exchangeable manner.
  • the protective glass 44 is arranged between the fiber end 11 and the outlet opening 21 of the housing 20 in order to protect the fiber end 11 from contamination and damage.
  • the interchangeable cassette 400 can be moved into and out of the housing 20 in a direction perpendicular to the direction of laser beam propagation or perpendicular to the optical axis of the fibers of FIG. In this way, an exchange or an inspection of the protective glass 44 is possible without dismantling the fiber coupler from the laser processing head.
  • a screen 50 for absorbing edge radiation of the laser beam can be arranged in the housing between the fiber end 11 and the outlet opening 21, for example between the protective glass 44 and the fiber end 11 or between the protective glass 44 and the outlet opening. Since the screen 50 heats up strongly due to the absorption of radiation,
  • the housing 20 of the fiber coupler can be provided with a cooling circuit WK which is set up to cool the screen 50 and / or the exchangeable cassette 400.
  • the fiber coupler can also comprise at least one sensor 60, for example a sensor for detecting a temperature or scattered light in the interior 25 of the housing or from a side wall of the interior 25.
  • the sensor 60 can in particular be set up to parameters such as scattered light intensity or temperature of a protective glass 44 or from the fiber end 11.
  • the sensor 60 can be permanently integrated in the housing 20, or it can be removed, e.g. be provided in an exchangeable cassette.
  • the sensor 60 can be connected to an interface 61 on the contact surface 26 in order to transmit signals to the laser processing head 100. Alternatively, signals from the sensor 60 can be sent to a higher-level control unit of the laser processing device.
  • At least one sealing element can also be arranged on the contact surface 26 in order to seal a connection between the fiber coupler and the laser processing head, the sealing element can comprise a sealing ring or O-ring which is arranged concentrically with the outlet opening 21 and surrounds the same .
  • at least one electrical contact (not shown) for a safety circuit can be provided on the contact surface 26 of the fiber coupler.
  • the safety circuit can be implemented using an external cable between the fiber coupler and the laser processing head.
  • the contact surface can therefore have at least one of the following elements, in the following preferred order from the inside to the outside:
  • Alignment element 27 for centering to the optical axis e.g. centering collar or groove
  • Sealing element e.g. O-ring (not shown)
  • Sensor interface 61 for the transmission of signals from a sensor 60 arranged in the fiber coupler to the laser processing head 100, and
  • the safety circuit is used to monitor the intact connection between the fiber coupler and the laser processing head in order to prevent danger from escaping or free laser radiation.
  • the laser source in particular a high-power laser source, is usually switched off immediately when the safety circuit is interrupted.
  • a fiber coupler for connecting a laser light guide fiber is specified with a laser processing head, which enables a flush connection with the laser processing head.
  • plugging processes that cause abrasion can be avoided and the risk of contamination for an optical space of the laser processing head and for a fiber end of the laser optical fiber can be reduced.
  • the assembly of the fiber coupler, in particular a centering process is simpler, faster and safer.
  • the connection between the laser optical fiber and the laser processing head by the fiber coupler according to the invention is furthermore almost free of play, so that a precise, stable and firm connection is ensured.
  • the fiber coupler according to the invention is more cost-effective to manufacture and maintain than a conventional fiber connection with a fiber socket and a fiber connector.

Abstract

The invention relates to a fibre coupler for securing a laser-light-guiding fibre to a laser machining head, comprising: a housing having an outlet opening arranged on an end side of the housing for letting laser light out of the fibre coupler, and a flange at least partially surrounding the outlet opening and with a contact surface for securing the fibre coupler to a laser machining head; and a laser-light-guiding fibre having a fibre end, wherein the fibre end is secured in the housing, in a region of the housing opposite the outlet opening, such that laser light exiting the fibre end is directed though the outlet opening.

Description

Faserkoppler Fiber coupler
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Faserkoppler zum Befestigen einer Laserlichtleit faser an einem Laserbearbeitungskopf. The present invention relates to a fiber coupler for attaching a laser light guide fiber to a laser processing head.
Hintergrund background
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laser strahls wird der von einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert oder ge bündelt, um das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Die Bearbeitung kann insbesondere ein Laserschweißen oder ein Laserschneiden umfassen. Das Laserbearbei tungssystem umfasst einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf oder Laserschneidkopf. Um das Laserlicht von der Laserquelle in den Laserbearbeitungs kopf zu führen, wird im Allgemeinen eine Lichtleitfaser verwendet, auch Lichtleitkabel, Lichtwellenleiter oder kurz Lichtleiter genannt, in der Lichtleitung über Totalreflexion er folgt. In a laser processing system for processing a workpiece by means of a laser beam, the laser beam emerging from one end of a laser guide fiber is focused or bundled onto a workpiece to be processed with the help of beam guidance and focusing optics in order to locally heat the workpiece to the melting temperature. The processing can in particular include laser welding or laser cutting. The laser processing system comprises a laser processing head, in particular a laser welding head or laser cutting head. In order to lead the laser light from the laser source into the laser processing head, an optical fiber is generally used, also called optical fiber, optical fiber or optical fiber for short, in which the optical fiber is guided by total reflection.
Die Schnittstelle zwischen der Lichtleitfaser und dem Laserbearbeitungskopf ist für eine möglichst verlustfreie, genau definierte und leicht reproduzierbare Einkopplung in den La serbearbeitungskopf, insbesondere bei hohen Laserleistungen ab 1 kW, von höchster Bedeu tung. Es gibt zahlreiche Industriestandards im Bereich der Faserstecker/Faserbuchsen. Bei Hochleistungslasem haben sich vor allem zwei Standards etabliert: QBH und D. In der Re gel ist die Schnittstelle zwischen der Lichtleitfaser und dem Laserbearbeitungskopf zweitei lig und besteht aus einem mit der Lichtleitfaser integrierten Faserstecker und einer am La serbearbeitungskopf montierten Faserbuchse. Typischerweise endet die Lichtleitfaser also in dem sogenannten Faserstecker, welcher längsseitig in die am Bearbeitungskopf befestigte Faserbuchse eingeführt und arretiert wird. Durch die Faserbuchse wird die Lage des Faser steckers im System Laserbearbeitungskopf definiert. Diese Lagedefinition ist Vorausset zung für die optische Führung des Laserstrahls. Zusätzlich muss die Verbindung zwischen Faserstecker und Faserbuchse sowie die Verbindung zwischen Faserbuchse und Laserbear beitungskopf eine hermetisch dichte Abgrenzung zur Umgebung gewährleisten, auch um das Eindringen von Schmutzpartikeln in den optischen Strahlengang des Laserbearbei tungskopfs zu vermeiden. The interface between the optical fiber and the laser processing head is of utmost importance for the most loss-free, precisely defined and easily reproducible coupling into the laser processing head, especially with high laser powers from 1 kW. There are numerous industry standards in the field of fiber plugs / sockets. Two standards in particular have established themselves for high-power lasers: QBH and D. As a rule, the interface between the optical fiber and the laser processing head is two-part and consists of a fiber connector integrated with the optical fiber and a fiber socket mounted on the laser processing head. The optical fiber typically ends in what is known as the fiber connector, which is inserted and locked along the length of the fiber socket attached to the processing head. The position of the fiber connector in the laser processing head system is defined by the fiber socket. This definition of position is a prerequisite for the optical guidance of the laser beam. In addition, the connection between the fiber connector and the fiber socket and the connection between the fiber socket and the laser processing head must ensure a hermetically sealed demarcation from the environment, also in order to to avoid the penetration of dirt particles into the optical beam path of the laser processing head.
Eine schematische Darstellung einer solchen herkömmlichen Schnittstelle zwischen der Lichtleitfaser und dem Laserbearbeitungskopf ist in Fig. 1 gezeigt: In einem ersten Schritt wird eine Faserbuchse 3, beispielsweise mittels Schrauben 33, an einem Laserbearbeitungs kopf 100 befestigt. Zur Ausrichtung der Faserbuchse 3 bezüglich der optischen Achse des Laserbearbeitungskopfs 100 kann ein ringförmiger Vorsprung an einer der beiden Kompo nenten Laserbearbeitungskopf 100 und Faserbuchse 3 (auch Zentrierkragen genannt) und eine entsprechende Aussparung an der anderen der beiden Komponenten vorgesehen sein. Anschließend wird der Faserstecker 2, in dem ein Ende der Lichtleitfaser 1 befestigt bzw. integriert ist, in die Faserbuchse 3 eingesteckt und darin nach einer Ausrichtung bzw. Zent rierung des Fasersteckers 2 arretiert. Da die Zentrierung über ineinander gepresste Konen bzw. Zylinder von Faserstecker und Faserbuchse erfolgt, ist eine hohe Fertigungs- und Passgenauigkeit der beiden Komponenten erforderlich. Jedoch werden Stecker und Buchse in der Regel von verschiedenen Herstellern gefertigt, sodass diese Genauigkeit häufig nicht ausreichend gewährleistet werden kann. Zudem besteht das Problem der Kontaktkorrosion bei Bewegung bzw. Vibration. A schematic representation of such a conventional interface between the optical fiber and the laser processing head is shown in FIG. 1: In a first step, a fiber bushing 3 is attached to a laser processing head 100, for example by means of screws 33. To align the fiber bushing 3 with respect to the optical axis of the laser processing head 100, an annular projection can be provided on one of the two components laser processing head 100 and fiber bushing 3 (also called centering collar) and a corresponding recess on the other of the two components. The fiber connector 2, in which one end of the optical fiber 1 is attached or integrated, is then inserted into the fiber socket 3 and locked therein after the fiber connector 2 has been aligned or centered. Since the centering takes place via cones or cylinders pressed into one another of the fiber connector and the fiber socket, a high degree of manufacturing and fitting accuracy of the two components is required. However, plugs and sockets are usually manufactured by different manufacturers, so that this accuracy can often not be sufficiently guaranteed. In addition, there is the problem of contact corrosion during movement or vibration.
Das Einführen des zylindrischen oder konischen Fasersteckers in die enge Faserbuchse, für gewöhnlich über eine Länge von mindestens 40 mm, erfolgt manuell durch eine Fachkraft, die den Stecker ruhig und mit hoher Präzision in die am Laserbearbeitungskopf befestigte Faserbuchse einführen muss. Aufgrund der engen mechanischen Toleranzen kommt es un weigerlich zu Reibkontakten zwischen Stecker und Buchse. Dabei kann metallischer Abrieb entstehen, der dann auf das Lichtleitfaserende und/oder auf die Optiken des Bearbeitungs kopfes gelangt - sei es unmittelbar oder später, wenn der Kopf bewegt wird. Wird der ange schlossene Hochleistungslaser dann eingeschaltet, so kann dies zu irreparablen Schäden an der Faser-Endfläche und/oder den Optiken führen, da die Metallpartikel stark erhitzen und sich in das Glasmaterial einbrennen. The cylindrical or conical fiber connector is inserted into the narrow fiber socket, usually over a length of at least 40 mm, manually by a specialist who has to insert the connector smoothly and with high precision into the fiber socket attached to the laser processing head. Due to the tight mechanical tolerances, frictional contacts between plug and socket are unavoidable. This can result in metallic abrasion, which then gets onto the optical fiber end and / or the optics of the processing head - be it immediately or later when the head is moved. If the connected high-power laser is then switched on, this can lead to irreparable damage to the fiber end face and / or the optics, as the metal particles heat up strongly and burn themselves into the glass material.
Den Abschluss des Fasersteckers bildet typischerweise ein Schutzglas 4, das das Lichtleitfa serende und insbesondere die Endfläche bzw. Austrittsfläche der Lichtleitfaser schützen soll. Das Schutzglas ist in eine Metallhülse mit Gewinde eingebettet und wird auf den Fa serstecker aufgeschraubt. Durch das Aufschrauben kann wiederum metallischer Abrieb ent stehen, der dann auf das Lichtleitfaserende und/oder auf die Optiken des Bearbeitungskop fes gelangt, mit den gleichen Konsequenzen wie oben beschrieben. Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Verbindung zwischen Lichtleitfaser und Laserbearbeitungskopf besteht darin, dass, sobald der Stecker in die Buchse gesteckt wurde, das Schutzglas nicht mehr inspiziert werden kann, da es vollständig von Faserbuchse und Laserbearbeitungskopf um geben ist. Für eine Inspektion des Schutzglases muss der Faserstecker erst wieder aus der Faserbuchse gezogen werden. Dieser Vorgang - genau wie der daran wieder anschließende Steckvorgang - ist erneut mit dem Risiko der Abriebbildung verbunden. The termination of the fiber connector is typically formed by a protective glass 4, which protects the end of the optical fiber and in particular the end surface or exit surface of the optical fiber target. The protective glass is embedded in a metal sleeve with a thread and is screwed onto the fiber plug. As a result of the screwing on, metallic abrasion can in turn arise, which then reaches the optical fiber end and / or the optics of the processing head, with the same consequences as described above. Another disadvantage of the conventional connection between optical fiber and laser processing head is that, as soon as the plug has been inserted into the socket, the protective glass can no longer be inspected, since it is completely surrounded by the fiber socket and laser processing head. To inspect the protective glass, the fiber connector must first be removed from the fiber socket. This process - just like the subsequent plugging process - is again associated with the risk of abrasion.
In der Praxis wird ein Teil der Laserstrahlung an Oberflächen absorbiert. Um einen stabilen Betrieb des Systems zu gewährleisten sind u.a. der Faserstecker 2 und die Faserbuchse 3 jeweils mit einem eigenen Kühlkreislauf WK zur Kühlung mit externem Wasser versehen. Ein weiterer Kühlkreislauf WK muss zudem für eine Blende 5 im Laserbearbeitungskopf 100 vorgesehen werden. Dies vergrößert nicht nur den Bauraum der einzelnen Komponen ten, sondern auch das Risiko einer Leckage im Bereich der externen Wasseranschlüsse. In practice, some of the laser radiation is absorbed on surfaces. In order to ensure stable operation of the system, the fiber plug 2 and the fiber socket 3 are each provided with their own cooling circuit WK for cooling with external water. Another cooling circuit WK must also be provided for a diaphragm 5 in the laser processing head 100. This not only increases the installation space of the individual components, but also the risk of leakage in the area of the external water connections.
In Fig. 1 sind die Funktionen der verschiedenen Bereiche der Faserbuchse 3 und des Faser steckers 2 mit Pfeilen gekennzeichnet. Die Pfeile A markieren hier einen Bereich der Faser buchse 3, der zur Zentrierung bzw. Ausrichtung bezüglich des Laserbearbeitungskopfs 100 dient, sowie einen Bereich des Fasersteckers 2, der zur Zentrierung bzw. Ausrichtung be züglich der Faserbuchse 3 dient. Die Pfeile B markieren einen Bereich der Faserbuchse 3, der zum Abdichten bezüglich des Laserbearbeitungskopfs 100 dient, sowie einen Bereich des Fasersteckers 2, der zum Abdichten bezüglich der Faserbuchse 3 dient. Der Pfeil C markiert einen Bereich des Fasersteckers 2, der elektrische Kontakte für einen Sicherheits kreis bereitstellt. Der Pfeil D markiert einen Bereich des Fasersteckers 2, der zum Befesti gen an der Faserbuchse 3 dient. In Fig. 1, the functions of the various areas of the fiber socket 3 and the fiber connector 2 are marked with arrows. The arrows A here mark an area of the fiber socket 3, which is used for centering or alignment with respect to the laser processing head 100, and an area of the fiber connector 2, which is used for centering or alignment with respect to the fiber socket 3. The arrows B mark an area of the fiber bushing 3, which is used for sealing with respect to the laser processing head 100, and an area of the fiber plug 2, which is used for sealing with respect to the fiber bushing 3. The arrow C marks an area of the fiber connector 2 which provides electrical contacts for a safety circuit. The arrow D marks an area of the fiber connector 2, which is used to fasten conditions to the fiber socket 3.
Aus EP 1 562 058 Al ist eine Steckverbindung für einen Laserlichtleitkabelstecker bekannt, der einen Stecker, eine Buchse sowie ein Betätigungselement zum Freigeben bzw. Verrie geln der Verbindung umfasst. Zusammenfassung der Erfindung From EP 1 562 058 A1 a plug connection for a laser light guide cable connector is known which comprises a plug, a socket and an actuating element for releasing or locking the connection. Summary of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Faserkoppler zum Befestigen einer Laserlichtleitfaser an einem Laserbearbeitungskopf anzugeben, der eine spielfreie, feste und reproduzierbare Verbindung der Laserlichtleitfaser mit dem Laserbearbeitungskopf ermög licht, durch die ein Laserstrahl mit möglichst geringen Leistungs- und Qualitätsverlusten in den Laserbearbeitungskopf eingekoppelt werden kann. Es ist ferner eine Aufgabe der vor liegenden Erfindung, einen Faserkoppler zum Befestigen einer Laserlichtleitfaser an einem Laserbearbeitungskopf anzugeben, der eine zuverlässige und dichte Verbindung der Laser lichtleitfaser mit dem Laserbearbeitungskopf auf einfache und kompakte Weise ermöglicht. It is an object of the present invention to provide a fiber coupler for attaching a laser optical fiber to a laser processing head, which enables a play-free, firm and reproducible connection of the laser optical fiber with the laser processing head, through which a laser beam is coupled into the laser processing head with the lowest possible loss of power and quality can be. It is also an object of the present invention to provide a fiber coupler for attaching a laser optical fiber to a laser processing head, which enables a reliable and tight connection of the laser optical fiber with the laser processing head in a simple and compact manner.
Die Aufgaben sind durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale vorteilhafter Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt. The tasks are solved by the subject matter of the independent claim. Features of advantageous configurations are set out in the subclaims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Faserkoppler bereitzustellen, der eine Laserlichtleitfaser unmittelbar mit dem Laserbearbeitungskopf verbinden kann. Es ist also kein weiteres Element zur Verbindung notwendig. Somit kann ein Steckvorgang bzw. ein Verbindungsvorgang mit starker mechanischer Reibung entfallen und das Risiko für das Eindringen von Schmutzpartikeln in den optischen Strahlengang des Laserbearbei tungskopfs verringert werden. The present invention is based on the idea of providing a fiber coupler which can connect a laser optical fiber directly to the laser processing head. So there is no need for a further connection element. A plugging process or a connecting process with strong mechanical friction can thus be dispensed with and the risk of dirt particles entering the optical path of the laser processing head can be reduced.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Faserkoppler zum Befestigen einer Laserlicht leitfaser an einem Laserbearbeitungskopf: eine Laserlichtleitfaser mit einem Faserende so wie ein Gehäuse mit einer Austrittsöffnung für einen Austritt von Laserlicht aus dem Faser koppler und einem die Austrittsöffnung zumindest teilweise umgebenden Flansch mit einer Kontaktfläche zum Befestigen des Faserkopplers an einem Laserbearbeitungskopf. Das Fa serende ist in einem der Austrittsöffnung gegenüberliegenden Bereich des Gehäuses so im Gehäuse befestigt bzw. integriert, dass aus dem Faserende austretendes Laserlicht durch die Austrittsöffnung fällt. Die Austrittsöffnung und/oder die Kontaktfläche kann auf einer Stirn seite des Gehäuses bzw. des Faserkopplers angeordnet sein. Die Stirnseite kann auch als Endfläche des Gehäuses bzw. des Faserkopplers in Laserstrahlausbreitungsrichtung be zeichnet werden. Erfindungsgemäß kann eine Verbindung zwischen einer Lichtleitfaser und einem Laserbe arbeitungskopf mit nur einem Element erfolgen, statt wie bisher mit zwei. Somit ist ledig lich ein Montagevorgang, d.h. nur ein Zentriervorgang und ein Befestigungsvorgang, not wendig und die Anzahl potentieller undichter Stellen ist reduziert. Aufgrund der besseren Zugänglichkeit ist eine optische Inspektion des Kopfes vereinfacht, solange der Faserkopp ler noch nicht montiert ist. Dies ermöglicht eine einfachere, schnellere und sicherere Hand habung, insbesondere Installation bzw. Montage, durch Fachpersonal. Zudem kann ein Inei nanderstecken eines Fasersteckers in eine Buchse entfallen, sodass das Verschmutzungsrisi ko infolge von Abrieb bzw. Kontaktkorrosion stark reduziert wird. Somit wird die Lang zeitstabilität des Gesamtsystems erhöht und die Gesamtkomplexität verringert, was auch zu einer Kostenersparnis führt. According to one embodiment, a fiber coupler for attaching a laser light guide fiber to a laser processing head comprises: a laser light guide fiber with a fiber end as well as a housing with an exit opening for an exit of laser light from the fiber coupler and a flange at least partially surrounding the exit opening with a contact surface for attaching the Fiber coupler on a laser processing head. The fiber end is fastened or integrated in a region of the housing opposite the exit opening in such a way that laser light emerging from the fiber end falls through the exit opening. The outlet opening and / or the contact surface can be arranged on an end face of the housing or of the fiber coupler. The end face can also be referred to as the end face of the housing or the fiber coupler in the direction of laser beam propagation. According to the invention, a connection between an optical fiber and a laser processing head can be made with only one element, instead of two as before. Thus, only one assembly process, ie only one centering process and one fastening process, is not necessary and the number of potential leaks is reduced. Due to the better accessibility, a visual inspection of the head is simplified as long as the fiber coupler is not yet mounted. This enables simpler, faster and safer handling, in particular installation or assembly, by specialist personnel. In addition, there is no need to plug a fiber connector into a socket, so that the risk of contamination due to abrasion or contact corrosion is greatly reduced. This increases the long-term stability of the overall system and reduces the overall complexity, which also leads to cost savings.
Das Faserende der Laserlichtleitfaser ist im Gehäuse integriert, d.h. fest mit dem Gehäuse verbunden. Die Laserlichtleitfaser kann einen sogenannten Faserendblock am Faserende aufweisen. Mit anderen Worten kann das Faserende als Faserendblock ausgebildet sein. Eine Endfläche bzw. Stirnfläche des Faserendblocks dient dann als Lichtaustrittsfläche für Laserlicht aus der Laserlichtleitfaser. Der Faserendblock kann ein Zylinder, beispielsweise aus Quarzglas oder aus demselben Material wie die Laserlichtleitfaser selbst, sein, der an der Laserlichtleitfaser angeschmolzen bzw. mit dem Faserende verspleißt ist. In diesem Fall kann der Faserendblock im Gehäuse befestigt, z.B. geklebt, sein. Eine optische Achse des Faserendes kann durch den Mittelpunkt der Lichtaustrittsfläche des Faserendes bzw. des Faserendblocks führen und/oder senkrecht auf der Lichtaustrittsfläche stehen. The fiber end of the laser optical fiber is integrated in the housing, i.e. firmly connected to the housing. The laser optical fiber can have a so-called fiber end block at the fiber end. In other words, the fiber end can be designed as a fiber end block. An end face or end face of the fiber end block then serves as a light exit face for laser light from the laser optical fiber. The fiber end block can be a cylinder, for example made of quartz glass or of the same material as the laser optical fiber itself, which is fused onto the laser optical fiber or spliced to the fiber end. In this case the fiber end block can be fixed, e.g. glued, in the housing. An optical axis of the fiber end can lead through the center point of the light exit surface of the fiber end or the fiber end block and / or be perpendicular to the light exit surface.
Vorzugsweise sind ein Bereich des Gehäuses, in dem das Faserende befestigt ist, und der Flansch bzw. die Kontaktfläche einteilig ausgebildet. Dadurch kann eine Stabilität erhöht und ein Spiel bzw. eine Bewegungsfreiheit im montierten Zustand des Faserkopplers redu ziert werden. A region of the housing in which the fiber end is fastened and the flange or the contact surface are preferably formed in one piece. As a result, stability can be increased and play or freedom of movement in the assembled state of the fiber coupler can be reduced.
Die Kontaktfläche kann sich senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung und/oder senkrecht zu einer optischen Achse des Faserendes und/oder parallel zu einer Lichtaustritts fläche des Faserendes erstrecken. Über die Kontaktfläche kann der Faserkoppler bündig mit dem Laserbearbeitungskopf verbunden werden. Die Kontaktfläche bildet vorzugsweise eine Endfläche des Faserkopplers in Laserstrahlausbreitungsrichtung und/oder entlang einer opti schen Achse des Faserendes. Die Kontaktfläche kann auf einer Stirnseite des Faserkopplers liegen, bzw. eine Stirnseite des Faserkopplers bilden. Die Kontaktfläche kann im Wesentli chen eben bzw. plan sein. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche so ausgebildet, dass der Fa serkoppler bündig mit dem Laserbearbeitungskopf verbunden werden kann. Mit anderen Worten erstreckt sich kein anderer Teil des Faserkopplers weiter in Laserstrahlausbreitungs richtung als die Kontaktfläche des Flansches. Die Kontaktfläche kann entsprechend einer Kopplungsfläche des Laserbearbeitungskopfs ausgebildet sein, um bündig mit dieser abzu schließen. Somit wird der Faserkoppler nicht gesteckt oder eingeführt. Die Kontaktfläche kann also als eine im Wesentlichen bündige Abschlussfläche des Faserkopplers senkrecht zur optischen Achse des Faserendes bzw. senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung ausgebildet sein. The contact surface can extend perpendicular to a laser beam propagation direction and / or perpendicular to an optical axis of the fiber end and / or parallel to a light exit surface of the fiber end. The fiber coupler can be connected flush with the laser processing head via the contact surface. The contact surface preferably forms one End face of the fiber coupler in the direction of laser beam propagation and / or along an optical axis of the fiber end. The contact surface can lie on an end face of the fiber coupler or form an end face of the fiber coupler. The contact surface can be essentially flat or planar. The contact surface is preferably designed in such a way that the fiber coupler can be connected flush with the laser processing head. In other words, no other part of the fiber coupler extends further in the direction of laser beam propagation than the contact surface of the flange. The contact surface can be designed in accordance with a coupling surface of the laser processing head in order to close flush with it. This means that the fiber coupler is not plugged in or inserted. The contact surface can therefore be designed as an essentially flush end surface of the fiber coupler perpendicular to the optical axis of the fiber end or perpendicular to the direction of laser beam propagation.
Vorzugsweise liegen die Kontaktfläche und die Austrittsöffnung in einer Ebene. Mit ande ren Worten können die Kontaktfläche und die Austrittsöffnung entlang einer optischen Ach se des Faserendes und/oder in Laserstrahlausbreitungsrichtung auf gleicher Höhe angeord net sein. Das bedeutet, dass die Austrittsöffnung in der Kontaktfläche gebildet sein kann. Die Kontaktfläche kann die Austrittsöffnung umgeben. Insbesondere kann die Kontaktflä che an die Austrittsöffnung angrenzen. Die Kontaktfläche und die Austrittsöffnung können senkrecht zu einer optischen Achse des Faserendes und/oder zur Laserstrahlausbreitungs richtung angeordnet sein. Die Austrittsöffnung und das Faserende, insbesondere eine Licht austrittsfläche des Faserendes, sind in Laserstrahlausbreitungsrichtung bzw. entlang der optischen Achse des Faserendes voneinander beabstandet. Mit anderen Worten ist das Fa serende, insbesondere eine Lichtaustrittsfläche des Faserendes, im Gehäuse bzw. im Innen raum des Gehäuses angeordnet. The contact surface and the outlet opening are preferably in one plane. In other words, the contact surface and the outlet opening can be arranged at the same height along an optical axis of the fiber end and / or in the direction of laser beam propagation. This means that the outlet opening can be formed in the contact surface. The contact surface can surround the outlet opening. In particular, the contact surface can adjoin the outlet opening. The contact surface and the outlet opening can be arranged perpendicular to an optical axis of the fiber end and / or to the direction of laser beam propagation. The exit opening and the fiber end, in particular a light exit surface of the fiber end, are spaced apart from one another in the direction of laser beam propagation or along the optical axis of the fiber end. In other words, the fiber end, in particular a light exit surface of the fiber end, is arranged in the housing or in the interior of the housing.
Der Flansch, insbesondere die Kontaktfläche, kann mit Befestigungsmitteln versehen sein, um den Faserkoppler am Laserbearbeitungskopf zu befestigen. Die Befestigungsmittel kön nen z.B. ein Loch oder ein Gewindeloch für eine Schraube, oder auch ein Gewindeloch mit einer Schraube, einen Riegel, einen Bolzen und ähnliches umfassen. Die Befestigungsmittel des Faserkopplers sind vorzugsweise entsprechend zu Befestigungsmitteln des Laserbear beitungskopfs ausgebildet. Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel an einem Außenrand des Flansches angeordnet. Der Flansch kann sich vom Gehäuse, vorzugsweise radial, nach außen erstrecken. Die Austrittsöffnung kann vollumfänglich vom Flansch und/oder von der Kontaktfläche umgeben sein. Mit anderen Worten kann der Flansch und/oder die Kontakt fläche ringförmig ausgebildet sein bzw. die Austrittsöffnung ringförmig umgeben. Alterna tivkann der Flansch einen Vorsprung oder mehrere Vorsprünge umfassen, die sich vom Ge häuse radial nach außen erstrecken. Ein Außenumfang des Flansches, bzw. ein Querschnitt des Flansches in einer Ebene senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung, kann kreisför mig oder rechteckig ausgebildet sein. Der Flansch kann sich senkrecht zu einer Laserstrahl ausbreitungsrichtung und/oder senkrecht zu einer optischen Achse des Faserendes und/oder parallel zu einer Lichtaustrittsfläche des Faserendes erstrecken. Die Austrittsöffnung ist vorzugsweise kreisförmig. The flange, in particular the contact surface, can be provided with fastening means in order to fasten the fiber coupler to the laser processing head. The fastening means can include, for example, a hole or a threaded hole for a screw, or also a threaded hole with a screw, a latch, a bolt and the like. The fastening means of the fiber coupler are preferably designed corresponding to fastening means of the Laserbear processing head. The fastening means are preferably on an outer edge of the flange arranged. The flange can extend outwardly from the housing, preferably radially. The outlet opening can be completely surrounded by the flange and / or by the contact surface. In other words, the flange and / or the contact surface can be designed in an annular manner or surround the outlet opening in an annular manner. Alternatively, the flange may comprise one or more projections extending radially outward from the housing. An outer circumference of the flange, or a cross section of the flange in a plane perpendicular to the direction of laser beam propagation, can be circular or rectangular. The flange can extend perpendicular to a laser beam propagation direction and / or perpendicular to an optical axis of the fiber end and / or parallel to a light exit surface of the fiber end. The outlet opening is preferably circular.
Das Gehäuse kann einen an die Austrittsöffnung angrenzenden Innenraum aufweisen. Der Innenraum ist also vorzugsweise durch die Austrittsöffnung zur Außenseite des Faserkopp lers geöffnet. Das Faserende kann in den Innenraum hineinragen bzw. im Innenraum ange ordnet sein. Das Faserende kann von einer Seitenwand des Innenraums beabstandet sein. Die Seitenwand des Innenraums kann eine Wand bezeichnen, die den Innenraum, insbeson dere in radialer Richtung bzw. in einer Richtung senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrich tung, begrenzt bzw. umgibt. Die Seitenwand des Innenraums kann insbesondere eine Wand sein, die sich in Laserstrahlausbreitungsrichtung erstreckt. Der Innenraum kann im Wesent lichen zylindrisch ausgebildet sein. The housing can have an interior space adjoining the outlet opening. The interior space is therefore preferably open to the outside of the fiber coupler through the outlet opening. The fiber end can protrude into the interior or be arranged in the interior. The fiber end can be spaced from a side wall of the interior space. The side wall of the interior can denote a wall which delimits or surrounds the interior, in particular in the radial direction or in a direction perpendicular to the laser beam propagation direction. The side wall of the interior can in particular be a wall which extends in the direction of laser beam propagation. The interior space can be cylindrical in essence union.
Vorzugsweise sind zumindest zwei der folgenden Elemente koaxial angeordnet: die Aus trittsöffnung, der Innenraum, das Faserende, der Faserendblock, der Flansch, und die Kon taktfläche. Preferably, at least two of the following elements are arranged coaxially: the outlet opening, the interior space, the fiber end, the fiber end block, the flange, and the contact surface.
Im Gehäuse des Faserkopplers, d.h. in dem Innenraum des Gehäuses, kann eine Schutzglas kappe befestigbar sein, um das Faserende zu umgeben. Die Schutzglaskappe kann ein Schutzglas und eine Halterung, beispielsweise Hülse, insbesondere eine Metallhülse, umfas sen. Die Schutzglaskappe kann im Gehäuse so befestigt werden, dass das Schutzglas paral lel zu einer Lichtaustrittsfläche der Laserlichtleitfaser angeordnet ist. Somit kann der Laser strahl ungehindert durch die Schutzglaskappe hindurchtreten, ist aber gleichzeitig vor Schmutzpartikeln und Beschädigungen geschützt. In einer anderen Ausführungsform kann zwischen der Austrittsöffnung und dem Faserende eine Wechselkassette mit einem Schutz glas vorgesehen sein. Die Wechselkassette kann von einer Außenseite des Gehäuses zu gänglich sein. Beispielsweise kann die Wechselkassette senkrecht zur Laserstrahlausbrei tungsrichtung bzw. zur optischen Achse des Faserendes in das Gehäuse zugänglich, insbe sondere einschiebbar und herausziehbar, vorgesehen sein. Hierdurch kann das Schutzglas leicht ausgewechselt werden, ohne den Faserkoppler vom Laserbearbeitungskopf entfernen zu müssen. Somit kann das Schutzglas auch nach der Montage geprüft und ausgetauscht werden. In the housing of the fiber coupler, ie in the interior of the housing, a protective glass cap can be fastened to surround the fiber end. The protective glass cap can comprise a protective glass and a holder, for example a sleeve, in particular a metal sleeve. The protective glass cap can be fastened in the housing in such a way that the protective glass is arranged parallel to a light exit surface of the laser optical fiber. Thus, the laser beam can pass through the protective glass cap unhindered, but is at the same time in front Dirt particles and damage protected. In another embodiment, an interchangeable cassette with a protective glass can be provided between the outlet opening and the fiber end. The interchangeable cassette can be accessed from an outside of the housing. For example, the interchangeable cassette can be provided perpendicular to the direction of laser beam propagation or to the optical axis of the fiber end so that it can be accessed, in particular pushed in and pulled out, in the housing. As a result, the protective glass can easily be replaced without having to remove the fiber coupler from the laser processing head. This means that the protective glass can also be checked and replaced after installation.
Zwischen der Austrittsöffnung und dem Faserende ist vorzugsweise eine Blende zur Ab sorption von unerwünschter Randstrahlung vorgesehen. Die Randstrahlung dringt durch die Blende gar nicht erst in den Bearbeitungskopf vor, sondern wird zum frühestmöglichen Zeitpunkt absorbiert. Eine entsprechende Blende im Bearbeitungskopf kann daher entfallen. Die Blende kann eingerichtet sein, um einen Durchmesser des aus dem Faserkoppler austre tenden Laserstrahls zu begrenzen. Die Blende kann im Faserkoppler bzw. im Gehäuse des Faserkopplers integriert sein. Mit anderen Worten kann die Blende im Innenraum des Ge häuses vor der Austrittsöffnung angeordnet sein. Auch die Blende kann in einer Wechsel kassette angeordnet sein, die in das Gehäuse eingeschoben und herausgezogen werden kann. Between the outlet opening and the fiber end, a diaphragm is preferably provided to absorb unwanted edge radiation. The edge radiation does not even penetrate through the diaphragm into the processing head, but is absorbed at the earliest possible point in time. A corresponding aperture in the processing head can therefore be omitted. The diaphragm can be designed to limit a diameter of the laser beam emerging from the fiber coupler. The screen can be integrated in the fiber coupler or in the housing of the fiber coupler. In other words, the diaphragm can be arranged in the interior of the housing in front of the outlet opening. The panel can also be arranged in an interchangeable cassette that can be pushed into and pulled out of the housing.
Des Weiteren kann im Gehäuse bzw. im Innenraum des Gehäuses mindestens ein Sensor vorgesehen sein. Der mindestens eine Sensor kann benachbart zum Faserende oder zwi schen der Austrittsöffnung und dem Faserende angeordnet sein. Der mindestens eine Sen sor, beispielsweise zur Temperatur- oder Streulichterfassung, kann benachbart zur Blende oder zwischen der Blende und der Austrittsöffnung vorgesehen sein. Der mindestens eine Sensor kann auch an der Austrittsöffnung bzw. in der Austrittsöffnung angeordnet sein. Der Sensor kann im Gehäuse befestigt oder auswechselbar angeordnet sein. Der Sensor kann beispielsweise in einer Wechselkassette angeordnet sein, die in das Gehäuse einschiebbar und herausziehbar ist. Die Wechselkassette hat vorzugsweise die Form eines Rahmens mit einer Öffnung für den Durchtritt des Laserstrahls. Der Sensor kann ein thermischer Sensor oder ein optischer Sensor sein. Der Sensor kann eingerichtet sein, mindestens einen Parame ter für das Faserende und/oder ein Schutzglas und/oder eine Blende zu erfassen. Der Sensor kann beispielsweise ein Temperatur-Sensor oder ein Streulicht-Sensor sein. Die Signalüber tragung kann zum Laserbearbeitungskopf und/oder zu einer übergeordneten Steuereinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung erfolgen. Die Signalübertragung kann sowohl elektrisch oder optisch, oder drahtgebunden oder drahtlos sein. Furthermore, at least one sensor can be provided in the housing or in the interior of the housing. The at least one sensor can be arranged adjacent to the fiber end or between the outlet opening and the fiber end. The at least one sensor, for example for temperature or scattered light detection, can be provided adjacent to the diaphragm or between the diaphragm and the outlet opening. The at least one sensor can also be arranged on the outlet opening or in the outlet opening. The sensor can be fastened in the housing or arranged to be exchangeable. The sensor can be arranged, for example, in an interchangeable cassette that can be pushed into and pulled out of the housing. The interchangeable cassette is preferably in the form of a frame with an opening for the laser beam to pass through. The sensor can be a thermal sensor or an optical sensor. The sensor can be set up to detect at least one parameter for the fiber end and / or a protective glass and / or a screen. The sensor can for example be a temperature sensor or a scattered light sensor. The signal transmission can take place to the laser processing head and / or to a higher-level control unit of the laser processing device. The signal transmission can be electrical or optical, or wired or wireless.
Das Gehäuse kann einen Kühlkreislauf aufweisen, z.B. einen Kühlkreislauf mit einem Was seranschluss zur Kühlung mit Wasser. Der Kühlkreislauf kann eingerichtet sein, das Gehäu se, ein im Gehäuse angeordnetes Schutzglas, und/oder eine im Gehäuse angeordnete Blende zu kühlen. Durch die reduzierte Anzahl von Kühlkreisläufen können Kosten sowie das Risi ko einer Leckage reduziert werden. The housing can have a cooling circuit, e.g. a cooling circuit with a water connection for cooling with water. The cooling circuit can be set up to cool the housing, a protective glass arranged in the housing, and / or a screen arranged in the housing. Due to the reduced number of cooling circuits, costs and the risk of leakage can be reduced.
Der Flansch bzw. die Kontaktfläche kann mindestens ein Dichtelement zum Abdichten zwi schen dem Faserkoppler und dem Laserbearbeitungskopf und/oder eine Aufnahme für ein solches Dichtelement aufweisen. Das Dichtelement kann einen Dichtring oder einen O-Ring umfassen. Die Aufnahme kann eine Nut zum Aufnehmen eines Dichtelements sein. Das Dichtelement bzw. die Aufnahme umgeben vorzugsweise die Austrittsöffnung. Das Dich telement bzw. die Aufnahme können unmittelbar angrenzend bzw. benachbart zur Austritts öffnung auf der Kontaktfläche des Flansches angeordnet sein. The flange or the contact surface can have at least one sealing element for sealing between the fiber coupler and the laser processing head and / or a receptacle for such a sealing element. The sealing element can comprise a sealing ring or an O-ring. The receptacle can be a groove for receiving a sealing element. The sealing element or the receptacle preferably surround the outlet opening. The you telement or the receptacle can be arranged directly adjacent or adjacent to the outlet opening on the contact surface of the flange.
Der Flansch bzw. die Kontaktfläche kann mindestens ein Ausrichtelement zum Ausrichten des Faserkopplers am Laserbearbeitungskopf aufweisen. Beispielsweise kann die Kontakt fläche eine Zentriernut bzw. eine Zentrieraussparung umfassen. Alternativ kann ein Zent rierkragen bzw. Zentrierbund oder ein Zentriervorsprung bzw. eine Zentriernase auf der Kontaktfläche ausgebildet sein. Alternativ kann der Flansch bzw. die Kontaktfläche Pass stifte oder Bohrungen aufweisen. Eine Kopplungsfläche des Laserbearbeitungskopfs kann ein entsprechendes Ausrichtelement aufweisen, das dem Ausrichtelement auf der Kontakt fläche entspricht, beispielsweise den auf der Kontaktfläche angebrachten Passstiften ent sprechende Bohrungen oder den in der Kontaktfläche ausgebildeten Bohrungen entspre chende Passstifte. Dadurch wird ein Zentrieren der optischen Achse des Faserkopplers bzw. des Faserendes zum Laserbearbeitungskopf, d.h. zu einer optischen Achse des Laserbearbei tungskopfs, erleichtert. Der Faserkoppler kann für das Einkoppeln bzw. Einfuhren eines Hochleistungslaserstrahls ausgelegt sein. Mit anderen Worten kann der Laserstrahl eine Leistung von 1 kW oder mehr aufweisen. Im Bereich der Hochleistungslaser ist ein Sicherheitskreis erforderlich. Nur bei geschlossenem Sicherheitskreis wird der Laserstrahl von einer Laserquelle erzeugt. Der Flansch bzw. die Kontaktfläche kann daher mindestens einen elektrischen Kontakt bzw. mindestens eine Schnittstelle für einen Sicherheitskreis umfassen. Dadurch kann schnell erfasst werden, ob der Faserkoppler korrekt am Laserbearbeitungskopf montiert ist. The flange or the contact surface can have at least one alignment element for aligning the fiber coupler on the laser processing head. For example, the contact surface can comprise a centering groove or a centering recess. Alternatively, a centering collar or centering collar or a centering projection or a centering nose can be formed on the contact surface. Alternatively, the flange or the contact surface can have dowel pins or bores. A coupling surface of the laser processing head can have a corresponding alignment element that corresponds to the alignment element on the contact surface, for example corresponding holes for the dowel pins attached to the contact surface or dowel pins corresponding to the holes formed in the contact surface. This makes it easier to center the optical axis of the fiber coupler or the fiber end with respect to the laser processing head, that is to say with respect to an optical axis of the laser processing head. The fiber coupler can be designed for coupling or importing a high-power laser beam. In other words, the laser beam can have a power of 1 kW or more. A safety circuit is required in the field of high-power lasers. The laser beam is only generated by a laser source when the safety circuit is closed. The flange or the contact surface can therefore comprise at least one electrical contact or at least one interface for a safety circuit. This makes it possible to quickly determine whether the fiber coupler is correctly mounted on the laser processing head.
Der Flansch bzw. die Kontaktfläche kann mindestens eine Schnittstelle für einen im Faser koppler vorgesehenen Sensor zum Laserbearbeitungskopf und/oder zu einer übergeordneten Steuereinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung aufweisen. The flange or the contact surface can have at least one interface for a sensor provided in the fiber coupler to the laser processing head and / or to a higher-level control unit of the laser processing device.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung angegeben, umfassend einen Laserbearbeitungskopf mit einer Kopplungsfläche, an der ein Faserkoppler gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen befestigt ist, und einer Kopplungsöff nung zum Einkoppeln des Laserstrahls in den Laserbearbeitungskopf, wobei die Kontaktflä che des Faserkopplers in Kontakt mit der Kopplungsfläche steht und die Austrittsöffnung des Faserkopplers der Kopplungsöffnung gegenüberliegt. Die Kopplungsfläche ist vor zugsweise ein Teil einer Außenfläche des Laserbearbeitungskopfs. Der Laserbearbeitungs kopfkann ferner einen optischen Strahlengang umfassen. Der optische Strahlengang kann in einem sogenannten optischen Raum in einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs verlau fen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine Laserquelle, insbesondere eine Hochleis tungslaserquelle, umfassen. Die Laserquelle kann eingerichtet sein, einen Laserstrahl von mindestens 1 kW zu erzeugen. According to a further aspect, a laser processing device is specified, comprising a laser processing head with a coupling surface to which a fiber coupler according to one of the embodiments described herein is attached, and a coupling opening for coupling the laser beam into the laser processing head, wherein the contact surface of the fiber coupler is in contact with the coupling surface and the exit opening of the fiber coupler is opposite the coupling opening. The coupling surface is preferably a part of an outer surface of the laser processing head. The laser processing head can furthermore comprise an optical beam path. The optical beam path can run in a so-called optical space in a housing of the laser processing head. The laser processing device can comprise a laser source, in particular a high-power laser source. The laser source can be set up to generate a laser beam of at least 1 kW.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. The invention is described in detail below with reference to figures.
Fig. 1 zeigt eine Verbindung zwischen Lichtleitfaser und Laserbearbeitungskopf mit Faser stecker und Faserbuchse gemäß dem Stand der Technik; Fig. 2 zeigt einen Faserkoppler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 shows a connection between optical fiber and laser processing head with fiber plug and fiber socket according to the prior art; 2 shows a fiber coupler in accordance with embodiments of the present invention;
Fig. 3 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Faserkoppler gemäß Ausfüh rungsformen der vorliegenden Erfindung; und 3 shows a laser processing device with a fiber coupler according to embodiments of the present invention; and
Fig. 4 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Faserkoppler gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 4 shows a laser processing device with a fiber coupler according to further embodiments of the present invention.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen Detailed description of the embodiments
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele mente dieselben Bezugszeichen verwendet. Unless otherwise noted, the same reference numerals are used below for identical and identically acting elements.
Fig. 2 zeigt einen Faserkoppler zum Befestigen einer Laserlichtleitfaser (im Folgenden Lichtleitfaser) an einem Laserbearbeitungskopf gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung. Der Faserkoppler umfasst ein Gehäuse 20, in dem eine Lichtleitfaser 10 integriert ist. Dabei mündet ein Faserende 11 der Lichtleitfaser 10 in einen Innenraum 24 des Gehäuses 20. Der Innenraum 24 ist durch eine Austrittsöffnung 21 zu einer Außenseite des Gehäuses 20 offen, so dass aus dem Faserende 11 austretendes Laserlicht durch die Austrittsöffnung 21 aus dem Faserkoppler austreten kann. Das Faserende 11 kann, wie in den Figuren dargestellt, als Faserendblock ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Quarz block mit einem Ende der Laserlichtleitfaser 10 verspleißt sein. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Somit kann das Faserende 11 auch ein Ende einer Laser lichtleitfaser 10 umfassen, das keinen Faserendblock aufweist. Fig. 2 shows a fiber coupler for attaching a laser optical fiber (hereinafter optical fiber) to a laser processing head according to an embodiment of the present invention. The fiber coupler comprises a housing 20 in which an optical fiber 10 is integrated. A fiber end 11 of the optical fiber 10 opens into an interior 24 of the housing 20. The interior 24 is open to an outside of the housing 20 through an exit opening 21 so that laser light emerging from the fiber end 11 can exit the fiber coupler through the exit opening 21. The fiber end 11 can, as shown in the figures, be designed as a fiber end block. For example, a quartz block can be spliced to one end of the laser optical fiber 10. However, the present invention is not limited to this. The fiber end 11 can thus also comprise an end of a laser optical fiber 10 which does not have a fiber end block.
Das Gehäuse 20 weist einen Flansch 25 zur Befestigung an einem Laserbearbeitungskopf auf, der an die Austrittsöffnung 21 angrenzt. Vorzugsweise ist der Flansch 25 radial nach außen ragend ausgebildet. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Flansch 25 ringförmig bzw. die Austrittsöffnung 21 vollständig umgebend ausgebildet. Ein Außenum fang des Flansches, d.h. in radialer Richtung bzw. in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Faserendes 11 bzw. senkrecht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung, kann kreis förmig oder rechteckig, insbesondere quadratisch, sein. Alternativ zu einer ringförmigen Ausführung kann der Flansch 25 aber auch mehrere Vorsprünge umfassen, die vom Gehäu- se 20, vorzugsweise radial, nach außen ragen. Eine an die Austrittsöffnung 21 angrenzende Fläche des Flansches 25 dient als Kontaktfläche 26, die im montierten Zustand des Faser kopplers in Kontakt mit dem Laserbearbeitungskopf steht. Der Flansch 25 weist ferner Be festigungsmittel 22 zur Befestigung des Faserkopplers am Laserbearbeitungskopf auf, die in Fig. 2 als Durchgangslöcher ausgestaltet sind, um eine Schraube oder einen Bolzen hin durchzuführen. Das Gehäuse 20 kann ferner einen Kühlkreislauf WK zur Wasserkühlung aufweisen. The housing 20 has a flange 25 for attachment to a laser processing head which adjoins the outlet opening 21. The flange 25 is preferably designed to protrude radially outward. In the embodiment shown in FIG. 2, the flange 25 is designed to be annular or to completely surround the outlet opening 21. An outer circumference of the flange, ie in the radial direction or in a plane perpendicular to the optical axis of the fiber end 11 or perpendicular to the laser beam propagation direction, can be circular or rectangular, in particular square. As an alternative to an annular design, the flange 25 can also comprise several projections that extend from the housing se 20, preferably radially, protrude outward. A surface of the flange 25 adjoining the outlet opening 21 serves as a contact surface 26 which is in contact with the laser processing head in the assembled state of the fiber coupler. The flange 25 also has fastening means 22 for fastening the fiber coupler to the laser processing head, which are designed as through holes in FIG. 2 in order to carry out a screw or a bolt. The housing 20 can also have a cooling circuit WK for water cooling.
Optional ist im Gehäuse 20 eine Kappe 40 mit einem Schutzglas 44 vorgesehen, die das Faserende 11 umgibt. Die Kappe 40 ist entnehmbar im Innenraum 24 des Gehäuses 20 be festigt, z.B. mittels eines Gewindes oder einer Steck- oder Bajonettverbindung. Auf diese Weise kann das Schutzglas 40 im Fall von Verschmutzung oder Beschädigung ausgetauscht werden. A cap 40 with a protective glass 44, which surrounds the fiber end 11, is optionally provided in the housing 20. The cap 40 is removably fastened in the interior 24 of the housing 20, for example by means of a thread or a plug-in or bayonet connection. In this way, the protective glass 40 can be replaced in the event of contamination or damage.
Der Faserkoppler gemäß der vorliegenden Erfindung weist also mit der Kontaktfläche 26 eine im Wesentlichen bündige Abschlussfläche senkrecht zur optischen Achse des Faseren des 11 auf, die mit Befestigungsmitteln versehen ist. Auf diese Weise kann der Faserkoppler ohne einen Steckvorgang oder einen anderen mit Abrieb verbundenen mechanischen Befes tigungsvorgang stabil und einfach an einem Laserbearbeitungskopf befestigt werden. The fiber coupler according to the present invention thus has, with the contact surface 26, a substantially flush end surface perpendicular to the optical axis of the fibers of FIG. 11, which is provided with fastening means. In this way, the fiber coupler can be attached to a laser processing head in a stable and simple manner without a plugging process or any other mechanical fastening process associated with abrasion.
In Fig. 3 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Laserbearbeitungskopf 100 ge zeigt, an der der Faserkoppler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels Befestigungsmittel 23, etwa Schrauben oder Bolzen, befestigt ist. Im montierten Zustand des Faserkopplers liegen die Kontaktfläche 26 des Flansches 25 und eine Kopp lungsfläche des Laserbearbeitungskopfs aneinander. Die Austrittsöffnung 21 des Faserkopp lers ist hierbei mit einer Kopplungsöffnung des Laserbearbeitungskopfs so ausgerichtet, dass der durch die Austrittsöffnung 21 tretende Laserstrahl durch die Kopplungsöffnung in den Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs gekoppelt bzw. eingeführt wird. Im optischen Raum bzw. im optischen Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs 100 ist eingangs, d.h. benachbart zur Kopplungsöffnung, eine Wechselkassette 110 mit einem Schutzglas 111 angeordnet, um den optischen Raum bzw. den optischen Strahlengang abzudichten und vor einfallendem Schmutz zu schützen. Des Weiteren kann eine Blende 5 vorgesehen sein, um Randstrahlen eines einfallenden Laserstrahls gezielt zu absorbieren. Um ein Erhitzen der Blende aufgrund der Strahlungsabsorption zu verhindern, kann ein Kühlkreislauf vorgese hen sein (Pfeil neben Blende 5). 3 shows a laser processing device with a laser processing head 100, to which the fiber coupler according to an embodiment of the present invention is attached by means of attachment means 23, such as screws or bolts. In the assembled state of the fiber coupler, the contact surface 26 of the flange 25 and a coupling surface of the laser processing head lie against one another. The exit opening 21 of the fiber coupler is aligned with a coupling opening of the laser processing head in such a way that the laser beam emerging through the exit opening 21 is coupled or introduced through the coupling opening into the beam path of the laser processing head. In the optical space or in the optical beam path of the laser processing head 100, an interchangeable cassette 110 with a protective glass 111 is arranged at the beginning, ie adjacent to the coupling opening, in order to seal the optical space or the optical beam path and protect it from incoming dirt. Furthermore, a screen 5 can be provided in order to To absorb edge rays of an incident laser beam in a targeted manner. In order to prevent the screen from heating up due to the absorption of radiation, a cooling circuit can be provided (arrow next to screen 5).
Um ein Ausrichten des Faserkopplers am Laserbearbeitungskopf 100 bzw. ein Zentrieren einer optischen Achse des Faserendes 11 der Lichtleitfaser 10 bezüglich des optischen Strahlengangs des Laserbearbeitungskopfs 100 zu vereinfachen, kann der Flansch 25, insbe sondere die Kontaktfläche 26, mit einem Ausrichtelement 27 versehen sein. Wie in Fig. 3 gezeigt schließen Faserkoppler und Laserbearbeitungskopf zueinander nahezu bündig ab, mit Ausnahme des als Zentrierkragen ausgebildeten Ausrichtelements mit typischerweise wenigen Millimetern Höhe. Der Zentrierkragen kann sich entweder am Faserkoppler oder am Laserbearbeitungskopf befinden. In der Ausführungsform von Fig. 3 ist das Ausrich telement 27 eine in der Kontaktfläche 25 ausgebildete Nut oder Aussparung. Ein entspre chendes Ausrichtelement ist auf einer Kopplungsfläche des Laserbearbeitungskopfs 100 ausgebildet, in Fig. 3 als Vorsprung oder Kragen. In order to simplify the alignment of the fiber coupler on the laser processing head 100 or the centering of an optical axis of the fiber end 11 of the optical fiber 10 with respect to the optical beam path of the laser processing head 100, the flange 25, in particular the contact surface 26, can be provided with an alignment element 27. As shown in FIG. 3, the fiber coupler and laser processing head are almost flush with one another, with the exception of the alignment element which is designed as a centering collar and is typically a few millimeters in height. The centering collar can be located either on the fiber coupler or on the laser processing head. In the embodiment of FIG. 3, the alignment element 27 is a groove or recess formed in the contact surface 25. A corre sponding alignment element is formed on a coupling surface of the laser processing head 100, in Fig. 3 as a projection or collar.
Fig. 4 zeigt einen Faserkoppler gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der an einem Laserbearbeitungskopf 100 befestigt ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann ein Faserkoppler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Wech selkassette 400 mit einem Schutzglas 44 aufweisen, das in dem Gehäuse 20 auswechselbar vorgesehen ist. Das Schutzglas 44 ist zwischen dem Faserende 11 und der Austrittsöffnung 21 des Gehäuses 20 angeordnet, um das Faserende 11 vor Verschmutzung und Beschädi gung zu schützen. Die Wechselkassette 400 kann in das Gehäuse 20 in einer Richtung senk recht zur Laserstrahlausbreitungsrichtung bzw. senkrecht zur optischen Achse des Faseren des 11 ein- und ausfahrbar sein. Auf diese Weise ist ein Austausch oder eine Inspektion des Schutzglases 44 möglich, ohne den Faserkoppler vom Laserbearbeitungskopf zu demontie ren. 4 shows a fiber coupler according to a further embodiment of the present invention, which is attached to a laser processing head 100. As shown in FIG. 4, a fiber coupler according to embodiments of the present invention can have an exchangeable cassette 400 with a protective glass 44 which is provided in the housing 20 in an exchangeable manner. The protective glass 44 is arranged between the fiber end 11 and the outlet opening 21 of the housing 20 in order to protect the fiber end 11 from contamination and damage. The interchangeable cassette 400 can be moved into and out of the housing 20 in a direction perpendicular to the direction of laser beam propagation or perpendicular to the optical axis of the fibers of FIG. In this way, an exchange or an inspection of the protective glass 44 is possible without dismantling the fiber coupler from the laser processing head.
Des Weiteren kann eine Blende 50 zur Absorption von Randstrahlung des Laserstrahls im Gehäuse zwischen dem Faserende 11 und der Austrittsöffnung 21 angeordnet sein, z.B. zwischen dem Schutzglas 44 und dem Faserende 11 oder zwischen dem Schutzglas 44 und der Austrittsöffnung. Da sich die Blende 50 durch die Strahlungsabsorption stark aufheizt, kann das Gehäuse 20 des Faserkopplers mit einem Kühlkreislauf WK versehen sein, der eingerichtet ist, die Blende 50 und oder die Wechselkassette 400 zu kühlen. Furthermore, a screen 50 for absorbing edge radiation of the laser beam can be arranged in the housing between the fiber end 11 and the outlet opening 21, for example between the protective glass 44 and the fiber end 11 or between the protective glass 44 and the outlet opening. Since the screen 50 heats up strongly due to the absorption of radiation, For example, the housing 20 of the fiber coupler can be provided with a cooling circuit WK which is set up to cool the screen 50 and / or the exchangeable cassette 400.
Der Faserkoppler kann zudem mindestens einen Sensor 60 umfassen, z.B. einen Sensor zur Erfassung einer Temperatur oder Streulicht im Innenraum 25 des Gehäuses bzw. von einer Seitenwand des Innenraums 25. Der Sensor 60 kann insbesondere eingerichtet sein, Parame ter, wie Streulichtintensität oder Temperatur, von einem Schutzglas 44 oder vom Faserende 11 zu erfassen. Der Sensor 60 kann fest im Gehäuse 20 integriert sein, oder herausnehmbar, z.b. in einer Wechselkassette, vorgesehen sein. Der Sensor 60 kann mit einer Schnittstelle 61 auf der Kontaktfläche 26 verbunden sein, um Signale an den Laserbearbeitungskopf 100 zu übertragen. Alternativ können Signale des Sensors 60 an eine übergeordnete Steuerein heit der Laserbearbeitungsvorrichtung gesendet werden. The fiber coupler can also comprise at least one sensor 60, for example a sensor for detecting a temperature or scattered light in the interior 25 of the housing or from a side wall of the interior 25. The sensor 60 can in particular be set up to parameters such as scattered light intensity or temperature of a protective glass 44 or from the fiber end 11. The sensor 60 can be permanently integrated in the housing 20, or it can be removed, e.g. be provided in an exchangeable cassette. The sensor 60 can be connected to an interface 61 on the contact surface 26 in order to transmit signals to the laser processing head 100. Alternatively, signals from the sensor 60 can be sent to a higher-level control unit of the laser processing device.
Auf der Kontaktfläche 26 können ferner mindestens ein Dichtungselement (nicht gezeigt) angeordnet sein, um eine Verbindung zwischen dem Faserkoppler und dem Laserbearbei tungskopf abzudichten das Dichtungselement kann einen Dichtungsring oder O-Ring um fassen, der konzentrisch mit der Austrittsöffnung 21 angeordnet ist und selbige umgibt. Fer ner können auf der Kontaktfläche 26 des Faserkopplers mindestens ein elektrischer Kontakt (nicht gezeigt) für einen Sicherheitskreis vorgesehen sein. Der Sicherheitskreis kann alter nativ durch ein externes Kabel zwischen Faserkoppler und Laserbearbeitungskopf realisiert werden. At least one sealing element (not shown) can also be arranged on the contact surface 26 in order to seal a connection between the fiber coupler and the laser processing head, the sealing element can comprise a sealing ring or O-ring which is arranged concentrically with the outlet opening 21 and surrounds the same . Furthermore, at least one electrical contact (not shown) for a safety circuit can be provided on the contact surface 26 of the fiber coupler. Alternatively, the safety circuit can be implemented using an external cable between the fiber coupler and the laser processing head.
Die Kontaktfläche kann also mindestens eines der folgenden Elemente, in folgender bevor zugter Reihenfolge von innen nach außen, aufweisen: The contact surface can therefore have at least one of the following elements, in the following preferred order from the inside to the outside:
1. Austrittsöffnung 21 für den Laserstrahl, 1. Exit opening 21 for the laser beam,
2. Ausrichtelement 27 zur Zentrierung zur optischen Achse, z.B. Zentrierkragen oder -nut,2. Alignment element 27 for centering to the optical axis, e.g. centering collar or groove,
3. Dichtungselement, z.B. O-Ring (nicht gezeigt), 3. Sealing element, e.g. O-ring (not shown),
4. Elektrische Kontakte für einen Hochleistungslaser-Sicherheitskreis (nicht gezeigt),4. Electrical contacts for a high-power laser safety circuit (not shown),
5. Sensorschnittstelle 61 zur Übertragung von Signalen eines im Faserkoppler angeordne ten Sensors 60 an den Laserbearbeitungskopf 100, und 5. Sensor interface 61 for the transmission of signals from a sensor 60 arranged in the fiber coupler to the laser processing head 100, and
6. Befestigungsmittel zur mechanischen Arretierung, z.B. Schrauben. Die Reihenfolge ist selbstverständlich nicht zwingend. Insbesondere können die radialen Positionen der elektrischen Kontakte für den Sicherheitskreis und die Sensorschnittstelle 61 vertauscht werden. Der Sicherheitskreis dient zur Überwachung der intakten Verbindung zwischen Faserkoppler und Laserbearbeitungskopf, um eine Gefährdung durch austretende bzw. freie Laserstrahlung zu verhindern. Die Laserquelle, insbesondere eine Hochleistungs laserquelle, wird in der Regel bei unterbrochenem Sicherheitskreis unmittelbar abgeschaltet. 6. Fastening means for mechanical locking, eg screws. The order is of course not mandatory. In particular, the radial positions of the electrical contacts for the safety circuit and the sensor interface 61 can be interchanged. The safety circuit is used to monitor the intact connection between the fiber coupler and the laser processing head in order to prevent danger from escaping or free laser radiation. The laser source, in particular a high-power laser source, is usually switched off immediately when the safety circuit is interrupted.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Faserkoppler zum Verbinden einer Laserlichtleit faser mit einem Laserbearbeitungskopf angegeben, der eine bündige Verbindung mit dem Laserbearbeitungskopf ermöglicht. Somit können Abrieb verursachende Steckvorgänge vermieden und ein Verschmutzungsrisiko für einen optischen Raum des Laserbearbeitungs kopfs und für ein Faserende der Laserlichtleitfaser reduziert werden. Darüber hinaus ist die Montage des Faserkopplers, insbesondere ein Zentriervorgang, einfacher, schneller und si cherer. Die Verbindung zwischen der Laserlichtleitfaser und dem Laserbearbeitungskopf durch den erfindungsgemäßen Faserkoppler ist ferner nahezu frei von Spiel, sodass eine genaue, stabile und feste Verbindung gewährleistet ist. Insgesamt ist der erfmdungsgemäße Faserkoppler kostengünstiger in der Herstellung und in der Wartung als eine herkömmliche Faserverbindung mit Faserbuchse und Faserstecker. According to the present invention, a fiber coupler for connecting a laser light guide fiber is specified with a laser processing head, which enables a flush connection with the laser processing head. In this way, plugging processes that cause abrasion can be avoided and the risk of contamination for an optical space of the laser processing head and for a fiber end of the laser optical fiber can be reduced. In addition, the assembly of the fiber coupler, in particular a centering process, is simpler, faster and safer. The connection between the laser optical fiber and the laser processing head by the fiber coupler according to the invention is furthermore almost free of play, so that a precise, stable and firm connection is ensured. Overall, the fiber coupler according to the invention is more cost-effective to manufacture and maintain than a conventional fiber connection with a fiber socket and a fiber connector.
Liste der Bezugszeichen: List of reference symbols:
1 Laserlichtleitfaser 1 laser optical fiber
2 Faserstecker 2 fiber connectors
3 Faserbuchse 3 fiber socket
4 Schutzglas 4 protective glass
5 Blende 5 aperture
33 Befestigungsmittel 33 fasteners
100 Laserbearbeitungskopf 100 laser processing head
A Zentrierung zur optischen Achse A centering on the optical axis
B Dichtung B seal
C Elektrische Kontakte für SicherheitskreisC Electrical contacts for safety circuit
D Mechanische Arretierung D Mechanical lock
WK Wasserkühlung WK water cooling
10 Laserlichtleitfaser 10 laser optical fiber
11 Faserende 11 fiber end
20 Gehäuse 20 housing
21 Austrittsöffnung 21 outlet opening
22 Befestigungsmittel 22 fasteners
23 Befestigungsmittel 23 fasteners
24 Innenraum 24 interior
25 Flansch 25 flange
26 Kontaktfläche 26 contact area
27 Ausrichtelement 27 alignment element
40 Schutzglaskappe 40 protective glass cap
44 Schutzglas 44 protective glass
110 Wechselkassette 110 interchangeable cassette
111 Schutzglas 111 protective glass
50 Blende 50 aperture
400 Wechselkassette 400 interchangeable cassette
60 Sensor 60 sensor
61 Sensorschnittstelle 61 Sensor interface

Claims

Ansprüche Expectations
1. Faserkoppler zum Befestigen einer Laserlichtleitfaser (10) an einem Laserbearbeitungskopf (100), umfassend: ein Gehäuse (20) mit einer Austrittsöffnung (21) für einen Austritt von Laserlicht aus dem Faserkoppler und einem die Austrittsöffnung (21) zumindest teilweise umgebenden Flansch (25) mit einer Kontaktfläche (26) zum Befestigen des Faserkopplers an dem Laser bearbeitungskopf (100); und eine Laserlichtleitfaser (10) mit einem Faserende (11), wobei das Faserende (11) in einem der Austrittsöffnung (21) gegenüberliegenden Bereich des Gehäuses (20) so im Ge häuse (20) befestigt ist, um aus dem Faserende (11) austretendes Laserlicht durch die Aus- trittsöffnung (21) zu richten. A fiber coupler for fastening a laser optical fiber (10) to a laser processing head (100), comprising: a housing (20) with an exit opening (21) for an exit of laser light from the fiber coupler and a flange at least partially surrounding the exit opening (21) ( 25) with a contact surface (26) for attaching the fiber coupler to the laser processing head (100); and a laser optical fiber (10) with a fiber end (11), the fiber end (11) being fastened in the housing (20) in an area of the housing (20) opposite the outlet opening (21) so that from the fiber end (11) directing emerging laser light through the exit opening (21).
2. Faserkoppler nach Anspruch 1, wobei ein Bereich des Gehäuses (20), in dem das Faserende (11) befestigt ist, und der Flansch (25) einteilig ausgebildet sind. 2. Fiber coupler according to claim 1, wherein a region of the housing (20) in which the fiber end (11) is attached and the flange (25) are formed in one piece.
3. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei sich die Kontaktfläche (26) senkrecht zu einer Laserstrahlausbreitungsrichtung und/oder senkrecht zu einer optischen Achse des Faserendes (11) und/oder parallel zu einer Lichtaustrittsfläche des Faserendes (11) erstreckt. 3. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the contact surface (26) extends perpendicular to a laser beam propagation direction and / or perpendicular to an optical axis of the fiber end (11) and / or parallel to a light exit surface of the fiber end (11).
4. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (26) in Laserstrahlausbreitungsrichtung und/oder entlang einer optischen Achse des Faserendes (11) eine Endfläche des Faserkopplers bildet. 4. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the contact surface (26) in the laser beam propagation direction and / or along an optical axis of the fiber end (11) forms an end surface of the fiber coupler.
5. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Kontaktfläche (26) und die Austrittsöffnung (21) in einer Ebene liegen und/oder wobei die Kontaktfläche (26) und die Austrittsöffnung (21) aneinander angrenzen. 5. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the contact surface (26) and the outlet opening (21) lie in one plane and / or wherein the contact surface (26) and the outlet opening (21) adjoin one another.
6. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Flansch (25) mit Befestigungsmitteln (22, 23) versehen ist, um den Faserkoppler am Laserbearbeitungskopf (100) zu befestigen. 6. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the flange (25) is provided with fastening means (22, 23) in order to fasten the fiber coupler to the laser processing head (100).
7. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei sich der Flansch (25) von der Austrittsöffnung (21) radial nach außen erstreckt und/oder wobei die Austrittsöffnung (21) kreisförmig ist. 7. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the flange (25) extends radially outward from the outlet opening (21) and / or wherein the outlet opening (21) is circular.
8. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (20) einen an die Austrittsöffnung (21) angrenzenden Innenraum (24) aufweist, in den das Faserende (11) hineinragt. 8. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the housing (20) has an interior space (24) adjoining the outlet opening (21) and into which the fiber end (11) projects.
9. Faserkoppler nach Anspruch 8, wobei in dem Innenraum (24) des Gehäuses (20) eine Kappe (40) mit einem Schutzglas (44) so befestigbar ist, dass sie das Faserende (11) umgibt. 9. Fiber coupler according to claim 8, wherein in the interior (24) of the housing (20) a cap (40) with a protective glass (44) can be fastened so that it surrounds the fiber end (11).
10. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zwischen der Austrittsöff nung (21) und dem Faserende (11) eine Wechselkassette (400) mit einem Schutzglas (40) vorgesehen ist. 10. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein an interchangeable cassette (400) with a protective glass (40) is provided between the Austrittsöff voltage (21) and the fiber end (11).
11. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei im Gehäuse mindestens ein thermischer oder optischer Sensor (60) vorgesehen ist. 11. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein at least one thermal or optical sensor (60) is provided in the housing.
12. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei zwischen der Austrittsöff nung (21) und dem Faserende (11) eine Blende (50) zur Absorption von Randstrahlung des Laserstrahls vorgesehen ist. 12. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein between the Austrittsöff voltage (21) and the fiber end (11) a diaphragm (50) is provided for absorbing edge radiation of the laser beam.
13. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (20) einen Kühlkreislauf (WK) zum Kühlen des Gehäuses (20) aufweist. 13. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the housing (20) has a cooling circuit (WK) for cooling the housing (20).
14. Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Flansch (25) zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: 14. Fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the flange (25) has at least one of the following elements:
- mindestens ein Dichtelement zum Abdichten zwischen dem Faserkoppler und dem Laser- b earb eitungskopf ; - At least one sealing element for sealing between the fiber coupler and the laser processing head;
- mindestens ein Ausrichtelement (27) zum Ausrichten des Faserkopplers am Laserbearbei tungskopf; - At least one alignment element (27) for aligning the fiber coupler on the Laserbearbei processing head;
- mindestens einen elektrischen Kontakt für einen Sicherheitskreis; und - At least one electrical contact for a safety circuit; and
- mindestens eine Schnittstelle (61) für einen im Faserkoppler vorgesehenen Sensor (60) zum Laserbearbeitungskopf. - At least one interface (61) for a sensor (60) provided in the fiber coupler to the laser processing head.
15. Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend: einen Laserbearbeitungskopf mit einer Kopplungsfläche und einer Kopplungsöffnung zum Einkoppeln des Laserstrahls in den Laserbearbeitungskopf; und einen Faserkoppler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Faserkoppler am Laserbearbeitungskopf so befestigt ist, dass die Kontakt fläche des Faserkopplers in Kontakt mit der Kopplungsfläche des Laserbearbeitungskopfs steht und die Austrittsöffnung des Faserkopplers der Kopplungsöffnung des Laserbearbei tungskopfs gegenüberliegt. 15. A laser processing device, comprising: a laser processing head having a coupling surface and a coupling opening for coupling the laser beam into the laser processing head; and a fiber coupler according to one of the preceding claims, wherein the fiber coupler is attached to the laser processing head such that the contact surface of the fiber coupler is in contact with the coupling surface of the laser processing head and the exit opening of the fiber coupler is opposite the coupling opening of the laser processing head.
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