DE10028375B4

DE10028375B4 - Laservorrichtung

Info

Publication number: DE10028375B4
Application number: DE10028375A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Iwashita; Akihiro Otani
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: TW457159B; US6636535B1; JP3584828B2; JP2001191193A; DE10028375A1

Abstract

Laservorrichtung, umfassend:
einen Laserresonator (2) zum Emittieren eines Laserstrahls,
eine optische Faser (23), in die der Laserstrahl, der von dem Laserresonator durch einen den Strahl übertragenden optischen Weg übertragen wird, eingekoppelt wird, um den Laserstrahl zu einem Werkstück zu übertragen,
eine Einrichtung (44) zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls, zum Messen eines ringförmigen Musters, das an dem Umfang des Strahlprofils des Laserstrahls auftritt, und
eine Einrichtung (22) zum Justieren des Einfalls des Laserstrahls auf die optische Faser, basierend auf der Ausgabe von der Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls, zu justieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung und insbesondere auf eine Faserjustierung der Laservorrichtung.
Eine Festkörperlaservorrichtung wird als ein Beispiel der Laservorrichtung diskutiert.

10 ist ein schematisches Diagramm, um einen Oszillatorkopf und einen Laserstrahlweg einer Festkörperlaservorrichtung im Stand der Technik zu zeigen. Referenzziffer 1 bezeichnet einen Oszillatorkopf, Referenzziffer 2 bezeichnet einen Resonator, Referenzziffer 3 bezeichnet einen teilweise reflektierenden Spiegel, Referenzziffer 4 bezeichnet einen vollständig reflektierenden Spiegel, Referenzziffer 5 bezeichnet eine anregende Lichtquelle, Referenzziffer 6 bezeichnet eine Festkörperkomponente eines Anregungsmediums, Referenzziffer 7 bezeichnet einen Hohlraum (Behälter), der die anregende Lichtquelle 5 und die Festkörperkomponente 6 enthält, Referenzziffer 8 bezeichnet einen Laserstrahl, der von dem Resonator 2 emittiert wird, Referenzziffer 9 bezeichnet eine Vergrößerungslinse, Referenzziffer 10 bezeichnet eine Vergrößerungslinse, Referenzziffer 10 bezeichnet eine Kollimatorlinse, Referenzziffer 11 bezeichnet eine Strahlklappe, Referenz 12 bezeichnet einen reflektierenden Spiegel, Referenzziffer 14 bezeichnet einen Dämpfer, Referenzziffer 20 bezeichnet eine Kondensorlinse, Referenzziffer 21 bezeichnet einen Faserhalter, Referenzziffer 22 bezeichnet einen Fasereinfallsabschnitt, der die Kondensorlinse 20 und den Faserhalter 21 aufweist, Referenzziffer 23 bezeichnet eine optische Faser, Referenzziffer 24 bezeichnet einen Bearbeitungskopf, und Referenzziffern 25a und 25b bezeichnen Bearbeitungslinsen.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Festkörperlaservorrichtung ist wie folgt: Bei der Laservorrichtung aus 10 wird die Festkörperkomponente 6 durch das Anregungslicht der Anregungslichtquelle 5 angeregt und der teilweise reflektierende Spiegel 3 und der vollständig reflektierende Spiegel 4, die so platziert sind, dass sie die Festkörperkomponente 6 dazwischen umschließen, bewirken, dass das Aussenden von Laserstrahlen auftritt. Der Laserstrahl 8, der von dem Resonator 2 emittiert wird, wird aufgeweitet, nachdem er durch die Vergrößerungslinse 9 gelangt ist, und wird ein parallel gerichteter Strahl, nachdem er durch die Kollimatorlinse 10 gelangt ist, und der parallel gerichtete Laserstrahl fällt auf den Fasereinfallsabschnitt 22 ein.

Die Strahlklappe 11 ist zwischen der Kollimatorlinse 10 und dem Fasereinfallsabschnitt 22 platziert, so dass der Laserstrahl 8 ausgeschaltet werden kann, wenn es nicht gewünscht ist, den Laserstrahl 8 nach außen von dem Laseroszillator zu emittieren. Die Strahlklappe 11 besteht aus dem reflektierenden Spiegel 12 zum Reflektieren des Laserstrahls 8 und dem Dämpfer 14 zum Absorbieren des Laserstrahls 8 und zum Umwandeln des Strahls in Wärme. Der reflektierende Spiegel 12 ist beweglich. Wenn der reflektierende Spiegel 12 in einer Position A ist, tritt der Laserstrahl 8 durch die Strahlklappe 11; wenn der reflektierende Spiegel 12 in einer Position B ist, wird der Laserstrahl 8 durch den reflektierenden Spiegel 12 zu dem Dämpfer 14 reflektiert. Die Oberfläche des Dämpfers 14 ist aus einem Laserstrahlabsorber gebildet, um die Energie des Laserstrahls 8 in Wärme umzuwandeln. Obwohl es nicht dargestellt ist, ist der Dämpfer 14 wassergekühlt, um die absorbierte Wärme abzuführen.

Der parallel gerichtete Laserstrahl, den auf den Fasereinfallsabschnitt 22 einfällt, wird durch die Kondensorlinse 20 in dem Fasereinfallsabschnitt 22 aufgenommen, fällt auf eine Endfläche 23i der optischen Faser 23 ein, die durch den Faserhalter 21 gehalten wird, und schreitet in der optischen Faser 23 voran.

In 10 ist die Kondensorlinse 20 zur Justierung in einer Richtung der optische Achse beweglich gestaltet, um die Position des Brennpunkts des aufgenommenen Laserstrahls 8 in Richtung der optischen Achse mit dem Einfallsende 23i der optischen Faser abzugleichen, und der Faserhalter 21 ist zur Justierung in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse beweglich gestaltet, um die Position des Brennpunkts mit dem Mittelpunkt der Ebene des Einfallsendes der optischen Faser 23i abzugleichen.

Der Laserstrahl 8, der durch die optische Faser 23 geführt wird, wird von einem Emissionsende 23o der optischen Faser 23 emittiert, das mit dem Bearbeitungskopf 24 verbunden ist. Der Laserstrahl 8, der in dem Bearbeitungskopf 24 geführt wird, wird durch die Bearbeitungslinsen 25a und 25b aufgenommen und wird zum Bearbeiten und so weiter verwendet.

Der Fasereinfallsabschnitt 22 wird unter Betrachtung der Charakteristik des (von dem Emissionsende 23o der optischen Faser 23 emittierten) Laserstrahls 8, justiert.

Im allgemeinen wird bei dem Oszillator des Festkörperlasertyps die Lichtmenge der Anregungslichtquelle 5 geändert, um die Schwingungsenergie bzw. Schwingungsleistung zu ändern. Das heißt, die Wärmeenergie, die auf die Festkörperkomponente 6 aufgebracht wird, wird verändert, und die Verzerrung der Festkörperkomponente 6 ändert sich durch Ausdehnung aufgrund optischer Wärme selbst. Insbesondere wird die Festkörperkomponente 6 von der Umgebung gekühlt, so dass die Temperatur des Zentrums höher wird als die der Umgebung. Die Festkörperkomponente 6 weist bemerkenswerter Weise die Natur einer konvexen Linse auf; der Wirkungsgrad der konvexen Linse ändert sich. Bei dieser Art Festkörperlaseroszillator ändert sich die Charakteristik der als Linse dienenden Festkörperkomponente 6 in dem Resonator. Wenn der Wirkungsgrad der Anregungslichtquelle 5, nämlich die Ausgabeleistung des Laserstrahls 8, verändert wird, ändert sich somit die Ausbreitungscharakteristik des Laserstrahls 8, der von dem Resonator 2 emittiert wird, und folglich verändert sich der optimale Justierwert des Fasereinfallsabschnitts 22.

Um die oben beschriebene Justierung durchzuführen, ist es daher nötig, ein Aussenden von Laserstrahlen mit 500 W zu bewirken, um mit einem Laseroszillator mit einer Ausgabe von 500 W, zum Beispiel einer Normleistung von 500 W, die äquivalent zum tatsächlichen Bearbeiten verwendet wird, bei 500 W zu bearbeiten. Anderenfalls unterscheidet sich die Ausbreitungscharakteristik des Laserstrahls 8 zur Justierzeit in großem Maß von derjenigen zur tatsächlichen Bearbeitungszeit, und die Zuverlässigkeit der Justierung selbst wird beeinträchtigt.

Die oben beschriebene Justierung wird schließlich mit dem Laserstrahl 8 mit einer hohen Bearbeitungsausgabeleistung durchgeführt. Wenn die Justierung des Fasereinfallsabschnitts 22 in großem Maß von der optimalen Position abweicht und (wenn der Einfall des Laserstrahls 8 mit hoher Ausgabeleistung auf den Fasereinfallsabschnitt 22 auf einmal erzielt wird, besteht die Möglichkeit, dass die optische Faser 23 und irgendwelche andere Teile beschädigt werden. Daher wird der Fasereinfallsabschnitt 22 auf solch eine geringe Ausgabeleistung justiert, dass die optische Faser 23 oder irgendein anderes Teil nicht beschädigt werden, und während die Ausgabe graduell erhöht wird, wird die Justierung des Fasereinfallsabschnitts 22 wiederholt. Schließlich wird die Justierung bei der tatsächlichen Bearbeitungsausgabeleistung gemacht, und damit vervollständigt.

11 zeigt eine Festkörperlaservorrichtung als ein Beispiel einer Laservorrichtung bei einem anderen Stand der Technik. Die Laservorrichtung unterscheidet sich von der vorher unter Bezug auf 10 beschriebenen in der Struktur des Abschnitts der Strahlklappe. Bei der Laservorrichtung, die in 11 gezeigt ist, bezeichnet Referenzziffer 30 einen Strahlabsorber und Referenzziffer 31 bezeichnet einen reflektierenden Spiegel. Der reflektierende Spiegel 31 weist ein geringes Transmissionsvermögen von beispielsweise 0,2% auf und reflektiert das meiste eines einfallenden Laserstrahls 8 und ermöglicht, dass ein Teil der Ausgabeleistung durchgelangt. Der Laserstrahl 8, der durchgelangt, wird in dem Strahlabsorber 30 absorbiert. Der Strahlabsorber 30 wirkt als ein Laserstrahlschild. Er ist so platziert, dass der Strahlabsorber 30 von der Rückseite des reflektierenden Spiegels 31 entfernt werden kann, so dass der Laserstrahl 8, der durch den reflektierenden Spiegel 31 geführt wird, auf einen Fasereinfallsabschnitt 22, wie es verlangt wird, einfallend gemacht werden kann.

Die Bedienung der Laservorrichtung, die in 11 gezeigt ist, ist wie folgt: um einen optischen Weg in einem Oszillator, der in 11 gezeigt ist, zu justieren, wird die Strahlklappe geschlossen. Hierzu wird der reflektierende Spiegel 31 in eine Position B gesetzt und der Strahlabsorber 30 wird entfernt, dann wird dafür gesorgt, dass der Laseroszillator Laserstrahlen aussendet, die hinsichtlich der Ausgabeleistung äquivalent sind zu denjenigen zur tatsächlichen Bearbeitungszeit, zum Beispiel 500 W. Dann wird der Laserstrahl 8, der auf dem reflektierenden Spiegel 31 reflektiert wird, in einem Dämpfer 14 absorbiert, und ein Laserstrahl geringerer Ausgabeleistung, der durch den reflektierenden Spiegel gelangt, im Beispiel 500 W × 0,2% = 1 W, wird von einem Oszillatorausgang, nämlich einer Kondensorlinse 20. Gleichzeitig ist die Eingangsleistung in eine Festkörperkomponente 6 äquivalent zu derjenigen zum tatsächlichen Bearbeitungszeitpunkt, und somit die durch optische Wärme erzeugte Verzerrung der Festkörperkomponente 6 äquivalent zu derjenigen zur tatsächlichen Bearbeitungszeit. Daher ist die Fortpflanzungskennlinie des Laserstrahls 8, der von einem Resonator emittiert wird, äquivalent zu derjenigen zur tatsächlichen Bearbeitungszeit.

Gleichzeitig ist die Ausbreitungscharakteristik des Laserstrahls 8, der durch den reflektierenden Spiegel 31 gelangt, äquivalent zu derjenigen zur tatsächlichen Bearbeitungszeit. Weiterhin ist die Ausgabeleistung des Laserstrahls 8, der durch den reflektierenden Spiegel 31 gelangt, klein. Somit, wenn der Laserstrahl einfallend auf ein Einfallsende 23i einer optischen Faser 23 in einem vollständig nicht justierten Zustand gemacht wird, besteht nicht die Gefahr des Beschädigens der optischen Faser 23.

Wenn eine Justierung des Fasereinfallsabschnitts 22 in dem Zustand durchgeführt wird der in bezug auf die von Anfang an durch Wärme erzeugte optische Verzerrung der Festkörperkomponente 6 gleich demjenigen zum tatsächlichen Bearbeitungszeitpunkt ist, was die Notwendigkeit eliminiert, komplizierte Justierungen an der Laservorrichtung, die in 10 gezeigt ist, auf solch eine Weise, durchzuführen, dass eine erste Grobjustierung bei solch einer kleinen Ausgabeleistung durchgeführt wird, dass die optische Faser 23 usw. nicht beschädigt wird, dann, während der Justierung die Ausgabeleistung graduell erhöht wird, die Justierung mehr als einmal wiederholt wird und schließlich eine Justierung bei voller Leistung, nämlich der tatsächlichen Bearbeitungsausgabeleistung durchgeführt wird; kann der Fasereinfallsabschnitt 22 daher in einer kurzen Zeit einfach justiert werden.

Das heißt, bei der Festkörperlaservorrichtung, die vorher unter Bezug auf 11 beschrieben ist, bringt die Wirkung der durch optische Wärme verursachten Verzerrung der Festkörperkomponente selbst nur in geringem Maß ein Problem mit sich.

Nach dem Beenden der Justierung wird der Strahlabsorber 30 auf die Ausgangsposition zurückgesetzt.

DE 195 39 558 C2 offenbart beispielsweise eine optische Übertragungsvorrichtung zum Übertragen eines Laserstrahls, bei der der Laserstrahl mittels eines Focusiersystems in eine Gradientenphase eingekoppelt wird. Um den Einfall des Laserstrahls in die Gradientenphase entsprechend optimieren zu können, ist eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, die die Leistung des aus dem Lichtquellenleiter austretenden Laserstrahls misst. Dabei fällt der Laserstrahl durch eine Öffnung auf eine Photodiode. In diesem Zusammenhang wird ein durch die Öffnung gelangendes, kreisförmiges Profil des Laserstrahls gemessen und über Justieren der Wert maximaler Intensität eingestellt.

Bei den Festkörperlaservorrichtungen, wie sie vorher unter Bezug auf 10 und 11 beschrieben worden sind, wurden bislang optische Fasern des GI-Typs oft verwendet. In dem letzten Jahren wurden jedoch optische Fasern des SI-Typs in steigendem Maß anstatt der optischen Fasern des GI-Typs verwendet. Die optische Faser des SI-Typs hat den Vorteil, dass der Grenzwert für die optische Beschädigung, im Vergleich zu der optischen Faser des GI-Typs um einen Wert im zweistelligen Bereich erhöht werden kann, so dass die Nachfrage an optischen Fasern des SI-Typs mit der hohen Ausgabeleistung der neuen Laservorrichtungen wächst.

Wenn die optische Faser eine optische Faser des SI-Typs ist, so dass sie einen Brechungskoeffizienten hat, der sich schrittweise an der Grenze zwischen dem Faserkern und der Hülle ändert, wird, wenn der gesamte Laserstrahl auf der Faserkern an dem Fasereinfallsende einfällt, der gesamte Laserstrahl in den Kern übertragen. In vielen Fällen ist der einfallende Strahldurchmesser an dem Fasereinfallsende etwa 90% des Kerndurchmessers oder weniger und erlaubt, dass der gesamte einfallende Strahl auf den Kern in dem Bereich davon einfällt.

Auf der anderen Seite, wenn ein Teil des Laserstrahls nicht in den Faserkern eindringen kann, weil die optische Achse an dem Fasereinfallsende versetzt ist, oder aus irgendeinem anderen Grund, tritt Hüllenfortpflanzung in der Faser auf.

Somit, wenn die optische Faser des SI-Typs verwendet wird, wird der Fasereinfallsabschnitt 22 justiert, während bestimmt ist, unabhängig davon die oben erwähnte Hüllenfortpflanzung auftritt. Das heißt, der Fasereinfallsabschnitt 22 wird justiert, während die Verteilung der Intensität des Laserstrahls nach der Faseremission überprüft wird. Um die Verteilung der Intensität des Laserstrahls zu überprüfen, wird zum Beispiel ein Leistungsmesser 40 in einer Position in einem geeigneten Abstand L von dem Faseremissionsende 23o platziert, ein Laserstrahl nach der Faseremission wird auf den Leistungsmesser 40 aufgebracht und ein Strahlmuster auf dem Laserleistungsmesser 40 wird zur Visualisierung eines unsichtbaren Laserstrahls mit einem IR Oszilloskop oder ähnlichem beobachtet wie es in 12 gezeigt ist.

13A und 13B zeigen beobachtete Strahlmuster nach der Faseremission. Wenn sich der gesamte einfallende Laserstrahl in dem Kern fortpflanzt, resultiert ein kreisförmiges Muster 50a, wie es in 13A gezeigt ist. Auf der anderen Seite, wenn eine Hüllenfortpflanzung aufgrund eines Justierfehlers auftritt, wird die Intensität des kreisförmigen Musters 50a in der Mitte geringer und ein ringförmiges Muster 50b tritt auf dem äußeren Umfang des kreisförmigen Musters 50a auf, und bildet ein Doppelkreismuster, wie es in 13B gezeigt ist. Das Doppelkreismuster tritt auch auf, wenn ein Justierunterschied in irgendeiner Richtung von dem optimalen Justierwert auftritt.

Der Fasereinfallsabschnitt 22 wird so justiert, dass das beobachtete Strahlenmuster, welches von der Faser emittiert wird ein kreisförmiges Muster wird, wie es in 13A gezeigt ist. Der optimale Justierwert bei der Ausgabeleistung zur Justierzeit liegt zwischen Justierwerten bei denen ein Doppelkreismuster auftritt (zwei in einer Richtung).

Wie es oben beschrieben ist, sind bei den Laseroszillatoren des Stands der Technik, wenn die optische Faser des SI-Typs verwendet wird, geeignete Mess- und Justiereinrichtungen zum Justieren des Fasereinfallsabschnitts zur Wartungszeit usw. nicht verfügbar und der Fasereinfallsabschnitt wird basierend auf einer Bestimmung justiert, die anhand einer visuellen Betrachtung eines tatsächlichen Strahls, der von der Faser emittiert wird, durchgeführt wird. Somit ist es notwendig, eine Justierung zu wiederholen, während die Ausgabeleistung graduell erhöht wird; dies benötigt Zeit. Eine Fertigkeit wird verlangt, um den optimalen Justierwert durch eine visuelle Betrachtung zu bestimmen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Laservorrichtung vorzusehen, die es ermöglicht, eine präzise und objektive Justierung des optischen Wegs und eine Justierung des Fasereinfallsabschnitts einfach in einer kurzen Zeit durchzuführen, wenn eine optische Faser des SI-Typs als eine optische Faser verwendet wird.

Gemäß der Erfindung ist eine Laservorrichtung vorgesehen, die einen Laserresonator zum Emittieren eines Laserstrahls umfasst, eine optische Faser, auf die der Laserstrahl, der von dem Laserresonator durch einen optischen Weg zur Strahlübertragung übertragen wird, einfallend gemacht wird, zum Übertragen des Laserstrahls zu einem Werkstück, eine Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des Laserstrahls, der von der optischen Faser emittiert wird, zum Messen der Ausgabeleistung eines ringförmigen Musters, das an dem Umfang des Strahlprofils des Laserstrahls auftritt, und eine Einrichtung zum Justieren Einfalls eines Laserstrahls auf eine optische Faser, basierend auf der Ausgabe von der Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls.

Die Einrichtung zum Messen der Laserstrahlausgabeleistung umfasst ein Öffnungselement, das eine Öffnung hat, um zu ermöglichen, dass das ringförmige Muster, das in der Umgebung des Strahlmusters des Laserstrahls auftritt, durchgelangt, und einen Leistungsmesser zum Messen der Laserstrahlausgabeleistung des Laserstrahls, der durch die Öffnung gelangt.

Die Öffnung des Öffnungselements ist in einer Position entsprechend dem NA-Wert der optischen Faser, die verwendet wird, platziert.

Die Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des Laserstrahls umfasst ein erstes Öffnungselement, das eine erste Öffnung hat, um zu ermöglichen, dass das ringförmige Muster, das in der Umgebung des Strahlmusters des Laserstrahls auftritt, durchgelangt, ein zweites Öffnungselement, das eine zweite Öffnung hat, um zu ermöglichen, dass ein kreisförmiges Muster, das in der Mitte des Strahlmusters auftritt, durchgelangt, einen Leistungsmesser zum Messen der Laserstrahlausgabeleistung des Laserstrahls, der durch die erste oder zweite Öffnung gelangt.

Die Einrichtung zum Messen der Laserstrahlausgabeleistung hat das erste und zweite Öffnungselement, die zusammen mit Halteelementen ausgetauscht werden können.

Die Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des Laserstrahls umfasst ein erstes Öffnungselement, das eine erste Öffnung hat, um zu ermöglichen, dass das ringförmige Muster, das in der Umgebung des Strahlmusters des Laserstrahls auftritt, durchgelangt, und eine zweite Öffnung zum Ermöglichen, dass ein kreisförmiges Muster, das in der Mitte des Strahlmusters auftritt, durchgelangt, wobei die erste und zweite Öffnung jeweils zur Verwendung geschaltet werden, und einen Leistungsmesser zum Messen einer Laserstrahlausgabeleistung des Laserstrahls, der durch die erste oder zweite Öffnung gelangt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beigefügten Figuren ist/sind:
1 ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Festkörperlaservorrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung zu zeigen;
2 ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Mess- und Justiervorrichtung gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung zu zeigen;
3 eine Zeichnung, um das Verhältnis zwischen der Justierposition eines Fasereinfallsabschnitts mit der Mess- und Justiervorrichtung, die in 2 gezeigt ist, und dem Anzeigewert eines Leistungsmessers zu zeigen;
4 ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer anderen Mess- und Justiervorrichtung gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung zu zeigen;
5 eine Zeichnung, um das Verhältnis zwischen der Justierposition eines Fasereinfallsabschnitts mit der Mess- und Justiervorrichtung, die in 4 gezeigt ist, und dem Anzeigewert eines Leistungsmessers zu zeigen;
6 ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Mess- und Justiervorrichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zu zeigen;
7 ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Mess- und Justiervorrichtung gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung zu zeigen;
8 eine Zeichnung, um die Struktur einer Öffnung gemäss der Ausführungsform der Erfindung zu zeigen;
9 eine schematische Darstellung, um einen Teil eines Laserstrahlwegs zu zeigen;
10 ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Festkörperlaservorrichtung des Stands der Technik zu zeigen;
11 ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Festkörperlaservorrichtung eines anderen Stands der Technik zu zeigen;
12 eine schematische Darstellung, die ein Überprüfungsverfahren für in Bezug auf die Verteilung der Intensität nach der Faseremission bei Festkörperlaservorrichtungen des Stands der Technik zeigt; und
13A und 13B Zeichnungen, um Strahlmuster nach der Faseremission zu zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
Ein Laseroszillator gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug auf 1 und 2 diskutiert. 1 ist ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Festkörperlaservorrichtung gemäss der ersten Ausführungsform der Erfindung zu zeigen, und 2 ist ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Justiervorrichtung zu zeigen.
Die Laservorrichtung, die in 1 gezeigt ist, unterscheidet sich von der Laservorrichtung des Stands der Technik, die vorher beschrieben worden ist, unter Bezug auf
11, in der Struktur des Emissionsendes 230 der optischen Faser 23. Diese Struktur wird diskutiert. Andere Teile der Laservorrichtung in 1 sind ähnlich zu denjenigen der Laservorrichtung in 11. In 1 sind Teile, die durch Referenzziffern 1 bis 10, 14, 20 bis 23, 23i, 23o, 30, und 31 bezeichnet sind, identisch mit oder ähnlich zu denjenigen, die durch die gleichen Referenzziffern in 11 bezeichnet sind, und werden daher nicht erneut diskutiert.
In 1 bezeichnet Referenzziffer 44 eine Mess- und Justiervorrichtung als eine Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des Laserstrahls. Um eine Positionsjustierung für einen Fasereinfallsabschnitt als Fasereinfallsjustiereinrichtung zu machen, namentlich als eine bewegliche Kondensorlinse 20 und ein Faserhalter 21, wird die Mess- und Justiervorrichtung 44 mit dem Faseremissionsende 23o verbunden. Bei der Mess- und Justiervorrichtung 44, die in 1 und 2 gezeigt ist, bezeichnet Referenzziffer 51 eine Öffnung, Referenzziffer 52 einen Leistungsmesser und Referenzziffer 53 bezeichnet einen Anzeigeabschnitt.
2 zeigt eine Öffnung 51a zum Bestimmen, ob oder ob nicht Höhenfortpflanzung auftritt, um den Fasereinfallsabschnitt 22 zu justieren, wenn eine optische Faser des SI-Typs verwendet wird. Die Öffnung 51a in 2 ist in einer Messposition für den Laserstrahl platziert und hat eine Öffnung, die in eine Position gesetzt ist, durch die ein äußerer ringartiger Laserstrahl eines Doppelkreismusters, der auftritt, wenn Hüllenfortpflanzung auftritt, in der Öffnungsposition durchgelangt, und die Ausgabeleistung eines Laserstrahls, der durch die Öffnung der Öffnung 51a gelangt, wird mit dem Leistungsmesser 52 gemessen und auf dem Anzeigeabschnitt 53 dargestellt.
Die Bedienung ist wie folgt: Wie in 2 gezeigt ist, pflanzt sich ein Laserstrahl, der von dem Ausgabeende 23 oder optischen Faser 23 emittiert wird, fort, und breitst sich dabei aus. Wenn Hüllenfortpflanzung auftritt, aufgrund eines Fehlers der Faserjustierung, ist die Ausgabeleistung eines äußeren ringartigen Laserstrahls eines Doppelkreismusters erhöht, der Anteil des Laserstrahls, der durch die Öffnung 51a gelangt, erhöht sich, und ein Erfassungswert des Leistungsmessers 52 wird groß. Wenn die Justierung besser wird, wird der Anteil des Laserstrahls, der durch die Öffnung 51a gelangt, relativ geringer und der Erfassungswert des Leistungsmessers 52 wird kleiner.
3 zeigt das Verhältnis zwischen der Justierposition des Fasereinfallsabschnitts 22 und dem Wert der Ausgabeleistung, der durch den Leistungsmesser 52 erfasst wird. Wie es hier gezeigt ist, wird der Fasereinfallsabschnitt 22 zu der Position justiert, in der der Erfassungswert des Leistungsmessers 52 den Minimalwert erreicht, wodurch der Fasereinfallsabschnitt 22 in einen guten Zustand justiert werden kann. Der Leistungsmesser 52 ist in der Lage, eine Laserstrahlausgabeleistung in ein elektrisches Signal zu konvertieren und daher wird in der Laservorrichtung gemäß der Ausführungsform der Justierzustand des Fasereinfallsabschnitts 22 als ein elektrisches Signal überwacht.
4 zeigt eine Mess- und Justiervorrichtung, die eine Öffnung umfasst, die von der, die in 2 gezeigt ist, verschieden ist. Anders als in der Mess- und Justiervorrichtung, die in 2 gezeigt ist, hat eine Öffnung 51b eine Öffnung in der Mitte eines Laserstrahls platziert, wobei der innere Durchmesser der Öffnung kleiner gesetzt ist als der Durchmesser des Laserstrahls in der Öffnungsposition, und eine Ausgabeleistung des Laserstrahls, die durch die Öffnung gelangt, wird mit einem Leistungsmesser 52 gemessen. Wenn die Justierung zum Fasereinfallsabschnitt 22 fehlerhaft wird und eine Hüllenfortpflanzung auftritt, wird der Anteil des Laserstrahls, der durch die Öffnung der Öffnung 51b gelangt, klein und der Erfassungswert des Leistungsmessers 52 wird klein. Wenn die Justierung zu dem Fasereinfallsabschnitt 22 gut ist, wird der Anteil des Laserstrahls, der durch die Öffnung der Öffnung 51b gelangt, verhältnismäßig groß und der Erfassungswert des Leistungsmessers 52 wird groß.
5 zeigt das Verhältnis zwischen der Justierposition des Fasereinfallsabschnitts und dem Wert der Ausgabeleistung, der durch den Leistungsmesser erfasst wird. Wie es hier gezeigt ist, wird der Fasereinfallsabschnitt so justiert, dass der Erfassungswert des Leistungsmessers 52 das Maximum erreicht, wodurch der Fasereinfallsabschnitt in einen guten Zustand justiert werden kann. Der Leistungsmesser ist in der Lage, eine Laserstrahlausgabeleistung in ein elektrisches Signal zu konvertieren; in der Ausführungsform wird der Justierzustand des Fasereinfallsabschnitts 22 als ein elektrisches Signal überwacht.
Bei dem Justierverfahren mit der Mess- und Justiervorrichtung, die in 4 gezeigt ist, ändert sich jedoch der Ausgabewert des Leistungsmessers 52 wenig, bis Hüllenfortpflanzung auftritt; es ist schwierig, den optimalen Wert zu erfassen. Daher ist das Justierverfahren für eine Grobjustierung zum Justieren des Fasereinfallsabschnitts 22 in eine Position, die nicht bewirkt, dass Hüllenfortpflanzung auftritt, geeignet, als der Schritt, der dem Durchführen des Justierverfahrens mit der Mess- und Justiervorrichtung, die in 2 gezeigt ist, vorangeht.
Verglichen mit der Justierung mittels dem in 4 gezeigten Mess- und Justierverfahren, ermöglicht die in 2 gezeigte Mess- und Justiervorrichtung eine vereinfachte Justierung auf den Optimalwert zu erleichtern. Wenn jedoch ein großer Versatz von der Justierposition auftritt, wie es in 3 gezeigt ist, wird der Ausgabewert des Leistungsmessers 52 gering, somit besteht die Möglichkeit, dass eine Justierung unmöglich wird. Daher werden Justierungen mit den Mess- und Justiervorrichtungen, die in 2 und 4 gezeigt sind, geeignet durchgeführt, wodurch eine präzisere Justierung in einer kurzen Zeit gemacht werden kann.
Die Öffnung 51a, die in 2 gezeigt ist, hat ihre Öffnung in eine Position gesetzt, durch die ein äußerer ringartiger Laserstrahl eines Doppelkreismusters, das auftritt, wenn Hüllenfortpflanzung auftritt, durchgelangt in der Öffnungsposition; der äußere Ring des Doppelkreismusters tritt in einer Position auf, die basierend auf dem NA-Wert einer Faser bestimmt wird. Zum Beispiel, um eine Faser mit NA = 0,2 zu verwenden, tritt der äußere Ring in der Position des Divergenzwinkels (halber Winkel) tanθ=0,2 auf. Daher ist es am besten, die Öffnung 51a in einer Position entsprechend der Position des NA-Wertes zu platzieren, und die Öffnung 51a ist so konfiguriert.
(Zweite Ausführungsform)
6 ist ein schematisches Diagramm, um die Konfiguration einer Justiervorrichtung 44 gemäss einer zweite Ausführungsform der Erfindung zu zeigen. In der Justiervorrichtung 44, die in 6 gezeigt ist, sind Öffnungen an lösbaren Platten befestigt, so dass die Öffnungen 51a und 51b, die in der ersten Ausführungsform beschrieben sind, zusammen mit den Platten 55a und 55b ausgetauscht werden, wodurch die Öffnungen 51a und 51b leicht ausgetauscht werden können. Gemäss dieser Struktur können zwei Schritte der Justierungen auf einen Fasereinfallsabschnitt 22 leicht durchgeführt werden, namentlich eine grobe Justierung, die die Öffnung 51a verwendet, und eine Justierung auf den Optimalwert, die die Öffnung 51b verwendet.
(Dritte Ausführungsform)
In der zweiten Ausführungsform können die Öffnungen 51 ausgetauscht werden. Wie es in 7 gezeigt ist, kann eine Lochblende 51c eine Öffnung 61 haben, die auf eine Laserstrahlmittelposition a entsprechend der Öffnung 51a und auf eine Position b entsprechend der Öffnung 51b geschaltet werden kann, durch die ein äußerer ringartiger Laserstrahl eines Doppelkreismusters, der auftritt, wenn Hüllenfortpflanzung auftritt, durchgelangt. Um die Öffnungsposition zu ändern, kann zum Beispiel eine Schraube 60 verwendet werden, um die Öffnung 61 der Lochblende 51c in die Positionen a und b zu bewegen.
Ein Beispiel der Form der Lochblende 51a wird unter Bezug auf 8 diskutiert. Die Lochblende 51a hat eine im wesentlichen ringförmige Öffnung 61a, die mit dem äußeren Umfang über zwei Brücken 62 verbunden ist. Diese im Groben ringförmige Öffnung 61a macht es möglich, einen ringförmigen Laserstrahl zu erfassen, der auftritt, wenn Hüllenfortpflanzung auftritt, über nahezu den gesamten Umfang, und eine empfindliche Justierung kann durchgeführt werden. In 8 sind zwei Brücken 62 vorgesehen, aber eine beliebige Anzahl von Brücken kann vorgesehen sein, wenn eine im Wesentlichen ringförmige Öffnung vorgesehen ist um einen ähnlichen Vorteil zu erzielen.
Die Strahlklappe 11, die zwischen die parallel richtende Linse 10 und den Fasereinfallsabschnitt 22 platziert wird, ist mit dem reflektierenden Spiegel 31 zum Reflektieren des Hauptteils des Laserstrahls 8 versehen und erlaubt einem Teil davon durchzugelangen. Wenn der Laserstrahl durch die reflektierende Linse 31 gelangt, tritt ein paralleler Versatz in dem Weg des Laserstrahls auf, wie es in 9 gezeigt ist. Die Größe des parallelen Versatzes wächst, wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls 8 auf dem reflektierenden Spiegel 31 steigt. Wenn die Größe des parallelen Versatzes wächst, wächst auch ein Versatz von dem tatsächlichen Strahl, der direkt die Kollektivlinse 20 nicht über den reflektierenden Spiegel 31 erreicht, und ein Versatz von der Justierposition basierend auf dem Laserstrahl, der durch den reflektierenden Spiegel 31 gelangt, wächst ebenfalls. Bei der praktischen Anwendung kann, wenn der Einfallswinkel des Laserstrahls 8 auf den reflektierenden Spiegel 31 15° oder weniger beträgt, eine Justierung im wesentlichen ohne Problem durchgeführt werden, und es kann anerkannt werden, dass der parallele Versatz dann in einem Bereich liegt, in dem bei der praktischen Anwendung keine Schwierigkeiten auftreten.
Aus dem oben beschriebenen Gesichtspunkt kann der Einfallswinkel klein sein, aber wenn er zu klein gemacht wird, wird der notwendige Raum für die gesamte Laservorrichtung einschließlich des Dämpfers groß, was die praktische Verwendung beeinträchtigt. Daher ist es praktisch, die Laservorrichtung so zu konfigurieren, dass der Einfallswinkel des Laserstrahls auf den reflektierenden Spiegel in dem Bereich von 8° bis 15° gesetzt wird.
Wie es durchwegs in der Beschreibung beschrieben ist, kann gemäss der Erfindung eine Laservorrichtung vorgesehen werden, die gut bezüglich der Wartung ist, um es zu ermöglichen, dass eine präzise und objektive Justierung auf einen Fasereinfallsabschnitt eines Laseroszillator leicht unabhängig von der Erfahrung jedes Justierarbeiters gemacht werden kann, wenn eine optische Faser des SI-Typs verwendet wird als eine optische Faser.

Claims

Laservorrichtung, umfassend: einen Laserresonator (2) zum Emittieren eines Laserstrahls, eine optische Faser (23), in die der Laserstrahl, der von dem Laserresonator durch einen den Strahl übertragenden optischen Weg übertragen wird, eingekoppelt wird, um den Laserstrahl zu einem Werkstück zu übertragen, eine Einrichtung (44) zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls, zum Messen eines ringförmigen Musters, das an dem Umfang des Strahlprofils des Laserstrahls auftritt, und eine Einrichtung (22) zum Justieren des Einfalls des Laserstrahls auf die optische Faser, basierend auf der Ausgabe von der Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls, zu justieren.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls umfasst: ein Öffnungselement (51a), das eine Öffnung hat, um zu ermöglichen, dass das ringförmige Muster, das in der Umgebung des Strahlmusters des Laserstrahls auftritt, durchgelangt, und einen Leistungsmesser (52) zum Messen der Ausgabeleistung des Laserstrahls, der durch die Öffnung gelangt.
Laservorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Öffnung des Öffnungselements (51a) in einer Position platziert ist, die einem NA-Wert der optischen Faser, die verwendet wird, entspricht.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls umfasst: ein erstes Öffnungselement (51a), das eine erste Öffnung hat, um zu ermöglichen, dass das ringförmige Muster, das am Umfang des Strahlmusters des Laserstrahls auftritt, durchgelangt, ein zweites Öffnungselement (51b), das eine zweite Öffnung hat, um zu ermöglichen, dass ein kreisförmiges Muster, das in der Mitte des Strahlmusters auftritt, durchgelangt, und einen Leistungsmesser (52) zum Messen der Ausgabeleistung des Laserstrahls, der durch die erste oder zweite Öffnung gelangt.
Laservorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls das erste und zweite Öffnungselement (51a, 51b) aufweist, die zusammen mit Halteelementen ausgetauscht werden können.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Messen der Ausgabeleistung des von der optischen Faser emittierten Laserstrahls umfasst: ein erstes Öffnungselement (51c), das eine erste Öffnung (51a), um zu ermöglichen, dass das ringförmige Muster, das am Umfang des Strahlmusters des Laserstrahls auftritt, durchgelangt; und eine zweite Öffnung (51b), um zu ermöglichen, dass ein kreisförmiges Muster, das in der Mitte des Strahlmusters auftritt, durchgelangt, hat, wobei die erste und zweite Öffnung (51a, 51b) exklusiv zur Verwendung geschaltet werden, und einen Leistungsmesser (52) zum Messen der Ausgabeleistung des Laserstrahls, der durch die erste oder zweite Öffnung gelangt.
Justiervorrichtung zum Feststellen der Hüllenfortpflanzung eines Laserstrahls in einer optischen Faser, die infolge eines Justierversatzes des Laserstrahls am Einfallende der optischen Faser auftritt, umfassend einen Verbindungsabschnitt (41) zum Verbinden mit einem Ausgabeende der optischen Faser, ein Öffnungselement (51a), welches eine ringförmige Öffnung aufweist, die an einer Position entsprechend einem ringförmigen Muster, das auf Grund der Hüllenfortpflanzung auftritt, angeordnet ist, und einem Leistungsmesser (52) zum Messen einer Ausgabeleistung des Laserstrahls, der durch die Öffnung des Öffnungselements fällt.