DE102011075213B4 - Laserbearbeitungssystem mit einem in seiner Brillanz einstellbaren Bearbeitungslaserstrahl - Google Patents

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Abstract

Das erfindungsgemäße Laserbearbeitungssystem (60) umfasst einen Hochleistungslaser (61) zur Erzeugung eines Hochleistungspumplaserstrahls (HP-MM), einen Steuersignallaser (62) zur Erzeugung eines Steuersignallaserstrahls (SS) und mindestens eine von den beiden Lasern (61, 62) zu einem Laserbearbeitungskopf (63) führende Lichtleitfaser (64), die eine SRS-Verstärkerfaser (65) mit einem inneren Faserkern (65a) höherer Brillanz und mit einem den inneren Faserkern (65a) umgebenden äußeren Faserkern (65b) geringerer Brillanz aufweist, wobei der Steuersignallaserstrahl (SS) in den inneren Faserkern (65a) und der Pumplaserstrahl (HP-MM) in den äußeren Faserkern (65b) eingekoppelt werden und wobei zum Einstellen der Brillanz des aus der SRS-Verstärkerfaser (65) austretenden Bearbeitungslaserstrahls (68) der vom äußeren Faserkern (65b) aufgrund der SRS-Verstärkung in den inneren Faserkern (65a) konvertierte Strahlungsanteil über die eingekoppelte Leistung des Steuersignallaserstrahls (SS) eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungssystem, bei dem die Brillanz eines Bearbeitungslaserstrahls eingestellt werden kann.
  • Bislang werden unterschiedliche Bearbeitungsprozesse häufig mit separaten Laserbearbeitungssystemen abgedeckt, wobei für Anwendungen wie z. B. das Schweißen vorzugsweise Strahlung mittlerer Brillanz (typisches Strahlparameterprodukt (SSP) ≥ 8 mm·mrad), und für Anwendungen wie z. B. das Schneiden vorzugsweise Strahlung hoher Brillanz (typisches SSP ≤ 4 mm·mrad) oder, wie etwa beim Remote Cutting, sogar höchste Brillanz (SSP 0,4 mm·mrad) verwendet wird. Hochleistungslasersysteme, die nur einen Laser benötigen und eine schnelle (< 100 ms) Umschaltung zwischen zwei oder sogar drei verschiedenen Strahlungsarten erlauben, sind bislang aufgrund von noch nicht vorhandenen optischen Komponenten im Hochleistungsbereich (> 2 kW), wie z. B. Strahlweichen, nicht möglich. Neben den Strahlungsarten für die Materialbearbeitung können auch die Strahlqualitäten der Laserquellen in drei Bereiche unterteilt werden, die i. A. verschiedenen physikalischen Grenzen unterliegen;
    • • Singlemode Bereich (Beugungsmaßzahl M2 ≤ 1,5 bzw. SPP ca. 0,4 mm·mrad)
    • • Fewmode Bereich (1,5 < M2 < 6 bzw. 0,4 < SPP < 2 mm·mrad)
    • • Multimode Bereich (M2 ≥ 6 bzw. SPP ≥ 2 mm·mrad).
  • Das in gezeigte 1 naheliegendste Zwei-Brillanz-Laserbearbeitungssystem 10 weist zwei verschiedene Laserquellen auf, nämlich eine erste Laserquelle 11 mit Hochleistung-Multimode-Strahlung (HP-MM) und eine zweite Laserquelle 12 mit Hochleistung-Singlemode-Strahlung (HP-SM). Diese beiden Strahlungen mit ihren unterschiedlichen Brillanzen werden einem Laserbearbeitungskopf 13 über Transportfasern 14 zugeführt und wahlweise als Bearbeitungslaserstrahl 15 genutzt. Das Laserbearbeitungssystem 10 hat neben dem Nachteil der hohen Betriebs- und Anschaffungskosten auch den Nachteil der beschränkten Längen von Transportfasern im Hochleistungsbereich für die Singlemode-Strahlung (< 10 m) und auch für die Fewmode-Strahlung (< 100 m). Diese entstehen aufgrund von nichtlinearen Effekten in der Transportfaser, die bei hohen Leistungen verstärkt auftreten. Multimode-Strahlung im Hochleitungsbereich kann stattdessen über die in der Industrie erforderlichen Transportstrecken von 100 m annähernd verlustfrei transportiert werden.
  • In 2 ist ein alternatives Zwei-Brillanz-Laserbearbeitungssystem 20 gezeigt, das nur eine Laserquelle 21 mit Hochleistung-Multimode-Strahlung (HP-MM) aufweist. Zwei separate herkömmliche Transportfasern 22 sind an zwei Laserabgänge der Laserquelle 21 angeschlossen, so dass die Leistung wahlweise über eine der beiden Transportfasern 22 an den Laserbearbeitungskopf 23 herangeführt wird. Im Laserbearbeitungskopf 23 selbst wird eine der beiden Transportfasern 22 einfach durchgeführt und stellt damit einen Faserausgang mit der Brillanz der Laserquelle 21 dar. Die andere Transportfaser 22 ist stattdessen an einen Ytterbium-Faser-Oszillator 24 angebracht, der die Strahlqualität der Laserquelle entscheidend verbessert und damit einen Faserausgang mit hoch bzw. höchst brillanter Strahlung zur Verfügung stellt. Eine mechanische Umschaltung zwischen den beiden Transportfasern 22 ist allerdings nicht stufenlos und auch nur relativ langsam (typischerweise 100 ms) möglich. Der aus dem Laserbearbeitungskopf 23 austretende Bearbeitungslaserstrahl ist mit 25 bezeichnet.
  • Ähnlich funktioniert das in 3 gezeigte Zwei-Brillanz-Laserbearbeitungssystem 30, das eine Laserquelle 31 mit Hochleistung-Multimode-Strahlung (HP-MM) und eine faserintegrierte optische Strahlweiche 32 aufweist. Der vor dem Laserbearbeitungskopf 33 befindlichen Strahlweiche 32 wird mit einer herkömmlichen Transportfaser 34 die Hochleistung-Multimode-Strahlung (HP-MM) der Laserquelle 31 zugeführt. Die Strahlweiche 32 kann diese Strahlung wahlweise zwischen beiden baugleichen Fasern 35 ohne Strahlqualitätsänderung schalten (< 10 ms). Die eine Faser 35 wird im Laserbearbeitungskopf 33 einfach durchgeführt und stellt damit einen Faserausgang mit der Brillanz der Laserquelle 21 dar. Die andere Faser 35 ist an einen Ytterbium-Faser-Oszillator 36 angebracht, der die Strahlqualität der Laserquelle entscheidend verbessert und damit einen Faserausgang mit hoch bzw. höchst brillanter Strahlung zur Verfügung stellt. Der aus dem Laserbearbeitungskopf 33 austretende Bearbeitungslaserstrahl ist mit 37 bezeichnet.
  • Käuflich erwerbbar sind optische Strahlweichen für Multimode-Strahlung. Diese Strahlweichen sind Freistahllösungen, die jedoch nicht für Singlemode-Strahlung einsetzbar sind. Die Schaltzeiten liegen bei diesen Strahlweichen zwischen 50–100 ms, und die Leistungstauglichkeit ist stark von der Qualität der Brillanzerhaltung zwischen Eingangs- und Ausgangsfaser abhängig. Ausgehend von Strahlung hoher Brillanz kann durch eine Faser-Faser-Kopplung an eine Faser mit einer größeren Strahlparameter-Akzeptanz gekoppelt werden, so dass Strahlung mittlerer Brillanz durch Modenanregung erzeugt wird.
  • 4 zeigt ein Zwei-Brillanz-Laserbearbeitungssystem 40, das eine Laserquelle 41 mit Hochleistung-Singlemode-Strahlung (HP-SM) und eine faserintegrierte optische Strahlweiche 42 aufweist. Die Singlemode-Strahlung wird von der Singlemode-Transportfaser 43 in dem Laserbearbeitungskopf 44 auf Fasern 45 mit unterschiedlich großer Strahlparameter-Akzeptanz realisiert. Mit diesem Prinzip lässt sich jede der drei oben genannten Strahlungsarten aus der Laserquelle 41 erzeugen. Nachteile sind jedoch sowohl die sehr kurzen Singlemode-Transportfaser (< 10 m) und die extrem hohen Leistungsdichten in der Strahlweiche 42. Der aus dem Laserbearbeitungskopf 44 austretende Bearbeitungslaserstrahl ist mit 46 bezeichnet.
  • In 5 ist ein weiteres kommerzielles Zwei-Brillanz-Laserbearbeitungssystem 50 gezeigt, das eine Laserquelle 51 mit Hochleistung-Multimode-Strahlung (HP-MM) und eine Multi-Clad-Transportfaser 52 aufweist. Die Strahlung der Laserquelle 51 wird wahlweise in den inneren Faserkern 52a oder einen äußeren Faserkern 52b, der den inneren Faserkern 52a ringförmig umgibt, eingekoppelt, um im Laserbearbeitungskopf 53 Strahlung mit unterschiedlichen Brillanzen zu erhalten. Der aus dem Laserbearbeitungskopf 53 austretende Bearbeitungslaserstrahl ist mit 54 bezeichnet. Für Schneidanwendungen wird die Laserstrahlung in den typischerweise 100 μm großen inneren Faserkern 52a der Multi-Clad-Transportfaser 52 eingekoppelt. Für Schweißanwendungen wird zusätzlich ein geeigneter Keil in den Freistrahl des Laserstrahls eingeführt. Der daraus resultierende Strahlversatz vor einer Fokussieroptik bewirkt eine Verschiebung des Fokus von dem inneren Faserkern 2a in den mit einem Außendurchmesser von 400 μm oder 600 μm weit größeren äußeren Faserkern 2b der Multi-Clad-Transportfaser 52. Damit sind durch eine einfache und auch schnelle Schaltung zwei unterschiedliche Brillanzen aus nur einer Transportfaser wählbar. Aufgrund der Freistrahlkopplung ist dieses Prinzip im Hochleistungsbereich allerdings nur im Multimode Bereich anwendbar.
  • Aus der US 2007/0147442 A1 ist weiterhin ein Hochleistungs-Faserlaserverstärker mit einer Laserwellenlänge von 1060 bis 1100 nm und einer mittleren Laserleistung von über 500 W und annähernd beugungsbegrenzter Strahlqualität (M2 < 1,5) bekannt. Dieser Hochleistungs-Faserlaserverstärker umfasst eine Double-Clad-Laserfaser, die einen separaten laseraktiven Faserkern mit einem Außendurchmesser von mindestens 20 μm und einen den Faserkern umgebenden Pumpkern mit einem Außendurchmesser von mindestens 50 μm aufweist, und einen Ytterbium-dotierten Festkörperlaser, der Pumplicht mit einer Wellenlänge von etwa 1030 nm, einer Strahlqualität von M2 < ca. 30 und einer Laserleistung von mindestens ca. 600 Watt emittiert, zum Pumpen der Double-Clad-Laserfaser.
  • Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, das schnelle und einfache Umschalten zwischen verschiedenen Strahlungsarten eines Hochleistungslasers zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laserbearbeitungssystem mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird das schnelle und einfache Umschalten zwischen verschiedenen Strahlungsarten eines Hochleistungslasers, wie es beispielsweise in der Lasermaterialbearbeitung benötigt wird, mit Hilfe eines schwachen optischen Steuersignallaserstrahls ermöglicht. Dies eröffnet eine sehr flexible Anpassung an schnell wechselnde Bearbeitungsprozesse, wie z. B. Laserschneiden mit der erforderlichen hohen Brillanz und Laserschweißen mit der erforderlichen mittleren Brillanz. Die hohe oder auch höchste Brillanz wird dabei in Abhängigkeit von der Leistung des Steuersignallaserstrahls und des Pumplaserstrahls mittels nichtlinearer Verstärkung aufgrund stimulierter Raman Streuung (SRS) in einer SRS-Verstärkerfaser erzeugt, d. h. die Erhöhung der Leistung des Steuersignallaserstrahls ergibt eine Erhöhung des Leistungsanteils der hohen oder auch höchsten Brillanz.
  • Das erfindungsgemäße Laserbearbeitungssystem mit optisch gesteuerter Strahlqualität ermöglicht die flexible, schnell wechselnde Durchführung mehrerer Bearbeitungsprozesse mit unterschiedlichen Anforderungen an die Strahlqualität mit einer einzigen Hochleistungsstrahlquelle und profitiert zudem von den Vorteilen der SRS-Verstärkung. Durch den Einsatz von ausschließlich passiven Fasern werden viele technologische Problemstellungen heutiger Zeit umgangen. Hier zu nennen ist das Auftreten des Photodarkenings in aktiv dotierten Fasern, das die Lebensdauer von Faserlasern einschränken kann, und die Abhängigkeit der Pumpwellenlänge von den gewählten aktiven Materialien. Das erfindungsgemäße Laserbearbeitungssystem kann mit nur wenigen bis sogar keinen Fügestellen realisiert werden, so dass sehr hohe Leistungen (10 kW Bereich) möglich sind. Der Schaltvorgang ist dabei nicht auf die Schaltgeschwindigkeit der mechanischen Strahlweichen beschränkt, sondern erfolgt optisch quasi-instantan mit dem Steuersignallaserstrahl.
  • Für die Materialbearbeitung eröffnet sich damit eine breite Palette an neuen Freiheitsgraden. Das ist zum einen der Einsatz der Singlemode- bzw. Fewmode- und Multimode-Strahlung aus ein und derselben Laserquelle und zudem der bislang nicht vorhandene Einsatz des stufenlosen Überlapps der beiden Strahlungsarten. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das Leistungsverhältnis zwischen den Strahlungsarten sehr schnell zu modulieren. Diese Option kann für eine effiziente Materialbearbeitung noch nicht genauer absehbare Vorteile einbringen. Diese bautechnischen und materialabhängigen Aspekte können zum einen die Produktionskosten für Strahlquellen senken und zugleich die Flexibilität der Laserquelle entscheidend erweitern.
  • Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Einstellen der Brillanz eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungssystems mit den Merkmalen von Anspruch 12.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1 bis 5 verschiedene bekannte Zwei-Brillanz-Laserbearbeitungssysteme;
  • 6 ein erstes erfindungsgemäßes Laserbearbeitungssystem mit einer Transportfaser und einer SRS-Verstärkerfaser;
  • 7a, 7b schematisch den Faserquerschnitt (7a) einer SRS-Verstärkerfaser und den Faserquerschnitt (7b) einer wellenlängenselektiven SRS-Verstärkerfaser;
  • 8 verschiedene mit dem erfindungsgemäßen Laserbearbeitungssystem erzeugte Bearbeitungslaserstrahlen;
  • 9a–9c schematisch den Faserquerschnitt (9a) einer Brillanz-Isolations-Faser mit zugehörigem Brechungsindexverlauf, den Brechungsindexverlauf (9b) in einem Überführungsfaserabschnitt und den Faserquerschnitt (9c) der SRS-Verstärkerfaser mit zugehörigem Brechungsindexverlauf;
  • 10 ein zweites erfindungsgemäßes Laserbearbeitungssystem; und
  • 11 ein drittes erfindungsgemäßes Laserbearbeitungssystem.
  • Das in 6 gezeigte Laserbearbeitungssystem 60 umfasst einen Hochleistungslaser 61 zur Erzeugung eines Multimode-Hochleistungspumplaserstrahls HP-MM, einen Steuersignallaser 62 zur Erzeugung eines Singlemode- oder Fewmode-Steuersignallaserstrahls SS und eine von den beiden Lasern 61, 62 zu einem Laserbearbeitungskopf 63 führende Lichtleitfaser 64. Der Steuersignallaserstrahl SS kann dabei als ein separates Lasersystem oder als eine Erweiterung des Hochleistungslasers 61 betrachtet werden. Für den Schutz des Steuersignallaserstrahls kann z. B. eine Oszillator-Verstärker-Kombination eingesetzt werden, bei der ein Isolator den Signalgeber (Oszillator) von dem restlichen Hochleistungssystem optisch trennt.
  • Die Lichtleitfaser 64 umfasst eine SRS-Verstärkerfaser 65 aus z. B. Quarzglas, die im Laserbearbeitungskopf 63 angeordnet sein kann, sowie eine von den beiden Lasern 61, 62 zu der SRS-Verstärkerfaser 65 hinführende Multi-Clad-Transportfaser 66 aus z. B. Quarzglas. Die Transportfaser 66 weist einen inneren Faserkern 66a und einen den inneren Faserkern 66a ringförmig umgebenden äußeren Faserkern 66b auf. Wie in 7a gezeigt, weist die SRS-Verstärkerfaser 65 einen inneren Faserkern 65a und einen den inneren Faserkern 65a ringförmig umgebenden äußeren Faserkern 65b auf. Der innere Faserkern 65a der SRS-Verstärkerfaser 65 weist ausgangsseitig eine höhere Brillanz als der äußere Faserkern 65b der SRS-Verstärkerfaser 65 auf. Wie in 7b lediglich schematisch angedeutet, können im äußeren Faserkern 65b der SRS-Verstärkerfaser 65 zusätzlich wellenlängenselektive Strukturen 67 vorgesehen sein.
  • Der Steuersignallaserstrahl SS wird in den inneren Faserkern 66a der Transportfaser 66 eingekoppelt und verlustarm bis in den inneren Faserkern 65a der sich anschließenden SRS-Verstärkerfaser 65 geführt. Der Pumplaserstrahl HP-MM wird in den äußeren Faserkern 66b der Transportfaser 66 eingekoppelt und verlustarm bis in den äußeren Faserkern 65b der sich anschließenden SRS-Verstärkerfaser 65 eingekoppelt. In der SRS-Verstärkerfaser 65 findet eine Wechselwirkung der beiden Laserstrahlen HP-MM und SS über stimulierte Raman Streuung statt.
  • Der hier genützte Verstärkungsprozess ist die in optisch transparenten Medien auftretende stimulierte Raman Streuung (SRS). Die SRS verhält sich ähnlich wie ein Laserprozess, wobei jedoch die Anregung des aktiven Mediums nicht über die Absorption von Pumplicht (wie in optischen Medien mit laseraktiver Dotierung), sondern über die Streuung des Pumplichts an Molekülen erfolgt; diese Anregung wird innerhalb sehr kurzen Zeiten (<< 1 ps) wieder strahlend abgebaut. Über die eingekoppelte Leistung des Steuersignallaserstrahls SS kann der vom äußeren Faserkern 65b aufgrund der SRS-Verstärkung in den inneren Faserkern 65a konvertierte Strahlungsanteil und damit die Brillanz des aus der SRS-Verstärkerfaser 65 austretenden Bearbeitungslaserstrahls 68 eingestellt werden.
  • 8 zeigt die Leistungsstrahlprofile (Nahfelder) von drei mit dem Laserbearbeitungssystem 60 erzeugten Bearbeitungslaserstrahlen 68 mit unterschiedlichen Stahlqualitäten, wobei die Leistung P des Bearbeitungslaserstrahls über seinem Strahldurchmesser aufgetragen ist. Bei voller Leistung des Steuerlasersignals SS wird der Multimode-Pumplaserstrahl HP-MM vollständig in die Singlemode bzw. Fewmode-Strahlung des inneren Faserkerns 65a konvertiert, was am Faserausgang zu einem hoch bzw. höchst brillanten Gaußstrahlprofil führt (8, linkes Leistungsstrahlprofil). Bei ausgeschaltetem Steuersignallaserstrahl SS kann stattdessen der Multimode-Pumplaserstrahl HP-MM ungehindert die SRS-Verstärkerfaser 65 passieren und erzeugt am Faserausgang ein Multimode-Flattop-Profil (8, mittleres Leistungsstrahlprofil). Zusätzlich kann durch eine definierte mittlere Leistung des Steuersignallaserstrahls SS durch koaxiale Überlagerung der beiden Strahlungsarten eine Kombination der hoch bzw. höchst brillanten Gaußstrahlung und des Multimode-Flattops generiert werden (8, rechtes Leistungsstrahlprofil). Dies bietet die Möglichkeit, durch schnelle Leistungsmodulation des Steuersignallaserstrahls SS – bis in den MHz-Bereich hinein – das Verhältnis der beiden Strahlungsarten quasi-instantan zu ändern und somit eine sehr schnelle Modulation der Leistungsstrahlprofile bzw. des Nahfelds zu erreichen.
  • Neben der Leistungsskalierung bestimmen auch folgende Parameter eine effiziente SRS-Verstärkung:
    • • Die Brillanz des Hochleistungslasers (Pump-Laser-Quelle) 61 sollte ausreichend hoch sein. Eine hohe Brillanz des Pumplaserstrahls HP-MM hat einen größeren Modenüberlapp mit dem Steuersignallaserstrahl SS zur Folge. Da der SRS-Verstärkungskoeffizient in Quarzglas lediglich ca. 1·10–13 m/W bei 1080 nm beträgt, ist aufgrund dieser schwachen SRS-Verstärkung eine hohe Brillanz der Pumpstrahlung von mindestens ca. 4 mm·mrad für einen effizienten Betrieb mit vertretbaren Faserlängen von maximal etwa 100 m notwendig.
    • • Die Zentralwellenlänge des Steuersignallaserstrahls SS sollte vorzugsweise auf der ersten Stokes-verschobenen Linie bezüglich der Zentralwellenlänge des Pumplaserstrahls HP-MM liegen. Die Stokesverschiebung ist vom Fasermaterial abhängig und beträgt z. B. bei Quarz 13,2 THz. Die Zentralwellenlänge des Pumplaserstrahls selbst ist frei wählbar, da der SRS-Verstärkungskoeffizient nur schwach wellenlängenabhängig ist.
    • • Die spektrale Breite des Pumplaserstrahls HP-MM und des Steuersignallaserstrahls SS sollte vorzugsweise jeweils kleiner als 10 nm sein.
    • • Die SRS-Verstärkerfaser 65 sollte bevorzugt wellenlängenselektive Eigenschaften besitzen. Damit der kaskadierte SRS-Effekt im äußeren Faserkern 65b nach der ersten Stokes-Linie unterbrochen wird, sollte die SRS-Verstärkerfaser 65 entsprechend auf der zweiten Stokes-Linie große Verluste aufweisen. Diese Eigenschaft kann mit einer Vielzahl von bereits existierenden Technologien (Long Period Gratings, Bragg-Fasern, Distributed Spectral Filtering(DSF)-PCF, etc.) gelöst werden, z. B. mit den in 7b gezeigten wellenlängenselektiven Strukturen 67.
    • • Die wellenlängenselektive Funktion der SRS-Verstärkerfaser kann so optimiert werden, dass gleich mehrere Stokes-Linien (statt nur der ersten Stokes-Linie) anregen werden können. Z. B. kann erst die 5te Stokes-Ordnung hohe Verluste bekommen, so dass die 1ste bis 4te Stokes-Linien anschwingen (kaskadierter Raman Effekt). Dieses hätte den Vorteil, dass das Laserlicht mit hoher bzw. höchster Brillanz weiter von der Pumpwellenlänge verschoben wird (in dem Beispiel: 4 mal ≈ 50 nm) und eventuell (bei geeigneter Pumpwellenlänge) in den augensicheren Bereich (bei 1500 nm) konvertiert werden kann. Bei maximaler Leistung des Steuerungssignals würde hierbei das Laserlicht mit hoher bzw. höchster Brillanz in die 4te Stokes-Linie konvertiert werden. Bei der Kaskade ist zu beachten, dass der Quantenverlust mit zunehmender Stokes-Ordnung auch zunimmt.
    • • Bei der Verwendung von nicht polarisationserhaltenden SRS-Verstärkerfasern sollten für eine optimale SRS-Verstärkung vorzugsweise beide Strahlungsarten einen gleichmäßig depolarisierten Zustand aufweisen. Dies kann sowohl mit speziellen Eigenschaften der beiden Laser 61, 62 als auch mit dem Einsatz von polarisationszerstörenden Transportfasern 66 realisiert werden. Damit ein bestimmter Polarisationszustand effizient verstärkt werden kann, sollten zum einen beide Strahlungsarten denselben Polarisationszustand aufweisen und zum anderen sollte sowohl die SRS-Verstärkerfaser 65 also auch die Transportfaser 66 jene Polarisation der beiden Strahlungsarten auch erhalten können.
  • Unter optimalen Randbedingungen beträgt der Stokes-Wirkungsgrad der SRS-Verstärkung bei 1 μm Pumpwellenlänge ca. 95%; eine Konversionseffizienz von ca. 86% ist mit realistischen Annahmen über die passiven Verluste der SRS-Verstärkerfaser 65 realisierbar.
  • Der Transport der beiden Strahlungsarten zur SRS-Verstärkerfaser 65 wird verlustarm in der Transportfaser 66 realisiert, in der die SRS-Verstärkung unterbunden wird. Dies ist z. B. mit einer so genannten Brillanz-Isolations-Faser 66' (9a) möglich, bei der der innere Faserkern 66a und der äußere Faserkern 66b durch einen Isolations- oder Zwischenmantel 66c aus Luftkapillaren bzw. niedrig dotiertem Glas voneinander getrennt sind, wodurch die Mode bzw. Moden des Steuersignallaserstrahls SS und die Moden des Hochleistungslaserstrahls HP-MM räumlich getrennt voneinander transportiert werden.
  • Nach dem Transport der beiden Strahlungsarten erfolgt ein Übergang von der Transportfaser 66 auf die SRS-Verstärkerfaser 65 z. B. mittels eines dazwischen angeordneten Überführungsfaserabschnitts („Taper”) 69 (6). Wie in 9b gezeigt, erfolgt in dem Überführungs-Taper 69 ein allmählicher Übergang von dem Brechungsindexverlauf nT der Transportfaser 66 auf den in 9c gezeigten Brechungsindexverlauf nV der SRS-Verstärkerfaser 65. Der Überführungs-Taper 69 reduziert die Dicke des Isolationsmantels 66c so weit, dass die verschiedenen transversalen Moden der beiden, im äußeren bzw. inneren Faserkern 65a, 65b geführten Strahlungsarten ungehindert miteinander Wechselwirken können. Dieser Überführungs-Taper 69 kann realisiert werden, indem man am einen Faserende der Brillanz-Isolations-Faser 66' die Luftlöcher des Isolationsmantels 66c kollabieren lässt. Dieses kollabierte Faserende der Brillanz-Isolations-Faser wird dann an die SRS-Verstärkerfaser 65 angefügt.
  • Die Transportfaser 66 und die SRS-Verstärkerfaser 65 können auch durch eine einzige Brillanz-Isolations-Faser 66' realisiert werden, die bereits die wellenlängenselektiven Eigenschaften der SRS-Verstärkerfaser besitzt. Die Luftlöcher des Isolationsmantels 66c der Brillanz-Isolations-Faser 66' werden dann – z. B. mit einem Faserziehturm – auf derjenigen Faserlänge, auf der die SRS-Verstärkung stattfinden soll, kollabiert. Da hierbei keine Fügestellen auftreten, wird die Leistungstauglichkeit wesentlich verbessert.
  • In der SRS-Verstärkerfaser 65 erfolgt die effiziente Verstärkung des Steuersignallaserstrahls in Anhängigkeit von dessen Leistung. Um Bauraum einzusparen, die Strahlqualität des verstärkten Steuersignallaserstrahls zu bewahren und zugleich die thermischen Verluste der SRS-Verstärkung abzuführen, ist es vorteilhaft, SRS-Verstärkerfaser 65 im aufgerollten Zustand zu kühlen.
  • Vom Laserbearbeitungssystem der 6 unterscheidet sich das in 10 gezeigte Laserbearbeitungssystem 60 dadurch, dass sich der Durchmesser des äußeren Faserkerns 66b der Transportfaser 66 in Strahlrichtung bis auf den Durchmesser des äußeren Faserkerns 65b der Verstärkerfaser 65 verjüngt. Unter Berücksichtigung des effektiven Moden-Überlapps der beiden Strahlungsarten kann diese Transportfaser 66 die Verstärkung des Steuersignals erst zum Ende hin begünstigen. Die effiziente SRS-Verstärkung findet folglich in der Verstärkerfaser 65 statt. Die Verjüngung der Transportfaser 66 betrifft dabei lediglich den äußeren Faserkern 66b, während der Durchmesser des inneren Faserkerns 66a über die Gesamtlänge der Transportfaser 66 konstant bleibt. Diese im äußeren Faserkern 66b verjüngte Transportfaser 66 übernimmt damit die Aufgabe der Brillanz-Isolations-Faser 66', des Überführungs-Tapers 69 und auch zum kleinen Anteil die Aufgabe der SRS-Verstärkung. Die Realisierung einer im äußeren Faserkern 66b verjüngten Transportfaser 66 ist mit der Herstellung von speziellen Vorformen und aktiv geregneten Faserziehen verbunden. Die speziellen konischen Vorformen können z. B. durch das Verjüngen („tapern”) einer Vorform erzeugt werden, der anschließend mit dem so genannten Stück-and-Draw-Verfahren ein innerer Faserkern hinzugefügt wird. Ebenfalls kann eine herkömmliche Stufenindex-Doppel-Clad-Vorform mit geeigneten Ätzverfahren konisch geformt werden und anschließend im Ziehprozess mit einem low-Index-Mantel versehen werden.
  • Bei dem in 11 gezeigten Laserbearbeitungssystem 60 übernimmt die spezielle Verstärkerfaser 66, 65 die Rolle der Brillanz-Isolations-Faser 66', des Überführungs-Tapers 69 und zugleich der effizienten SRS-Verstärkung. Aus einer geeigneten Vorform kann damit das gesamte Faser-System 66, 65 an einen Stück gezogen werden, in dem eine Durchmesserverjüngung des äußeren Faserkerns 65b, 66b stattfindet. Auf der Gesamtlänge der Faser eine wellenlängenselektive Eigenschaft benötigt. In dem ersten Faserabschnitt 66 wird zunächst der Transport der Strahlungsarten durch einen relativ geringen effektiven Modenüberlapp bevorzugt. Der Faserabschnitt 66 kann die Verstärkung des Steuersignals erst zum Ende hin immer effektiver gestalten. Durch die in Strahlrichtung weiter fortlaufende Durchmesserverjüngung des äußeren Faserkerns 66b, 65b wird folglich im Faserabschnitt 65 eine effiziente SRS-Verstärkung durch einen größer werdenden effektiven Modenüberlapp erzeugt. Der Faserabschnitt 65, in der die effiziente SRS-Verstärkung größtenteils stattfindet, wird vorteilhaft gekühlt aufgewickelt.

Claims (12)

  1. Laserbearbeitungssystem (60), bei dem die Brillanz eines Bearbeitungslaserstrahls (68) eingestellt werden kann, mit einem Hochleistungslaser (61) zur Erzeugung eines Hochleistungspumplaserstrahls (HP-MM), mit einem Steuersignallaser (62) zur Erzeugung eines Steuersignallaserstrahls (SS), und mit mindestens einer von den beiden Lasern (61, 62) zu einem Laserbearbeitungskopf (63) führenden Lichtleitfaser (64), die eine SRS-Verstärkerfaser (65) mit einem inneren Faserkern (65a) höherer Brillanz und mit einem den inneren Faserkern (65a) umgebenden äußeren Faserkern (65b) geringerer Brillanz aufweist, wobei der Steuersignallaserstrahl (SS) in den inneren Faserkern (65a) und der Pumplaserstrahl (HP-MM) in den äußeren Faserkern (65b) eingekoppelt werden und wobei zum Einstellen der Brillanz des aus der SRS-Verstärkerfaser (65) austretenden Bearbeitungslaserstrahls (68) der vom äußeren Faserkern (65b) aufgrund der SRS-Verstärkung in den inneren Faserkern (65a) konvertierte Strahlungsanteil über die eingekoppelte Leistung des Steuersignallaserstrahls (SS) eingestellt wird.
  2. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralwellenlänge des Steuersignallaserstrahls (SS) der ersten Stokes-Linie bezüglich der Zentralwellenlänge des Pumplaserstrahls (HP-MM) entspricht.
  3. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Breite des Pumplaserstrahls (HP-MM) und des Steuersignallaserstrahls (SS) jeweils kleiner als 10 nm ist.
  4. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaserstrahl (HP-MM) ein Strahlparameterprodukt von mindestens ca. 4 mm·mrad aufweist.
  5. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuersignallaserstrahl (SS) Singlemode- bzw. Fewmode-Strahlung ist.
  6. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumplaserstrahl (HP-MM) Multimode-Strahlung ist.
  7. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Faserkern (65b) der SRS-Verstärkerfaser (65) wellenlängenselektive Strukturen (67) aufweist.
  8. Laserbearbeitungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (64) eine von den beiden Laser (61, 62) zu der SRS-Verstärkerfaser (65) führende Transportfaser (66) aufweist, wobei der Steuersignallaserstrahl (SS) in einen inneren Faserkern (66a) der Transportfaser (66) und der Pumplaserstrahl (HP-MM) in einen den inneren Faserkern (66a) umgebenden äußeren Faserkern (66b) der Transportfaser (66) eingekoppelt werden.
  9. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der Transport- auf die SRS-Verstärkerfaser (66, 65) durch einen Überführungs-Taper (69) erfolgt.
  10. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser des äußeren Faserkerns (66b) der Transportfaser (66) in Strahlrichtung bis auf den Durchmesser des äußeren Faserkerns (65b) der SRS-Verstärkerfaser (65) verjüngt.
  11. Laserbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportfaser (66) und die SRS-Verstärkerfaser (65) durch eine aus einem Stück gezogene Faser gebildet sind.
  12. Verfahren zum Einstellen der Brillanz eines Bearbeitungslaserstrahls (68) eines Laserbearbeitungssystems (60), wobei ein Steuersignallaserstrahl (SS) in einen eine höhere Brillanz aufweisenden inneren Faserkern (65a) einer SRS-Verstärkerfaser (65) und ein Hochleistungspumplaserstrahl (HP-MM) in einen den inneren Faserkern (65a) umgebenden, eine niedrigere Brillanz aufweisenden äußeren Faserkern (65b) der SRS-Verstärkerfaser (65) eingekoppelt werden und wobei zum Einstellen der Brillanz des aus der SRS-Verstärkerfaser (65) austretenden Bearbeitungslaserstrahls (68) der vom äußeren Faserkern (65b) aufgrund der SRS-Verstärkung in den inneren Faserkern (65a) konvertierte Strahlungsanteil über die eingekoppelte Leistung des Steuersignallaserstrahls (SS) eingestellt wird.
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