DE102011089482A1

DE102011089482A1 - Laser mit überwachter Lichtleitfaserstrecke

Info

Publication number: DE102011089482A1
Application number: DE102011089482A
Authority: DE
Inventors: Peter Heist; Matthias Hoffmann; Uwe Kutschki; Gunter Scheiding
Original assignee: Jenoptik Laser GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27
Also published as: WO2013091851A1

Abstract

Es wird ein Laser mit einer Laserquelle (2), die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, einer ein Eintritts- und ein Austrittsende (13, 12) aufweisenden Lichtleitfaserstrecke (5), in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende (13) eingekoppelt wird und die in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende (12) abgibt, einer Meßeinheit (14, 15), die Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende (13, 12) der Lichtleiterfaserstrecke (5) liegenden Stelle austritt, mißt und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt, und einem Steuermodul (6) bereitgestellt, das basierend auf dem der Laserquelle (2) zugeführten Strom laufend einen ersten Grenzwert (Ss1(t)) und/oder einen zweiten Grenzwert (Ss2(t)) ermittelt, das basierend auf dem Meßsignal der Meßeinheit (14, 15) laufend ein Istsignal (S1(t)) ermittelt und das Istsignal (S1(t)) laufend mit dem ersten Grenzwert (Ss1(t)) vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (S1(t)) kleiner ist als der erste Grenzwert(Ss1 (t)) und/oder das Istsignal (S1(t)) laufend mit dem zweiten Grenzwert (Ss2(t)) vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (S1(t)) größer ist als der zweite Grenzwert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser mit einer Laserquelle, die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, und einer ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisenden Lichtleitfaserstrecke, in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende eingekoppelt wird und die in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende abgibt.
Da die Führung der Laserstrahlung in der Lichtleitfaserstrecke stattfindet, liegt eine geschlossene Lichtführung vor im Gegensatz zu einer auch möglichen offenen Lichtführung, bei der die Laserstrahlung durch Spiegel bis zum Austrittsende des Lasers geführt wird.
Bei einer Führung der Laserstrahlung in einer Lichtleitfaserstrecke besteht eine Schwierigkeit darin, daß bis zum Austritt der Laserstrahlung aus dem Austrittsende keine frei zugängliche Stelle vorhanden ist, an der beispielsweise mittels eines Auskoppelspiegels ein Teil der Laserstrahlung zur Regelung des Lasers ausgekoppelt werden kann. Da eine Lichtleitfaserstrecke als lichtführendes Medium für die Laserstrahlung in der Regel Glasfasern oder Glasfaserbauteile enthält, besteht das Risiko einer Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke beispielsweise durch Faserbruch oder durch thermisch bedingtes Aufschmelzen einer Faserverbindungsstelle. Bei einer solchen Zerstörung würde die Laserstrahlung zumindest im Inneren des Lasers frei austreten und bei entsprechend hoher Leistung des Lasers (von beispielsweise 1 kW oder mehr) erheblichen Schaden im Laser sowie zusätzlich noch eine Gefährdung des Bedienpersonals bewirken.
Besonders kritisch bei Lasern mit einer Lichtleitfaserstrecke sind die Spleißverbindungen, bei denen Faserendflächen miteinander verschmolzen sind, und Faserkoppler, die insbesondere für in umgekehrter Ausbreitungsrichtung laufende Laserstrahlung eine bedeutend kleinere Zerstörschwelle aufweisen als in der bestimmungsgemäßen vorgesehenen Ausbreitungsrichtung. Eine solche Rückwärtspropagation von Laserstrahlung kann auftreten, wenn die vom Laser abgegebene Laserstrahlung vom zu bearbeitenden Werkstück zurück in die Lichtleitfaserstrecke reflektiert wird.
Bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke besteht somit die Schwierigkeit, daß eine Zerstörung von dem primär erzeugten, in Vorwärtsrichtung laufenden Laserlicht als auch durch rückwärtslaufendes, beispielsweise vom zu bearbeitenden Werkstück reflektierten Laserlichtes, verursacht werden kann. Da keine frei zugänglichen Stellen zur Gewinnung von Meßsignalen bei der Lichtleitfaserstrecke im Vergleich zu Lasern mit offener Strahlführung vorliegen, ist schon die Gewinnung von entsprechenden Meßsignalen für eine Überwachung der Lichtleitfaserstrecke des Lasers schwierig.
Es ist bei Lichtleitkabeln bekannt, die Zerstörung (z.B. in Form eines Faserbruches) durch Einbettung einer neben der lichtführenden Faser laufenden Detektions-Ader zu erfassen. Die Detektions-Ader kann ein Draht oder eine auf das Primärcoating der Faser aufgedampfte Leiterbahn ( US 4,883,054 ) sein, der bzw. die im Falle eines Faserbruchs die Leitfähigkeit ändert. Ferner kann eine zweite Lichtwellenleiterfaser, in die eine zweite, sehr leistungsschwache Lichtquelle eingekoppelt und am Austrittsende detektiert wird, vorgesehen werden, wie in der DE 40 107 89 A1 beschrieben ist. Eine derartige Einbettung eines elektrischen oder „optischen“ Drahtes ist bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke (insbesondere wenn er für hohe Leistung ausgelegt ist) nicht oder nicht durchgängig möglich, da ein solcher elektrischer oder optischer Draht in wichtigen Faserkomponenten, wie einem Hochleistungsfaserkoppler, nicht integrierbar ist.
Ferner ist es bekannt, einen Lichtwellenleiter durch speziell mehrschichtig aufgebaute Faserschichten zu überwachen, die Verluststrahlung durch Konversionsprozesse von einer ersten Schicht zu einer zweiten Schicht gelangen läßt, und die dann bis zu einem Detektor geführt wird ( DE 43 140 31 A1 ). Auch hier besteht jedoch die Schwierigkeit, daß speziell präparierte Glasfasern benötigt werden, die häufig bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke (insbesondere für hohe Leistungen) nicht zum Einsatz kommen können.
Ferner ist es bekannt, Fotodetektoren zur Detektion von Streulicht jeweils am Eingangs- und am Ausgangsende der Faser in Verbindung mit einer geeigneten Auswerteelektronik vorzusehen, die die beiden Signale vergleicht ( US 4,812,641 ) oder mit einem festgelegten Schwellwert vergleicht ( US 7,146,073 ).
Eine solche Ausgestaltung betrifft somit eine Fokussierung in ein Lichtleitkabel und den Austritt aus dem Lichtleitkabel, also den Fall einer unterbrochenen Strahlführung, was bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke gerade nicht vorliegt. Zudem werden die Signale für die Fotodetektoren direkt am Eingangs- und am Ausgangsende gewonnen, wozu in der US 7,146,073 eine spezielle Präparation der Faserenden beschrieben ist. Eine solche Präparation schließt eine Benutzung von kommerziell erhältlichen und mit genormten Steckerabmessungen versehenen Hochleistungslichtleitkabeln aus.
Ferner ist es bekannt, die Messung am Fasereingang und am Faserausgang so durchzuführen, daß am Faserausgang das Signal richtungsabhängig gewonnen wird, um Rückschlüsse auf den Materialbearbeitungsprozeß hinsichtlich Rückreflexionen und Defokussierung zu ermöglichen ( US 5,319,195 ).
Auch hier liegt der Fall einer unterbrochenen Strahlführung vor, um die entsprechenden Meßsignale gewinnen zu können. Das Meßsignal am Ausgangsende wird ferner von vom Werkstück reflektierten Licht beeinflußt, was zwar hier berücksichtigt wird, aber die Auswertung dennoch erschwert.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Laser mit einer Laserquelle und einer ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisenden Lichtleitfaserstrecke vorzusehen, bei dem eine Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke im Betrieb des Lasers möglichst verhindert oder zumindest möglichst gering gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Laser mit einer Laserquelle, die mit Strom betreibbar bzw. pumpbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, einer ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisenden Lichtleitfaserstrecke, in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende eingekoppelt wird und die in Abhängigkeit der angekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende abgibt, einer Meßeinheit, die Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke liegenden Stelle austritt, mißt und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt und ein Steuermodul, das basierend auf dem der Laserquelle zugeführten Strom laufend einen ersten und einen zweiten Grenzwert ermittelt, das basierend auf dem Meßsignal der Meßeinheit laufend ein Istsignal ermittelt und das Istsignal laufend mit dem ersten Grenzwert vergleicht und die Laserquelle abschaltet, wenn das Istsignal kleiner ist als der erste Grenzwert und/oder das Istsignal laufend mit dem zweiten Grenzwert vergleicht und die Laserquelle abschaltet, wenn das Istsignal größer ist als der zweite Grenzwert.
Ein Absinken des Istsignals unter den ersten Grenzwert zeigt einen Verlust von Laserstrahlung in der Lichtleitfaserstrecke an, was z.B. dann auftritt, wenn die in der Lichtleitfaserstrecke geführte Laserstrahlung einen Teil der Lichtleitfaserstrecke thermisch beschädigt oder wenn beispielsweise eine mechanische Beschädigung vorliegt. Bei einer entsprechenden Wahl der Größe des ersten Grenzwertes kann somit sicher eine weitere Beschädigung der Lichtleitfaserstrecke verhindert werden.
Wenn das Istsignal den zweiten Grenzwert übersteigt, zeigt dies z.B. an, daß zurückreflektierte Laserstrahlung in die Lichtleitfaserstrecke eingekoppelt wird und sie in entgegengesetzter Richtung die Lichtleitfaserstrecke durchläuft. Dies kann bei der Bearbeitung von Werkstücken auftreten, wenn z.B. während der Materialbearbeitung eine stark reflektierende Schmelze gebildet wird. Bei einer entsprechenden Wahl des zweiten Grenzwertes können Schäden, die die zurückreflektierte Laserstrahlung bewirken würde, verhindert werden. Natürlich können durch den Vergleich des Istsignals mit dem zweiten Grenzwert auch Schäden durch Laserstrahlung verhindert werden, die aus sonstigen Gründen in entgegengesetzter Richtung die Lichtleitfaserstrecke durchläuft. Der zweite Grenzwert ist bevorzugt größer als der zweite Grenzwert.
Unter einer laufenden Überwachung wird hier insbesondere verstanden, daß das System kontinuierlich überwacht wird, beispielsweise mit einer analogen elektronischen Schaltung, oder daß das System zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten überwacht wird, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Überwachungszeitpunkten so kurz gewählt werden kann, daß ein in der Zwischenzeit auftretender Defekt entweder nicht zu einer Zerstörung weiterer Bauteile des Systems oder normalerweise wenigstens nicht zu einer Gefährdung für Mensch und Umwelt führen würde. Die zweitgenannte Ausbildung einer laufenden Überwachung kann beispielsweise mit einer Digitalelektronik ausgebildet sein, bei welcher beispielsweise ein Controller in einer programmtechnisch realisierten Endlosschleife immer wieder die Istwerte mit den Grenzwerten vergleicht. Beispielsweise kann die Zeitdauer zwischen zwei Überwachungszeitpunkten einige µs betragen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Zeitdauer zwischen zwei Überwachungszeitpunkten z.B. entweder jeweils immer gleich oder unterschiedlich sein kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann das Steuermodul die Laserquelle durch Abschalten der Stromzufuhr zur Laserquelle abschalten.
Unter Abschalten des Lasers wird hier insbesondere verstanden, daß die Laserleistung soweit reduziert wird, daß keine Beschädigung von Bauteilen auftreten kann oder daß keine Gefährdung vom Laser ausgehen kann. Die Abschaltung kann, aber muß nicht, derart vorgenommen werden, daß der Laserstrom auf Null gebracht wird. Das kann beispielsweise durch Abschalten des Laserstromes geschehen oder alternativ durch Kurzschließen des Laserstromes. Das Kurzschließen des Laserstromes kann vorteilhafterweise in unmittelbarer Nähe zum Laser erfolgen, beispielsweise mit einem MOSFET oder einem Bipolartransistor. Zum Abschalten des Lasers reicht es allerdings auch aus, wenn der Strom nicht komplett abgeschaltet, sondern soweit reduziert wird, dass die Laserschwelle nicht erreicht wird.Die Lichtleitfaserstrecke ist bevorzugt direkt mit der Laserquelle verbunden, so daß zwischen Laserquelle und Lichtleitfaserstrecke kein Freistrahlzugang vorliegt. Insbesondere liegt von der Laserquelle bis zum Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke kein Freistrahlzugang vor, so daß der Laser eine vollkommen geschlossene Strahlführung aufweist.
Unter Freistrahlzugang wird hier z.B. verstanden, daß die Laserstrahlung über eine gewisse Länge in Luft geführt wird, so daß in diesem Bereich z.B. ein Auskoppelsignal zum Auskoppeln eines geringen Anteils der Laserstrahlung positioniert werden kann. Die freie Strecke beispielsweise zwischen einem Diodenlaser und der FAC-Linse bzw. innerhalb einer kompakt aufgebauten Faserkopplungsoptik für einen Diodenlaser ist in diesem Sinne aber nicht als Freistrahlzugang zu verstehen, weil dort kein Platz für eine Vorrichtung zur Auskopplung vorgesehen ist. Ein Freistrahlzugang ist hingegen in einem optischen Teleskop zur Kopplung der Strahlung aus einer Faser in eine andere Faser vorhanden, da im kollimierten Strahlabschnitt eine Vorrichtung zur Auskopplung eines Meßstrahls vorgesehen werden kann. Ein solcher Freistrahlzugang ist jedoch nicht vorhanden, wenn es sich um ein System handelt, bei dem die Fasern zusammengespleißt oder über eine Stirnflächenkopplung verbunden sind. In einem solchen System ist dann kein Freistrahlzugang vorhanden.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Laser die Lichtleitfaserstrecke zumindest eine Lichtleitfaser mit Kern und Mantel aufweisen und die Meßeinheit die aus dem Mantel austretende Laserstrahlung messen. Diese Strahlung wird häufig auch als Mantellicht bezeichnet. Die Lichtleitfaser kann so ausgebildet werden, daß sie an einer vorbestimmten Stelle ein solches Mantellicht abstrahlt. Dazu können z.B. mikroskopisch kleine Störungen im Übergang vom Kern zum Mantel vorgesehen werden. Es kann ferner ein kleiner Bereich des Fasermantels aufgerauht werden, wodurch ein Herausstreuen des Mantellichts erfolgt. Zusätzlich oder alternativ kann die Lichtleitfaser absichtlich so gebogen werden, daß aufgrund der Biegung Mantellicht austritt. Es ist auch möglich, auf die Mantelfläche ein Medium aufzubringen, das einen höheren Brechungsindex als der Mantel aufweist, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Mantel und dem aufgebrachten Medium keine Totalreflexion stattfindet und somit Mantellicht ausgekoppelt wird.
Die von der Meßeinheit gemessene Laserstrahlung tritt bevorzugt quer zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung in der Lichtleitfaserstrecke aus.
Die ausgekoppelte Laserstrahlung weist bevorzugt nur einen Bruchteil der mittleren Leistung der in der Lichtleitfaserstrecke geführten Laserstrahlung auf. Insbesondere kann der Bruchteil im Promillebereich liegen.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann die Lichtleitfaserstrecke zumindest zwei miteinander verspleißte Lichtleitfasern aufweisen und die Meßeinheit die an der Spleißstelle austretende Laserstrahlung messen.
Des weiteren kann die Lichtleitfaserstrecke mehrere Lichtleitfasern aufweisen, die mittels eines Faserkopplers mit einer einzigen Lichtleitfaser gekoppelt sind, wobei die Meßeinheit die aus dem Faserkoppler austretende Laserstrahlung mißt.
In beiden Fällen (Messung an der Spleißstelle sowie Messung am Faserkoppler) wird erfindungsgemäß ausgenutzt, daß die dort austretende Laserstrahlung gemessen und zur erfindungsgemäßen Sicherheitsüberwachung der Lichtleitfaserstrecke genutzt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann die Lichtleitfaserstrecke als passive Lichtleitfaserstrecke ausgebildet sein. In diesem Fall wird über die Lichtleitfaserstrecke lediglich die erste Laserstrahlung der Laserquelle geführt, so daß die über das Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke ausgekoppelte zweite Laserstrahlung der ersten Laserstrahlung entspricht.
Natürlich ist es auch möglich, daß die Lichtleitfaserstrecke eine aktive Faser aufweist, die mit der Laserstrahlung der Laserquelle gepumpt ist. In diesem Fall liegt ein Faserlaser vor, so daß die ausgekoppelte zweite Laserstrahlung die Laserstrahlung des Faserlasers ist und die eingekoppelte erste Laserstrahlung die Pumpstrahlung des Faserlasers ist. In diesem Fall kann mittels der Meßeinheit als austretende Laserstrahlung die Pumpstrahlung und/oder die mittels des Faserlasers erzeugte zweite Laserstrahlung gemessen werden.
Die Laserquelle kann zumindest eine Laserdiode aufweisen. Sie kann bevorzugt mehrere Laserdioden aufweisen, die beispielsweise in Serien- oder Parallelschaltungen mit Strom beaufschlagt werden. Es sind jedoch auch andere Laserquellen möglich, die mit Strom betreibbar bzw. elektrisch pumpbar sind. Insbesondere können im Allgemeinen elektrisch gepumpte Halbleiterlaser eingesetzt werden. Es ist auch möglich, mittels eines oder mehrerer elektrisch gepumpter Halbleiterlaser einen Festkörperlaser zu pumpen, um dadurch die Laserquelle zu realisieren.
Das Steuermodul kann mit zunehmenden Pumpstrom den ersten und/oder zweiten Grenzwert erhöhen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß mit zunehmenden Pumpstrom die mittlere Laserleistung und somit auch die Gefahr eines Defektes in der Lichtleitfaserstrecke steigt.
Insbesondere führt das Steuermodul die Erhöhung des ersten Grenzwertes mit zunehmendem Pumpstrom so durch, daß die Erhöhung mit zunehmendem Pumpstrom zunimmt. Somit wird die Zunahme um so größer, je größer der Pumpstrom wird, wodurch ein besserer Schutz erzielt wird. Ferner kann das Steuermodul die Erhöhung des zweiten Grenzwertes so durchführen, daß mit zunehmendem Pumpstrom die Erhöhung des zweiten Grenzwertes abnimmt. Mit zunehmendem Pumpstrom fällt bei weiterer Zunahme somit die Erhöhung für den zweiten Grenzwert geringer aus, was wiederum zu einem besseren Schutz des Lasers führt. So kann z.B. die Breite des durch beide Grenzwerte definierten Fensters mit zunehmendem Pumpstrom abnehmen. Nur wenn der Istwert im Fenster liegt, wird der Laser nicht abgeschaltet.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann der der Laserquelle zugeführte Strom zeitlich variieren, um z.B. gepulste Laserstrahlung zu erzeugen oder die Strahlleistung im Dauerstichbetrieb zu variieren. In diesem Fall variieren das Istsignal sowie der erste und/oder zweite Grenzwert zeitlich bevorzugt in gleicher Weise. Damit wird erreicht, daß der erste und/oder zweite Grenzwert ideal an die jeweiligen Laserbedingungen angepaßt sind und somit der erste und/oder zweite Grenzwert sehr nah am Istwert gewählt werden können, so daß der bestimmungsgemäße Betrieb sicher durchgeführt werden kann und dabei gleichzeitig die gewünschte Sicherheit (also die schnelle Abschaltung, falls notwendig) gewährleistet wird.
Der Laser ist insbesondere für hohe Leistungen ausgelegt. Hierunter wird insbesondere verstanden, daß die mittlere Leistung im Dauerstrichbetrieb oder der Pulsspitzenleistung im Pulsbetrieb der über das Austrittsende abgegebenen Laserstrahlung mindestens 1 kW beträgt.
Die Lichtleitfaserstrecke kann ferner so ausgebildet sein, daß an mehreren Stellen zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende Laserstrahlung austritt. In diesem Fall ist die Meßeinheit bevorzugt so ausgebildet, daß sie an diesen mehreren Stellen jeweils die austretende Laserstrahlung mißt und entsprechende Meßsignale erzeugt. Das Steuermodul ermittelt dann basierend auf den Meßsignalen für jede Austrittsstelle laufend ein entsprechendes Istsignal und vergleicht alle Istsignale laufend mit dem ersten Grenzwert und/oder dem zweiten Grenzwert. Wenn zumindest eines der Istsignale kleiner ist als der erste Grenzwert, führt das Steuermodul die Abschaltung der Laserquelle durch. Ferner schaltet das Steuermodul die Laserquelle auch ab, wenn zumindest eines der Istsignale größer ist als der zweite Grenzwert.
Die Lichtleitfaserstrecke kann ferner so ausgebildet sein, dass sie mehrere Lichteintrittsenden aufweist. Insbesondere kann auch das Austrittsende gleichzeitig als Eintrittsende genutzt werden. Das ist beispielsweise bei einem zweiseitig endgepumpten Faserlaser der Fall. Dort kann das Austrittsende der Laserstrahlung der aktiven Faser gleichzeitig Eintrittsende für die Pumpstrahlung sein. Die Pumpstrahlung und austretende Laserstrahlung können unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, so dass eine Trennung der Strahlwege beispielsweise mit einem wellenlängenselektiven Spiegelelement möglich ist.
Der Laser kann gepulste Laserstrahlung oder Dauerstrich-Strahlung abgeben.
Es wird ferner bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben eines Lasers, der eine Laserquelle, die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, und eine ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisende Lichtleitfaserstrecke aufweist, in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende eingekoppelt und in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende ausgegeben wird, wobei der Laserquelle Strom zugeführt wird, so daß sie die erste Laserstrahlung erzeugt, Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke liegende Stelle austritt, gemessen und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt wird, basierend auf dem der Laserquelle zugeführten Strom laufend ein erster und/oder ein zweiter Grenzwert ermittelt wird, basierend auf dem Meßsignal laufend ein Istsignal ermittelt wird und das Istsignal laufend mit dem ersten Grenzwert verglichen und die Laserquelle abgeschaltet wird, wenn das Istsignal kleiner wird als der erste Grenzwert, und/oder das Istsignal laufend mit dem zweiten Grenzwert verglichen und die Laserquelle abgeschaltet wird, wenn das Istsignal größer wird als der zweite Grenzwert. Dabei kann das Istsignal gleich dem Messsignal sein, oder das Istsignal kann noch zusätzlich beispielsweise einen von der zeitlichen Änderung des Messsignals abhängigen Anteil, der als Differentialteil bezeichnet wird, oder beispielsweise einen Integralteil beinhalten, der von der über einen bestimmten Zeitabschnitt aufsummierten Regelungsabweichung abhängt. Ein solcher Differentialteil führt zu einer schnelleren Abschaltung bei plötzlichen Abweichungen des Istwertes vom Sollbasiswert, d.h. bei bei sprunghaften Abweichungen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Lasers kann die Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke sicher verhindert bzw. zumindest eine eintretende Zerstörung minimiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Lasers kann so weiter gebildet werden, daß der erfindungsgemäße Laser einschließlich seiner Weiterbildungen betrieben werden kann. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Laser beschriebenen Verfahrensschritte enthalten.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasers;
2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines faseroptischen Elements der Lichtleitfaserstrecke des erfindungsgemäßen Lasers;
3a–3c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß 1;
4a–4c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß 1;
5a–5c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß 1;
6a–6c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß 1;
7 eine schematische Darstellung zur Signalgewinnung und -verarbeitung durch das Steuermodul des erfindungsgemäßen Lasers, und
8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der regeltechnischen Verwirklichung der Überwachung der Lichtleitfaserstrecke.
Die Lichtleitfaserstrecke kann Lichtleitfasern, Lichtwellenleiter und Lichtleitkabel oder sonstige faseroptische Bauteile enthalten.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Laser 1 eine Laserquelle 2 mit drei Laserdioden 3 ₁, 3 ₂ und 3 ₃, eine Stromquelle 4 zum Betreiben der Laserdioden 3 ₁–3 ₃, eine Lichtleitfaserstrecke 5 und ein Steuermodul 6 auf. Die Laserquelle 2 kann natürlich auch mehr als drei oder weniger als drei Laserdioden 3 ₁–3 ₃ enthalten. Die Anzahl von drei Laserdioden 3 ₁–3 ₃ ist nur beispielhaft.
Die Lichtleitfaserstrecke 5 weist für jede Laserdiode 3 ₁–3 ₃ eine erste Lichtleitfaser und somit hier drei erste Lichtleitfasern 7 ₁, 7 ₂ und 7 ₃ auf, wobei jede erste Lichtleitfaser 7 ₁–7 ₃ genau einer Laserdiode 3 ₁–3 ₃ so zugeordnet ist, daß ein erstes Ende jeder ersten Lichtleitfaser 7 ₁–7 ₃ mit der zugeordneten Laserdiode 3 ₁–3 ₃ verbunden ist. Das andere Ende der ersten Lichtleitfasern 7 ₁–7 ₃ ist mit zweiten Lichtleitfasern 8 ₁–8 ₃ eines Faserkopplers 9 verschweißt. Der Faserkoppler 9 weist ausgangsseitig eine dritte Lichtleitfaser 10 auf, die mit ihrem vom Faserkoppler 9 wegweisenden Ende mit einer vierten Lichtleitfaser 11 verschweißt ist, deren der dritten Lichtleitfaser 10 abgewandtes Ende ein Austrittsende 12 der Lichtleitfaserstrecke 5 bildet. Das Eintrittsende 13 der Lichtleitfaserstrecke 5 wird durch die mit den Laserdioden 3 ₁–3 ₃ verbundenen Enden der ersten Lichtleitfaser 7 ₁–7 ₃ gebildet.
Der Laser 1 umfaßt ferner einen ersten und einen zweiten Fotodetektor 14, 15, mit denen seitlich aus der Lichtleitfaserstrecke 5 zwischen Eintritts- und Austrittsende 13, 12 austretende Laserstrahlung (durch Pfeile 16, 17 angedeutet) gemessen werden kann. Dies wird für eine Sicherheitsabschaltung des Lasers 1 genutzt, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben werden wird. Die Meßsignale der Fotodetektoren 14, 15 werden dem Steuermodul 6 zugeführt.
Zum Betrieb des Lasers 1 werden die Laserdioden 3 ₁–3 ₃ mit Strom der Stromquelle 4 beaufschlagt. Die in 1 gezeigte Serienschaltung der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ ist nur beispielhaft zu verstehen. Es sind auch andere Arten der Beschaltung möglich. Insbesondere ist eine Parallelschaltung möglich.
Durch die Beaufschlagung mit Strom erzeugen die Laserdioden 3 ₁–3 ₃ Laserstrahlung, die in die jeweilige erste Lichtleitfaser 7 ₁–7 ₃ eingekoppelt wird und über den Faserkoppler 9 bis zum Austrittsende 12 der Lichtleitfaserstrecke 5 geführt wird. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Lichtleitfaserstrecke 5 rein passiv ausgebildet. Es wird somit nur die Laserstrahlung der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ bis zum Austrittsende 12 geführt. Es ist jedoch auch möglich, in der Lichtleitfaserstrecke 5 eine aktive Faser anzuordnen, die mit der Laserstrahlung der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ gepumpt wird. In diesem Fall liegt ein Faserlaser vor, dessen Laserstrahlung als gewünschte Laserstrahlung über das Austrittsende 12 abgegeben wird. Die am Austrittsende 12 austretende Laserstrahlung 18 kann z.B. zum Schneiden, Schweißen oder Härten von verschiedenartigen Werkstücken W eingesetzt werden und weist hier eine mittlere Leistung von mindestens 1kW auf. Der abzugebende Strom für die Laserdioden 3 ₁–3 ₃ kann vom Anwender des Lasers 1 von außen über einen Anschluß 19 der Stromquelle 4 bestimmt werden.
Bei dem in 1 gezeigten Laser liegt eine geschlossene Strahlführung vor, da die Laserstrahlung der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ direkt in die ersten Lichtleitfasern 7 ₁–7 ₃ eingekoppelt wird und die Lichtleitfasern 7 ₁–7 ₃, 8 ₁–8 ₃, 10 und 11 mittels Spleißverbindungen V1 und V2, bei denen die Faserendflächen miteinander verschweißt sind, miteinander verbunden sind und somit die Laserstrahlung der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ über das Austrittsende 12 der Lichtleitfaserstrecke 5 ausgekoppelt wird. Der Laser gemäß 1 kann daher auch als All-Fiber-Laser bezeichnet werden.
Die Lichtleitfasern 7 ₁–7 ₃, 8 ₁–8 ₃, 10 und 11 der Lichtleitfaserstrecke 5 sind faseroptische Bauteile, die sich je nach konkreter Ausführung im Detail unterscheiden können, jedoch in ihrem Grundaufbau stets ähnlich sind.
In 2 ist schematisch in einer vergrößerten Schnittdarstellung der Grundaufbau für eine solche Lichtleitfaser mit einem stufenförmigen Brechzahlprofil dargestellt, wobei die Lichtleitfaser einen lichtführenden Kern 20 aufweist, der üblicherweise aus Quarzglas gebildet ist. Die Brechzahl des Quarzglases des Kernes 20 ist größer als die Brechzahl des unmittelbar angrenzenden Mantels 21, wodurch es zu einer inneren Totalreflexion an der Grenze Kern-Mantel und damit zu der lichtführenden Eigenschaft der Faser kommt. Der Mantel 21 kann beispielsweise aus fluordotiertem Quarzglas gebildet sein.
Um die Faser biegsam und mechanisch robust zu machen, ist auf dem Mantel 21 eine Kunststoffschicht 22 aufgebracht, die häufig als Coating oder Buffer bezeichnet wird. Die Kunststoffschicht 22 kann aus einem primären, weichen Coating 23 und einem sekundären, härteren Coating 24 bestehen. Bei der Ausbildung als Lichtleitkabel sind häufig zur Erhöhung der Robustheit noch weitere Ummantelungen vorgesehen. Andererseits kann z.B. bei Faserkopplern unter Umständen auf das Coating 22 verzichtet werden.
Die in Verbindung mit 2 beschriebene Lichtleitfaser weist zwischen Kern 20 und Mantel 21 ein stufenförmiges Brechzahlprofil auf, so daß solche Fasern auch häufig Stufenindexfasern genannt werden. Statt der Ausbildung als Stufenindexfaser können die Lichtleitfasern auch als sogenannte Gradientenindexfasern ausgebildet sein, bei denen die Brechzahl vom Faserzentrum kontinuierlich nach außen hin abnimmt.
Da der Laser 1 die beschriebene geschlossene Strahlführung aufweist, unterliegt die Lichtleitfaserstrecke 5 dem Risiko einer Zerstörung beispielsweise in Form eines Faserbruchs oder eines thermisch bedingten Aufschmelzens einer Spleißstelle V1, V2. Im Fall einer solchen Zerstörung könnte die Laserstrahlung zumindest im Gerätinneren des Lasers 1 frei austreten und bei den möglichen hohen Leistungen von beispielsweise 1kW und mehr erhebliche Schäden im Gerät und eine Gefährdung des Bedienpersonals bewirken.
Ferner kann in unerwünschter Weise die über das Austrittsende 12 abgegebene Laserstrahlung 18 vom zu bearbeitenden Werkstück W zurück in die Lichtleitfaserstrecke 5 reflektiert werden, so daß eine unerwünschte Rückwärtspropagation vorliegt. Gerade der Faserkoppler 9 kann für Laserstrahlung in umgekehrter Ausbreitungsrichtung eine bedeutend kleinere Zerstörungsschwelle aufweisen als in der bestimmungsgemäßen Ausbreitungsrichtung.
Um eine Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke 5 und eine Gefährdung von Personen zu verhindern oder zumindest den Umfang der Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke 5 zu minimieren, wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein eindeutiger funktionaler Zusammenhang zwischen der erzeugten Laserleistung und dem zugeführten Strom zum Betreiben der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ vorliegt. Dies wird in der Art genutzt, das basierend auf dem Strom zum Betreiben der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ ein erster Grenzwert S_s1(t) abgeleitet und ein damit zu vergleichendes (erstes) Istsignal S₁(t) aus dem Meßsignal des ersten Fotodetektors 14 abgeleitet wird. Der erste Grenzwert S_s1(t), der auch als erster Schwellwert oder erster Sollwert bezeichnet werden kann, und das Istsignal S₁(t), das auch als Istwert bezeichnet werden kann, werden im Steuermodul 6 laufend miteinander verglichen, und wenn das Istsignal S₁(t) kleiner wird als der erste Grenzwert S_s1(t), bewirkt das Steuermodul 6 über die Stromquelle 4 ein Abschalten des Lasers 1. Ein solches Absinken des Istsignals S₁(t) zeigt nämlich, daß Laserleistung in der Lichtleiterfaserstrecke 5 „verloren geht“. Dies tritt z.B. dann ein, wenn ein Aufschmelzen an einer Spleißverbindung V1, V2 beginnt.
Diese Art der Regelung bzw. der Überwachung des Lasers 1 soll nachfolgend detailliert in Verbindung mit 3a–3c beschrieben werden. Es wird angenommen, daß der Betriebsstrom I(t) zum Betreiben der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ zeitlich konstant ist, wie in 3a dargestellt ist.
Basierend auf diesem zeitlich konstanten Betriebsstrom I(t) bestimmt das Steuermodul 6 den ersten Grenzwert S_s1(t), wie es in 3b schematisch dargestellt ist.
In 3c ist zusätzlich zu dem ersten Grenzwert S_s1(t) das vom Steuermodul 6 basierend auf dem Meßsignal des ersten Fotodetektors 14 ermittelte Istsignal S₁(t) eingezeichnet. Da dieses Istsignal S₁(t) stets oberhalb des ersten Grenzwertes S_s1(t) liegt, wird der Laser 1 nicht abgeschaltet. In 3c ist noch ein weiteres Istsignal S’₁(t) eingezeichnet, von dem angenommen wird, daß es zum Zeitpunkt t1 bis auf den ersten Grenzwert S_s1 absinkt. Bei einem solchen Istsignal S’₁(t) schaltet das Steuermodul 6 zum Zeitpunkt t1 die Stromquelle 4 ab, so daß die Laserdioden 3 ₁–3 ₃ nicht mehr mit Strom beaufschlagt werden. Dies führt zum Abschalten des Lasers 1.
In 4a–4c ist der Fall gezeigt, bei dem der Betriebsstrom I bestimmungsgemäß zeitlich moduliert wird. Dies führt dann ebenfalls zu einem zeitlich modulierten ersten Grenzwert S_s1(t), wie in 4b gezeigt ist. Beim normalen Betrieb des Lasers 1 sollte dann auch das Istsignal S₁(t) die gleiche zeitliche Modulation aufweisen, sofern der Laser 1 keinen Fehler aufweist, wie dies in 4c angedeutet ist. Ein zeitlich konstanter erster Grenzwert wäre für diesen Betrieb nicht sinnvoll, da die bestimmungsgemäße zeitliche Modulation des Istsignals S₁(t) zu einem Unterschreiten des zeitlich konstanten ersten Grenzwertes führen würde, so daß in unerwünschter Weise der Laser 1 abgeschaltet werden würde. Um dies zu verhindern, müßte der Abstand des zeitlich konstanten ersten Grenzwertes vom zu erwartenden Istsignal so groß gewählt werden, daß damit nicht mehr sicher eine Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke 5 verhindert oder zumindest schnell unterbunden werden kann.
Die von dem ersten Fotodetektor 14 detektierte Laserstrahlung wird bevorzugt in der Weise ausgekoppelt, daß sie nur einen kleinen Bruchteil des Lichtes von der über das Austrittsende 12 austretenden Laserstrahlung beträgt. Typischerweise liegt der Bruchteil im Bereich von wenigen Promille. Dies kann insbesondere durch Auskoppeln von Licht aus dem Mantel der entsprechenden Lichtleitfaser erzielt werden. Für eine solche Auskopplung können mikroskopisch kleine Störungen im Übergang vom Kern zum Mantel vorgesehen werden. Des weiteren können bekannte Methoden zum Erzeugen von Mantellicht eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein kleiner Bereich des Fasermantels aufgerauht werden, wodurch das Mantellicht herausgestreut wird. Es ist auch möglich, auf die Mantelfläche ein Medium aufzubringen, das einen höheren Brechungsindex als der Mantel aufweist, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Mantel und dem aufgebrachten Medium keine Totalreflexion stattfindet.
Ferner kann auch das an den Spleißstellen V1, V2 entstehende Streulicht detektiert werden. Dies ist in 1 für die Spleißstelle V1 angedeutet, wobei das entsprechende Streulicht 17 mittels des zweiten Detektors 15 gemessen wird. Basierend auf dem Meßsignal des zweiten Detektors 15 ermittelt das Steuermodul 6 ein zweites zeitabhängiges Istsignal, das in gleicher Weise wie das erste Istsignal mit dem ersten Grenzwert laufend verglichen wird. Wenn das zweite Istsignal auf den ersten Grenzwert absinkt, schaltet das Steuermodul 6 den Laser 1 aus Sicherheitsgründen aus.
Um auch die Gefahr von in der falschen Richtung eingekoppelten Laserstrahlung in die Lichtleitfaserstrecke 5 zu minimieren, kann ein zweiter Grenzwert S_s2(t), der auch als zweiter Schwellwert oder zweiter Sollwert bezeichnet werden kann, bestimmt werden, der eine obere Grenze für den Istwert darstellt. Wenn diese obere Grenze durch den Istwert überschritten wird, führt das Steuermodul 6 wiederum ein Abschalten des Lasers 1 durch. Zur Messung der in falscher Richtung eingekoppelten Laserstrahlung kann wiederum Mantellicht gemessen werden, das entsteht, wenn von dem Werkstück W zurückreflektierte Laserstrahlung über das Austrittsende 12 in die Lichtleitfaserstrecke 5 wieder eingekoppelt wird. Da in diesem Fall in der Regel keine optimalen Einkoppelbedingungen hinsichtlich der numerischen Apertur der Faser und/oder hinsichtlich Spotgröße und Einfallswinkel in den Faserkern vorliegen, wird ein Überstrahlen stattfinden, das detektiert werden kann.
Diese Art des Sicherheitsabschaltens des Lasers 1 soll nachfolgend noch genauer beschrieben werden.
In 5a ist in gleicher Weise wie in 3a der zeitliche Verlauf des Stroms für die Laserdioden 3 ₁–3 ₃ dargestellt, wobei hier von einem zeitlich konstanten Strom ausgegangen wird.
Basierend auf diesem Strom ermittelt das Steuermodul 6 neben dem ersten Grenzwert S_s1(t) einen zweiten Grenzwert S_s2(t) als obere Grenze, die in 5b in gleicher Weise wie in 3b eingezeichnet sind.
Solange der Istwert S₁(t) zwischen den beiden Grenzwerten S_s1 und S_s2 liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen und ordnungsgemäßen Betrieb des Lasers 1 ausgegangen. Sollte jedoch der Istwert S’’₁ über den zweiten Grenzwert S_s2 steigen, wie in 5c angedeutet ist, schaltet das Steuermodul 6 den Laser 1 durch Unterbinden der Stromzufuhr ab. Dies ist bei der Darstellung gemäß 5c zum Zeitpunkt t2 der Fall.
In gleicher Weise findet ein Abschalten statt, falls der Istwert S’₁ den ersten Grenzwert S_s1 erreicht. Dies ist gemäß der Darstellung von 5c zum Zeitpunkt t1 der Fall.
Durch die beiden Grenzwerte S_s1 und S_s2 wird somit ein Fenster für den Istwert S₁ vorgegeben. Solange der Istwert in diesem Fenster liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Lasers 1 ausgegangen. Sollte der Istwert S₁ dieses Fenster verlassen, wird der Laser 1 abgeschaltet.
In 6a–6c ist der Fall mit dem unteren und oberen Grenzwert S_s1 und S_s2 Fall für den eines zeitlich variierenden Betriebsstromes I dargestellt. Solange der entsprechende zeitlich variierende Istwert S₁ innerhalb des durch die beiden Grenzwerte S_s1 und S_s2 vorgegebenen Fensters liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen Betrieb ausgegangen und der Laser nicht abgeschaltet. Sollte der Istwert S₁ die obere oder untere Grenze (also den ersten oder zweiten Grenzwert S_s1, S_s2) erreichen, findet die automatische Abschaltung statt.
Natürlich ist es möglich, den Laser 1 so auszubilden, daß nur ein Vergleich der Istwertes S₁ mit dem zweiten Grenzwert S_s2 durchgeführt wird.
In 7 ist schematisch die Signalgewinnung und -verarbeitung durch das Steuermodul 6 für den Fall mit dem unteren und oberen Grenzwert S_s1(t) und S_s2(t) dargestellt.
Das Steuermodul 6 umfaßt einen Stromdetektor 25 sowie eine erste bis dritte elektronische Schaltung 26, 27 und 28. Der Stromdetektor 25 ermittelt anhand des den Laserdioden 3 ₁–3 ₃ zugeführten Betriebsstroms I(t) ein Sollbasissignal S₀(t), das beispielsweise ein elektrisches Spannungssignal ist. Dieses Sollbasissignal S₀(t) wird der ersten elektronischen Schaltung 26 zugeführt, die daraus den unteren und oberen Grenzwert S_s1(t) und S_s2(t) gemäß folgenden Formeln ermittelt S_s1(t) = S₀(t) – ∆S_low S_s2(t) = S₀(t) + ∆S_high
Die Werte für ∆S_low und ∆S_high können gleich oder auch unterschiedlich sein. Die Werte sind geeignet bestimmt, um die gewünschte Schutzfunktion zu realisieren. Insbesondere können die Werte ∆S_low und ∆S_high mit steigendem Pumpstrom der Laserdioden 3 ₁–3 ₃ kleiner gewählt werden. Dadurch kann die höhere Zerstörungsgefahr bei steigender Laserleistung berücksichtigt werden. Außerdem ist zu bedenken, daß die relativen Messungenauigkeiten knapp über der Laserschwelle besonders hoch sind. In diesem Betriebsbereich besteht deshalb in besonderem Maße die Gefahr, daß es zur fehlerhaften Laserabschaltung kommt, ohne daß ein Faserdefekt vorliegt. Dem kann dadurch begegnet werden, daß im unteren Leistungsbereich eine betragsmäßig größere prozentuale Abweichung ∆S_low/S₀ und/oder ∆S_high/S₀ zugelassen wird. Es kann, muß aber nicht, sogar eine größere absolute Abweichung für ∆S_low und ∆S_high im Bereich knapp über der Laserschwelle zugelassen werden im Vergleich zum Betrieb bei Nennleistung.
Die zweite elektronische Schaltung 27 erzeugt basierend auf dem ihr zugeführten Meßsignal des ersten Fotodetektors 14 das erste Istsignal S₁(t), das wiederum ein Spannungssignal sein kann.
Das erste Istsignal S₁(t) sowie die beiden Grenzwerte S_s1(t) und S_s2(t) werden der dritten elektronischen Schaltung 28 zugeführt, die den beschriebenen Vergleich der Signale (z.B. gemäß 5c und 6c) durchführt und ein Ausgangssignal S_out ausgibt.
Die dritte elektronische Schaltung 28 kann beispielsweise als Fensterdiskriminator ausgebildet sein, der das erste Istsignal S₁(t) mit den beiden Grenzwerten S_s1(t) und S_s2(t) vergleicht. Je nach Vergleichsresultat wird der Pegel des Ausgangssignals S_out erzeugt. Wenn der Istwert innerhalb der Grenzen liegt, kann der Pegel des Ausgangssignals S_out z.B. niedrig sein. Wenn das Istsignal nicht innerhalb der Grenzen liegt, kann der Pegel des Ausgangssignals S_out hoch sein, was dann ein Abschalten der Stromquelle bewirkt. Natürlich kann der Fensterdiskriminator 28 auch so ausgebildet sein, daß er das Signal S_out nur ausgibt, wenn das Istsignal S₁(t) nicht innerhalb der Grenzen liegt. In diesem Fall ist die Stromquelle so ausgebildet, daß bei Anlegen des Signals S_out ein Abschalten bewirkt wird.
Die Reaktionszeit von der Detektion einer Schwellwertüber- bzw. unterschreitung bis zum Abschalten des Lasers 1 hängt im wesentlichen von der Geschwindigkeit der Fotodetektoren 14, 15 und der die Signale verarbeitende Elektronik und Software des Steuermoduls 6 ab. Da eine laserstrahlinduzierte Zerstörung auf thermischen Effekten beruht, sind Reaktionszeiten im Bereich von einigen Mikrosekunden anzustreben, insbesondere für den Fall einer präventiven Abschaltung vor Einsetzen einer Faserzerstörung. Die Notwendigkeit von Reaktionszeiten im Bereich von Mikrosekunden kann wie folgt stark vereinfacht abgeschätzt werden. Wenn z.B. der Faserkoppler 9 als kritische Stelle angesehen wird, könnte ein kleiner Bereich V1 von schätzungsweise 0,01mm³ Volumeninhalt aufgeschmolzen werden. Dazu muß eine Wärmeenergie Q = ρ·V·c·∆T eingebracht werden, bei einer Dichte des Quarzglases ρ = 2,2g/cm³, einer Wärmekapazität von c = 1 J/(gK) und einem Schmelzpunkt des Quarzglases von etwa 1660°C. Es ergibt sich somit eine Wärmeenergie Q von ungefähr 0,03 J = 0,03 Ws. Bei vollständiger Absorption der Laserstrahlung muß eine Laserleistung von P = 1kW ca. 30µs lang einwirken, um diese Wärmeenergie zu deponieren. Daher sollte die Reaktionszeit im Bereich von einigen Mikrosekunden liegen.
Sollen bei dem erfindungsgemäßen Laser 1 vorrangig Folgeschäden nach einer Zerstörung einer faseroptischen Komponente der Lichtleitfaserstrecke 5 verhindert werden, kann die Reaktionszeit so lange gewählt werden, wie das Gehäuse oder andere Abschirmungen ein Austreten von Laserstrahlung in die Umgebung sicher verhindern. Diese Reaktionszeiten sind dann länger als die erwähnten einigen Mikrosekunden für den Fall der präventiven Abschaltung des Lasers 1.
In 8 ist schematisch die regelungstechnische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels gezeigt. Aus dem laufend überwachten Meßwert der Leistung P(t) und dem aus dem Laserstrom berechneten momentanen Sollbasiswert S₀(t) wird die Regelabweichung R₁(t) als Differenz gebildet. Daraus wird durch Multiplikation mit einem Koeffizienten P (Koeffizient für den Proportionalanteil) ein proportionaler Wert gebildet (durch Block 30 angedeutet). Weiterhin kann durch die Summenbildung über vorangegangene Regelabweichungswerte multipliziert mit einem Integralkoeffizienten m_i ein integraler Wert gebildet werden (durch Block 31 angedeutet). Ferner kann durch die Differenzbildung zwischen beispielsweise zwei aufeinanderfolgenden Regelabweichungswerten multipliziert mit einem Koeffizienten m_d für den Differentialanteil ein differentieller Wert gebildet werden (durch Block 32 angedeutet). Diese drei Werte können zum Istwert S₁(t) aufsummiert werden. Dieser laufend gebildete Istwert S₁(t) wird laufend mit einem Fensterdiskriminator 28 daraufhin überwacht, ob er einen unteren Wert der Regelabweichung ∆S_low unterschreitet oder einen oberen zulässigen Wert der Regelabweichung ∆S_high überschreitet, wobei diese beiden Grenzwerte aus dem Sollbasiswert S₀(t) laufend neu berechnet werden (durch Blöcke 33 und 34 angedeutet).
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Vergleich des Istsignals S₁(t) mit den Grenzwerten derart, daß zunächst der Sollbasiswert S₀(t) vom Meßwert P(t) subtrahiert wird, zu der Differenz in o.g. Weise Proportional-, Differential- und Integralanteile summiert werden und diese Summe (Istwert) S₁(t) dann mit den zulässigen Regelabweichungen verglichen werden. Diese Regelabweichungen sind jeweils die Differenzen ∆S_high bzw. ∆S_low aus dem oberen Grenzwert S_s1(t) und dem Sollbasiswert S₀(t) bzw. dem Sollbasiswert S₀(t) und dem unteren Gernzwert S_s2(t). Natürlich müssen nicht immer zu der Regelabweichung R₁(t) Proportional-, Differential- und Integralanteil summiert werden. Es kann auch nur eine der Anteile oder es können zwei der Anteile zur Regelabweichung addiert werden. Dieses Verfahren der Durchführung des Vergleiches ist nicht nur in diesem speziellen Ausführungsbeispiel, sondern auch allgemein gleichwertig zu einem direkten Vergleich eines Istwertes, welcher auf Basis des Meßwertes ohne Abzug des Sollbasiswertes berechnet wird, mit den oberen und unteren Grenzwerten S_high bzw. S_low.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4883054 [0006]
DE 4010789 A1 [0006]
DE 4314031 A1 [0007]
US 4812641 [0008]
US 7146073 [0008, 0009]
US 5319195 [0010]

Claims

Laser mit einer Laserquelle (2), die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, einer ein Eintritts- und ein Austrittsende (13, 12) aufweisenden Lichtleitfaserstrecke (5), in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende (13) eingekoppelt wird und die in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende (12) abgibt, einer Meßeinheit (14, 15), die Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende (13, 12) der Lichtleiterfaserstrecke (5) liegenden Stelle austritt, mißt und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt, und einem Steuermodul (6), das basierend auf dem der Laserquelle (2) zugeführten Strom laufend einen ersten Grenzwert (S_s1(t)) und/oder einen zweiten Grenzwert (S_s2(t)) ermittelt, das basierend auf dem Meßsignal der Meßeinheit (14, 15) laufend ein Istsignal (S₁(t)) ermittelt und das Istsignal (S₁(t)) laufend mit dem ersten Grenzwert (S_s1(t), vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (S₁(t)) kleiner ist als der erste Grenzwert (S_s1(t)) und/oder das Istsignal (S₁(t)) laufend mit dem zweiten Grenzwert (S_s2(t)) vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (S₁(t)) größer ist als der zweite Grenzwert (S_s2(t)).
Laser nach Anspruch 1, bei dem das Steuermodul (6) den ersten Grenzwert mit zunehmendem Pumpstrom erhöht.
Laser nach Anspruch 2, bei dem das Steuermodul (6) den ersten Grenzwert (S_s1(t)) mit zunehmenden Pumpstrom so erhöht, daß die Erhöhung mit zunehmendem Pumpstrom zunimmt.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Steuermodul (6) den zweiten Grenzwert (S_s2(t)) mit zunehmenden Pumpstrom erhöht.
Laser nach Anspruch 4, bei dem das Steuermodul den zweiten Grenzwert so erhöht, daß mit zunehmendem Pumpstrom die Erhöhung abnimmt.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der der Laserquelle zugeführte Strom zeitlich variiert und das Istsignal (S₁(t)) sowie der erste und/oder zweite Grenzwert (S_s1(t), S_s2(t)) in gleicher Weise zeitlich variieren.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Steuermodul (6) die Laserquelle (2) durch Abschalten der Stromzufuhr zur Laserquelle (2) abschaltet.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) zumindest eine Lichtleitfaser (7 ₁, 7 ₂, 7 ₃; 8 ₁, 8 ₂, 8 ₃; 10; 11) mit Kern (20) und Mantel (21) aufweist und die Meßeinheit (14, 15) die aus dem Mantel austretende Laserstrahlung mißt.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) zumindest zwei miteinander verspleißte Lichtleitfasern (7 ₁, 7 ₂, 7 ₃; 8 ₁, 8 ₂, 8 ₃; 10; 11) aufweist und die Meßeinheit (14, 15) die an der Spleißstelle (V1, V2) austretende Laserstrahlung mißt.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) mehrere Lichtleitfasern (7 ₁, 7 ₂, 7 ₃) aufweist, die mittels eines Faserkopplers (9) mit einer einzigen Lichtleitfaser (10) gekoppelt sind, und die Meßeinheit (14, 15) die aus dem Faserkoppler (9) austretende Laserstrahlung mißt.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) als passive Lichtleitfaserstrecke (5) ausgebildet ist.
Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) eine aktive Faser aufweist, die mit der Laserstrahlung der Laserquelle (2) gepumpt ist.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Laserquelle (2) mindestens eine Laserdiode (3 ₁, 3 ₂, 3 ₃) aufweist.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, der so ausgebildet ist, daß die mittlere Leistung im Dauerstrichbetrieb oder die Pulsspitzenleistung im Pulsbetrieb der über das Austrittsende (12) abgegebenen Laserstrahlung (18) mindestens 1kW beträgt.
Laser nach einem der obigen Ansprüche, der von der Laserquelle (2) oder dem Eintrittsende der Lichtleitfaserstrecke bis zum Austrittsende (12) der Lichtleitfaserstrecke (5) ohne Freistrahlzugang ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Lasers, der eine Laserquelle, die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, und eine ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisende Lichtleitfaserstrecke aufweist, in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende eingekoppelt und in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende ausgegeben wird, wobei der Laserquelle Strom zugeführt wird, so daß sie die erste Lasterstrahlung erzeugt, Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke liegenden Stelle austritt, gemessen und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt wird, basierend auf dem der Laserquelle zugeführten Strom laufend ein erster und/oder ein zweiter Grenzwert ermittelt wird, basierend auf dem Meßsignal laufend ein Istsignal ermittelt wird und das Istsignal laufend mit dem ersten Grenzwert verglichen und die Laserquelle abgeschaltet wird, wenn das Istsignal kleiner wird als der erste Grenzwert, und/oder das Istsignal laufend mit dem zweiten Grenzwert verglichen und die Laserquelle abgeschaltet wird, wenn das Istsignal größer wird als der zweite Grenzwert.