DE112018000545T5

DE112018000545T5 - Lasersysteme unter verwendung von glasfasern mit zellkern zur strahlformung

Info

Publication number: DE112018000545T5
Application number: DE112018000545.3T
Authority: DE
Inventors: Francisco Villarreal-Saucedo; Wang-Long Zhou; Parviz Tayebati
Original assignee: Teradiode Inc
Current assignee: Panasonic Corp of North America
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2019-10-02
Also published as: US10852471B2; JP2020505776A; US11262497B2; CN110226269B; US20210132288A1; JP7123061B2; US20220214495A1; US10401562B2; US20230296827A1; CN110226269A; US20180210144A1; US11698482B2; US20200018894A1; WO2018140543A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen wird das Strahlparameterprodukt und/oder die Strahlform eines Laserstrahls angepasst, indem der Laserstrahl über einen Pfad entlang des Eingangsendes einer Glasfaser mit Zellkern gerichtet wird. Der am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittierte Strahl kann zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der sowie die Priorität gegenüber der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/450,793 , eingereicht am 26. Januar 2017, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil dieses Schriftstücks ist.
Technisches Gebiet
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lasersysteme, insbesondere Lasersysteme mit steuerbaren Strahlprofilen, z. B. variablen Strahlformen.
Hintergrund
Hochleistungslasersysteme werden für eine Reihe von unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt, wie Schweißen, Schneiden, Bohren und Materialbearbeitung. Derartige Lasersysteme beinhalten typischerweise einen Laseremitter, dessen Laserlicht in eine Glasfaser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt wird, und ein optisches System, das das Laserlicht von der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Wellenlängenstrahlkombination (Wavelength Beam Combining - WBC) ist eine Technik zum Skalieren der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdioden, Laserdiodenbarren, Stapeln von Diodenbarren oder anderen Lasern, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind. Es wurden WBC-Verfahren entwickelt, um Strahlen entlang einer oder beider Dimensionen eines Arrays von Emittern zu kombinieren. Typische WBC-Systeme beinhalten eine Vielzahl von Emittern, wie z. B. einen oder mehrere Diodenbarren, die unter Verwendung eines dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Strahl mit mehreren Wellenlängen zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt einzeln und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen, teilweise reflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer strahlzusammenführenden Dimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind im U.S.-Patent Nr. 6,192,062 , eingereicht am 4. Februar 2000, U.S.-Patent Nr. 6,208,679 , eingereicht am 8. September 1998, U.S.-Patent Nr. 8,670,180 , eingereicht am 25. August 2011, und U.S.-Patent Nr. 8,559,107 , eingereicht am 7. März 2011, näher beschrieben, deren jeweilige gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Optische Systeme für Lasersysteme sind typischerweise so ausgelegt, dass sie den hochwertigsten Laserstrahl oder entsprechend den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (BPP) erzeugen. Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seinem engsten Punkt (d. h. der Strahltaille, der minimalen Fleckgröße). Das heißt, BPP = NAxD/2, wobei D der Fokussierpunktdurchmesser (die Taille) und NA die nummerische Apertur ist; somit kann das BPP durch Variieren von NA und/oder D variiert werden. Das BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird typischerweise in Einheiten von Millimeter-Milliradian (mm-mrad) ausgedrückt. Ein Gaußscher Strahl hat das niedrigste mögliche BPP, gegeben durch die Wellenlänge des Laserlichts dividiert durch pi. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gaußschen Strahls bei gleicher Wellenlänge wird mit M² bezeichnet, was ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität ist.
In vielen Anwendungen der Laserbearbeitung können die gewünschte Strahlform, Punktgröße, Divergenz und Strahlqualität variieren, abhängig z. B. von der Art der Bearbeitung und/oder der Art des zu bearbeitenden Materials. Dies gilt insbesondere für Industrielaser bei Materialbearbeitungsanwendungen. So kann beispielsweise ein niedrigerer BPP-Wert, d. h. eine bessere Strahlqualität, für das Schneiden eines dünnen Metalls bevorzugt werden, während ein höherer BPP-Wert (d. h. eine schlechtere Strahlqualität) für das Schneiden durch dickere Metalle hindurch bevorzugt werden kann. Um das BPP oder die Strahlform bei herkömmlichen Lasersystemen zu verändern, muss häufig das Ausgangsoptik-System gegen andere Komponenten ausgetauscht und/oder neu ausgerichtet werden, was ein zeitaufwendiger und teurer Prozess ist, der sogar zu einer unbeabsichtigten Beschädigung der empfindlichen optischen Komponenten des Lasersystems führen kann. Somit besteht Bedarf an alternativen Techniken zum Variieren des BPP und/oder der Strahlform eines Lasersystems, die keine derartigen Einstellungen am Laserstrahl oder am optischen System am Ausgang der Glasfaser erfordern.
Zusammenfassung
Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugen Lasersysteme Strahlen, die in einen oder mehrere Kernbereiche einer Glasfaser mit Zellkern gerichtet werden, um die Strahlform und/oder das BPP zu verändern. (Derartige Strahlen sind die „Eingangsstrahlen“ in Bezug auf die Glasfaser und können einfach „Strahlen“ oder „Ausgangsstrahlen“ in Bezug auf das Lasersystem sein, das den Strahl zunächst generiert.) In verschiedenen Ausführungsformen weist die Glasfaser einen Zwischenkernmantel auf, der sich zwischen und um die verschiedenen Kernbereiche erstreckt; in verschiedenen Ausführungsformen kann der Strahl ganz oder teilweise in diesen Zwischenkernbereich gerichtet werden, um das BPP des ultimativen Ausgangsstrahls zu verändern. Die Glasfaser kann eine oder mehrere äußere Mantelschichten aufweisen, die die Strahlenergie in den Kernbereichen und/oder dem Zwischenkernbereich begrenzen.
Der Strahl kann so moduliert werden, dass er nur in verschiedene der Kernbereiche ohne signifikante Emission gerichtet wird, wenn der Strahl zwischen den Kernbereichen bewegt wird. In anderen Ausführungsformen wird der Strahl ohne Modulation - d. h. Leistungspegeländerungen - von Kernbereich zu Kernbereich bewegt (oder mit Modulation auf einen anderen finiten Leistungspegel ungleich null, der entweder höher oder niedriger ist als der Leistungspegel, bei dem der Strahl in den (die) Kernbereich(e) abgegeben wird), und somit können Anteile der Strahlleistung in den Zwischenkern-Mantelbereich eingekoppelt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Strahl auf verschiedenen Leistungspegeln moduliert werden, wenn er in verschiedene der Kernbereiche gerichtet wird, so dass unterschiedliche Mengen an Strahlleistung in verschiedene Kernbereiche eingekoppelt werden. Stattdessen oder zusätzlich kann der Strahl für unterschiedliche Zeiten auf verschiedene der Kernbereiche gerichtet sein, so dass die zeitgemittelten Leistungspegel, die in verschiedene Kernbereiche eingekoppelt sind, unterschiedlich sind. Die Kernbereiche selbst können unterschiedliche Querschnittsformen und/oder Größen aufweisen, die mindestens teilweise die endgültige Form des von der Glasfaser emittierten Strahls bestimmen. In anderen Ausführungsformen weisen ein oder mehrere (oder sogar alle) der Kernbereiche im Wesentlichen dieselbe Form (z. B. kreisförmig) und/oder Größe auf, und die endgültige Form des Strahls wird mindestens teilweise durch die Translation des Strahls zwischen verschiedenen der Kernbereiche und/oder dem Ausmaß der in die verschiedenen Kernbereiche eingekoppelten Strahlleistung und/oder dem Ausmaß der in den Zwischenkern-Mantelbereich eingekoppelten Strahlleistung bestimmt. In verschiedenen Ausführungsformen kann mindestens ein Anteil der Strahlleistung mindestens für eine gewisse Zeit in eine oder mehrere der äußeren Mantelschichten eingekoppelt werden, um die Form und/oder das BPP des Ausgangsstrahls zu ändern.
Wie hierin verwendet, bezeichnet das Ändern der „Form“ eines Laserstrahls das Verändern der Form und der geometrischen Ausdehnung des Strahls (z. B. an einem Punkt, an dem der Strahl eine Fläche schneidet). Formänderungen können mit Änderungen der Strahlgröße, der winkelabhängigen Intensitätsverteilung des Strahls und des BPP einhergehen, aber bloße Änderungen des Strahl-BPP sind nicht unbedingt ausreichend, um die Laserstrahlform zu ändern und umgekehrt.
„Optische Elemente“ können sich hierin auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umleiten, reflektieren, beugen oder auf andere Weise optisch manipulieren. Hierin beinhalten Strahlemitter, Emitter oder Laseremitter oder Laser eine elektromagnetische strahlerzeugende Vorrichtung wie z. B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, aber mit oder ohne Eigenresonanz sein können. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nichtfestkörperlaser usw. Im Allgemeinen beinhaltet jeder Emitter eine reflektierende Oberfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine stirnseitige reflektierende Oberfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums begrenzt ist, sondern sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann im Wesentlichen mehrere Strahlemitter beinhalten oder daraus bestehen, wie z. B. einen Diodenbarren, der dazu konfiguriert ist, mehrere Strahlen zu emittieren. Die in den Ausführungsformen hierin empfangenen Eingangsstrahlen können Strahlen mit einer einzigen Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen sein, die unter Verwendung verschiedener in dem Fachgebiet bekannter Techniken kombiniert werden. Darüber hinaus beinhalten Verweise auf „Laser“, „Laseremitter“ oder „Strahlemitter“ hierin nicht nur Einzeldiodenlaser, sondern auch Diodenbarren, Laserarrays, Diodenbarrenarrays und einzelne Arrays oder Arrays mit oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Hohlraum (VCSELs).
Ausgangsstrahlen, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, können zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden, so dass die Oberfläche des Werkstücks physisch verändert wird und/oder ein Merkmal auf oder innerhalb der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Techniken, die lediglich eine Oberfläche mit Licht sondieren (z. B. Reflexionsmessungen). Beispielhafte Prozesse gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind u. a. Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können auch Werkstücke an einer oder mehreren Stellen oder entlang eines eindimensionalen linearen oder kurvenförmigen Bearbeitungspfades bearbeiten, anstatt die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Werkstückoberfläche mit Strahlung vom Laserstrahl zu fluten. Derartige eindimensionale Pfade können aus mehreren Segmenten bestehen, von denen jedes linear oder kurvenförmig sein kann.
Ein Vorteil der variablen Form und/oder des BPP ist die verbesserte Leistung der Laseranwendung für verschiedene Arten von Bearbeitungstechniken oder verschiedene Materialientypen, die bearbeitet werden. Ausführungsformen der Erfindung können auch verschiedene Techniken zum Variieren des BPP und/oder der Form von Laserstrahlen verwenden, die in der U.S.-Patentanmeldung, Seriennummer 14/632,283 , eingereicht am 26. Februar 2015, U.S.-Patentanmeldung, Seriennummer 14/747,073 , eingereicht am 23. Juni 2015, U.S.-Patentanmeldung, Seriennummer 14/852,939 , eingereicht am 14. September 2015, U.S.-Patentanmeldung, Seriennummer 15/188,076 , eingereicht am 21. Juni 2016, US-Patentanmeldung, Seriennummer 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, und US-Patentanmeldung, Seriennummer 15/649,841 , eingereicht am 14. Juli 2017, beschrieben sind, deren Offenbarung jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen ist.
Ausführungsformen der Erfindung können mit Wellenlängen-Strahlkombinations- (WBC) -Systemen verwendet werden, die eine Vielzahl von Emittern beinhalten, wie beispielsweise einen oder mehrere Diodenbarren, die unter Verwendung eines dispersiven Elements zu einem Multiwellenlängenstrahl kombiniert werden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt einzeln und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen, teilweise reflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer strahlzusammenführenden Dimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind im U.S.-Patent Nr. 6,192,062 , eingereicht am 4. Februar 2000, U.S.-Patent Nr. 6,208,679 , eingereicht am 8. September 1998, U.S.-Patent Nr. 8,670,180 , eingereicht am 25. August 2011, und U.S.-Patent Nr. 8,559,107 , eingereicht am 7. März 2011, näher beschrieben, deren jeweilige gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Multiwellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Systemen können als Eingangsstrahlen in Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur z. B. BPP- und/oder Strahlformsteuerung verwendet werden.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem auf, das einen Strahlemitter zur Emission eines Eingangslaserstrahls, eine Glasfaser mit Zellkern, einen Reflektor zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Reflektieren des Eingangslaserstrahls in Richtung der Glasfaser mit Zellkern, ein optisches Element und eine Steuerung beinhaltet, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Die Glasfaser mit Zellkern weist ein Eingangsende und ein Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende auf. Die Glasfaser mit Zellkern beinhaltet, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Vielzahl von Kernbereichen, und einem Zwischenkern-Mantelbereich, der die Kernbereiche umgibt und sich zwischen den Kernbereichen erstreckt. Die Glasfaser mit Zellkern kann einen äußeren Mantel beinhalten, der den Zwischenkern-Mantelbereich umgibt. Der Brechungsindex von mindestens einem (oder sogar jedem) der Kernbereiche ist höher als ein Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs. Das optische Element empfängt den Eingangslaserstrahl vom Reflektor und fokussiert den Eingangslaserstrahl auf das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern (z. B. um es zu treffen). Die Steuerung steuert die Relativbewegung zwischen dem Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern und dem Reflektor und/oder dem optischen Element, um dadurch den Eingangslaserstrahl entlang eines Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern zu richten. Der Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Pfad kann mindestens einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche und mindestens einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Eine Strahlform und/oder ein Strahlparameterprodukt eines am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittierten Ausgangsstrahls wird mindestens teilweise durch den Pfad des Eingangslaserstrahls bestimmt.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der Folgenden in einer Vielfalt von Kombinationen beinhalten. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, den Eingangslaserstrahl entlang eines Pfades zu richten, der eine Vielzahl von Kernbereichen umfasst. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, die Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls zu modulieren, wenn der Eingangslaserstrahl entlang des Pfades gerichtet wird. So kann beispielsweise der Ausgangsleistungspegel des Eingangslaserstrahls unterschiedlich sein, wenn der Eingangslaserstrahl in verschiedene Kernbereiche und/oder in den Zwischenkern-Mantelbereich gerichtet ist. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls entlang von Abschnitten des Pfades über den Zwischenkern-Mantelbereich zu reduzieren (d. h. diesen zu schneiden), wodurch die Einkopplung von Strahlenergie in den Zwischenkern-Mantelbereich reduziert oder im Wesentlichen eliminiert wird. Der Pfad kann den ganzen oder einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Strahlenergie, die in den Zwischenkern-Mantelbereich eingekoppelt ist, kann einen Hintergrundenergiepegel ungleich null zum Ausgangsstrahl beitragen. Der Ausgangsstrahl kann eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Vielzahl von eigenständigen Strahlen kann zu weniger Strahlen (z.B. einem Strahl) in einem Abstand verschmelzen, der vom Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern entfernt ist.
Mindestens zwei der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern können sich in Größe und/oder Form unterscheiden. Der Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs kann größer oder annähernd gleich einem Brechungsindex des äußeren Mantels sein, wenn der äußere Mantel vorhanden ist. Die Relativbewegung zwischen dem Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern und dem Reflektor und/oder dem optischen Element kann beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus der Drehung des Reflektors, Drehung des optischen Elements, Translation des Reflektors, Translation des optischen Elements, Drehung des Eingangsendes der Glasfaser mit Zellkern und/oder Translation des Eingangsendes der Glasfaser mit Zellkern. Das optische Element kann eine oder mehrere Linsen, ein oder mehrere Gitter (z. B. Beugungsgitter) und/oder ein oder mehrere Prismen beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das System kann ein oder mehrere Stellantriebe zum Steuern der Bewegung des Reflektors, des optischen Elements und/oder des Eingangsendes der Glasfaser mit Zellkern beinhalten. Ein Eingangsendverschluss kann am Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern angeordnet sein. Ein Ausgangsendverschluss kann am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern angeordnet sein.
Die Steuerung kann für den Rückkopplungsbetrieb konfiguriert sein, um den Pfad, entlang dessen der Laserstrahl auf das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet ist, basierend auf einem gemessenen Parameter schrittweise einzustellen. Der gemessene Parameter kann ein gemessener Parameter eines Werkstücks sein, das mit dem Laserstrahl bearbeitet werden soll (z. B. Zusammensetzung, Dicke, Höhe oder Tiefe eines Oberflächenmerkmals, Reflexionsvermögen usw.) und/oder des Laserstrahls (z. B. des Laserstrahls in der Nähe des Ausgangsendes der Glasfaser mit Zellkern). Der gemessene Parameter des Laserstrahls kann beispielsweise Flussdichte, Strahlform, Strahlparameterprodukt, Strahldurchmesser, Strahlintensität in Abhängigkeit von der räumlichen Strahlposition usw. sein. Mindestens zwei der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern können unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Jeder der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern kann dieselbe Querschnittsform aufweisen (und zwei oder mehr können dieselbe Größe oder unterschiedliche Größen aufweisen). Die Vielzahl von Kernbereichen der Glasfaser mit Zellkern kann (i) einen mittleren Kernbereich und (ii) eine Vielzahl von äußeren Kernbereichen, die um den mittleren Kernbereich herum angeordnet sind, beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Der Durchmesser (oder ein anderer Parameter wie Breite, Seitenlänge usw.) des mittleren Kernbereichs kann größer sein als der von mindestens einem (oder sogar allen) der äußeren Kernbereiche. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, das Strahlparameterprodukt des Laserstrahls zu erhöhen, indem der Eingangslaserstrahl entlang eines Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet wird, der den Zwischenkern-Mantelbereich schneidet.
Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, die Strahlform und/oder das Strahlparameterprodukt basierend mindestens teilweise auf einer Eigenschaft eines Werkstücks nahe dem Ausgangsende der Glasfaser, in die der Laserstrahl eingekoppelt ist, zu bestimmen. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder die Höhe oder Tiefe eines Oberflächenmerkmals auf dem Werkstück beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das System kann einen Speicher, auf den die Steuerung Zugriff hat, zum Speichern von Daten beinhalten, die einem auf dem Werkstück definierten Bearbeitungspfad entsprechen. Der Bearbeitungspfad kann mindestens eine Richtungsänderung aufweisen. Der Bearbeitungspfad kann aus einem oder mehreren linearen Segmenten und/oder einem oder mehreren gekrümmten Segmenten zusammengesetzt sein. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, die Ausgangsleistung, die Strahlform und/oder das Strahlparameterprodukt des Strahls entlang des Bearbeitungspfades zu verändern. Der Speicher kann mindestens teilweise in der Steuerung und/oder mindestens teilweise extern vorhanden sein (z. B. Netzwerkspeicher, Cloud-Speicher usw.). Das System kann eine Datenbank zum Speichern von Bearbeitungsdaten für eine Vielzahl von Materialien beinhalten. Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, die Datenbank abzufragen, um Bearbeitungsdaten für ein oder mehrere Materialien des Werkstücks zu erhalten, und die Strahlform und/oder das Strahlparameterprodukt des Strahls können mindestens teilweise durch die erhaltenen Bearbeitungsdaten bestimmt werden.
Der Strahlemitter kann eine oder mehrere Strahlquellen beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus einer oder mehreren Strahlquellen, die eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen emittieren, einer Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, ein dispersives Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Abschnitt der dispergierten Strahlen als Eingangslaserstrahl durch ihn hindurch überträgt und einen zweiten Abschnitt der dispergierten Strahlen zurück zum dispersiven Element reflektiert. Der Eingangslaserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Jeder der eigenständigen Strahlen kann eine andere Wellenlänge aufweisen. Der zweite Abschnitt der dispergierten Strahlen kann sich zurück zu der einen oder den mehreren Strahlquellen ausbreiten, um dadurch die Strahlen auf ihre Emissionswellenlängen zu stabilisieren. Die Fokussieroptik kann eine oder mehrere zylindrische Linsen, eine oder mehrere sphärische Linsen, einen oder mehrere sphärische Spiegel und/oder einen oder mehrere zylindrische Spiegel beinhalten oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das dispersive Element kann ein oder mehrere Beugungsgitter (z. B. ein oder mehrere transmissive Gitter und/oder ein oder mehrere reflektierende Gitter), eine oder mehrere dispersive Fasern und/oder ein oder mehrere Prismen beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Die Steuerung kann dazu konfiguriert sein, einen gewünschten Strahlparameter des Ausgangsstrahls zu empfangen und den Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens teilweise darauf basierend zu bestimmen. Der gewünschte Strahlparameter kann das Strahlparameterprodukt und/oder die Strahlform des Ausgangsstrahls beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie den Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens teilweise basierend auf einem erfassten (z. B. gemessenen) Strahlparameter in der Nähe des Ausgangsendes der Glasfaser mit Zellkern bestimmt (z. B. am Ausgangsende, innerhalb eines am Ausgangsende angebrachten Laserkopfes oder auf oder nahe der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks).
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Verändern einer Strahlform und/oder eines Strahlparameterprodukts eines Laserstrahls auf. Es wird eine Glasfaser mit Zellkern bereitgestellt. Die Glasfaser mit Zellkern weist ein Eingangsende und ein Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende auf. Die Glasfaser mit Zellkern beinhaltet, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Vielzahl von Kernbereichen, und einem Zwischenkern-Mantelbereich, der die Kernbereiche umgibt und sich zwischen den Kernbereichen erstreckt. Die Glasfaser mit Zellkern kann einen äußeren Mantel beinhalten, der den Zwischenkern-Mantelbereich umgibt. Der Brechungsindex von mindestens einem (oder sogar jedem) der Kernbereiche ist höher als ein Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs. Ein Eingangslaserstrahl wird über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern entlang eines Pfades darauf gerichtet. Der Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Pfad kann mindestens einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche und mindestens einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Eine Strahlform und/oder ein Strahlparameterprodukt eines am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittierten Ausgangsstrahls wird mindestens teilweise durch den Pfad des Eingangslaserstrahls bestimmt.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der Folgenden in einer Vielfalt von Kombinationen beinhalten. Der Pfad kann eine Vielzahl von Kernbereichen beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls kann moduliert werden, wenn der Eingangslaserstrahl entlang des Pfades gerichtet wird. So kann beispielsweise der Ausgangsleistungspegel des Eingangslaserstrahls unterschiedlich sein, wenn der Eingangslaserstrahl in verschiedene Kernbereiche und/oder in den Zwischenkern-Mantelbereich gerichtet ist. Die Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls kann entlang von Abschnitten des Pfades über den Zwischenkern-Mantelbereich reduziert werden (z. B. auf null oder nahezu auf null oder nur auf eine niedrigere Leistung ungleich null) (d. h. diesen schneiden), wodurch die Einkopplung von Strahlenergie in den Zwischenkern-Mantelbereich reduziert oder im Wesentlichen eliminiert wird. Der Pfad kann den ganzen oder einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Strahlenergie, die in den Zwischenkern-Mantelbereich eingekoppelt ist, kann einen Hintergrundenergiepegel ungleich null zum Ausgangsstrahl beitragen. Der Ausgangsstrahl kann eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Vielzahl von eigenständigen Strahlen kann zu weniger Strahlen (z.B. einem Strahl) in einem Abstand verschmelzen, der vom Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern entfernt ist.
Mindestens zwei der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern können sich in Größe und/oder Form unterscheiden. Der Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs kann größer oder annähernd gleich einem Brechungsindex des äußeren Mantels sein, wenn der äußere Mantel vorhanden ist. Ein Eingangsendverschluss kann am Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern angeordnet sein. Ein Ausgangsendverschluss kann am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern angeordnet sein. Ein Werkstück, das in der Nähe des Ausgangsendes der Glasfaser mit Zellkern angeordnet ist, kann mit dem Ausgangsstrahl bearbeitet werden. Das Strahlparameterprodukt und/oder die Strahlform des Ausgangslaserstrahls können durch Auswahl des Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens teilweise auf der Grundlage einer Eigenschaft des Werkstücks bestimmt werden. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder die Höhe oder Tiefe eines Oberflächenmerkmals auf dem Werkstück beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern kann den Zwischenkern-Mantelbereich der Glasfaser mit Zellkern schneiden. Das Richten des Eingangslaserstrahls entlang des Pfades kann beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus (i) Reflektieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren Reflektoren und/oder (ii) Fokussieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren optischen Elementen.
Der Eingangslaserstrahl kann von einem Strahlemitter emittiert werden. Der Strahlemitter kann eine oder mehrere Strahlquellen beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus einer oder mehreren Strahlquellen, die eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen emittieren, einer Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, ein dispersives Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Anteil der dispergierten Strahlen als Eingangslaserstrahl durch ihn hindurch überträgt und einen zweiten Anteil der dispergierten Strahlen zurück zum dispersiven Element reflektiert. Der Eingangslaserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Jeder der eigenständigen Strahlen kann eine andere Wellenlänge aufweisen. Der zweite Abschnitt der dispergierten Strahlen kann sich zurück zu der einen oder den mehreren Strahlquellen ausbreiten, um dadurch die Strahlen auf ihre Emissionswellenlängen zu stabilisieren. Die Fokussieroptik kann eine oder mehrere zylindrische Linsen, eine oder mehrere sphärische Linsen, einen oder mehrere sphärische Spiegel und/oder einen oder mehrere zylindrische Spiegel beinhalten oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das dispersive Element kann ein oder mehrere Beugungsgitter (z. B. ein oder mehrere transmissive Gitter und/oder ein oder mehrere reflektierende Gitter), eine oder mehrere dispersive Fasern und/oder ein oder mehrere Prismen beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Ein gewünschter Strahlparameter des Ausgangsstrahls kann empfangen werden, und der Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern kann mindestens teilweise basierend auf dem gewünschten Strahlparameter ausgewählt werden. Der gewünschte Strahlparameter kann das Strahlparameterprodukt und/oder die Strahlform des Ausgangsstrahls beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern kann mindestens teilweise basierend auf einem erfassten (z. B. gemessenen) Strahlparameter in der Nähe des Ausgangsendes der Glasfaser mit Zellkern gewählt werden (z. B. am Ausgangsende, innerhalb eines am Ausgangsende angebrachten Laserkopfes oder auf oder nahe der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks).
In noch einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl auf. Es wird eine Glasfaser mit Zellkern bereitgestellt. Die Glasfaser mit Zellkern weist ein Eingangsende und ein Ausgangsende gegenüber dem Eingangsende auf. Die Glasfaser mit Zellkern beinhaltet, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Vielzahl von Kernbereichen, und einem Zwischenkern-Mantelbereich, der die Kernbereiche umgibt und sich zwischen den Kernbereichen erstreckt. Die Glasfaser mit Zellkern kann einen äußeren Mantel beinhalten, der den Zwischenkern-Mantelbereich umgibt. Der Brechungsindex von mindestens einem (oder sogar jedem) der Kernbereiche ist höher als ein Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs. Ein Werkstück ist in der Nähe (z. B. optisch stromabwärts) des Ausgangsendes der Glasfaser mit Zellkern angeordnet oder positioniert. Ein Strahlparameterprodukt und/oder eine Strahlform zum Bearbeiten des Werkstücks wird basierend auf mindestens einer Eigenschaft des Werkstücks bestimmt. Ein Laserstrahl wird auf das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet (um z. B. darauf zu treffen). Danach oder währenddessen wird der Laserstrahl entlang eines Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet, um das Strahlparameterprodukt und/oder die Strahlform des vom Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittierten Laserstrahls auszuwählen. Der Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche beinhalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Der Pfad kann mindestens einen Anteil des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen aus ihm bestehen oder aus ihm bestehen. Der Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche und mindestens einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Werkstück wird mit dem Laserstrahl bearbeitet, der vom Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittiert wird.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der Folgenden in einer Vielfalt von Kombinationen beinhalten. Die Bearbeitung des Werkstücks kann beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder bestehen aus dem physischen Verändern mindestens eines Abschnitts und/oder dem Bilden eines Merkmals auf und/oder in einer Oberfläche des Werkstücks. Die Bearbeitung des Werkstücks kann das Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und/oder Hartlöten beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die mindestens eine Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks und/oder eine Zusammensetzung des Werkstücks und/oder ein Reflexionsvermögen des Werkstücks beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern kann den Zwischenkern-Mantelbereich der Glasfaser mit Zellkern schneiden, und die in den Zellkern-Mantelbereich eingekoppelte Strahlenergie kann (mindestens teilweise) dazu genutzt werden, das Werkstück zu bearbeiten. Das Richten des Laserstrahls entlang des Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern kann (i) das Reflektieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren Reflektoren und/oder (ii) das Fokussieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren optischen Elementen beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Strahlparameterprodukt und/oder die Strahlform des Laserstrahls können während und/oder nach der Bearbeitung des Werkstücks geändert werden, indem der Laserstrahl auf einen zweiten Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet wird, wobei sich der zweite Pfad von dem Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern unterscheidet. Der zweite Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der zweite Pfad kann mindestens einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der zweite Pfad kann einen oder mehrere der Kernbereiche und mindestens einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der zweite Pfad kann dieselben Kernbereiche und/oder Zwischenkern-Mantelbereiche (oder Abschnitte davon) wie der Pfad beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, und die Zeit, die der Strahl benötigt, um einen oder mehrere der Kernbereiche und/oder den Zwischenkern-Mantelbereich zu schneiden, kann im zweiten Pfad unterschiedlich sein. Ein zweites Werkstück, das sich vom ersten Werkstück unterscheidet, kann bearbeitet werden, während der Strahl entlang des zweiten Pfades gerichtet ist. Das zweite Werkstück kann mindestens eine andere Eigenschaft (z. B. Dicke, Zusammensetzung, Reflexionsvermögen usw.) aufweisen, die von der des Werkstücks verschieden ist.
Der Eingangslaserstrahl kann von einem Strahlemitter emittiert werden. Der Strahlemitter kann eine oder mehrere Strahlquellen beinhalten, im Wesentlichen bestehen daraus oder bestehen aus einer oder mehreren Strahlquellen, die eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen emittieren, einer Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, einem dispersiven Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und einem teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Anteil der dispergierten Strahlen als Eingangslaserstrahl durch ihn hindurch überträgt und einen zweiten Anteil der dispergierten Strahlen zurück zum dispersiven Element reflektiert. Der Eingangslaserstrahl kann aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt sein. Jeder der eigenständigen Strahlen kann eine andere Wellenlänge aufweisen. Der zweite Abschnitt der dispergierten Strahlen kann sich zurück zu der einen oder den mehreren Strahlquellen ausbreiten, um dadurch die Strahlen auf ihre Emissionswellenlängen zu stabilisieren. Die Fokussieroptik kann eine oder mehrere zylindrische Linsen, eine oder mehrere sphärische Linsen, einen oder mehrere sphärische Spiegel und/oder einen oder mehrere zylindrische Spiegel beinhalten oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das dispersive Element kann ein oder mehrere Beugungsgitter (z. B. ein oder mehrere transmissive Gitter und/oder ein oder mehrere reflektierende Gitter), eine oder mehrere dispersive Fasern und/oder ein oder mehrere Prismen beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Diese und andere Aufgaben werden zusammen mit den hierin offenbarten Vorteilen und Merkmalen der vorliegenden Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher. Darüber hinaus versteht es sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren können. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ ±10 % und in einigen Ausführungsformen ±5 %. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hierin nichts anderes definiert ist. Trotzdem können derartige andere Materialien zusammen oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Die Ausdrücke „Strahlung“ und „Licht“ werden hierin austauschbar verwendet, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Anordnung eines zweiten Elements anzuzeigen, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element traf, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements ist. „Optischer Abstand“ zwischen zwei Komponenten ist der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich von Lichtstrahlen zurückgelegt wird; der optische Abstand kann - muss aber nicht - dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten entsprechen, aufgrund z. B. von Reflexionen von Spiegeln oder anderen Änderungen in der Ausbreitungsrichtung, denen das Licht ausgesetzt ist, das sich von einer der Komponenten zur anderen bewegt.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten im Allgemeinen auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind auch nicht notwendigerweise maßstabsgerecht; stattdessen liegt die Betonung im Allgemeinen auf der Darstellung der Prinzipien der Erfindung. In der nachstehenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die nachstehenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

die 1A und 1B ein schematisches Querschnittsdiagramm von beispielhaften Glasfasern mit Zellkern gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind;
2 ein schematisches Querschnittsdiagramm einer beispielhaften Glasfaser mit Zellkern gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
3 ein schematisches Diagramm eines Lasersystems ist, das eine Glasfaser mit Zellkern gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet;
4A ein schematisches Querschnittsdiagramm einer beispielhaften Glasfaser mit Zellkern gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
4B zwei verschiedene Eingangsstrahlenpfade darstellt, die entlang der Fläche der Glasfaser von 4A gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung durchlaufen werden können;
5 eine Reihe von zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für einen Eingangsstrahl zeigt, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung entlang eines der in 4B dargestellten Pfade verläuft;
6 eine Reihe von zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für einen Eingangsstrahl zeigt, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung entlang eines der in 4B dargestellten Pfade verläuft;
7 ein schematisches Querschnittsdiagramm einer beispielhaften Glasfaser mit Zellkern gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
die 8A und 8B zwei verschiedene Eingangsstrahlenpfade darstellen, die entlang der Fläche der Glasfaser von 7 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung durchlaufen werden können;
9 eine Reihe von zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für einen Eingangsstrahl zeigt, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung entlang eines in 8A dargestellten Pfades verläuft;
10 eine Reihe von zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für einen Eingangsstrahl zeigt, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung entlang des in 8B dargestellten Pfades verläuft; und
11 ein schematisches Diagramm eines Wellenlängen-Strahlkombinationslasersystems ist, das zur Zuführung des Eingangsstrahls für Laserstrahlabgabesysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann.

Ausführliche Beschreibung
Die 1A und 1B veranschaulichen zwei verschiedene beispielhafte Zellkernfasern 100, 110, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. Wie dargestellt, weist jede Zellkernfaser mehrere verschiedene Kernbereiche 120 auf, die jeweils einen Brechungsindex (z. B. einen Brechungsindex n₀) aufweisen. (Während in diesem Beispiel alle Kernbereiche 120 als den gleichen Brechungsindex aufweisend beschrieben werden, beinhalten Ausführungsformen der Erfindung Implementierungen, bei denen einer oder mehrere der Kernbereiche 120 Brechungsindizes aufweisen, die sich von den anderen Kernbereichen unterscheiden; derartige Brechungsindizes sind im Allgemeinen größer als der Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs und/oder des äußerem Mantels.) Während die Zellkernfasern 100, 110 mit unterschiedlichen Formen und Anzahlen von Kernbereichen 120 (z. B. im Querschnitt für die Faser 100 im Wesentlichen kreisförmig und mit unterschiedlichen Formen (z. B. quadratisch, rechteckig, dreieckig, elliptisch, kreisförmig usw.) für die Faser 110) dargestellt sind, sind diese nur beispielhaft, und die Zellkernfasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können zwei oder mehr Kernbereiche 120 aufweisen, und die Kernbereiche 120 können dieselbe Größe und/oder Form oder verschiedene Größen und/oder Formen aufweisen. Wie hierin verwendet, weist eine „Zellkernfaser“ oder „Glasfaser mit Zellkern“ zwei oder mehr abgegrenzte Kernbereiche auf, die voneinander getrennt und mindestens teilweise von einem Zwischenkern-Mantelbereich umgeben sind, der einen niedrigeren Brechungsindex als der von mindestens einem der Kerne aufweist. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Kernbereiche einer Zellkernfaser nicht koaxial; während einer oder mehrere der Kernbereiche ringförmig sein können, umgibt typischerweise ein Kernbereich keinen der anderen Kernbereiche in der Zellkernfaser.
Zwischen den verschiedenen Kernbereichen 120 ist ein Zwischenkern-Mantelbereich 130 angeordnet, und der Zwischenkern-Mantelbereich 130 weist typischerweise einen Brechungsindex (z. B. einen Brechungsindex n₁ ) auf, der kleiner ist als der von mindestens einem (und in verschiedenen Ausführungsformen allen) der Kernbereiche 120. Die Zellkernfaser 100, 110 kann auch einen äußeren Mantelbereich 140 aufweisen, der die Kernbereiche 120 und den Zwischenkernmantel 130 umgibt, und der äußere Mantelbereich 140 kann einen Brechungsindex (z. B. einen Brechungsindex n₂ ) aufweisen, der kleiner oder ungefähr gleich dem Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs 130 ist. In verschiedenen Ausführungsformen sind ein oder mehrere zusätzliche äußere Mantelbereiche teilweise oder vollständig um den äußeren Mantelbereich 140 angeordnet, und jeder der äußeren Mantelbereiche kann dieselben oder unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Form eines Eingangsstrahls verändert, indem der Strahl schnell zwischen verschiedenen Kernbereichen 120 einer Zellkernfaser (z. B. Faser 100, Faser 110 oder einer anderen Zellkernfaser) gesteuert wird. Die Bewegung des Eingangsstrahls in verschiedenen Mustern (d. h. zwischen verschiedenen der Kernbereiche 120) generiert Ausgangsstrahlen aus der Glasfaser mit unterschiedlichen Strahlformen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Form des Eingangsstrahls verändert werden, indem der Strahl in unterschiedlich geformte Kernbereiche der Zellkernfaser 110 gerichtet wird. Die Form des(der) Kernbereichs(-bereiche), in den(die) der Eingangsstrahl gerichtet ist, hilft, die Form des von der Glasfaser emittierten Ausgangsstrahls zu bestimmen. In verschiedenen Ausführungsformen ist die in den Zwischenkern-Mantelbereich 130 gerichtete Strahlenergie (z. B. wenn der Strahl zwischen verschiedenen Kernbereichen 120 bewegt wird) im Zwischenkern-Mantelbereich 130 mindestens teilweise eingeschlossen, insbesondere in Ausführungsformen, bei denen der Brechungsindex n₂ des äußeren Mantelbereichs 140 kleiner ist als der Brechungsindex n₁ des Zwischenkern-Mantelbereichs 130. Eine derartige Strahlleistung, die in den Zwischenkern-Mantelbereich 130 eingekoppelt ist, führt typischerweise zu einem Hintergrundleistungspegel ungleich null am Ausgang. Dieser Hintergrundleistungspegel kann das BPP des endgültigen Ausgangsstrahls variieren, was bei verschiedenen unterschiedlichen Anwendungen des Ausgangsstrahls (z. B. bei Materialprozessen wie Schneiden oder Schweißen) wünschenswert sein kann.
2 veranschaulicht eine weitere beispielhafte Zellkernfaser 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die Zellkernfaser 200 ist ein Faserbündel, in dem mehrere eigenständige Glasfasern 210, die jeweils mindestens einen Kernbereich 220 aufweisen, der von einem Mantelbereich 230 umgeben ist, über ein „Zwischenkern-“ oder Zwischenfasermaterial 240 gebündelt sind, das ein für Licht zumindest teilweise transparentes Material beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus diesem bestehen kann (z. B. Licht, das durch die Fasern 210 geleitet wird). So kann das Zwischenfasermaterial 240 zum Beispiel Epoxy, Glas, Kunststoff usw. enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Wie in 2 dargestellt, kann das Faserbündel 200 mindestens teilweise (z. B. an seinem äußeren Umfang) von einer Aderendhülse 250 umgeben sein, die Glas und/oder Metall beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann. Die verschiedenen Einzelfasern 210 des Faserbündels 200 weisen in verschiedenen Ausführungsformen unterschiedliche Größen und/oder Formen und/oder Anzahlen von Kernbereichen 220 auf. In verschiedenen Ausführungsformen wird die Emission des Eingangsstrahls in das Zwischenfasermaterial 240 vermieden, da diese Strahlleistung typischerweise verloren geht (d. h. nicht als Teil des Ausgangsstrahls aus dem Faserbündel 200 emittiert wird) und sogar das Faserbündel 200 selbst beschädigen kann. Beispielhafte Faserbündel und Systeme, die sie verwenden, sind auch in der am 9. November 2017 eingereichten U.S. Patentanmeldung, Seriennummer 15/807,795 , beschrieben, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
In verschiedenen Ausführungsformen können eine oder mehrere der Fasern 200 abgestuft ummantelte Glasfasern sein, wie sie in der am 5. April 2017 eingereichten US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 15/479,745 („der 745er Anmeldung“), näher beschrieben sind, deren gesamte Offenbarung durch Verweis in diesem Dokument enthalten ist. Wie in der 745er Anmeldung beschrieben, kann eine abgestuft ummantelte Glasfaser einen Mittelkern, einen ersten Mantel, der den Mittelkern umgibt, einen Ringkern, der den ersten Mantel umgibt, und einen zweiten Mantel, der den Ringkern umgibt, beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Verschiedene Eigenschaften des ersten Mantels können eine BPP-Variante mindestens teilweise basierend auf der in den ersten Mantel eingekoppelten Leistung ermöglichen. Andere BPP- und/oder Strahlformvarianten können basierend auf der Leistung erreicht werden, die in andere Abschnitte der abgestuft ummantelten Glasfaser entweder zusätzlich oder anstelle des ersten Mantels eingekoppelt ist. Wie in der 745er Anmeldung beschrieben, hat der Brechungsindex (N₂) des ersten Mantels einer abgestuft ummantelten Faser einen Wert zwischen einem hohen Index N₁ (z. B. des Mittelkerns und/oder des Ringkerns) und einem niedrigen Index N₃ (z. B. des zweiten Mantels), so dass der Mittelkern eine kleinere nummerische Apertur (NA), angegeben mit sqrt(N₁ ² - N₂ ²), als die NA des Ringkerns, angegeben mit sqrt(N₁ ²-N₃ ², aufweist. Während in verschiedenen Ausführungsformen der Mittelkern und ein Ringkern der abgestuft ummantelten Glasfaser annähernd gleichwertig zueinander sind, kann sich in verschiedenen Ausführungsformen der Brechungsindex des Ringkerns von dem Brechungsindex des Mittelkerns unterscheiden (d. h. entweder kleiner oder größer als dieser sein); im Allgemeinen bleibt der Brechungsindex des Ringkerns jedoch größer als der Brechungsindex des ersten Mantels. In verschiedenen Ausführungsformen, wie in der 745er Anmeldung offenbart, kann der Ringkern denselben Brechungsindex wie der erste Mantel aufweisen, d. h. der Ringkern geht in den ersten Mantel über. Bei abgestuft ummantelten Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann im Wesentlichen die gesamte oder die gesamte Laserleistung in den ersten Mantel eingekoppelt sein. Mehr in den ersten Mantel eingekoppelte Leistung führt im Allgemeinen zu einem größeren BPP. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Durchmesserverhältnis des ersten Mantels und des Mittelkerns größer als 1,2 und liegt z. B. zwischen 1,2 und 3, oder sogar zwischen 1,3 und 2.
Gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die verschiedenen Kern-, Zwischenkernmantel- und äußeren Mantelschichten von Glasfasern Glas enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, wie beispielsweise im Wesentlichen aus reinem Quarzglas und/oder Quarzglas, das mit Fluor, Titan, Germanium und/oder Bor dotiert ist. Die Auswahl der geeigneten Materialien, um die gewünschten Brechungsindizes in verschiedenen Abschnitten der Glasfasern zu erreichen, kann von Fachleuten ohne übermäßiges Experimentieren durchgeführt werden.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Lasersystem 300, das Zellkernfaser gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet. Wie dargestellt, beinhaltet das Lasersystem 300 eine Zellkernfaser 305. Ein Laserstrahl 310 wird von einem Reflektor 315 (z. B. einem oder mehreren Spiegeln) umgerichtet und über ein optisches Element 320 in die Faser 305 eingekoppelt. Das optische Element 320 kann beispielsweise eine oder mehrere Linsen (z. B. zylindrische und/oder sphärische Linsen) beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Wie dargestellt, können ein oder beide Enden der Faser 305 über einen Endverschluss 325 (z. B. einen Glasblock) abgeschlossen werden. Eine oder mehrere Oberflächen einer oder beider Endverschlüsse 325 und/oder der Faser 305 (z. B. in Ausführungsformen, in denen einer oder beide Endverschlüsse 325 nicht vorhanden sind) können mit einer Antireflexbeschichtung versehen werden. Die Endverschlüsse 325 können Längen von z. B. mindestens 5 mm aufweisen. Die Längen der Endverschlüsse 325 können z. B. 50 mm oder weniger betragen.
Die Zellkernfaser 305 verändert die Form und/oder das BPP des Strahls 310, wie hier näher beschrieben, und gibt einen Ausgangsstrahl 330 beispielsweise in einen Laserkopf 335 aus. Der Laserkopf 335 kann beispielsweise zusätzliche Fokussieroptiken und/oder Positionierer beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, die verwendet werden, wenn der Ausgangsstrahl 330 für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen (z. B. Schneiden, Schweißen usw.) verwendet wird. Der Laserstrahl 310 kann ein Mehrwellenlängenstrahl sein und kann von einem WBC-System erzeugt werden, wie nachfolgend beschrieben; daher ist der Ausgangsstrahl 330 in verschiedenen Ausführungsformen auch ein Mehrwellenlängenstrahl. Der Laserkopf 335 kann den Ausgangsstrahl auf ein Werkstück richten, um es zu bearbeiten. In weiteren Ausführungsformen entfällt der Laserkopf 335 und der Ausgangsstrahl wird direkt von der Faser 305 auf ein Werkstück gerichtet.
In verschiedenen Ausführungsformen verschiebt die Bewegung des Reflektors 315 den Strahl 310 so, dass er in einen oder mehrere der Kernbereiche (und/oder in den Zwischenkernmantel) der Zellkernfaser 305 gerichtet ist. So kann beispielsweise der Reflektor 315 als Reaktion auf einen oder mehrere Stellantriebe 345 um einen Pfad 340 kippbar (z. B. gedreht) eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Reflektor 315 innerhalb des Strahlenpfades verschoben werden, um den Strahl 310 in verschiedene Bereiche der Faser 305 zu richten. In verschiedenen Ausführungsformen kann das System einen verformbaren Reflektor 315 dazu verwenden, den Strahl zu richten, wie in der am 26. Februar 2015 eingereichten US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 14/632,283, näher beschrieben, deren gesamte Offenbarung durch Verweis in diesem Dokument enthalten ist.
Der Strahl 310 kann mit einer Strahltranslationsgeschwindigkeit von z. B. mehr als etwa 10 mm/s oder sogar mehr als etwa 100 mm/s in verschiedene der Kernbereiche (und/oder in den Zwischenkernmantel) verschoben werden. Die Strahltranslationsgeschwindigkeit kann beispielsweise von der Betriebsgeschwindigkeit des Stellantriebs 345 und/oder der Brennweite(n) des optischen Elements 320 abhängig sein. Wie vorstehend erwähnt, kann die Ausgangsleistung des Strahls während der Translation des Strahls 310 moduliert werden. So kann beispielsweise die Ausgangsleistung reduziert oder sogar auf fast oder annähernd null reduziert werden, wenn der Strahl den Zwischenkern-Mantelbereich durchläuft, um die Einkopplung in den Zwischenkern-Mantelbereich zu minimieren. In anderen Ausführungsformen wird die Ausgangsleistung auf etwa demselben Pegel gehalten, wenn der Strahl von einem oder mehreren Kernbereichen in den Zwischenkernmantel verschoben wird, um mehr Strahlleistung in den Zwischenkernmantel einzukoppeln. Die Ausgangsleistung des Strahls 310 kann auch geändert (d. h. erhöht oder verringert) werden, wenn der Strahl in verschiedene der Kernbereiche der Faser 305 gerichtet wird. Zusätzlich oder stattdessen kann die Zeitspanne, in der der Strahl in einen bestimmten Bereich der Zellkernfaser 305 gerichtet wird (z. B. einen oder mehrere der Kernbereiche und/oder den Zwischenkern-Mantelbereich), variiert werden, so dass der zeitgemittelte Leistungspegel, der in diese Bereiche eingekoppelt ist, unterschiedlich ist.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der Stellantrieb 345 ein zweiachsiger Stellantrieb, der in der Lage ist, den Reflektor 315 entlang zweier verschiedener Achsen (z. B. senkrechte x- und y-Achsen) zu neigen und/oder zu bewegen. In einer Ausführungsform wird der Spiegel in Winkeln von θx und θy gedreht, was den Fokuspunkt des Strahls 310 auf der Eingangsfläche der Faser 305 um einen Betrag θx×f in x-Richtung und θy×f in y-Richtung verschiebt, wobei die x- und y-Richtungen senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung stehen und f die Brennweite des optischen Elements 320 ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können mehrere verschiedene Stellantriebe und/oder mehrere verschiedene Reflektoren verwendet werden, um den Strahl 310 zu verschieben, und jeder Stellantrieb und/oder jeder Reflektor kann die Translation entlang einer einzelnen Achse oder Richtung steuern. In verschiedenen Ausführungsformen kann das optische Element 320 zusätzlich oder anstelle des Reflektors 315 bewegt werden, um den Strahl 310 über der Eingangsfläche der Faser 305 zu verschieben. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Eingangsfläche der Faser 305 (z. B. der Eingangsendverschluss 325) selbst zusätzlich oder anstelle der vom Reflektor 315 und/oder dem optischen Element 320 ausgeführten Bewegung verschoben werden, um den Strahl 310 über der Eingangsfläche der Faser 305 zu verschieben.
Lasersysteme gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können eine Steuerung 350 beinhalten, die die Bewegung des Laserstrahls 310 zwischen den verschiedenen Kernbereichen und/oder dem Zwischenkernmantel der Zellkernfaser 305 steuert. So kann beispielsweise die Steuerung die Bewegung (z. B. Rotation und/oder Querbewegung) des Reflektors 315 und/oder des optischen Elements 320 (z. B. über ein oder mehrere Stellantriebe 345) steuern, um den Laserstrahl 310 in verschiedene der Kernbereiche und/oder in den Zwischenkernmantel zu richten. Die Steuerung 350 kann auch die Eingangsenden der Faser 104 zusätzlich zum oder anstelle des Steuerns des Reflektors 315 und/oder des optischen Elements 320 bewegen, um den Laserstrahl 310 in verschiedene Kernregionen und/oder in den Zwischenkernmantel einzukoppeln. Die Steuerung 350 kann auch die Ausgangsleistung des Strahls 310 in Abhängigkeit von der Position des Strahls in Bezug auf die Faser 305 modulieren, um beispielsweise das Ausmaß der in verschiedene Bereiche der Faser 305 eingekoppelten Strahlleistung zu steuern. Die Steuerung 350 kann auch die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen der Zellkernfaser 305 und dem Reflektor 315 und/oder dem optischen Element 320 verändern, um das Ausmaß der in verschiedene Bereiche der Faser 305 gekoppelten Leistung in Abhängigkeit von der Zeit zu variieren.
Die Steuerung 350 kann entweder als Software, Hardware oder eine Kombination davon bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das System auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Server-Klasse implementiert sein, wie z. B. einem PC mit einer CPU-Platine, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie z. B. die von Intel Corporation aus Santa Clara, Kalifornien, hergestellte Pentium- oder Celeron-Prozessorfamilie, die von der Motorola Corporation aus Schaumburg, Illinois, hergestellte 680x0- und POWER-PC-Prozessorfamilie und/oder die von Advanced Micro Devices, Inc., aus Sunnyvale, Kalifornien, hergestellte ATHLON-Prozessorreihe. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten, die sich auf die vorstehend beschriebenen Verfahren beziehen, beinhalten. Der Speicher kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-LeseSpeicher (ROM) und/oder FLASH-Speicher beinhalten, der sich auf allgemein verfügbarer Hardware befindet, wie z. B. einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speichern (EEPROM), programmierbaren Nur-Lese-Speichern (PROM), programmierbaren Logikeinrichtungen (PLD) oder Nur-Lese-Speichereinrichtungen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme unter Verwendung von externem RAM und/oder ROM bereitgestellt werden, wie etwa optischen Platten, Magnetplatten sowie anderen üblicherweise verwendeten Speichereinrichtungen. Für Ausführungsformen, bei denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme zur Verfügung gestellt werden, können die Programme in einer beliebigen aus einer Reihe von Hochsprachen geschrieben werden, wie z. B. FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C ++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen, und/oder HTML. Zusätzlich kann die Software in einer Assemblersprache implementiert sein, die an den auf einem Zielcomputer befindlichen Mikroprozessor gerichtet ist; zum Beispiel kann die Software in der Assemblersprache Intel 80x86 implementiert werden, wenn sie für die Ausführung auf einem IBM-PC oder einem PC-Klon konfiguriert ist. Die Software kann in einem Produktionsartikel verkörpert sein, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einer Diskette, einem USB-Stick, einer Festplatte, einer optischen Platte, einem Magnetband, einem PROM, einem EPROM, einem EEPROM und einem feldprogrammierbaren Gate-Array oder einer CD-ROM.
Die Steuerung 350 kann eine geeignete Position des Eingangslaserstrahls relativ zu der Faserstirnfläche berechnen basierend auf einem gewünschten Wert einer Strahleigenschaft (z. B. Flussdichte, Strahldurchmesser, Strahlform, usw.) an einem Werkstück oder am Laserkopf 335 und einer bekannten Beziehung zwischen der Strahleigenschaft und der Position des Strahls relativ zu der Faserstirnfläche (z. B. einem oder mehreren von den Kernregionen und/oder dem Zwischenkernmantel); und/oder basierend auf Benutzereingabe (z. B. einem vorgegebenen Grad von Überlappung mit oder Position auf der Faserstirnfläche oder einem Abschnitt davon (z. B. einem oder mehreren Kernen oder Zwischenkernmänteln)); und/oder kann, wie im Folgenden näher erläutert, Rückkopplung verwenden, so dass die optimale Ausrichtung zwischen dem Strahl und der Faserstirnfläche schrittweise erreicht wird. So kann beispielsweise ein Fotodetektor oder ein anderer Lichtsensor in der Nähe des Werkstücks verwendet werden, um die Strahlform, den Strahldurchmesser, BPP, und/oder die Flussdichte an der Werkstückoberfläche zu überwachen (z. B. die Strahleigenschaft des Strahls selbst oder durch Messung einer Reflexion von der Werkstückoberfläche), und die Steuerung 350 kann den/die Messwert(e) als Rückmeldung verwenden, um die Positionierung des Eingangsstrahls relativ zum Faserende einzustellen, bis die gewünschte Strahleigenschaft am Werkstück erreicht ist. So kann beispielsweise die gemessene Strahleigenschaft iterativ mit einer gewünschten Strahleigenschaft verglichen werden (z. B. einer Eingabe oder anderweitig von einem Benutzer bestimmt, und/oder bestimmt durch eine oder mehrere Eigenschaften des Werkstücks und/oder die Art der Bearbeitung, für die der Laser verwendet werden soll), und die Steuerung 350 kann die Differenz dazwischen reduzieren oder minimieren, z. B. durch Minimierung einer Fehlerfunktion. In Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich oder anstelle von Lichtsensoren weitere Sensoren verwendet werden, z. B. Thermosensoren und/oder Sensoren, die die Wirkung des Strahls auf die Werkstückoberfläche messen (z. B. Tiefen- oder Profilsensoren, usw.).
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung 350 die Strahlform und/oder BPP (oder eine andere Strahleigenschaft) erfassen, die sich aus verschiedenen Pfaden ergibt, die auf den Flächen verschiedener Glasfasern mit Zellkern durchlaufen werden, die Ergebnisse speichern und die Ergebnisse nutzen, um einen oder mehrere geeignete Pfade als Reaktion auf eine gewünschte Strahleigenschaft wie Strahlform oder BPP zu bestimmen. Die Ergebnisse können sogar in einem Modell für maschinelles Lernen verwendet werden, das dazu verwendet werden kann, eine oder mehrere Strahleigenschaften vorherzusagen, die sich aus möglichen Pfaden ergeben, die von einem Laserstrahl auf einer gegebenen Glasfaser mit Zellkern durchlaufen werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die physikalisch-optische Modellierung dazu verwendet werden, eine oder mehrere Strahleigenschaften (z. B. Strahlform und/oder BPP) vorherzusagen, die sich aus verschiedenen Pfaden ergeben, die auf einer Vielzahl von verschiedenen Zellkernfasern durchlaufen werden, und solche Ergebnisse können zumindest teilweise von der Steuerung 350 verwendet werden, um einen Pfad zum Erreichen einer gewünschten Strahleigenschaft auszuwählen.
4A ist ein schematischer Querschnitt einer beispielhaften Zellkernfaser 400 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, weist diese Beispielfaser 400 sieben verschiedene Kernbereiche 120 auf, die in im Wesentlichen gleichen Abständen voneinander beabstandet sind, was einem Kernabstand 410 entspricht. Die Kernbereiche 120 sind von einem Zwischenkernmantel 130 umgeben, der wiederum von einer äußeren Mantelschicht oder einer Aderendhülse 140 umschlossen ist. In den unten aufgeführten Beispielen hat jeder Kern 120 einen Durchmesser von 100 µm, der Zwischenkernabstand 410 beträgt 150 µm, der Zwischenkernmantel 130 hat einen Durchmesser von 500 µm und eine nummerische Apertur von 0,12, und der äußere Mantel 140 hat einen Außendurchmesser von 600 µm und eine nummerische Apertur von 0,22. 4B zeigt zwei verschiedene beispielhafte Strahlenpfade, die zur Demonstration von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der erste ist ein „Pfeil“-Pfad 420, der zwischen dem mittleren Kernbereich 120 und den beiden Kernbereichen 120 angrenzend an und etwas unterhalb des mittleren Kernbereichs 120 verläuft. Der zweite Pfad ist ein „Ring“-Pfad 430, der zwischen den äußeren sechs Kernbereichen 120 verläuft.
5 veranschaulicht eine Reihe von simulierten zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für die beispielhafte Ausführungsform, bei der der Eingangsstrahl entlang des in 4B veranschaulichten Pfeilpfades 420 bewegt wird. In den simulierten Bildern ist der Laser ein 4kW WBC-Laser mit einem BPP von etwa 4 mm-mrad, wenn er in eine herkömmliche 100 µm-Glasfaser eingekoppelt wird. Das Bild ganz links veranschaulicht den Eingangsstrahl, der sich entlang des Pfeilpfades 420 bewegt, und die übrigen Bilder zeigen den resultierenden Ausgangsstrahl an der Austrittsfläche der Faser 400 und in zunehmenden Abständen vom Faserausgang. Wie dargestellt, bleibt die Laserleistung im Lauf der Zeit im Wesentlichen konstant, da der Laserstrahl von einem Kernbereich 120 zum anderen bewegt wird; somit wird ein Teil der Laserleistung in den Zwischenkern-Mantelbereich 130 eingekoppelt. Diese in den Zwischenkern-Mantelbereich 130 eingekoppelte Leistung zeigt sich in den übrigen Bildern als ein Hintergrund-Ausgangsleistungspegel ungleich null. Wie in 5 dargestellt, tritt der Ausgangsstrahl aus der Faser 400 als drei eigenständige Strahlen hervor, die über den Faserausgang hinaus zu einem einzigen geformten Strahl verschmelzen. Auf diese Weise wurden sowohl die Form als auch das BPP des Eingangsstrahls durch Steuerung des Strahls entlang des Pfades 420 verändert, um den gewünschten Ausgangsstrahl zu bilden, der z. B. zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden kann. So beträgt beispielsweise in 5 die geschätzte effektive Fleckgröße des Strahls am Faserausgang etwa 450 µm im Durchmesser und das BPP des Strahls am Faserausgang etwa 18 mm-mrad.
6 veranschaulicht eine Reihe von simulierten zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für die beispielhafte Ausführungsform, bei der der Eingangsstrahl entlang des in 4B veranschaulichten Ringpfades 430 bewegt wird. In den simulierten Bildern ist der Laser ein 4kW WBC-Laser mit einem BPP von etwa 4 mm-mrad, wenn er in eine herkömmliche 100 µm-Glasfaser eingekoppelt wird. Das Bild ganz links veranschaulicht den Eingangsstrahl, der sich entlang des Ringpfades 430 bewegt, und die übrigen Bilder zeigen den resultierenden Ausgangsstrahl an der Austrittsfläche der Faser 400 und in zunehmenden Abständen vom Faserausgang. Wie dargestellt, wird die Laserleistung am Eingang moduliert, um zu verhindern, dass nennenswerte Leistung in den Zwischenkern-Mantelbereich 130 eingekoppelt wird. Das heißt, dass die Ausgangsleistung des Lasers auf null reduziert wird, wenn der Laserstrahl den Zwischenkern-Mantelbereich 130 kreuzt, wenn er von einem Kernbereich 120 zum anderen verläuft. Wie in 6 dargestellt, tritt der Ausgangsstrahl aus der Faser 400 als sechs eigenständige Strahlen hervor, die über den Faserausgang hinaus zu einem einzigen geformten Strahl verschmelzen. Auf diese Weise wurden sowohl die Form als auch das BPP des Eingangsstrahls durch Steuerung des Strahls entlang des Pfades 430 verändert, um den gewünschten Ausgangsstrahl zu bilden, der z. B. zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet werden kann. So beträgt beispielsweise in 6 die geschätzte effektive Fleckgröße des Strahls am Faserausgang etwa 365 µm im Durchmesser und das BPP des Strahls am Faserausgang etwa 14 mm-mrad.
7 ist ein schematischer Querschnitt einer beispielhaften Zellkernfaser 700 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, hat die Faser 700 acht verschiedene äußere Kernbereiche 710, die einen inneren (oder mittleren) Kernbereich 720 mit einem größeren Durchmesser umgeben. Die Kernbereiche 710, 720 sind von einem Zwischenkernmantel 130 umgeben, der wiederum von einer äußeren Mantelschicht 140 umschlossen ist. Der Mittelpunkt des inneren Kernbereichs 720 ist von den Mittelpunktpunkten jedes der äußeren Kernbereiche 710 durch einen Abstand 730 getrennt. In den unten aufgeführten Beispielen hat jeder Außenkern 710 einen Durchmesser von 100 µm, der Innenkern 720 einen Durchmesser von 500 µm, der Abstand 730 von der Mitte des Innenkerns zu einem der Außenkerne 350 µm und der Zwischenkernmantel 130 einen Außendurchmesser von 900 µm. Die 8A und 8B zeigen zwei verschiedene beispielhafte Strahlenpfade, die zur Demonstration von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der in 8A dargestellte erste Pfad 800 ist ein Pfad, der zwischen dem mittleren Kernbereich 720 und zwei der äußeren Kernbereiche 710 verläuft. Wie die gestrichelte Linie zeigt, wird die Laserleistung minimiert oder im Wesentlichen ausgeschaltet, wenn der Strahl den Zwischenkern-Mantelbereich 130 kreuzt. Der zweite Pfad 810, der in 8B dargestellt ist, ist ähnlich dem Pfad 800 von 8A, mit der Ausnahme, dass die Laserleistung ebenfalls reduziert oder minimiert wird, wenn sich der Laserstrahl in oder nahe der Mitte des mittleren Kerns 720 befindet.
9 veranschaulicht eine Reihe von simulierten zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für die beispielhafte Ausführungsform, bei der der Eingangsstrahl entlang des in 8A veranschaulichten Pfades 800 bewegt wird. In den simulierten Bildern ist der Laser ein 4kW WBC-Laser mit einem BPP von etwa 4 mm-mrad, wenn er in eine herkömmliche 100 µm-Glasfaser eingekoppelt wird. Das Bild ganz links veranschaulicht den Eingangsstrahl, der sich entlang des Pfades 800 bewegt, und die übrigen Bilder zeigen den resultierenden Ausgangsstrahl an der Austrittsfläche der Faser 700 und in zunehmenden Abständen vom Faserausgang. Wie dargestellt, wird die Laserleistung mindestens zeitgemittelt verringert, wenn der Eingangsstrahl in die beiden äußeren Kernbereiche 710 relativ zum Leistungspegel, der in den mittleren Kernbereich 720 eingekoppelt ist, eingekoppelt wird (d. h. die Ausgangsleistung des Strahls und/oder die über den äußeren Kernbereichen 710 verbrachte Zeitdauer kann geringer sein als wenn der Strahl in den mittleren Kernbereich 720 gerichtet ist). Wenn der Ausgangsstrahl aus dem Faserausgang austritt, tritt er als großer Primärstrahl, begleitet von zwei kleinen ³Pilotstrahlen“, aus. Derartige Pilotstrahlen können bei Anwendungen wie dem Schweißen für die zu bearbeitenden Vorwärmbereiche und/oder zum Führen des Primärstrahls von Vorteil sein. Wie dargestellt, weist der Primärstrahl eine hohe Ausgangsleistung in seiner Mitte auf, und die Ausgangsleistung nimmt in Richtung der Ränder des Primärstrahls ab. So beträgt beispielsweise in 9 die geschätzte effektive Fleckgröße des Strahls am Faserausgang etwa 490 µm im Durchmesser und das BPP des Strahls am Faserausgang etwa 20 mm-mrad.
10 veranschaulicht eine Reihe von simulierten zeitgemittelten Strahlformen der Eingangs- und Ausgangslaserstrahlen für die beispielhafte Ausführungsform, bei der der Eingangsstrahl entlang des in 8B veranschaulichten Pfades 810 bewegt wird. In den simulierten Bildern ist der Laser ein 4kW WBC-Laser mit einem BPP von etwa 4 mm-mrad, wenn er in eine herkömmliche 100 µm-Glasfaser eingekoppelt wird. Das Bild ganz links veranschaulicht den Eingangsstrahl, der sich entlang des Pfades 810 bewegt, und die übrigen Bilder zeigen den resultierenden Ausgangsstrahl an der Austrittsfläche der Faser 700 und in zunehmenden Abständen vom Faserausgang. Wie dargestellt, wird die Laserleistung mindestens zeitgemittelt verringert, wenn der Eingangsstrahl in die beiden äußeren Kernbereiche 710 eingekoppelt wird. Wenn der Ausgangsstrahl aus dem Faserausgang austritt, tritt er als großer Primärstrahl mit zwei kleinen Pilotstrahlen aus. Wie dargestellt, ist die Ausgangsleistung des Primärstrahls am und unmittelbar nach dem Faseraustritt im Wesentlichen gleichmäßig, d. h. der Primärstrahl weist eine flache Strahlform auf, was für viele Anwendungen wie Schweißen, Beschichten usw. von Vorteil sein kann. In 10 beträgt die geschätzte effektive Fleckgröße des Strahls am Faserausgang etwa 495 µm im Durchmesser, und das BPP des Strahls am Faserausgang etwa 20 mm-mrad.
Die Steuerung 350 kann gemäß den Ausführungsformen der Erfindung das BPP und/oder die Strahlform des Ausgangsstrahls basierend auf der Art der gewünschten Bearbeitung (z. B. Schneiden, Schweißen usw.) und/oder auf einer oder mehreren Eigenschaften (z. B. Materialparameter, Dicke, Materialart usw.) des zu bearbeitenden Werkstücks und/oder einem für den Ausgangsstrahl festgelegten gewünschten Bearbeitungspfad steuern. Derartige Prozess- und/oder Materialparameter können von einem Benutzer aus einer gespeicherten Datenbank in einem der Steuerung 350 zugeordneten Speicher ausgewählt oder über eine Eingabevorrichtung (z. B. Touchscreen, Tastatur, Zeigevorrichtung wie eine Computermaus usw.) eingegeben werden. Ein oder mehrere Bearbeitungspfade können von einem Benutzer bereitgestellt und in einem Onboard- oder Remote-Speicher gespeichert werden, der der Steuerung 350 zugeordnet ist. Nach der Auswahl von Werkstück und/oder Bearbeitungspfad fragt die Steuerung 350 die Datenbank nach den entsprechenden Parameterwerten ab. Die gespeicherten Werte können ein BPP und/oder eine für das Material geeignete Strahlform und/oder eine(n) oder mehrere Bearbeitungspfade oder Bearbeitungspositionen auf dem Material beinhalten.
Wie in der Plotter- und Scantechnik hinlänglich bekannt, kann die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem gewünschten Strahlenpfad beispielsweise durch optische Ablenkung des Strahls mittels eines beweglichen Spiegels, physischer Bewegung des Lasers mittels eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder einer mechanischen Anordnung zum Bewegen des Werkstücks anstelle vom (oder zusätzlich zum) Strahl erzeugt werden. Die Steuerung 350 kann in einigen Ausführungsformen eine Rückmeldung über die Position und/oder Bearbeitungseffizienz des Strahls in Bezug auf das Werkstück von einer Rückmeldeeinheit empfangen, die mit geeigneten Überwachungssensoren verbunden ist. Als Reaktion auf Signale von der Rückmeldeeinheit kann die Steuerung 350 den Pfad, das BPP und/oder die Form des Strahls verändern, z. B. durch Bewegung des Eingangsstrahls 310 zu einer oder mehreren verschiedenen Positionen auf der Fläche der Glasfaser mit Zellkern. Ausführungsformen der Erfindung können auch Aspekte der in der am 5. März 2015 eingereichten US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 14/639,401, der am 9. September 2016 eingereichten US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 15/261,096, und der am 14. Juli 2017 eingereichten US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 15/649,841, enthalten, deren gesamte Offenbarung jeweils durch Verweis in dieses Dokument aufgenommen ist.
Darüber hinaus kann das Lasersystem ein oder mehrere Systeme zum Erfassen der Dicke des Werkstücks und/oder der Höhe von Merkmalen darauf beinhalten. So kann beispielsweise das Lasersystem Systeme (oder Komponenten davon) zur interferometrischen Tiefenmessung des Werkstücks enthalten, wie sie in der am 1. April 2015 eingereichten US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 14/676,070, näher beschrieben sind, deren gesamte Offenbarung durch Verweis in diesem Dokument enthalten ist. Diese Tiefen- oder Dickeninformationen können von der Steuerung dazu verwendet werden, den Ausgangsstrahl BPP und/oder die Form zu steuern, um die Bearbeitung (z. B. Schneiden oder Schweißen) des Werkstücks zu optimieren, z. B. gemäß den Aufzeichnungen in der Datenbank, die der Art des zu bearbeitenden Materials entsprechen.
Lasersysteme und Laserabgabesysteme gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden und hierin ausführlich beschriebenen Erfindung können in und/oder mit WBC-Lasersystemen verwendet werden. Insbesondere können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Multiwellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Lasersystemen als Eingangsstrahlen für Laserstrahlabgabesysteme zum Variieren von BPP und/oder Strahlform wie hierin beschrieben verwendet werden. 11 zeigt ein beispielhaftes WBC-Lasersystem 1100, das einen oder mehrere Laser 1105 verwendet. Im Beispiel von 11 weist der Laser 1105 einen Diodenbarren mit vier Strahlemittern auf, die Strahlen 1110 emittieren (siehe vergrößerte Eingangsansicht 1115), aber Ausführungsformen der Erfindung können Diodenbarren verwenden, die eine beliebige Anzahl von Einzelstrahlen oder zweidimensionale Arrays oder Stapel von Dioden oder Diodenbarren emittieren. In der Ansicht 1115 ist jeder Strahl 1110 durch eine Linie angezeigt, wobei die Länge oder längere Dimension der Linie die langsame divergierende Dimension des Strahls darstellt und die Höhe oder kürzere Dimension die schnell divergierende Dimension darstellt. Eine Kollimationsoptik 1120 kann dazu verwendet werden, jeden Strahl 1110 entlang der schnellen Dimension zu kollimieren. Transformationsoptik(en) 1125, die eventuell eine oder mehrere zylindrische oder sphärische Linsen und/oder Spiegel beinhalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, werden verwendet, um jeden Strahl 1110 entlang einer WBC-Richtung 1130 zu kombinieren. Die Transformationsoptik 1125 überlappt dann den kombinierten Strahl auf ein dispersives Element 1135 (das z. B. ein reflektierendes oder transmissives Beugungsgitter, ein dispersives Prisma, ein Grisma (Prisma/Gitter), ein Transmissionsgitter oder ein Echehe-Gitter beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen kann), und der kombinierte Strahl wird dann als einzelnes Ausgangsprofil auf einen Ausgangskoppler 1140 übertragen. Der Ausgangskoppler 1140 sendet dann die kombinierten Strahlen 1145, wie in der Ausgangsfrontansicht 1150 dargestellt. Der Ausgangskoppler 1140 ist typischerweise teilreflektierend und dient als gemeinsame Frontfacette für alle Laserelemente in diesem externen Hohlraumsystem 1100. Ein externer Hohlraum ist ein System mit Lasertätigkeit, bei dem der Sekundärspiegel in einem Abstand von der Emissionsblende oder -facette jedes Laseremitters versetzt ist. In einigen Ausführungsformen sind zusätzliche Optiken zwischen der Emissionsblende oder -facette und dem Ausgangskoppler oder der teilweise reflektierenden Oberfläche angeordnet. Der Ausgangsstrahl 1145 ist also ein Strahl mit mehreren Wellenlängen (der die Wellenlängen der einzelnen Strahlen 1110 kombiniert) und kann als Eingangsstrahl in den hierin beschriebenen Laserstrahlabgabesystemen verwendet und/oder in eine Glasfaser eingekoppelt werden.
Die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke werden als Begriffe zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet, und es ist nicht beabsichtigt, bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder von Abschnitten davon auszuschließen, sondern es wird anerkannt, dass im Rahmen der beanspruchten Erfindung verschiedene Modifikationen möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 62450793 [0001]
US 6192062 [0003, 0012]
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US 8670180 [0003, 0012]
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US 15/188076 [0011]
US 15/479745 [0011, 0034]
US 15/649841 [0011]
US 15/807795 [0033]

Claims

Lasersystem, umfassend: einen Strahlemitter zur Emission eines Eingangslaserstrahls; eine Glasfaser mit Zellkern mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die Glasfaser mit Zellkern (i) eine Vielzahl von Kernbereichen, (ii) einen Zwischenkern-Mantelbereich, der die Kernbereiche umgibt und sich zwischen ihnen erstreckt, und (iii) einen den Zwischenkern-Mantelbereich umgebenden äußeren Mantel umfasst, wobei ein Brechungsindex jedes der Kernbereiche größer ist als ein Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs; einen Reflektor zum Empfangen des Eingangslaserstrahls und zum Reflektieren des Eingangslaserstrahls in Richtung der Glasfaser mit Zellkern; ein optisches Element zum Empfangen des Eingangslaserstrahls vom Reflektor und zum Fokussieren des Eingangslaserstrahls in Richtung des Eingangsendes der Glasfaser mit Zellkern; und eine Steuerung zum Steuern der Relativbewegung zwischen dem Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern und mindestens einem von dem Reflektor oder dem optischen Element, um dadurch den Eingangslaserstrahl entlang eines Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern zu richten, wobei der Pfad einen oder mehrere der Kernbereiche umfasst, wobei mindestens eines von der Strahlform oder einem Strahlparameterprodukt eines Ausgangsstrahls, der am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittiert wird, mindestens teilweise durch den Pfad des Eingangslaserstrahls bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, den Eingangslaserstrahl entlang eines Pfades, der eine Vielzahl von Kernbereichen umfasst, zu richten.
System nach Anspruch 2, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls zu modulieren, wenn der Eingangslaserstrahl entlang des Pfades gerichtet ist, wobei der Ausgangsleistungspegel des Eingangslaserstrahls verschieden ist, wenn der Eingangslaserstrahl in verschiedene Kernbereiche gerichtet ist.
System nach Anspruch 2, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, eine Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls entlang von Abschnitten des Pfades über den Zwischenkern-Mantelbereich zu reduzieren, wodurch die Einkopplung von Strahlenergie in den Zwischenkern-Mantelbereich reduziert oder im Wesentlichen eliminiert wird.
System nach Anspruch 2, wobei der Pfad einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs umfasst, wobei die Strahlenergie, die in den Zwischenkern-Mantelbereich eingekoppelt ist, einen Hintergrundenergiepegel ungleich null zum Ausgangsstrahl beiträgt.
System nach Anspruch 2, wobei der Ausgangsstrahl eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern beinhaltet.
System nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern sich in Größe und/oder Form unterscheiden.
System nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs größer ist als ein Brechungsindex des äußeren Mantels.
System nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs annähernd gleich einem Brechungsindex des äußeren Mantels ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Relativbewegung zwischen dem Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern und mindestens einem vom Reflektor oder dem optischen Element mindestens eines von einer Drehung des Reflektors oder einer seitlichen Translation des optischen Elements umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei das optische Element eine oder mehrere Linsen und/oder ein oder mehrere Prismen umfasst.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen oder mehrere Stellantriebe zum Steuern der Bewegung von mindestens einem von dem Reflektor, dem optischen Element und/oder dem Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Eingangsendverschluss, der am Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Ausgangsendverschluss, der am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung für Rückkopplungsbetrieb konfiguriert ist, um den Pfad, entlang dessen der Laserstrahl auf das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet ist, basierend auf einem gemessenen Parameter schrittweise einzustellen.
System nach Anspruch 15, wobei der gemessene Parameter ist ein gemessener Parameter eines Werkstücks ist, das mit dem Laserstrahl bearbeitet werden soll.
System nach Anspruch 15, wobei der gemessene Parameter ein gemessener Parameter des Laserstrahls ist.
System nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern sich in der Querschnittsform unterscheiden.
System nach Anspruch 1, wobei jeder der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern dieselbe Querschnittsform aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Kernbereichen der Glasfaser mit Zellkern (i) einen mittleren Kernbereich und (ii) eine Vielzahl von äußeren Kernbereichen umfasst, die um den mittleren Kernbereich herum angeordnet sind.
System nach Anspruch 20, wobei ein Durchmesser des mittleren Kernbereichs größer ist als ein Durchmesser von mindestens einem der äußeren Kernbereiche.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, das Strahlparameterprodukt des Laserstrahls zu erhöhen, indem der Eingangslaserstrahl entlang eines Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet ist, der den Zwischenkern-Mantelbereich schneidet.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, mindestens eines von der Strahlform und/oder dem Strahlparameterprodukt basierend mindestens teilweise auf einer Eigenschaft eines Werkstücks nahe dem Ausgangsende der Glasfaser, in die der Laserstrahl eingekoppelt ist, zu bestimmen.
System nach Anspruch 23, wobei die Eigenschaft des Werkstücks mindestens eines von einer Dicke des Werkstücks oder einer Zusammensetzung des Werkstücks umfasst.
System nach Anspruch 23, ferner umfassend (i) einen Speicher, den die Steuerung aufrufen kann, um Daten zu speichern, die einem auf dem Werkstück definierten Bearbeitungspfad entsprechen, und (ii) eine Datenbank zum Speichern von Bearbeitungsdaten für eine Vielzahl von Materialien, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Datenbank abzufragen, um Bearbeitungsdaten für ein oder mehrere Materialien des Werkstücks zu erhalten, wobei die/das mindestens eine der Strahlformen oder des Strahlparameterprodukts des Strahls mindestens teilweise durch die erhaltenen Bearbeitungsdaten bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Strahlemitter umfasst: eine oder mehrere Strahlquellen, die eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen emittieren; Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element; ein dispersives Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Abschnitt der dispergierten Strahlen als Eingangslaserstrahl durchlässt und einen zweiten Abschnitt der dispergierten Strahlen in Richtung des dispersiven Elements zurück reflektiert, wobei der Eingangslaserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
System nach Anspruch 26, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, einen gewünschten Strahlparameter des Ausgangsstrahls zu empfangen und den Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens teilweise darauf basierend zu bestimmen.
System nach Anspruch 28, wobei der gewünschte Strahlparameter das Strahlparameterprodukt oder die Strahlform des Ausgangsstrahls beinhaltet.
System nach Anspruch 28, wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, den Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern zu bestimmen, mindestens teilweise basierend auf einem erfassten Strahlparameter nahe dem Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern.
Verfahren zum Verändern von mindestens einem von einer Strahlform oder einem Strahlparameterprodukt eines Laserstrahls, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Glasfaser mit Zellkern mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die Glasfaser mit Zellkern (i) eine Vielzahl von Kernbereichen, (ii) einen Zwischenkern-Mantelbereich, der die Kernbereiche umgibt und sich zwischen ihnen erstreckt, und (iii) einen den Zwischenkern-Mantelbereich umgebenden äußeren Mantel umfasst, wobei ein Brechungsindex jedes der Kernbereiche größer ist als ein Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs; und Richten eines Eingangslaserstrahls über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern entlang eines Pfades, der einen oder mehrere der Kernbereiche umfasst, wobei mindestens eines von einer Strahlform oder einem Strahlparameterprodukt eines Ausgangsstrahls, der am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittiert wird, mindestens teilweise durch den Pfad des Eingangslaserstrahls bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Pfad eine Vielzahl von Kernbereichen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner umfassend das Modulieren einer Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls, wenn der Eingangslaserstrahl entlang des Pfades gerichtet ist, wobei der Ausgangsleistungspegel des Eingangslaserstrahls verschieden ist, wenn der Eingangslaserstrahl in verschiedene Kernbereiche gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner umfassend das Reduzieren einer Ausgangsleistung des Eingangslaserstrahls entlang von Abschnitten des Pfades über den Zwischenkern-Mantelbereich, wodurch die Einkopplung von Strahlenergie in den Zwischenkern-Mantelbereich reduziert oder im Wesentlichen eliminiert wird.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Pfad einen Abschnitt des Zwischenkern-Mantelbereichs umfasst, wobei die Strahlenergie, die in den Zwischenkern-Mantelbereich eingekoppelt ist, einen Hintergrundenergiepegel ungleich null zum Ausgangsstrahl beiträgt.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Ausgangsstrahl eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen am Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei mindestens zwei der Kernbereiche der Glasfaser mit Zellkern sich in Größe und/oder Form unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs größer ist als ein Brechungsindex des äußeren Mantels.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs annähernd gleich einem Brechungsindex des äußeren Mantels ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Glasfaser mit Zellkern einen an dem Eingangsende angeordneten Eingangsendverschluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Glasfaser mit Zellkern einen an dem Ausgangsende angeordneten Ausgangsendverschluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend das Bearbeiten eines Werkstücks, das nahe dem Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern angeordnet ist, mit dem Laserstrahl.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das mindestens eine vom Strahlparameterprodukt oder der Strahlform des Ausgangslaserstrahls durch Auswahl des Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens teilweise basierend auf einer Eigenschaft des Werkstücks bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Eigenschaft des Werkstücks mindestens eines von einer Dicke des Werkstücks oder einer Zusammensetzung des Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern den Zwischenkern-Mantelbereich der Glasfaser mit Zellkern schneidet.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Richten des Eingangslaserstrahls entlang des Pfades mindestens eines aus (i) Reflektieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren Reflektoren oder (ii) Fokussieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren optischen Elementen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend das Emittieren des Laserstrahls von einem Strahlemitter, umfassend: eine oder mehrere Strahlquellen, die eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen emittieren; Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element; ein dispersives Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Abschnitt der dispergierten Strahlen als Eingangslaserstrahl durchlässt und einen zweiten Abschnitt der dispergierten Strahlen in Richtung des dispersiven Elements zurück reflektiert, wobei der Eingangslaserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 47, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend (i) Empfangen eines gewünschten Strahlparameters des Ausgangsstrahls und (ii) Auswählen des Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens teilweise basierend auf dem gewünschten Strahlparameter.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei der gewünschte Strahlparameter das Strahlparameterprodukt oder die Strahlform des Ausgangsstrahls beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei der Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens teilweise basierend auf einem erfassten Strahlparameter nahe dem Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern ausgewählt wird.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Glasfaser mit Zellkern mit einem Eingangsende und einem dem Eingangsende gegenüberliegenden Ausgangsende, wobei die Glasfaser mit Zellkern (i) eine Vielzahl von Kernbereichen, (ii) einen Zwischenkern-Mantelbereich, der die Kernbereiche umgibt und sich zwischen ihnen erstreckt, und (iii) einen den Zwischenkern-Mantelbereich umgebenden äußeren Mantel umfasst, wobei ein Brechungsindex jedes der Kernbereiche größer ist als ein Brechungsindex des Zwischenkern-Mantelbereichs; Anordnen eines Werkstücks nahe dem Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern; Bestimmen von mindestens einem von einem Strahlparameterprodukt und/oder einer Strahlform zum Bearbeiten des Werkstücks basierend auf mindestens einer Eigenschaft des Werkstück; Richten eines Laserstrahls auf das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern; währenddessen Richten des Laserstrahls entlang eines Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern, wobei der Pfad einen oder mehrere der Kernbereiche umfasst, um mindestens eines vom Strahlparameterprodukt oder der Strahlform des vom Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittierten Laserstrahls auszuwählen; und Bearbeiten des Werkstücks mit dem Laserstrahl, der vom Ausgangsende der Glasfaser mit Zellkern emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das Bearbeiten des Werkstücks das physische Verändern mindestens eines Abschnitts einer Oberfläche des Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das Bearbeiten des Werkstücks mindestens eines von Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten oder Hartlöten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei die mindestens eine Eigenschaft des Werkstücks eine Dicke des Werkstücks und/oder eine Zusammensetzung des Werkstücks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei der Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern den Zwischenkern-Mantelbereich der Glasfaser mit Zellkern schneidet, wobei die in den Zellkern-Mantelbereich eingekoppelte Strahlenergie dazu genutzt wird, das Werkstück zu bearbeiten.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das Richten des Laserstrahls entlang des Pfades über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern mindestens eines aus (i) Reflektieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren Reflektoren oder (ii) Fokussieren des Laserstrahls mit einem oder mehreren optischen Elementen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, ferner umfassend, während des Bearbeitens des Werkstücks, das Verändern von mindestens einem vom Strahlparameterprodukt oder der Strahlform des Laserstrahls, indem der Laserstrahl auf einen zweiten Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern gerichtet wird, wobei der zweite Pfad sich vom Pfad über das Eingangsende der Glasfaser mit Zellkern unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 52, ferner umfassend das Emittieren des Laserstrahls von einem Strahlemitter, umfassend: eine oder mehrere Strahlquellen, die eine Vielzahl von eigenständigen Strahlen emittieren; Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element; ein dispersives Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Abschnitt der dispergierten Strahlen als Laserstrahl durchlässt und einen zweiten Abschnitt der dispergierten Strahlen in Richtung des dispersiven Elements zurück reflektiert, wobei der Laserstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.