DE112020001578T5

DE112020001578T5 - Materialbearbeitung durch Hochfrequenzstrahlformung

Info

Publication number: DE112020001578T5
Application number: DE112020001578.5T
Authority: DE
Inventors: Mark Mordarshi; Bryan Lochman; Francisco Villarreal-Saucedo
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-12-23
Also published as: US20200310055A1; US20230333339A1; JP7236560B2; WO2020198553A1; JP2022527175A; US11719897B2; CN113891777A

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen werden die Laseremissionen in einem zeitlichen Muster in verschiedene Bereiche eines Lichtwellenleiters und/oder in verschiedene Lichtwellenleiter gelenkt, so dass eine Ausgabe unterschiedliche räumliche Ausgabeprofile aufweist. Das zeitliche Muster hat eine ausreichende Frequenz, so dass ein Werkstück durch eine effektive Ausgabeform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgabeprofile kombiniert.

Description

Verwandte Anwendungen
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/825,108 , eingereicht am 28. März 2019, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Technischer Bereich
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Bearbeitung (z. B. Schweißen oder Schneiden) von Materialien unter Verwendung von Hochleistungslasergeräten mit formbaren Strahlen.
Hintergrund
Hochleistungslaser werden in vielen Anwendungen zum Schneiden, Ätzen, Glühen, Schweißen, Bohren und Löten eingesetzt. Wie bei jeder Materialbearbeitung kann der Wirkungsgrad ein kritischer Faktor in Bezug auf Kosten und Zeit sein; je geringer der Wirkungsgrad, desto höher die Kosten und/oder desto langsamer der Betrieb des Lasers, der zur Bearbeitung eines bestimmten Materials eingesetzt wird. Die Eigenschaften des Laserstrahls können die Effizienz beeinflussen, und verschiedene Materialien (wie Kupfer, Aluminium, Stahl usw.) reagieren bei der Bearbeitung unterschiedlich auf die Strahleigenschaften. Auch die Dicke dieser Materialien kann sich auf ihr Verhalten auswirken. Das heißt, die Art eines Schnitts oder einer Schweißnaht kann je nach Material und/oder Dicke des Materials von den Strahleigenschaften abhängen.
Darüber hinaus kann die optische Reaktion (und damit der optimale Strahl) des Materials selbst bei gleichem Material und gleicher Materialstärke je nach Geometrie der Bearbeitung variieren. Beispielsweise kann die optische Reaktion eines Materials bei einem langen geraden Schnitt anders ausfallen als bei einer komplizierten Form mit z. B. scharfen Ecken, Kurven oder anderen Merkmalen.
Darüber hinaus umfassen Hochleistungslasersysteme häufig einen Laseremitter, dessen Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt wird, und ein optisches System, das das Laserlicht aus der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Das optische System ist in der Regel so ausgelegt, dass es den hochwertigsten Laserstrahl erzeugt, d. h. den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (BPP). Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d. h. die Strahltaille, die minimale Spotgröße). Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird in der Regel in Millimeter-Millradian (mm-mrad) angegeben. (Die hier angegebenen BPP-Werte sind, sofern nicht anders angegeben, in mm-mrad angegeben). Ein gaußförmiger Strahl hat den geringstmöglichen BPP, der durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch pi gegeben ist. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gauß-Strahls bei derselben Wellenlänge wird als M2 bezeichnet und ist ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität.
Faserbasierte Laserbearbeitungssysteme können so konfiguriert werden, dass sie zwischen verschiedenen Strahlformen wählen, indem sie beispielsweise ein oder mehrere optische Elemente in Bezug auf den Laserstrahl bewegen (z. B. in, aus oder innerhalb des Laserstrahls). Solche Systeme können jedoch komplex sein und erfordern teure Spezialoptiken. Außerdem können herkömmliche Systeme zwar so konfiguriert werden, dass sie je nach dem zu bearbeitenden Material zwischen mehreren Strahlformen wählen können, doch ist die Anzahl der möglichen Strahlformen oft auf einige wenige diskrete Formen begrenzt.
Während Techniken wie die WBC es geschafft haben, laserbasierte Systeme für eine Vielzahl von Anwendungen herzustellen, gibt es nach wie vor Probleme bei der Materialbearbeitung. So sind beispielsweise Laser mit Strahlformen, die fiir das Schneiden eines bestimmten Materials mit einer bestimmten Dicke optimiert sind, möglicherweise nicht für verschiedene Materialien, Materialien mit unterschiedlichen Dicken, Materialien mit variablen Dicken und sogar verschiedene Arten und Formen von Schnitten auf demselben Material geeignet. Schweißverfahren stellen ähnliche Herausforderungen dar. Darüber hinaus ermöglichen herkömmliche Systeme oft nur die Auswahl zwischen einigen wenigen verschiedenen Strahlformen, von denen keine für die jeweilige Aufgabe ganz optimal ist. Daher besteht ein Bedarf an Lasersystemen, die nicht nur in der Lage sind, die Strahlform für bestimmte Materialien und Prozesse zu optimieren, sondern auch die Strahlform während der Bearbeitung schnell zu ändern, um die Strahlform während des Prozesses „on-the-fly“ zu optimieren.
Zusammenfassung
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Lasersysteme mit formbaren Ausgabestrahlen, im Folgenden auch Ausgangsstrahlen genannt, zur Optimierung und Vereinfachung von Materialbearbeitungsaufgaben wie Schneiden und Schweißen von Materialien, z. B. metallischen Werkstoffen, eingesetzt. In verschiedenen Ausführungsformen bestimmt die Konfiguration der optischen Faser, die zur Ausbreitung des Strahls verwendet wird, zumindest zum Teil die Form des Ausgangsstrahls. Zum Beispiel kann die optische Faser mehrere Kernbereiche und/oder mehrere Mantelbereiche haben, und die Einkopplung des Strahls in einen oder mehrere dieser Bereiche kann zumindest teilweise die Form des endgültigen Ausgangsstrahls bestimmen. In anderen Ausführungsformen kann der Strahl auf verschiedene optische Fasern gelenkt werden, z. B. auf optische Fasern innerhalb eines gemeinsamen Faserbündels, wobei die verschiedenen Fasern (und/oder die für eine oder mehrere der Fasern verwendete Einkopplungsposition) zumindest teilweise die Form des Ausgangsstrahls bestimmen.
Darüber hinaus weisen Ausführungsformen der Erfindung einen Schaltmechanismus auf, der so konfiguriert ist, dass der Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit in verschiedene Bereiche der Faser (oder in verschiedene Fasern) gelenkt wird. Die Schaltgeschwindigkeit führt zu einer zeitlichen Mittelung (oder „Verschmelzung“ oder „Kombination“) der verschiedenen Ausgangsprofile, die durch die Faserstruktur(en) ermöglicht werden (zumindest aus der Sicht des Werkstücks), wodurch eine Vielzahl verschiedener effektiver Ausgabestrahlprofile (Ausgangsstrahlprofile) für die Bearbeitung ermöglicht wird. In Kombination mit der Relativbewegung zwischen dem Ausgangsstrahl und dem zu bearbeitenden Werkstück ermöglicht die Hochgeschwindigkeits-Strahlumschaltung eine Materialbearbeitung mit unterschiedlichen Ausgabeformen (Ausgangsformen), die für Faktoren wie die Materialzusammensetzung, die Bearbeitungsgeometrie, die Bearbeitungsart usw. optimiert sind. Vorteilhafterweise ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung dadurch die Nutzung der gesamten oder im Wesentlichen der gesamten Ausgangs- bzw. Ausgabestrahlleistung, während gleichzeitig das endgültige Strahlprofil und die Form des Bearbeitungsergebnisses optimiert werden. Somit stellen Ausführungsformen der Erfindung eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verfahren dar, bei denen die Auswahl der Strahlform von der Blockierung oder Nichtnutzung von Teilen der Ausgangsstrahlleistung abhängt.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung wird der Hochgeschwindigkeitsschaltmechanismus verwendet, um den Laserstrahl zwischen zwei oder mehr verschiedenen Faserbereichen (und/oder zwei oder mehr verschiedenen Fasern) in Übereinstimmung mit einer Steuersignalform zu lenken. Die Steuerwellenform kann eine Schaltvorrichtung, z. B. einen biegsam gelagerten Reflektor, steuern, der den Strahl in verschiedene Bereiche der Faser (und/oder in verschiedene Fasern) lenkt. Die zeitliche Verteilung der Laserleistung zwischen den verschiedenen Faserregionen kann daher durch Veränderung des Tastverhältnisses der Steuerwellenform variiert werden. Das heißt, die effektive Form des Ausgabe- bzw. Ausgangsgangsstrahls, die das Werkstück während der Bearbeitung erfährt, ist ein gewichteter Durchschnitt verschiedener räumlicher Ausgangsprofile (die durch die verschiedenen Fasern und/oder Faserregionen ermöglicht werden), die auf der Form und dem Tastverhältnis der Steuersignalform basieren. Die Steuerwellenform kann eine von zahlreichen verschiedenen Formen haben, z. B. Rechteckwelle, Sinuswelle, Sägezahnwelle usw. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können auch andere Schaltvorrichtungen als biegsam gelagerte Reflektoren verwendet werden, z. B. biegsam gelagerte und/oder betätigte optische Elemente wie Linsen und/oder Prismen oder elektrooptische Elemente.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerwellenform die Lenkung des Strahls zwischen (1) einem zentralen Kernbereich, wobei das Ausgangsprofil des Strahls ein Gauß-ähnlicher, fokussierter Punktstrahl ist, und (2) einem äußeren, ringförmigen Kernbereich, wobei das Ausgangsprofil des Strahls ein großflächigerer Ringstrahl ist, vorschreiben. In verschiedenen Ausführungsformen können solche zentralen und ringförmigen Kernbereiche durch eine oder mehrere Zwischenschichten (z. B. eine oder mehrere Kern- und/oder Mantelschichten) getrennt sein. Die Steuerwellenform gibt eine zeitlich gewichtete Mittelung der beiden Ausgangsstrahlformen in Übereinstimmung mit dem Tastverhältnis der Wellenform vor. Beispielsweise kann der endgültige Ausgangsstrahl am Werkstück eine Form haben, die dem Durchschnitt des Punktstrahls und des Ringstrahls bei einem Tastverhältnis von 50 % entspricht (d. h. 50 % im inneren Kern und 50 % im äußeren Kern), und diese Form kann durch Variation des Tastverhältnisses in Richtung des einen oder des anderen Extrems verändert werden.
Lasersysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch einen Zuführungsmechanismus umfassen, der die Laserleistung auf das Werkstück lenkt und dabei eine Relativbewegung zwischen der Leistung und dem Werkstück bewirkt. Beispielsweise kann der Zuführungsmechanismus einen Laserkopf zum Richten und/oder Fokussieren der Laserleistung auf das Werkstück umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Laserkopf selbst kann relativ zum Werkstück beweglich sein und/oder der Zuführungsmechanismus kann ein bewegliches Portal oder eine andere Plattform für das Werkstück umfassen, um die Bewegung des Werkstücks relativ zum Ausgang zu ermöglichen, der an Ort und Stelle fixiert sein kann.
Ausführungsformen der Erfindung können optische Fasern mit vielen verschiedenen inneren Konfigurationen und Geometrien enthalten. So kann die optische Faser beispielsweise einen zentralen Kernbereich und einen ringförmigen Kernbereich, der durch eine innere Mantelschicht getrennt ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen. Eine oder mehrere äußere Mantelschichten können um den ringförmigen Kernbereich angeordnet sein. Ausführungsformen der Erfindung können mit Lichtleitfasern verwendet werden und/oder diese einschließen, die Konfigurationen aufweisen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, und der US-Patentanmeldung Nr. 16/675,655 , eingereicht am 6. November 2019, beschrieben sind, wobei die gesamte Offenbarung jeder dieser Anmeldungen durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Steuerwellenform die Lenkung des Strahls zwischen zwei oder mehr optischen Fasern eines Faserbündels zur Strahlformung vorgeben, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 15/807,795 , eingereicht am 9. November 2017, beschrieben, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Eine oder mehrere der optischen Fasern des Faserbündels können Multimantel-Fasern sein, d. h., sie enthalten einen zentralen Kernbereich mit mehreren Mantelbereichen, die den Kernbereich konzentrisch umgeben. In anderen Ausführungsformen können eine oder mehrere der optischen Fasern einmantelige Fasern sein, d.h. sie haben nur einen Mantelbereich, der den Kernbereich umgibt. In verschiedenen Ausführungsformen haben verschiedene optische Fasern in dem Faserbündel unterschiedliche Kerndurchmesser. Eine oder mehrere der Fasern im Faserbündel können mehrere diskrete Kernbereiche aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der Laserausgangsstrahl in zwei verschiedene Fasern des Faserbündels und/oder in zwei oder mehr spezifische Querschnittsbereiche der Faser(n) (z. B. den Kernbereich und/oder einen oder mehrere der Mantelbereiche) gelenkt, um die Strahlform entsprechend der Steuerwellenform zu variieren.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der endgültige kombinierte Ausgangsstrahl auch einen oder mehrere Beiträge enthalten, die sich aus den „Übergangsbereichen“ der optischen Faser (oder des Faserbündels) zwischen den beiden oder mehreren Faserregionen (oder optischen Fasern in einem Faserbündel) ergeben, auf die der Strahl durch den Schaltmechanismus gezielt gelenkt wird. Das heißt, die Form des kombinierten Strahls kann dem gewichteten Mittelwert der integralen Näherung der dynamischen Ansprechkurve des Systems entsprechen. Insbesondere bei hohen Frequenzen (z. B. 50 Hz oder mehr, 100 Hz oder mehr usw.) kann ein zwischen zwei verschiedenen Faserregionen (oder Fasern in einem Faserbündel) gelenkter Strahl auch den Bereich der Faser (oder des Faserbündels) zwischen diesen Regionen für einen nicht vernachlässigbaren Teil des Tastverhältnisses beleuchten. Daher umfassen Ausführungsformen der Erfindung solche, bei denen die kombinierte Form des Ausgangsstrahls ein gewichteter Durchschnitt nicht nur der Formen ist, die sich aus den Faserregionen oder Fasern ergeben, auf die der Strahl gezielt gelenkt wird, sondern auch aus einer oder mehreren Regionen, die der Strahl beim Übergang zwischen diesen Regionen oder Fasern durchquert. Dieser Beitrag der aus den Übergangsbereichen resultierenden Formen zur kombinierten Strahlform kann mit zunehmender Geschwindigkeit und Reaktion des Schaltmechanismus abnehmen. In anderen Ausführungsformen kann der Strahl während des Übergangs zu den Bereichen, in die er absichtlich gelenkt wird, abgeschaltet werden, wodurch der Beitrag der Übergangsbereiche minimiert oder im Wesentlichen eliminiert wird. Darüber hinaus kann der Beitrag der Übergangsbereiche zu der kombinierten Form, die sich aus einem auf zwei oder mehr optische Fasern in einem Faserbündel gelenkten Strahl ergibt, geringer sein oder sogar im Wesentlichen fehlen, wenn das zwischen den Fasern emittierte Licht nicht in das Bündel zur Übertragung vom Ausgangsende eingekoppelt wird (d. h. wenn dieses Licht verloren geht und nicht vom Ausgangsende des Faserbündels übertragen wird).
Strukturell können optische Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung eine oder mehrere Schichten mit hohem und/oder niedrigem Brechungsindex jenseits (d. h. außerhalb) einer äußeren Umhüllung aufweisen, ohne dass sich die Grundsätze der vorliegenden Erfindung ändern. Verschiedene dieser zusätzlichen Schichten können auch als Umhüllungen oder Beschichtungen bezeichnet werden und dürfen kein Licht leiten. Optische Fasern können auch einen oder mehrere Kerne zusätzlich zu den ausdrücklich genannten enthalten. Solche Varianten sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Optische Fasern und die verschiedenen Kern- und Mantelschichten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können Glas, wie z. B. im Wesentlichen reines Quarzglas und/oder mit Fluor, Titan, Germanium und/oder Bor dotiertes Quarzglas, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Ein gewünschter Brechungsindex für eine bestimmte Schicht oder einen bestimmten Bereich einer optischen Faser gemäß den Ausführungsformen der Erfindung kann (durch Techniken wie Dotierung) von einem Fachmann ohne übermäßige Experimente erreicht werden. Optische Fasern, die in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, können eine optionale externe polymere Schutzbeschichtung oder Ummantelung aufweisen, die um die empfindlichere Glas- oder Quarzglasfaser selbst angeordnet ist. Die hierin beschriebenen optischen Fasern können optische Multimode-Fasern sein.
Die hier beschriebenen optischen Fasern können an ihren Ausgangsenden einen Laserkopf aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er den Ausgangsstrahl der Faser auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert. Der Laserkopf kann ein oder mehrere optische Elemente zur Fokussierung und/oder Kollimierung des Ausgangsstrahls und/oder zur Steuerung der Polarisation und/oder der Flugbahn des Strahls enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Laserkopf kann so positioniert werden, dass der Ausgangsstrahl auf ein Werkstück und/oder auf eine Plattform oder ein positionierbares Portal, auf dem das Werkstück angeordnet werden kann, gerichtet wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden typischerweise verwendet, um ein Werkstück so zu bearbeiten, dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird und/oder ein Merkmal auf oder in der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Verfahren, die eine Oberfläche lediglich mit Licht untersuchen (z. B. Reflexionsmessungen). Beispielhafte Verfahren gemäß den Ausführungsformen der Erfindung umfassen Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bearbeiten Werkstücke auch an einem oder mehreren Punkten oder entlang eines eindimensionalen Bearbeitungspfades, anstatt die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Werkstückoberfläche mit der Strahlung des Laserstrahls zu durchfluten. So können z. B. ein oder mehrere Strahlpunkte relativ zur Oberfläche des Werkstücks für Prozesse wie Schneiden oder Schweißen verschoben werden. Im Allgemeinen können Bearbeitungspfade gekrümmt oder linear sein, und „lineare“ Bearbeitungspfade können eine oder mehrere Richtungsänderungen aufweisen, d. h., lineare Bearbeitungspfade können aus zwei oder mehr im Wesentlichen geraden Segmenten bestehen, die nicht unbedingt parallel zueinander sind.
Die Änderung der „Form“ eines Laserstrahls bezieht sich hier auf die Änderung des räumlichen Profils (d. h. der 3D-Form) und der geometrischen Ausdehnung des Strahls (z. B. an einem Punkt, an dem der Strahl eine Oberfläche schneidet). Änderungen der Form können mit Änderungen der Strahlgröße, der Winkelintensitätsverteilung des Strahls und des BPP einhergehen, aber bloße Änderungen des BPP des Strahls reichen nicht unbedingt aus, um die Form des Laserstrahls zu ändern und umgekehrt. Bei der Laserstrahlformung werden die Intensität (Bestrahlungsstärke) und die Phase des Strahls umverteilt. Die Intensitätsverteilung definiert das Strahlprofil, z. B. Gauß-, Bessel-, Ring-, Multimode-, Rechteck-, Hut-, Ellipsen- oder Kreisprofil, wobei für bestimmte Lasermaterialbearbeitungsverfahren unterschiedliche Intensitätsprofile wünschenswert sein können. (Wie hier verwendet, ist ein „ringförmiger“ Strahl ringförmig, d. h. er hat eine geringere oder im Wesentlichen keine Strahlintensität in einem Mittelteil, der von einem Bereich mit höherer Strahlintensität umgeben ist, aber nicht notwendigerweise kreisförmig; d. h. „ringförmige“ Strahlen können oval oder anderweitig quasi-ringförmig sein).
Optische Elemente“ können sich auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umlenken, reflektieren, krümmen oder auf andere Weise optisch manipulieren, sofern nicht anders angegeben. Der Begriff Strahlenemitter, Emitter oder Laseremitter bzw. Laser umfasst alle elektromagnetischen strahlenerzeugenden Vorrichtungen, wie z. B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, die aber auch selbstresonierend sein können. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser usw. Im Allgemeinen umfasst jeder Emitter eine rückseitige Reflexionsfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere Reflexionsfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, sondern sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Sender kann mehrere Strahlenemitter, wie z. B. eine Diodenleiste, die so konfiguriert ist, dass sie mehrere Strahlen emittiert, umfassen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen. Die Eingangsstrahlen, die in den hier beschriebenen Ausführungsformen empfangen werden, können Strahlen mit einer oder mehreren Wellenlängen sein, die mit verschiedenen in der Technik bekannten Techniken kombiniert werden. Die in den Ausführungsformen der Erfindung erzeugten Ausgangsstrahlen können Einzelwellenlängen- oder Mehrwellenlängenstrahlen sein. Darüber hinaus umfassen die Bezeichnungen „Laser“, „Laseremitter“ oder „Strahlemitter“ hier nicht nur Einzeldiodenlaser, sondern auch Diodenbarren, Laserarrays, Diodenbarrenarrays und einzelne oder Arrays von oberflächenemittierenden Vertical-Cavity-Lasern (VCSELs).
Ausführungsformen der Erfindung können mit wellenlängenkombinierenden Systemen (WBC) verwendet werden, die eine Vielzahl von Emittern, wie z. B. einen oder mehrere Diodenbalken, umfassen, die unter Verwendung eines dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Multiwellenlängenstrahl zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt individuell und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in den US-Patenten Nr. 6.192.062 , eingereicht am 4. Februar 2000, Nr. 6.208.679 , eingereicht am 8. September 1998, Nr. 8.670.180 , eingereicht am 25. August 2011, und Nr. 8.559.107 , eingereicht am 7. März 2011, beschrieben, wobei die gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Multi-Wellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Systemen können als Eingangsstrahlen in Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, z. B. für die Steuerung der Strahlform und die Bearbeitung verschiedener Werkstücke.
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks. Es werden ein Laser und eine optische Faser mit mehreren Innenbereichen bereitgestellt. Das Einkoppeln einer Laseremission in jeden der inneren Bereiche bewirkt, dass die Faser eine Ausgabe mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgabeprofil erzeugt. Die Laseremission wird in einem zeitlichen Muster auf verschiedene der inneren Bereiche der Faser gelenkt, so dass die Ausgabe unterschiedliche räumliche Ausgabeprofile aufweist. Die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Ausgang wird verursacht, während der Ausgang auf das Werkstück gerichtet wird, um das Werkstück zu bearbeiten. Das zeitliche Muster hat eine ausreichende Frequenz, so dass das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Ausgang mit einer effektiven Ausgangsform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile kombiniert.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer beliebigen Kombination umfassen. Das Werkstück (z. B. zumindest dessen Oberfläche) kann eine zeitliche Reaktion auf die Ausgabe erfahren, die auf dem räumlichen Ausgabeprofil und/oder einer Leistungsdichte davon basiert. Die Relativbewegung darf nicht schneller als mit einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit erfolgen. Die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit (i) kann auf der Grundlage der zeitlichen Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt werden und (ii) kann sicherstellen, dass die Reaktion auf die effektive Ausgangsform erfolgt. Jeder innere Bereich der Faser kann ein Kernbereich sein. Die inneren Bereiche können mindestens einen zentralen ersten Kern und einen ringförmigen zweiten Kern umfassen, der den ersten Kern umgibt. Mindestens einer der inneren Bereiche der Faser kann ein Kernbereich sein. Wenigstens einer der inneren Bereiche der Faser kann ein Mantelbereich sein. Die Laseremission kann in Abhängigkeit von einer Steuersignalform gesteuert werden. Die Steuersignalform kann eine Rechteckwelle umfassen, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen. Die effektive Ausgangsform kann ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuersignalform sein.
Die Laseremission kann ein Strahl mit mehreren Wellenlängen sein. Die Laseremission kann in Abhängigkeit von (i) der Art der Bearbeitung des Werkstücks, (ii) einer Eigenschaft des Werkstücks und/oder (iii) dem Bearbeitungsweg, auf dem das Werkstück bearbeitet wird, auf verschiedene Innenbereiche der Faser gelenkt werden. Die Art der Bearbeitung kann aus einer Liste ausgewählt werden, die aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten besteht. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder eine Topografie des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Laseremission kann auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad in verschiedene Innenbereiche der Faser gelenkt werden. Der Laser kann (i) einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl diskreter Strahlen emittieren, (ii) eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, (iii) das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und (iv) einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Laseremission durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum Dispersionselement reflektiert. Die Laseremission kann sich aus mehreren Wellenlängen zusammensetzen. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen.
Die optische Faser kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die optische Faser kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex kann kleiner als der erste Brechungsindex und/oder größer als der vierte Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich, dessen Brechungsindex zwischen (i) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex oder diesem gleich ist, und (ii) einem sechsten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex oder diesem gleich ist, variiert, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ringförmigen Kern und (iii) einen den ringförmigen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (a) einen ersten Bereich mit einem dritten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (b) einen zweiten Bereich umfassen, wobei der Brechungsindex des zweiten Bereichs zwischen (i) einem vierten Brechungsindex, der kleiner oder gleich dem dritten Brechungsindex ist, und (ii) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex ist, variiert, oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex und kleiner als der vierte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (iii) einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist, mit einem sechsten Brechungsindex, der kleiner als der vierte und der fünfte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen vierten Bereich mit einem siebten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen fünften Bereich, der zwischen dem zweiten und dem vierten Bereich angeordnet ist, mit einem achten Brechungsindex, der kleiner als der fünfte und der siebte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks. Es werden ein Laser und ein Faserbündel mit mehreren optischen Fasern bereitgestellt. Die Einkopplung einer Laseremission in jede von mindestens zwei (oder sogar jede) der optischen Fasern bewirkt, dass die Faser eine Ausgabe mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgabeprofil erzeugt. Die Laseremission wird in einem zeitlichen Muster auf verschiedene der optischen Fasern des Faserbündels gelenkt, so dass die Ausgabe unterschiedliche räumliche Ausgabeprofile aufweist. Die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Ausgang wird verursacht, während der Ausgang auf das Werkstück gerichtet wird, um das Werkstück zu bearbeiten. Das zeitliche Muster hat eine ausreichende Frequenz, so dass das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Ausgang durch eine effektive Ausgangsform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile kombiniert.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer beliebigen Kombination umfassen. Das Werkstück (z. B. zumindest dessen Oberfläche) kann eine zeitliche Reaktion auf die Ausgabe erfahren, die auf dem räumlichen Ausgabeprofil und/oder einer Leistungsdichte davon basiert. Die Relativbewegung darf nicht schneller als mit einer maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit erfolgen. Die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit (i) kann auf der Grundlage der zeitlichen Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt werden und (ii) kann sicherstellen, dass die Reaktion auf die effektive Ausgangsform erfolgt. Die Laseremission kann in Abhängigkeit von einer Steuersignalform gesteuert werden. Die Steuersignalform kann eine Rechteckwelle umfassen, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen. Die effektive Ausgangsform kann ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuersignalform sein.
Die Laseremission kann ein Strahl mit mehreren Wellenlängen sein. Die Laseremission kann in Abhängigkeit von (i) der Art der Bearbeitung des Werkstücks, (ii) einer Eigenschaft des Werkstücks und/oder (iii) dem Bearbeitungsweg, auf dem das Werkstück bearbeitet wird, auf verschiedene optische Fasern gelenkt werden. Die Art der Bearbeitung kann aus einer Liste ausgewählt werden, die aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten besteht. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder eine Topographie des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Laseremission kann auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad auf verschiedene der optischen Fasern gelenkt werden. Der Laser kann (i) einen oder mehrere Strahlemittenten, die eine Vielzahl diskreter Strahlen aussenden, (ii) eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, (iii) das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und (iv) einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Laseremission durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum Dispersionselement reflektiert. Die Laseremission kann sich aus mehreren Wellenlängen zusammensetzen. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen.
Mindestens eine der optischen Fasern kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem Faserkern bestehen. Mindestens eine der optischen Fasern kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Mindestens eine der optischen Fasern kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex kann kleiner als der erste Brechungsindex und/oder größer als der vierte Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex.
Mindestens eine der optischen Fasern kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich, dessen Brechungsindex zwischen (i) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex oder diesem gleich ist, und (ii) einem sechsten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex oder diesem gleich ist, variiert, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Mindestens eine der optischen Fasern kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ringförmigen Kern und (iii) eine den ringförmigen Kern umgebende erste Umhüllung mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (a) einen ersten Bereich mit einem dritten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (b) einen zweiten Bereich umfassen, wobei der Brechungsindex des zweiten Bereichs zwischen (i) einem vierten Brechungsindex, der kleiner oder gleich dem dritten Brechungsindex ist, und (ii) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex ist, variiert, oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein.
Mindestens eine der optischen Fasern kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex und kleiner als der vierte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Mindestens eine der optischen Fasern kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (iii) einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist, mit einem sechsten Brechungsindex, der kleiner als der vierte und der fünfte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen vierten Bereich mit einem siebten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen fünften Bereich, der zwischen dem zweiten und dem vierten Bereich angeordnet ist, mit einem achten Brechungsindex, der kleiner als der fünfte und der siebte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem auf, das eine Strahlquelle zur Emission eines Eingangslaserstrahls, eine optische Faser mit mehreren inneren Bereichen, einen Schaltmechanismus und einen Liefermechanismus umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Die Einkopplung einer Eingangslaseremission in jeden der inneren Bereiche bewirkt, dass die Faser einen Ausgang mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgangsprofil erzeugt. Der Schaltmechanismus lenkt die Eingangslaseremission in verschiedene der inneren Bereiche der Faser, um unterschiedliche räumliche Ausgangsprofile in einem zeitlichen Muster mit einer Frequenz zu erzeugen. Der Ausgabemechanismus lenkt die Ausgabe auf das Werkstück, während er eine Relativbewegung dazwischen verursacht, wodurch das Werkstück bearbeitet wird. Die Frequenz ist ausreichend, damit das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Ausgang durch eine effektive Ausgangsform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile kombiniert.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Der Schaltmechanismus kann einen biegsam gelagerten Reflektor umfassen, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Das Werkstück (z. B. zumindest dessen Oberfläche) kann eine zeitliche Reaktion auf die Leistung erfahren, die auf dem räumlichen Leistungsprofil und/oder einer Leistungsdichte davon basiert. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass die Relativbewegung auf eine maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt wird. Die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit kann (i) auf der Grundlage der zeitbasierten Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt werden und (ii) sicherstellen, dass die Reaktion auf die effektive Ausgangsform erfolgt. Jeder innere Bereich der Faser kann ein Kernbereich sein. Die inneren Bereiche können mindestens einen zentralen ersten Kern und einen ringförmigen zweiten Kern umfassen, der den ersten Kern umgibt. Mindestens einer der inneren Bereiche der Faser kann ein Kernbereich sein. Wenigstens einer der inneren Bereiche der Faser kann ein Mantelbereich sein. Das System kann einen Wellenformgenerator zur Erzeugung einer Steuerwellenform umfassen. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass er die Eingangslaseremission in Abhängigkeit von der Steuerwellenform steuert. Die Steuerwellenform kann eine Rechteckwelle enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen. Die effektive Ausgangsform kann ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuerwellenform sein.
Die Laseremission kann ein Strahl mit mehreren Wellenlängen sein. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass er die Laseremission in Abhängigkeit von (i) der Art der am Werkstück durchgeführten Bearbeitung, (ii) einer Eigenschaft des Werkstücks und/oder (iii) dem Bearbeitungsweg, auf dem das Werkstück bearbeitet wird, in verschiedene innere Bereiche der Faser lenkt. Die Art der Bearbeitung kann aus einer Liste ausgewählt werden, die aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten besteht. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder eine Topographie des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass er die Laseremission auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad auf verschiedene der inneren Bereiche der Faser lenkt. Die Strahlquelle kann (i) einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl diskreter Strahlen emittieren, (ii) eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, (iii) das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und (iv) einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Eingangslaseremission durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum Dispersionselement reflektiert. Die Eingangslaseremission kann sich aus mehreren Wellenlängen zusammensetzen. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen.
Die optische Faser kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die optische Faser kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex kann kleiner als der erste Brechungsindex und/oder größer als der vierte Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich, dessen Brechungsindex zwischen (i) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex oder diesem gleich ist, und (ii) einem sechsten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex oder diesem gleich ist, variiert, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ringförmigen Kern und (iii) einen den ringförmigen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (a) einen ersten Bereich mit einem dritten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (b) einen zweiten Bereich umfassen, wobei der Brechungsindex des zweiten Bereichs zwischen (i) einem vierten Brechungsindex, der kleiner oder gleich dem dritten Brechungsindex ist, und (ii) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex ist, variiert, oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex und kleiner als der vierte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Die optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (iii) einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist, mit einem sechsten Brechungsindex, der kleiner als der vierte und der fünfte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen vierten Bereich mit einem siebten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen fünften Bereich, der zwischen dem zweiten und dem vierten Bereich angeordnet ist, mit einem achten Brechungsindex, der kleiner als der fünfte und der siebte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem auf, das eine Strahlquelle zur Emission eines Eingangslaserstrahls, ein Faserbündel mit mehreren optischen Fasern, einen Schaltmechanismus und einen Abgabemechanismus umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Die Einkopplung einer Eingangslaseremission in jede von mindestens zwei (oder sogar alle) der optischen Fasern bewirkt, dass das Faserbündel einen Ausgang mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgangsprofil erzeugt. Der Schaltmechanismus lenkt die Eingangslaseremission auf verschiedene der optischen Fasern des Faserbündels, um unterschiedliche räumliche Ausgangsprofile in einem zeitlichen Muster mit einer Frequenz zu erzeugen. Der Ausgabemechanismus lenkt die Ausgabe auf das Werkstück, während er eine Relativbewegung dazwischen verursacht, wodurch das Werkstück bearbeitet wird. Die Frequenz ist ausreichend, damit das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Ausgang durch eine effektive Ausgangsform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile kombiniert.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Elemente in einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Der Schaltmechanismus kann einen biegsam gelagerten Reflektor umfassen, im Wesentlichen aus ihm bestehen oder aus ihm bestehen. Das Werkstück (z. B. zumindest dessen Oberfläche) kann eine zeitliche Reaktion auf die Leistung erfahren, die auf dem räumlichen Leistungsprofil und/oder einer Leistungsdichte davon basiert. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass die Relativbewegung auf eine maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt wird. Die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit kann (i) auf der Grundlage der zeitbasierten Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt werden und (ii) sicherstellen, dass die Reaktion auf die effektive Ausgangsform erfolgt. Das System kann einen Wellenformgenerator zur Erzeugung einer Steuerwellenform enthalten. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass er die Eingangslaseremission in Abhängigkeit von der Steuersignalform steuert. Die Steuersignalform kann eine Rechteckwelle enthalten, im Wesentlichen aus einer solchen bestehen oder aus einer solchen bestehen. Die effektive Ausgangsform kann ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuerwellenform sein.
Die Laseremission kann ein Strahl mit mehreren Wellenlängen sein. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass er die Laseremission in Abhängigkeit von (i) der Art der am Werkstück durchgeführten Bearbeitung, (ii) einer Eigenschaft des Werkstücks und/oder (iii) dem Bearbeitungsweg, auf dem das Werkstück bearbeitet wird, auf verschiedene optische Fasern lenkt. Die Art der Bearbeitung kann aus einer Liste ausgewählt werden, die aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten besteht. Die Eigenschaft des Werkstücks kann eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks und/oder eine Topografie des Werkstücks umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Schaltmechanismus kann so konfiguriert sein, dass er die Laseremission auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad auf verschiedene der optischen Fasern lenkt. Die Strahlquelle kann (i) einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl diskreter Strahlen emittieren, (ii) eine Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein dispersives Element, (iii) das dispersive Element zum Empfangen und Dispergieren der empfangenen fokussierten Strahlen und (iv) ein teilreflektierendes Strahlenbündel umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, und (iv) einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als Eingangslaseremission durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum Dispersionselement reflektiert. Die Eingangslaseremission kann sich aus mehreren Wellenlängen zusammensetzen. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder aus einem solchen bestehen.
Mindestens eine optische Faser kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Mindestens eine optische Faser kann einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Mindestens eine optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern mit einem dritten Brechungsindex und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem vierten Brechungsindex umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der vierte Brechungsindex. Der zweite Brechungsindex kann kleiner als der erste Brechungsindex und/oder größer als der vierte Brechungsindex sein. Der dritte Brechungsindex kann größer sein als der erste Brechungsindex.
Mindestens eine optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich, dessen Brechungsindex zwischen (i) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex oder diesem gleich ist, und (ii) einem sechsten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex oder diesem gleich ist, variiert, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Mindestens eine optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ringförmigen Kern und (iii) eine den ringförmigen Kern umgebende erste Umhüllung mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (a) einen ersten Bereich mit einem dritten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (b) einen zweiten Bereich umfassen, wobei der Brechungsindex des zweiten Bereichs zwischen (i) einem vierten Brechungsindex, der kleiner oder gleich dem dritten Brechungsindex ist, und (ii) einem fünften Brechungsindex, der kleiner als der vierte Brechungsindex ist, variiert, oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der ersten Ummantelung angeordnet sein.
Mindestens eine optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex und kleiner als der vierte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der erste Bereich kann zwischen dem zweiten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein. Der zweite Bereich kann zwischen dem ersten Bereich und der zweiten Ummantelung angeordnet sein.
Mindestens eine optische Faser kann (i) einen zentralen Kern mit einem ersten Brechungsindex, (ii) einen den zentralen Kern umgebenden ersten Mantel mit einem zweiten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, (iii) einen den ersten Mantel umgebenden ringförmigen Kern und (iv) einen den ringförmigen Kern umgebenden zweiten Mantel mit einem dritten Brechungsindex, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen ersten Bereich mit einem vierten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, (ii) einen zweiten Bereich mit einem fünften Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (iii) einen dritten Bereich, der zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich angeordnet ist, mit einem sechsten Brechungsindex, der kleiner als der vierte und der fünfte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der ringförmige Kern kann (i) einen vierten Bereich mit einem siebten Brechungsindex, der größer als der zweite Brechungsindex ist, und (ii) einen fünften Bereich, der zwischen dem zweiten und dem vierten Bereich angeordnet ist, mit einem achten Brechungsindex, der kleiner als der fünfte und der siebte Brechungsindex ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
Diese und andere Ziele sowie Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die hier offenbart werden, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher werden. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren können. Der hier verwendete Begriff „im Wesentlichen“ bedeutet ±10% und in einigen Ausführungsformen ±5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hier nicht anders definiert. Dennoch können solche anderen Materialien zusammen oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ werden hier austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Anordnung eines zweiten Elements zu bezeichnen, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element gestoßen ist, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements liegt. Der „optische Abstand“ zwischen zwei Bauteilen ist der Abstand zwischen zwei Bauteilen, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchlaufen wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht zwangsläufig gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Bauteilen sein, z. B. aufgrund von Reflexionen an Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das Licht auf seinem Weg von einem der Bauteile zum anderen erfährt. Die hier verwendeten Entfernungen können als „optische Entfernungen“ betrachtet werden, sofern nicht anders angegeben.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ist eine schematische Darstellung eines Lasersystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
2 ist eine Reihe von Beispielbildern, die Seiten- und Draufsichten von räumlichen Ausgangsprofilen zeigen, die sich aus der Variation des Tastverhältnisses einer Steuerwellenform ergeben, die verwendet wird, um Laserenergie auf verschiedene Bereiche einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zu lenken;
3 ist eine Reihe von Beispielbildern, die Seiten- und Draufsichten von räumlichen Ausgangsprofilen zeigen, die sich aus der Verwendung einer beispielhaften Steuerwellenform bei einer relativ langsamen Frequenz gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ergeben;
4 ist eine Reihe von Beispielbildern, die Seiten- und Draufsichten von räumlichen Ausgangsprofilen zeigen, die sich aus der Verwendung der Steuerwellenform von 3 ergeben, jedoch mit einer höheren Frequenz gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
5 ist eine Reihe von Beispielbildern, die Seiten- und Draufsichten der durchschnittlichen Strahlform zeigen, wie sie an der Oberfläche eines Werkstücks während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Strahl auftritt, wobei eine ausreichend hohe Wellenformfrequenz im Verhältnis zur Geschwindigkeit der Strahlbewegung entlang des Werkstücks gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung angenommen wird;
6A ist ein schematischer Querschnitt einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
6B ist ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten der optischen Faser aus 6A;
7A ist ein schematischer Querschnitt einer stufenförmig ummantelten optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
7B ist ein schematisches Diagramm der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten der optischen Faser aus 7A;
8 ist eine schematische Darstellung der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
9 ist eine schematische Darstellung der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
10A ist eine schematische Darstellung der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
10B ist eine schematische Darstellung der Brechungsindizes der verschiedenen Schichten einer optischen Faser gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung;
11A ist eine schematische Darstellung von Teilen eines Lasersystems, das ein optisches Faserbündel gemäß den Ausführungsformen der Erfindung verwendet;
11B ist eine schematische Endansicht eines beispielhaften Faserbündels, das in dem Lasersystem von 11A verwendet werden kann;
12 ist ein schematisches Diagramm eines Wellenlängenstrahlkombinierers (WBC) gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
Die 13A - 13D zeigen beispielhafte Bilder, die Seiten- und Draufsichten gemittelter Strahlprofile an der Oberfläche eines Werkstücks darstellen, die sich aus der Verwendung von Beispiel-Steuerwellenformen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ergeben.

Detaillierte Beschreibung
Ein beispielhaftes Lasersystem 100 zur Veränderung der Laserstrahlform unter Verwendung einer Faser 105 gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ist in 1 dargestellt. Wie dargestellt, umfasst das Lasersystem 100 einen Schaltmechanismus 110 (z. B. einen einstellbaren Reflektor wie einen in der Neigung verstellbaren und/oder faltbaren Spiegel), um einen eingehenden Eingangslaserstrahl 115 auf ein optisches Faserkopplungselement 120 (z. B. eine oder mehrere Linsen, reflektierende Keile und/oder Prismen) umzulenken, das den Strahl 115 auf die Faser 105 fokussiert. Die Einstellung oder Neigung des Schaltmechanismus 110 wird durch den gebogenen Pfeil 125 angezeigt. Andere Schaltmechanismen, wie betätigte Prismen und/oder Linsen, können in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Wie gezeigt, kann der Bereich der Eingangsfläche der Faser 105, an dem der Strahl 115 eingekoppelt wird, zumindest teilweise durch die Konfiguration (z. B. die Position und/oder den Winkel) des Schaltmechanismus 110 und/oder die Einstellung der Position des optischen Elements 120 (das innerhalb des Weges des Strahls 115 verschoben werden kann, wie durch Pfeil 130 angezeigt) definiert werden. Stattdessen oder zusätzlich kann die Faser 105 selbst in einer Richtung verschoben werden, die im Wesentlichen parallel und/oder im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Faser 105 verläuft. Für die beste Ausgangsstrahlqualität (d. h. den kleinsten BPP) kann die Endfläche der Faser 105 im Brennpunkt des optischen Elements 130 liegen.
Der Lichtwellenleiter 105 kann viele verschiedene innere Konfigurationen und Geometrien aufweisen. So kann die optische Faser 105 beispielsweise einen zentralen Kernbereich und einen ringförmigen Kernbereich, der durch eine innere Mantelschicht getrennt ist, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Eine oder mehrere äußere Mantelschichten können um den ringförmigen Kernbereich angeordnet sein. Ausführungsformen der Erfindung können mit Lichtleitfasern mit Konfigurationen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, und der US-Patentanmeldung Nr. 16/675,655 , eingereicht am 6. November 2019, beschrieben sind, verwendet werden und/oder diese enthalten, wobei die gesamte Offenbarung jeder dieser Anmeldungen durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Das gesamte Lasersystem 100 oder ein Teil davon kann optisch vor dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein, der dazu dient, den Ausgangsstrahl auf das Werkstück zu richten. Der Zuführkopf kann ein oder mehrere optische Elemente zur Fokussierung oder anderweitigen Ausrichtung des Ausgangsstrahls auf das Werkstück enthalten. Die optische Faser 105 kann optisch mit dem Bearbeitungskopf gekoppelt sein und den Ausgangsstrahl dorthin leiten.
Die Konfiguration des Schaltmechanismus (110) und/oder des optischen Elements (120) und/oder der Faser (105) kann über ein Steuergerät (140) und/oder einen oder mehrere (nicht dargestellte) Aktuatoren gesteuert werden, die operativ damit verbunden sind. Somit kann der Schaltmechanismus 110 und/oder das optische Element 120 und/oder die Faser 105 und/oder der eine oder die mehreren Aktuatoren auf das Steuergerät 140 reagieren. Das Steuergerät 140 kann auf ein gewünschtes räumliches Ziel-Ausgangsstrahlprofil reagieren (z.B. Eingabe durch einen Benutzer und/oder basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften eines zu bearbeitenden Werkstücks, wie z.B. dem Abstand zum Werkstück, der Zusammensetzung des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks, dem Reflexionsvermögen des Werkstücks, der Topographie des Werkstücks, usw.). (z. B. Abstand zum Werkstück, Zusammensetzung des Werkstücks, Dicke des Werkstücks, Reflektivität des Werkstücks, Topographie des Werkstücks usw.) und/oder basierend auf der Art der Bearbeitung und/oder dem gewünschten Bearbeitungspfad auf dem Werkstück) und konfiguriert, um den Schaltmechanismus 110 und/oder das optische Element 120 und/oder die Faser 105 so zu positionieren, dass der Strahl 115 auf die Eingangsfläche der Faser 105 trifft, so dass der von der Faser 105 ausgegebene Ausgangsstrahl das angestrebte räumliche Ausgangsstrahlprofil aufweist. Der so erzeugte Ausgangsstrahl kann für Prozesse wie Glühen, Schneiden, Schweißen, Bohren usw. auf ein Werkstück gerichtet werden. Das Steuergerät 140 kann so programmiert werden, dass die gewünschte Leistungsverteilung und/oder der gewünschte Ausgangs-BPP und/oder die gewünschte Strahlqualität erreicht wird, z. B. durch eine bestimmte Schaltmechanismusneigung und/oder Position (und/oder Neigung) des optischen Elements 120 und/oder der Faser 105, wie hierin beschrieben.
Der Controller 140 kann entweder als Software, Hardware oder eine Kombination davon bereitgestellt werden. Das System kann beispielsweise auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Serverklasse implementiert werden, wie z. B. einem PC mit einer CPU-Platine, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie z. B. die Pentium- oder Celeron-Prozessorfamilie, die von der Intel Corporation in Santa Clara, Kalifornien, hergestellt wird, die 680x0- und POWER-PC-Prozessorfamilie, die von der Motorola Corporation in Schaumburg, Illinois, hergestellt wird, und/oder die ATHLON-Prozessorreihe, die von Advanced Micro Devices, Inc. in Sunnyvale, Kalifornien, hergestellt wird. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Verfahren enthalten. Der Speicher kann einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und/oder einen FLASH-Speicher umfassen, der sich auf allgemein verfügbarer Hardware befindet, wie z. B. einem oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeichern (EEPROM), programmierbaren Festwertspeichern (PROM), programmierbaren Logikbausteinen (PLD) oder Festwertspeicherbausteinen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme mit Hilfe von externem RAM und/oder ROM, wie z. B. optischen Festplatten, Magnetplatten und anderen allgemein verwendeten Speichergeräten, bereitgestellt werden. Bei Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer beliebigen Hochsprache wie FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML geschrieben werden. Darüber hinaus kann die Software in einer Assemblersprache implementiert sein, die für den Mikroprozessor eines Zielcomputers bestimmt ist; so kann die Software beispielsweise in der Assemblersprache Intel 80x86 implementiert sein, wenn sie für die Ausführung auf einem IBM PC oder PC-Klon konfiguriert ist. Die Software kann auf einem Herstellungsgegenstand verkörpert sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM.
Das Steuergerät 140 kann auch operativ mit einem Wellenformgenerator 150 (z. B. einem Regler mit variabler Frequenz oder einem Generator mit variabler Frequenz) verbunden sein oder einen solchen enthalten, der so konfiguriert ist, dass er eine Steuerwellenform erzeugt, die zur Steuerung der Konfiguration (z. B. Neigung und/oder Verschiebung) des Schaltmechanismus 110 und/oder des optischen Elements 120 und damit des von der Faser 105 emittierten räumlichen Ausgangsprofils verwendet wird. Wellenformgeneratoren sind herkömmlich und können von einem Fachmann ohne übermäßige Experimente bereitgestellt werden. Die Steuerwellenform kann zur Steuerung des Schaltmechanismus 110 und/oder des optischen Elements 120 verwendet werden, z. B. durch Anwendung der Wellenform auf den/die Aktor(en) und/oder die Stufe(n), die die Konfiguration des Schaltmechanismus 110 und/oder des optischen Elements 120 steuern. Solche Komponenten können beispielsweise piezoelektrische Materialien enthalten, die sich als Reaktion auf angelegte elektrische Felder verformen. Solche Materialien, Aktoren und Stufen sind üblich und können von einem Fachmann ohne übermäßige Experimente bereitgestellt werden.
Das Steuergerät 140 kann auch ein herkömmliches Positionierungssystem steuern, das so konfiguriert ist, dass es eine relative Bewegung zwischen dem Ausgangslaserstrahl und dem zu bearbeitenden Werkstück bewirkt. Bei dem Positionierungssystem kann es sich beispielsweise um ein steuerbares optisches, mechanisches oder optomechanisches System handeln, das den Strahl durch einen Bearbeitungspfad entlang eines zwei- oder dreidimensionalen Werkstücks lenkt. Während der Bearbeitung kann die Steuerung 140 das Positioniersystem und das Lasersystem 100 so steuern, dass der Laserstrahl eine Bearbeitungsbahn entlang des Werkstücks durchläuft. Der Bearbeitungspfad kann von einem Benutzer vorgegeben und in einem integrierten oder entfernten Speicher abgelegt werden, in dem auch Parameter für die Art der Bearbeitung (Schneiden, Schweißen usw.) und die für die Durchführung der Bearbeitung erforderlichen Strahlparameter (z. B. Strahlformen) gespeichert werden können. In diesem Zusammenhang kann eine lokale oder entfernte Datenbank eine Bibliothek von Materialien und Dicken enthalten, die das System verarbeiten wird, und nach der Auswahl von Materialparametern durch den Benutzer (Art des Materials, Dicke usw.) fragt das Steuergerät 140 die Datenbank ab, um die entsprechenden Parameterwerte zu erhalten. Die gespeicherten Werte können Strahlformen enthalten, die für das Material, die Art der Bearbeitung und/oder die Geometrie des Bearbeitungsweges geeignet sind.
Wie im Bereich des Plottens und Scannens allgemein bekannt, kann die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück durch optische Ablenkung des Strahls mit Hilfe eines beweglichen Spiegels, durch physische Bewegung des Lasers mit Hilfe eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder durch eine mechanische Anordnung zum Bewegen des Werkstücks anstelle des Strahls (oder zusätzlich zu diesem) erzeugt werden. Die Steuerung 140 kann in einigen Ausführungsformen Rückmeldungen über die Position und/oder die Bearbeitungseffizienz des Strahls relativ zum Werkstück von einer Rückmeldeeinheit erhalten, die mit geeigneten Überwachungssensoren verbunden ist.
Das Tastverhältnis der Steuersignalform kann so gewählt werden, dass eine Ausgangsform des Laserstrahls erzeugt wird, die zumindest für das Werkstück ein gewichteter Durchschnitt von zwei oder mehr räumlichen Ausgangsprofilen ist, die sich aus der Einkopplung des Strahls 115 in einen oder mehrere Bereiche der Faser 105 ergeben. Das heißt, das Tastverhältnis der Steuersignalform kann das zeitliche Muster bestimmen, nach dem der Strahl 115 in die verschiedenen Bereiche der Faser 105 gelenkt wird, und somit die gemittelte Gesamtausgangsform des Strahls, der an das Werkstück geliefert wird und von diesem wahrgenommen wird. Da in verschiedenen Ausführungsformen die Schaltfrequenz der Steuerwellenform größer ist als die zeitliche Reaktion des Werkstücks auf den Strahl, entspricht die Wirkung des Laserstrahls auf das Werkstück dem gewichteten Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile des Strahls, selbst wenn diese Ausgangsprofile am Strahlausgang voneinander getrennt sind. Daher bezieht sich der Begriff „zusammengesetzte“ oder „gemittelte“ oder „kombinierte“ Ausgangsstrahlform auf das durchschnittliche Strahlprofil, das auf das Werkstück trifft.
2 zeigt eine beispielhafte Reihe von Bildern, die Seiten- und Draufsichten von räumlichen Ausgangsprofilen darstellen, die sich aus der Variation des Tastverhältnisses einer Rechteckwellen-Steuerungswellenform ergeben, die verwendet wird, um die Laserenergie entweder auf (1) einen zentralen kreisförmigen Kernbereich oder (2) einen ringförmigen äußeren Kernbereich der optischen Faser zu richten. Wie in 2 dargestellt, kann beispielsweise ein Tastverhältnis von 0 % dazu führen, dass die gesamte Laserenergie in den zentralen Kern geleitet wird, was zu einem eng gebündelten Punktstrahl führt. Ein Tastverhältnis von 100 % kann bedeuten, dass die gesamte Laserenergie in den ringförmigen Kern geleitet wird, was zu einem ringförmigen Strahl führt. Wie in 2 dargestellt, führen Arbeitszyklen zwischen 0 % und 100 % zu gewichteten Mittelwerten der beiden Endpunktformen. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, und andere Ausführungsformen der Erfindung können komplexere gemittelte Formen bilden, indem die Laserenergie in andere Bereiche (oder mehrere Bereiche gleichzeitig) gelenkt wird, z. B. unter Verwendung von Lichtleitfasern mit komplexeren inneren Konfigurationen.
3 zeigt die Verwendung einer Rechteckwellen-Steuerungswellenform 300, die ein Tastverhältnis von 50 % darstellt, wie oben in Bezug auf 2 beschrieben, aus Gründen der Übersichtlichkeit mit einer relativ niedrigen Frequenz. Das bedeutet, dass die Steuerwellenform 300 vorgibt, dass die Hälfte der Zeit die Strahlform eines Punktstrahls und die andere Hälfte die Strahlform eines Ringstrahls ist, während der Strahl auf ein Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads angewendet wird. In 3 ist die resultierende Strahlform als Reaktion auf die Steuerwellenform 300 sowohl in der Draufsicht (als Draufsicht-Strahlform 310) als auch in der Seitenansicht (als Seitenansicht-Strahlform 320) dargestellt. Bei der in 3 dargestellten relativ langsamen Frequenz ist diese Formänderung über die Zeit hinreichend diskret, so dass die Ausgangsstrahlform einfach über die Oberfläche des Werkstücks hin- und herwechseln kann, anstatt gemittelt zu werden.
Bei einer bestimmten relativen Bewegungsgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück kann die Frequenz der Steuerwellenform erhöht werden, um eine neue, gemittelte Ausgangsstrahlform zu erzeugen, wenn der Strahl auf das Werkstück auftrifft. 4 zeigt die gleiche Anordnung wie in 3, jedoch mit erhöhter Frequenz der Steuerwellenform 300. Wie gezeigt, reicht die höhere Frequenz aus, um die von der optischen Faser erzeugten diskreten räumlichen Strahlprofile zu einer durchschnittlichen Ausgangsform zusammenzuführen, die die Punkt- und Ringstrahlprofile kombiniert. Da eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl induziert wird, reagiert das Werkstück zeitabhängig auf den Ausgangsstrahl, basierend auf dem Ausgangsprofil und dessen räumlicher Leistungsdichte. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung hängt die minimale Wellenformfrequenz, die erforderlich ist, um die Ausgangsstrahlformen effektiv zusammenzuführen, von der Geschwindigkeit der Bewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück ab. In 5 ist die durchschnittliche Strahlform dargestellt, wie sie auf die Oberfläche des Werkstücks während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Strahl aufgebracht wird (als durchschnittliche Strahlform 510 in der Draufsicht und 520 in der Seitenansicht), wobei eine ausreichend hohe Wellenformfrequenz im Verhältnis zur Geschwindigkeit der Strahlbewegung entlang des Werkstücks angenommen wird. Das Steuergerät 140 kann sicherstellen, dass ein gemitteltes Ergebnis erzielt wird, indem es entweder die Relativbewegung auf eine maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt (die durch die Wellenformfrequenz und die Materialreaktionszeit des Werkstücks bestimmt wird) oder eine minimale Wellenformfrequenz sicherstellt, bei der die Reaktion des Werkstücks die gewünschte Reaktion ist,- d. h. die Reaktion auf den gemittelten Ausgangsstrahl und nicht auf unterschiedliche Strahlformen an verschiedenen Stellen entlang des Bearbeitungswegs. Die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit bzw. die minimale Wellenformfrequenz hängt von der zeitlichen Reaktion des Materials auf die Energie des Laserstrahls ab (z. B. die Zeitspanne, die erforderlich ist, um eine gewünschte Veränderung (z. B. einen Schnitt, ein Schmelzen, eine Erweichung usw.) im Material in Abhängigkeit von der räumlichen Strahlenergie zu bewirken) und kann für eine bestimmte Anwendung ohne übermäßige Experimente ermittelt werden.
Ausführungsformen der Erfindung können es einem Benutzer ermöglichen, ein Werkstück entlang eines gewünschten Bearbeitungspfads zu bearbeiten (z. B. zu schneiden oder zu schweißen), wobei die optimale Strahlform und die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit auf der Grundlage von Faktoren wie der Zusammensetzung des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks, dem Reflexionsvermögen des Werkstücks, der Geometrie des Bearbeitungspfads usw. ausgewählt wird. Beispielsweise kann ein Benutzer den gewünschten Bearbeitungspfad über ein beliebiges geeignetes Eingabegerät oder durch Dateiübertragung auswählen oder vorprogrammieren. Danach kann das Steuergerät 140 die verschiedenen Ausgangsstrahlformen, die durch die optische Faser des Systems ermöglicht werden, den Bearbeitungsweg sowie die Art und die Merkmale (z. B. die Dicke) des Werkstücks analysieren und gegebenenfalls seine Datenbank abtragen. Auf der Grundlage dieser Informationen kann das System die optimale Form des Ausgangsstrahls als Funktion der Position entlang des Bearbeitungswegs, der Steuerfrequenz und der Rate der Relativbewegung, die zur Erzeugung der Strahlform erforderlich sind, und damit der maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeit bestimmen. Im Betrieb kann die Steuerung 140 das Lasersystem und die Positionierung des Werkstücks so steuern, dass das Werkstück entlang des vorprogrammierten Pfads bearbeitet wird und die richtige durchschnittliche Strahlform am Werkstück erhalten bleibt. Ändert sich die Zusammensetzung und/oder Dicke des zu bearbeitenden Materials, können Ort und Art der Änderung programmiert werden, und die Steuerung 140 kann die Form des Laserstrahls und/oder die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkstück und Strahl entsprechend anpassen.
Darüber hinaus kann das Lasersystem ein oder mehrere Systeme zur Erfassung der Dicke des Werkstücks und/oder der Höhe der darauf befindlichen Merkmale umfassen. Beispielsweise kann das Lasersystem Systeme (oder Komponenten davon) zur interferometrischen Tiefenmessung des Werkstücks enthalten, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/676,070 , eingereicht am 1. April 2015, beschrieben, deren gesamte Offenlegung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. Solche Tiefen- oder Dickeninformationen können von der Steuerung verwendet werden, um die Form des Ausgangsstrahls zu steuern, um die Bearbeitung (z. B. Schneiden oder Schweißen) des Werkstücks zu optimieren, z. B. in Übereinstimmung mit Datensätzen in der Datenbank, die der Art des bearbeiteten Materials entsprechen.
Wie oben erwähnt, können Ausführungsformen der Erfindung mit optischen Fasern mit vielen verschiedenen Konfigurationen verwendet werden und/oder diese einschließen. 6A zeigt zum Beispiel eine doppelwandige Faser 600 mit einem zentralen Kern 605, einem inneren Mantel 610, einem ringförmigen Kern 615 und einem äußeren Mantel 620. Der Radius jeder Schicht (Kern oder Mantel) der Faser 600 wird durch R1, R2, R3 oder R4 dargestellt, wie in 6B gezeigt. In der doppelummantelten Faser 600 können die beiden Kerne 605, 615 denselben höheren Brechungsindex NH und die beiden Mantelschichten 610, 620 denselben niedrigeren Brechungsindex NL haben, wie in 6B gezeigt, und daher können die beiden Kerne 605, 615 dieselbe numerische Apertur (NA) von sqrt (NH2-NL2) haben. In anderen Ausführungsformen können die Brechungsindizes der Kerne 605, 615 und/oder der Ummantelungen 610, 620 voneinander abweichen.
Darüber hinaus können Ausführungsformen der Erfindung optische Fasern verwenden, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 15/479,745 beschrieben sind, die am 5. April 2017 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist. So beinhalten Ausführungsformen der Erfindung die Einkopplung des Laserstrahls in eine mehrfach ummantelte optische Faser, die hier als „stufenummantelte Faser“ bezeichnet wird. Eine beispielhafte stufenförmig ummantelte Faser umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einem zentralen Kern, einer ersten Ummantelung, die um den zentralen Kern angeordnet ist, dem ersten ringförmigen Kern, der um die erste Ummantelung angeordnet ist, und einer zweiten Ummantelung, die um den ersten ringförmigen Kern angeordnet ist. Stufenweise ummantelte Fasern gemäß den Ausführungsformen der Erfindung sind nicht darauf beschränkt, nur einen einzigen ringförmigen Kern und zwei Ummantelungen zu haben - ein oder mehrere zusätzliche ringförmige Kerne und zugehörige Ummantelungen können um die zweite Ummantelung herum angeordnet sein. Wie hierin verwendet, ist der Begriff „ringförmiger Kern“ definiert als ein ringförmiger Bereich mit einem höheren Brechungsindex als sowohl die inneren als auch die äußeren Schichten, die daran angrenzen. Andere Schichten als der mittlere Kern und der ringförmige Kern bzw. die ringförmigen Kerne sind typischerweise Mantelschichten in einer stufenförmig ummantelten Faser. Solche Mantelschichten haben einen niedrigeren Brechungsindex als mindestens eine benachbarte Schicht.
7A zeigt eine beispielhafte stufenförmig ummantelte Faser 700, die einen zentralen Kern 705, eine erste Ummantelung 710, einen ringförmigen Kern 715 und eine zweite Ummantelung 720 umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. In 7B sind der Brechungsindex und der Radius jeder Schicht der stufenförmig ummantelten Faser 700 dargestellt. Wie gezeigt, hat der Brechungsindex (NM) der ersten Ummantelung 710 der Faser 700 einen Wert zwischen einem hohen Index NH (nicht notwendigerweise der hohe Index von 6B) und einem niedrigen Index NL (nicht notwendigerweise der niedrige Index von 6B), so dass der mittlere Kern 705 einen kleineren NA, gegeben durch sqrt (NH2 - NM2), als der NA des ringförmigen Kerns 715, gegeben durch sqrt (NH2 - NL2), aufweist. Während in 7B die Brechungsindizes des mittleren Kerns 705 und des ringförmigen Kerns 715 als annähernd gleich dargestellt sind, kann in verschiedenen Ausführungsformen der Brechungsindex des ringförmigen Kerns 715 vom Brechungsindex des mittleren Kerns 705 abweichen (d.h. entweder kleiner oder größer sein); im Allgemeinen bleibt der Brechungsindex des ringförmigen Kerns 715 jedoch größer als der Brechungsindex der ersten Hülle 710.
Ausführungsformen der Erfindung können auch optische Fasern mit Konfigurationen verwenden und/oder einbeziehen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 16/675,655 , eingereicht am 6. November 2019, beschrieben sind, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Beispielsweise weisen optische Fasern gemäß Ausführungsformen der Erfindung einen ringförmigen Kernbereich auf, der (i) einen Teilbereich mit abgestuftem Brechungsindex, (ii) Teilbereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizes in einem gestuften Profil oder (iii) eine Sperrschicht mit niedrigem Brechungsindex enthält.
8 zeigt den inneren Aufbau einer Gradienten-Stufenmantel-Lichtleitfaser 800 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, weist die Faser 800 einen zentralen Kern 810 mit einem Durchmesser D0 und einem Brechungsindex n0, eine erste Ummantelung 815 mit einem Durchmesser D1 und einem Brechungsindex n1, einen ringförmigen Kern 820 mit einem Durchmesser D2 und eine äußere Ummantelung 825 mit einem Brechungsindex n3 auf. Ähnlich wie bei der in 7A gezeigten Stufenmantelfaser 700 kann der erste Mantel 815 einen mittleren Brechungsindex n1 aufweisen, der kleiner als der Brechungsindex n0 und größer als der Brechungsindex n3 ist. In verschiedenen Ausführungsformen bestimmt die Differenz zwischen n0 und n1 die NA des mittleren Kerns 810, berechnet durch NAcore = sqrt(n02 - n12), und die Differenz zwischen n0 und n3 bestimmt zumindest teilweise die Gesamt-NA der Faser 800, berechnet durch NAfiber = sqrt(n02 - n32). Da n1 größer als n3 ist, ist NAfiber größer als NAcore.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der ringförmige Kern 820 zwei verschiedene Bereiche, besteht im Wesentlichen aus diesen oder besteht aus zwei verschiedenen Bereichen. Wie in 8 gezeigt, kann der ringförmige Kern 820 einen Bereich mit abgestuftem Brechungsindex 820g und einen Bereich mit konstantem Brechungsindex n2 aufweisen. In dem Bereich mit abgestuftem Brechungsindex 820g variiert der Brechungsindex zwischen einem niedrigen Brechungsindex nL und einem hohen Brechungsindex nH. In verschiedenen Ausführungsformen kann der niedrige Brechungsindex nL ungefähr gleich oder höher als der Brechungsindex n1 der ersten Hülle 815 sein, und der hohe Brechungsindex nH kann ungefähr gleich oder niedriger als der Brechungsindex n2 des Bereichs mit konstantem Index sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann n2 ungefähr gleich n0 sein, wie in 8 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann n2 größer oder kleiner als n0 sein. Diese Beziehungen zwischen n2 und n0 können für jede der optischen Fasern gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gelten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Durchmesser der Kern- und Mantelbereiche zumindest teilweise von verschiedenen Eigenschaften (z. B. der Ausgangsleistung) der Laserquelle und/oder vom gewünschten BPP-Bereich des von der optischen Faser zu übertragenden Ausgangsstrahls abhängen. Ein Kerndurchmesser D0 von ca. 100 µm, abgestimmt auf eine Laserquelle mit einem BPP von ca. 3,5 mm-mrad, führt typischerweise zu einer relativ niedrigen Ausgangs-NA (ca. 0,09) mit einem Mindest-BPP von ca. 4 mm-mrad. Wenn der gewünschte BPP-Variationsbereich etwa ein Faktor 6 ist, kann der Durchmesser D2 des ringförmigen Kerns 320 etwa 600 µm betragen, ohne Berücksichtigung der NA-Vergrößerung, die auftreten kann, wenn ein Teil der Laserleistung in die erste Ummantelung 815 und/oder in einen Teil (z. B. den Teil mit niedrigerem Index) des Gradientenindexbereichs 820g eingekoppelt wird. Unter der Annahme, dass die NA des mittleren Kerns 810 etwa 0,12 und die Eingangs-NA des Lasers etwa 0,085 beträgt, ist die vergrößerte NA etwa 0,147 (=sqrt(0,12×0,12 + 0,085×0,085)), was um den Faktor 1,7 größer ist als die Eingangs-NA. Wie bereits erwähnt, kann die effektive Vergrößerung der gesamten Ausgangs-NA kleiner als dieser Faktor 1,7 sein, da in verschiedenen Ausführungsformen nicht die gesamte Eingangsleistung in Bereiche mit niedrigem Index eingekoppelt wird oder aus Bereichen mit hohem Index austritt. Unter der Annahme, dass die Gesamt-NA-Vergrößerung etwa 1,5 beträgt, kann der Durchmesser des ringförmigen Kerns auf etwa 400 µm reduziert werden, um denselben gewünschten Bereich der BPP-Variation zu erreichen. Ein kleinerer Durchmesser des ringförmigen Kerns kann zu einer höheren Intensität des Ausgangsstrahls führen, was bei vielen Hochleistungslaseranwendungen von Vorteil sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen liegt das Verhältnis des Durchmessers D2 zum Durchmesser D0 im Bereich von etwa 2,5 bis etwa 8 oder von etwa 3 bis etwa 6. Dieses Verhältnis kann auf alle verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen von Lichtleitfasern angewandt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke der ersten Umhüllung 815 (d. h. ((D1-D0)/2) weniger als etwa die Hälfte des Durchmessers D0 (d. h. weniger als etwa D0/2) betragen. Diese Dicke der ersten Ummantelung kann für alle verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsformen von Lichtleitfasern verwendet werden. Bei der optischen Faser 800 kann die Dicke der ersten Ummantelung 815 sogar noch kleiner sein, z.B. weniger als ungefähr 25%, weniger als ungefähr 10% oder sogar weniger als ungefähr 5% des Durchmessers D0, z.B. aufgrund des Vorhandenseins des Teils mit niedrigerem Index des Gradientenindexbereichs 820g.
Vorteilhafterweise führt die in das Brechungsindexprofil des Ringkerns 820, einschließlich des Gradientenindexbereichs 820g, eingekoppelte Laserenergie zu Ausgangsstrahlen mit ringförmigen Strahlen mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern und Breiten, abhängig von der Eingangsstelle im Ringkern 820. Wenn also die Strahlform als Reaktion auf die Steuerwellenform, wie oben beschrieben, geändert wird, ermöglicht die Verwendung der Faser 800 eine Vielzahl unterschiedlicher durchschnittlicher Strahlformen, die am Werkstück auftreten. In verschiedenen Ausführungsformen bietet und ermöglicht der Gradientenindexbereich 820g unterschiedliche Grenzflächenpositionen der Totalreflexion von Eingangsstrahlen mit unterschiedlichen NAs. Zum Beispiel wird sich Laserleistung mit einem Eingangs-NAin, der in den Bereich mit konstantem Index des ringförmigen Kerns 820 eingekoppelt wird, typischerweise nicht über den gesamten ringförmigen Kern 820 ausbreiten, sondern eher in einem begrenzteren Bereich mit einem Brechungsindex größer als nx (der größer als n1 ist) enthalten sein, der sqrt(n22 - nx2)= NAin erfüllt. Mit anderen Worten, der Teil des ringförmigen Kerns 820 mit dem Brechungsindex nx wirkt wie ein Strahlenstopper. In ähnlicher Weise haben verschiedene Teile der Eingangsleistung im NA-Bereich unterschiedliche Eingangs-NA im Bereich von 0 bis NAin, und diese verschiedenen Teile werden daher durch verschiedene Teile (d.h. zylindrische „Schnittstellen“) innerhalb des ringförmigen Kerns 820 „blockiert“. Im allgemeinen wird ein z-Anteil der Leistung mit einem Eingangs-NAz (der kleiner oder gleich NAin ist), der in den ringförmigen Kern 820 an der Position y mit einem relativ hohen Brechungsindex ny eingekoppelt wird, innerhalb eines Volumens im ringförmigen Kern 820 mit einem Brechungsindex größer als nx eingeschlossen, das sqrt(ny2 - nx2)= NAz erfüllt. Diese Gleichung gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung. Dieser allgemeine Satz kann auf alle verschiedenen Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung angewandt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen bietet die stufenförmig ummantelte optische Faser 800 im Vergleich zu der in 7A dargestellten stufenförmig ummantelten optischen Faser 700 eine größere Vielfalt an Strahlformen und kann daher eingesetzt werden, um die Anforderungen einer größeren Vielfalt von Anwendungen und Werkstücken zu erfüllen, die mit ihren Ausgangsstrahlen bearbeitet werden. Wie die oben beschriebene allgemeine Gleichung zeigt, führen Änderungen der Eingangslage (y) typischerweise zu verschiedenen ringförmigen Ringen im Ausgangsstrahl mit unterschiedlichen Querschnittsprofilen in Intensität und Breite. Änderungen der Eingangslage können auch ringförmige Ringe mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern erzeugen, insbesondere wenn der Gradientenindexbereich 820g am oder nahe dem äußeren Rand des ringförmigen Kerns 820 angeordnet ist. Herkömmliche Fasern (z. B. Lichtwellenleiter 700) weisen eine solche Dynamik nicht auf, da sich die in den ringförmigen Kernbereich solcher Fasern eingekoppelte Laserleistung nahezu gleichmäßig über den gesamten ringförmigen Kernbereich verteilt.
Wie durch den Doppelpfeil zwischen den Positionen A und B in 8 angedeutet, ermöglicht die gradientenumhüllte Lichtleitfaser 800 eine kontinuierliche Verschiebung des Lasereingangsflecks von Position A zu Position B (z. B. als Reaktion auf eine gewünschte Steuerwellenform) ohne nennenswerten Leistungsverlust, vorausgesetzt, dass der Lasereingang NAin nicht größer ist als die NA der ersten Umhüllung 815, die gleich sqrt(n12 - n32) ist.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Brechungsindexprofil (d. h. die Variation des Brechungsindex als Funktion der Position) des Gradientenindexbereichs 820g ein im Wesentlichen linearer Gradient sein, wie in 8 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann das Profil andere Formen haben, einschließlich parabolisch, quadratisch, polynomisch, stufenförmig (d.h. aus diskreten Stufen im Brechungsindex bestehend) oder jede andere monotone Kurve. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Bereich mit abgestuftem Brechungsindex 820g zwischen der ersten Ummantelung 815 und dem Bereich mit konstantem Brechungsindex des ringförmigen Kerns 820 angeordnet sein, wie in 8 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann der Bereich mit abgestuftem Brechungsindex 820g stattdessen zwischen dem Bereich mit konstantem Brechungsindex und der äußeren Ummantelung 825 angeordnet sein, oder es können Bereiche mit abgestuftem Brechungsindex auf beiden Seiten des Bereichs mit konstantem Brechungsindex angeordnet sein. In solchen Ausführungsformen kann der Brechungsindex des indexkonstanten Bereichs zwischen n0 und n1 liegen, wie in 8 dargestellt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die ringförmige Hülle 820 vollständig aus dem Bereich mit abgestuftem Brechungsindex 820g bestehen, d. h. die Breite des Bereichs mit konstantem Brechungsindex der ringförmigen Hülle 820 kann ungefähr Null sein. Zusätzlich oder stattdessen kann sich der Bereich mit abgestuftem Brechungsindex 820g so erstrecken, dass er eine Schnittstelle mit dem zentralen Kern 810 bildet, d. h. die Breite der ersten Hülle 815 kann annähernd Null sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Brechungsindex n2 und/oder nH innerhalb des ringförmigen Kerns 820 kleiner, größer oder annähernd gleich n0 sein, d. h. dem Brechungsindex des zentralen Kerns 810. Schließlich kann die stufenförmig ummantelte Glasfaser 800 auch eine oder mehrere zusätzliche Mantelschichten enthalten, die außerhalb der äußeren Ummantelung 825 angeordnet sind, auch wenn dies in 8 nicht dargestellt ist. Solche Mantelschichten (die z. B. Beschichtungsschichten und/oder Schutzmäntel umfassen, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen können) können in erster Linie schützenden Charakter haben und daher keine direkte Übertragung von Laserenergie darin ermöglichen. Die Brechungsindizes solcher Schichten können niedriger sein als n3, der Brechungsindex der äußeren Umhüllung 825. In anderen Ausführungsformen können die Brechungsindizes solcher Schichten höher als n3 sein. In verschiedenen Ausführungsformen haben Lichtleitfasern eine äußere Glasschicht mit annähernd demselben Brechungsindex wie der des zentralen Kerns, der die äußere Umhüllung 825 direkt umgibt, und dann eine oder mehrere (z. B. eine oder zwei) darüber angeordnete Beschichtungsschichten, die jeweils einen Brechungsindex kleiner als n3 haben.
In 9 ist der innere Aufbau einer weiteren optischen Faser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie gezeigt, weist die mehrstufig ummantelte optische Faser 900 einen zentralen Kern 910 mit einem Durchmesser D0 und einem Brechungsindex n0, eine erste Ummantelung 915 mit einem Durchmesser D1 und einem Brechungsindex n1, einen ringförmigen Kern 920 mit einem Durchmesser D2 und eine äußere Ummantelung 925 mit einem Brechungsindex n3 auf. Ähnlich wie bei der in 8 gezeigten Faser 800 kann die erste Ummantelung 915 einen mittleren Brechungsindex n1 aufweisen, der kleiner als der Brechungsindex n0 und größer als der Brechungsindex n3 ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der ringförmige Kern 920 zwei verschiedene Bereiche, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus zwei verschiedenen Bereichen. Wie in 9 gezeigt, kann der ringförmige Kern 920 einen inneren Stufenindexbereich 920s mit einem Brechungsindex n2s und einen äußeren Stufenindexbereich 920e mit einem Brechungsindex n2 aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Brechungsindex n2s größer als der Brechungsindex n1 der ersten Ummantelung 915 und kleiner als der Brechungsindex n2. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird die in den äußeren Stufenindexbereich 920e eingekoppelte Laserleistung hauptsächlich im äußeren Stufenindexbereich 920e verbleiben, und die in den inneren Stufenindexbereich 920s eingekoppelte Leistung wird hauptsächlich in beiden Bereichen 920s, 920e enthalten sein; daher wird die in einen oder beide dieser Bereiche eingekoppelte Laserenergie zu Ausgangsstrahlen führen, die ringförmige Strahlen mit unterschiedlichen effektiven Durchmessern und Breiten haben, abhängig von der Eingangsstelle im ringförmigen Kern 920 (ähnlich wie bei der obigen Diskussion über die Faser 800).
Bei mehrstufig ummantelten optischen Fasern 900 kann die Dicke des inneren Stufenindexbereichs 920s gemäß verschiedenen Ausführungsformen größer oder gleich etwa 10 % des mittleren Kerndurchmessers D0 oder sogar größer oder gleich etwa 25 % von D0 sein. Solche Werte können auch auf die Dicke der ersten Ummantelung 915 angewendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen hängt die Dicke einer oder mehrerer Schichten des Lichtwellenleiters vom mittleren Kerndurchmesser D0 ab, da die Spotgröße des Eingangslaserstrahls beispielsweise etwa 60 % bis etwa 90 % von D0 betragen kann.
In verschiedenen Ausführungsformen bietet die mehrstufig ummantelte optische Faser 900 im Vergleich zu der in 7A dargestellten stufenförmig ummantelten optischen Faser 700 eine größere Vielfalt an Strahlformen und kann daher eingesetzt werden, um die Anforderungen einer größeren Vielfalt von Anwendungen und Werkstücken zu erfüllen, die von ihren Ausgangsstrahlen in Reaktion auf eine gewünschte Steuerwellenform bearbeitet werden. Beispielsweise bietet die mehrstufig ummantelte optische Faser 900 zwei diskrete Bereiche 920s, 920e innerhalb des ringförmigen Kerns 920 zur Aufnahme der Laserenergie, die jeweils zu unterschiedlichen Ringprofilen führen, die mit Fasern wie der Faser 700 nicht erreicht werden können. In verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht das Vorhandensein der diskreten Bereiche 920s, 920e die Manipulation eines Ringprofils (z. B. Intensität und/oder Breite) über Änderungen der Eingangsleistungsverhältnisse zwischen den beiden Abschnitten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der ringförmige Kern 920 mehr als zwei verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Darüber hinaus kann in verschiedenen Ausführungsformen der Brechungsindex n2 des äußeren Stufenindexbereichs 920e größer sein als der Brechungsindex n2s des inneren Stufenindexbereichs 920s, wie in 9 gezeigt, oder n2 kann kleiner sein als n2s.
In 10A ist der innere Aufbau einer anderen optischen Faser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie gezeigt, weist die optische Faser 1000 mit Barrierestufenmantel einen zentralen Kern 1010 mit einem Durchmesser D0 und einem Brechungsindex n0, einen ersten Mantel 1015 mit einem Durchmesser D1 und einem Brechungsindex n1, einen ringförmigen Kern 1020 mit einem Durchmesser D2 und einen äußeren Mantel 1025 mit einem Brechungsindex n3 auf. Ähnlich wie bei den Fasern 800 und 900 kann die erste Ummantelung 1015 einen mittleren Brechungsindex n1 haben, der kleiner als der Brechungsindex n0 und größer als der Brechungsindex n3 ist.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der ringförmige Kern 1020 drei verschiedene Bereiche, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus drei verschiedenen Bereichen. Wie in 10A gezeigt, kann der ringförmige Kern 1020 einen inneren Bereich 1020a, einen äußeren Bereich 1020c und einen zwischen den Bereichen 1020a, 1020c angeordneten Sperrbereich 1020b aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Brechungsindizes der beiden Bereiche 1020a, 1020c gleich dem Brechungsindex n2, der ungefähr gleich dem Brechungsindex n0 des zentralen Kerns 1010 sein kann. In anderen Ausführungsformen kann n2 größer oder kleiner als n0 sein. Der Brechungsindex n2b des Barrierebereichs 1020b ist kleiner als n2 und kann größer oder annähernd gleich dem Brechungsindex n1 der ersten Ummantelung 1015 sein. Wie in 10A gezeigt, kann der Barrierebereich 1020b einen Innendurchmesser Db, der größer ist als der Durchmesser D1 der ersten Ummantelung 1015, und eine Schichtdicke T aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Schichtdicke T des Barrierebereichs 1020b kleiner als etwa 30 µm, kleiner als etwa 20 µm oder kleiner als etwa 10 µm. Die Schichtdicke T kann größer als etwa 1 µm, größer als etwa 2 µm, größer als etwa 5 µm oder größer als etwa 10 µm sein.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird der Barrierebereich 1020b zusammen mit dem ersten Mantel 1015 und dem äußeren Mantel 1025 im Wesentlichen verhindern, dass sich die Laserleistung auf andere Bereiche der Faser 1000 ausbreitet, wenn die Leistung zunächst entweder in den inneren Bereich 1020a oder den äußeren Bereich 1020c eingekoppelt wird; daher können Ausgangsstrahlen gemäß Ausführungsformen der Erfindung zwei diskrete ringförmige Ringe am Faserausgang aufweisen, zumindest vor einer Mittelwertbildung als Reaktion auf eine gewünschte Ausgangswellenform. Das heißt, die Faser 1000 ermöglicht die Bildung von Ausgangsstrahlen mit zwei ringförmigen Ringen mit unterschiedlichen Ausgangsintensitäten durch Verteilung der Eingangslaserleistung zwischen den Regionen 1020a, 1020c. Solche Ausgangsstrahlen sind bei der Verwendung der oben beschriebenen Fasern 600, 700 normalerweise nicht möglich. Außerdem geht die in den Barrierebereich 1020b eingekoppelte Laserleistung typischerweise nicht aus dem Ausgangsstrahl verloren, sondern verteilt sich stattdessen im gesamten ringförmigen Kern 1020.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird sich die in den ersten Mantel 1015 eingekoppelte Laserleistung tendenziell auf den gesamten ringförmigen Kernbereich 1020 ausbreiten, und diese Leistung kann sich auch auf den mittleren Kern 1010 ausbreiten. Somit kann die Einkopplung von Strahlenergie in die erste Ummantelung 1015 zu einer größeren effektiven Strahlgröße am Faserausgang führen als die Einkopplung in den inneren Bereich 1020a. Daher ergibt sich bei Ausführungsformen der Erfindung eine nicht-monotone Zunahme der Ausgangsstrahlgröße, wenn die Laserenergie in die verschiedenen Bereiche der Faser 1000 eingekoppelt wird, was zu dynamischen BPP-Variationen führt, die bei Verwendung der Fasern 600, 700 nicht möglich sind.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann der ringförmige Kernbereich 1020 mehr als einen Barrierebereich 1020b umfassen, und jeder Barrierebereich kann eine unterschiedliche Dicke und/oder einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, obwohl die Brechungsindizes solcher Barriereschichten typischerweise kleiner als der Brechungsindex n2 und größer als oder ungefähr gleich dem Brechungsindex n1 sind. Das heißt, der ringförmige Kernbereich 1020 kann durch N Barrierebereiche 1020b in N+1 Bereiche (z. B. Bereiche 1020a, 1020c) unterteilt sein. Die Dicke und/oder der Brechungsindex von zwei oder mehr (oder sogar allen) der mehrfachen Barrierebereiche 1020b können gleich oder unterschiedlich sein.
10B zeigt die innere Struktur einer optischen Faser gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die eine Variante der in 10A dargestellten barrierestufenummantelten optischen Faser 1000 ist. Wie gezeigt, weist die barrierestufenummantelte optische Faser 1030 einen zentralen Kern 1010b, einen ersten Mantel 1015, einen ringförmigen Kern 1020 und einen äußeren Mantel 1025 auf. Ähnlich wie bei den Fasern 800, 900 und 1000 kann die erste Ummantelung 1015 einen mittleren Brechungsindex n1 haben, der kleiner als der Brechungsindex n0 und größer als der Brechungsindex n3 ist.
Wie in 10B gezeigt, hat der mittlere Kern 1010b ein Gradientenindexprofil, bei dem der Mittelpunkt des mittleren Kerns 1010b den höchsten Brechungsindex n0 hat und der Brechungsindex des mittleren Kerns 1010b als Funktion des radialen Abstands vom Mittelpunkt abnimmt. In verschiedenen Ausführungsformen hat nur der zentrale Punkt des zentralen Kerns 1010b den höchsten Brechungsindex n0, während in anderen Ausführungsformen der zentrale Kern 1010b einen zentralen Abschnitt mit einer endlichen Dicke und dem höchsten Brechungsindex n0 aufweist. (Das heißt, der Brechungsindex des mittleren Kerns 1010b kann über einem zentralen Abschnitt ein Plateau aufweisen und dann zum äußeren Umfang des mittleren Kerns 1010b hin abnehmen). Die Abnahme des Brechungsindex des mittleren Kerns 1010b kann im Wesentlichen linear oder parabolisch sein oder eine andere Form haben, wie z. B. eine polynomische Abhängigkeit. In anderen Ausführungsformen kann der Brechungsindex des mittleren Kerns 1010b in einer Reihe von einem oder mehreren (oder sogar zwei oder mehr) diskreten Schritten abnehmen. In verschiedenen Ausführungsformen nimmt der Brechungsindex des mittleren Kerns 1010b an der Grenzfläche zwischen dem mittleren Kern 1010b und der ersten Ummantelung 1015 auf einen Brechungsindex n'₀ ab. Wie gezeigt, kann der Brechungsindex n'₀ größer sein als der Brechungsindex n1 der ersten Ummantelung 1015. In anderen Ausführungsformen kann der Brechungsindex n'₀ ungefähr gleich dem Brechungsindex n1 der ersten Ummantelung 1015 sein.
Wie bei der optischen Faser 1000 von 10A kann in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung der ringförmige Kernbereich 1020 der Faser 1030 mehr als einen Barrierebereich 1020b umfassen, und jeder Barrierebereich kann eine unterschiedliche Dicke und/oder einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, obwohl die Brechungsindizes solcher Barriereschichten typischerweise kleiner als der Brechungsindex n2 und größer als oder ungefähr gleich dem Brechungsindex n1 sind.
In Ausführungsformen der Erfindung wird der Strahl in zwei oder mehr verschiedene optische Fasern (z. B. Fasern innerhalb eines Faserbündels) gelenkt, anstatt in zwei oder mehr verschiedene Stellen innerhalb der Faser(n) gelenkt zu werden, oder zusätzlich dazu. In 11A ist ein Lasersystem 1100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie gezeigt, wird der Laserstrahl 115 (der z.B. der Ausgangsstrahl eines WBC-Systems sein kann) durch den Schaltmechanismus 110 gelenkt und durch ein optisches Element 120 (z.B., (z.B. eine oder mehrere Linsen) in eine von mehreren Fasern eines Faserbündels 1110 eingekoppelt, das zwei oder mehr optische Fasern 105 umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder aus zwei oder mehr optischen Fasern 105 besteht, von denen mindestens zwei (oder sogar alle) unterschiedliche interne Konfigurationen aufweisen können (z.B. Anzahl der Mantelschichten, Anzahl der Kerne, Brechungsindizes der Kerne und/oder Ummantelungen, Größen der Kerne und/oder Ummantelungen, usw.). Jede der optischen Fasern 105 des Faserbündels 1110 kann mit einem Laserkopf 1120 verbunden sein, der z. B. weitere Optiken zur Ausrichtung des Ausgangslaserstrahls auf ein Werkstück zur Materialbearbeitung wie Schneiden, Schweißen usw. enthalten kann. 11A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der der Laserstrahl 115 durch Bewegung (z. B. Rotation und/oder Translation) des Schaltmechanismus 110 in zwei verschiedene optische Fasern 105 innerhalb des Faserbündels 1110 eingekoppelt wird. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können die Fasern 105 des Faserbündels 1110 die internen Konfigurationen der hierin beschriebenen optischen Fasern aufweisen. Zwei oder mehr der Fasern 105 des Faserbündels 1110 können die gleiche innere Konfiguration aufweisen (z.B. Form und Größe des Kerns/der Kerne und/oder des Mantels/der Mäntel), und/oder zwei oder mehr der Fasern 105 des Faserbündels 1110 können unterschiedliche innere Konfigurationen aufweisen. 11B zeigt eine schematische Endansicht des Faserbündels 1110. Obwohl 11B die Fasern des Faserbündels 1110 in einer dicht gepackten, runden Konfiguration zeigt, umfassen Ausführungsformen der Erfindung auch andere Anordnungen der Fasern innerhalb des Faserbündels 1110, z. B. einen linearen Stapel.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Eingangsseite des Faserbündels 1110 (z. B. durch Verschmelzung) mit einer Glasendkappe verbunden, um das Risiko einer Beschädigung der Fasern 105 zu verringern. Das heißt, die Eingangsseite des Faserbündels kann ein einheitliches Segment sein, in dem die verschiedenen Fasern 105 mit verschiedenen Flächenabschnitten der Glasendkappe verbunden sind. Die Glasendkappe (in 11A nicht dargestellt) kann eine Länge von z.B. mindestens 5 mm haben. Die Länge der Endkappe kann z. B. 50 mm oder weniger betragen. Wie in 11B gezeigt, können die Fasern, zumindest am Eingangsende des Faserbündels 1110, in einer Hülle 1130 angeordnet sein.
Wie in 11A gezeigt, enthält das Lasersystem 1100 eine Steuerung 140, die die Bewegung des Laserstrahls 115 zwischen den verschiedenen Fasern 105 des Faserbündels 1110 in Übereinstimmung mit der vom Wellenformgenerator 150 erzeugten Steuerwellenform steuert. Beispielsweise kann die Steuereinheit 140 die Bewegung (z. B. Rotation und/oder Translation in Bezug auf einen, zwei oder drei Freiheitsgrade) des Schaltmechanismus 110, des optischen Elements 120 und/oder des Faserbündels 1110 steuern, um zu bewirken, dass der Laserstrahl 115 auf eine andere Faser 105 oder einen anderen Abschnitt einer Faser 105 im Faserbündel 1110 gerichtet wird, wie oben beschrieben.
Lasersysteme und Laserzuführungssysteme gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in und/oder mit WBC-Lasersystemen verwendet werden. Insbesondere können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Multi-Wellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Lasersystemen als Eingangsstrahlen für Laserstrahl-Liefersysteme zur wellenformbasierten Steuerung, wie hierin beschrieben, verwendet werden. In 12 sind verschiedene Komponenten eines WBC-Lasersystems (oder „Resonators“) 1200 schematisch dargestellt, die zur Bildung von Eingangsstrahlen verwendet werden können, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. In der dargestellten Ausführungsform kombiniert der Resonator 1200 die von neun verschiedenen Diodenbarren emittierten Strahlen (wie hier verwendet, bezieht sich „Diodenbarren“ auf jeden Mehrstrahlemitter, d. h. einen Emitter, von dem mehrere Strahlen aus einem einzigen Gehäuse emittiert werden). Ausführungsformen der Erfindung können mit weniger oder mehr als neun Emittern verwendet werden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Emitter einen einzelnen Strahl aussenden, oder jeder der Emitter kann mehrere Strahlen aussenden. Die Ansicht in 12 ist entlang der WBC-Dimension, d. h. der Dimension, in der die Strahlen der Balken kombiniert werden. Der beispielhafte Resonator 1200 weist neun Diodenbalken 1205 auf, und jeder Diodenbalken 1205 enthält eine Anordnung (z. B. eine eindimensionale Anordnung) von Emittern entlang der WBC-Dimension, besteht im Wesentlichen daraus oder besteht aus einer solchen. In verschiedenen Ausführungsformen emittiert jeder Emitter eines Diodenbalkens 1205 einen unsymmetrischen Strahl mit einer größeren Divergenz in einer Richtung (bekannt als die „schnelle Achse“, hier vertikal zur WBC-Dimension ausgerichtet) und einer kleineren Divergenz in der senkrechten Richtung (bekannt als die „langsame Achse“, hier entlang der WBC-Dimension).
In verschiedenen Ausführungsformen ist jeder der Diodenstäbe 1205 mit einem Fast-Axis-Kollimator (FAC)/optischen Twister-Mikrolinsenaufbau verbunden (z. B. angebracht oder anderweitig optisch gekoppelt), der die schnelle Achse der emittierten Strahlen kollimiert und gleichzeitig die schnelle und langsame Achse der Strahlen um 90° dreht, so dass die langsame Achse jedes emittierten Strahls senkrecht zur WBC-Dimension stromabwärts des Mikrolinsenaufbaus verläuft. Die Mikrolinsenbaugruppe konvergiert auch die Hauptstrahlen der Emitter von jedem Diodenbalken 1205 in Richtung eines dispersiven Elements 1210. Geeignete Mikrolinsenbaugruppen sind in den US-Patenten Nr. 8.553.327 , eingereicht am 7. März 2011, und Nr. 9.746.679, eingereicht am 8. Juni 2015, beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
In Ausführungsformen der Erfindung, in denen sowohl eine FAC-Linse als auch ein optischer Twister (z. B. als Mikrolinsenbaugruppe) mit jedem der Strahlemittenten und/oder emittierten Strahlen verbunden sind, wirken sich die SAC-Linsen (wie unten beschrieben) auf die Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension aus. In anderen Ausführungsformen werden die emittierten Strahlen nicht gedreht, und FAC-Linsen können verwendet werden, um die Ausrichtungswinkel in der Nicht-WBC-Dimension zu ändern. Es wird also davon ausgegangen, dass sich Verweise auf SAC-Objektive hier im Allgemeinen auf Objektive mit Brechkraft in der Nicht-WBC-Dimension beziehen, und solche Objektive können in verschiedenen Ausführungsformen FAC-Objektive umfassen. So können in verschiedenen Ausführungsformen, z. B. solchen, in denen die ausgesandten Strahlen nicht gedreht werden und/oder die schnellen Achsen der Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension liegen, FAC-Objektive verwendet werden, wie hierin für SAC-Objektive beschrieben.
Wie in 12 gezeigt, verfügt der Resonator 1200 auch über eine Reihe von SAC-Linsen 1215, wobei eine SAC-Linse 1215 mit einem der Diodenstäbe 1205 verbunden ist und Strahlen von diesem empfängt. Jede der SAC-Linsen 1215 kollimiert die langsamen Achsen der von einem einzelnen Diodenbalken 1205 ausgesandten Strahlen. Nach der Kollimation in der langsamen Achse durch die SAC-Linsen 1215 breiten sich die Strahlen zu einem Satz von Verschachtelungsspiegeln 1220 aus, die die Strahlen 1225 auf das dispersive Element 1210 umlenken. Die Anordnung der Verschachtelungsspiegel 1220 ermöglicht es, den freien Raum zwischen den Diodenstäben 1205 zu reduzieren oder zu minimieren. Stromaufwärts des dispersiven Elements 1210 (das z. B. ein Beugungsgitter, wie das in 12 dargestellte transmissive Beugungsgitter, oder ein reflektierendes Beugungsgitter umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann) kann optional eine Linse 1230 verwendet werden, um die Teilstrahlen (d. h. andere emittierte Strahlen als die Hauptstrahlen) von den Diodenstäben 1205 zu kollimieren. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Linse 1230 in einem optischen Abstand von den Diodenstäben 1205 angeordnet, der im Wesentlichen gleich der Brennweite der Linse 1230 ist. Es ist zu beachten, dass in typischen Ausführungsformen die Überlappung der Hauptstrahlen am dispersiven Element 1210 in erster Linie auf die Umlenkung der Verschachtelungsspiegel 1220 und nicht auf die Fokussierleistung der Linse 1230 zurückzuführen ist.
Ebenfalls in 12 dargestellt sind Linsen 1235, 1240, die ein optisches Teleskop zur Abschwächung des optischen Übersprechens bilden, wie in den US-Patenten Nr. 9.256.073 , eingereicht am 15. März 2013, und Nr. 9.268.142, eingereicht am 23. Juni 2015, offenbart, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Der Resonator 1200 kann auch einen oder mehrere optionale Faltspiegel 1245 zur Umlenkung der Strahlen enthalten, so dass der Resonator 1200 in eine kleinere Grundfläche passen kann. Das dispersive Element 1210 kombiniert die Strahlen von den Diodenstäben 1205 zu einem einzigen Mehrwellenlängenstrahl 1250, der sich zu einem teilreflektierenden Ausgangskoppler 1255 ausbreitet. Der Koppler 1255 überträgt einen Teil des Strahls als Ausgangsstrahl des Resonators 1200, während er einen anderen Teil des Strahls als Rückkopplung zum dispersiven Element 1210 und von dort zu den Diodenstäben 1205 zurückreflektiert, um die Emissionswellenlängen der einzelnen Strahlen zu stabilisieren.
Beispiel
Die 13A-13D zeigen Seiten- und Draufsichten 1300, 1310 von räumlichen Ausgangsprofilen, die sich aus der Frequenzvariation einer Rechteckwellen-Steuerungswellenform (mit einem Tastverhältnis von 50 %) ergeben, sowie die Wellenformen 1320 selbst, die verwendet werden, um Laserenergie auf zwei verschiedene Abschnitte einer optischen Faser zu lenken. In diesem Beispiel wird die Laserenergie zum Schweißen eines Aluminiumblechs mit einer Dicke von 1,5 mm verwendet. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laserstrahls betrug 2 m/Minute, und in den 13A-13D ist jeweils ein Weg von 10 mm entlang des Aluminiumblechs dargestellt (d. h. 0,3 Sekunden Bearbeitungszeit). In jedem Fall wird der Strahl zwischen einem zentralen Kernbereich und einem ringförmigen Kernbereich einer optischen Faser umgeschaltet. Der Durchmesser des zentralen Kerns betrug 100 µm, der Durchmesser des ringförmigen Kerns 360 µm, und der zentrale Kern und der ringförmige Kern waren durch eine Barriere (d. h. einen Mantelbereich) mit einer Dicke von 30 µm getrennt. Der Laserstrahl wurde von einem 2-kW-Direktdiodenlasersystem mit kontinuierlicher Welle erzeugt. 13A zeigt die resultierende Leistung bei einer Steuerfrequenz von 50 Hz, während die 13B, 13C und 13D den Steuerfrequenzen von 100 Hz, 150 Hz bzw. 200 Hz entsprechen. In 13A sind die einzelnen Strahlen deutlich zu erkennen und überlappen sich nur leicht an den Rändern der Werkstückoberfläche. Wie gezeigt, verschmelzen die Strahlen mit zunehmender Steuerfrequenz immer mehr zu einem durchschnittlichen Strahlprofil, und höhere Frequenzen fuhren zu diesem durchschnittlichen Strahlprofil (z. B. wie auch in 5 gezeigt).
Bei dem in diesem Beispiel verwendeten Schweißverfahren kann die Steuerfrequenz variiert werden, um den Abstand zwischen den „Einstechpunkten“ zu verändern, an denen der Laserstrahl eine oder mehrere Schichten des Werkstücks durchdringt, um Schweißpunkte zu erzeugen. Gleichermaßen kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit (d. h. die relative Geschwindigkeit der Translation zwischen Werkstück und Strahl) variiert werden, während die Steuerfrequenz konstant gehalten wird. Dieses Verfahren kann z. B. eingesetzt werden, um Nieten zwischen Werkstücken zu ersetzen, die aus Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen, da die Schweißpunkte durch die verschiedenen Schichten hindurch gebildet werden. Das gemittelte/zusammengefasste Strahlprofil, das durch die Hochfrequenz-Strahlumschaltung ermöglicht wird, führt zu besseren Ergebnissen, da die gemittelte Strahlgröße (die eine größere Strahlgröße als der Einstechpunkt hat) das Werkstück vorwärmt und so die thermische Belastung reduziert, wenn das Werkstück an den Einstechpunkten durchdrungen wird. Die thermischen Gradienten im Werkstück werden reduziert, wodurch die Gefahr von Rissen oder Brüchen während der Bearbeitung verringert wird. Durch die Verwendung der gemittelten Strahlform werden auch Materialspritzer reduziert, was zu saubereren Schweißnähten führt, die keine zusätzliche Bearbeitung erfordern (z. B. Schleifen der Schweißnähte vor dem Lackieren oder anderen Endbearbeitungsprozessen).
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung dieser Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 9256073 [0103]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellung eines Lasers und einer optischen Faser mit mehreren inneren Bereichen, wobei die Einkopplung einer Laseremission in jeden der inneren Bereiche bewirkt, dass die Faser eine Ausgabe mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgabeprofil erzeugt; in einem zeitlichen Muster die Laseremission in verschiedene der inneren Bereiche der Faser lenken, so dass die Ausgabe unterschiedliche räumliche Ausgabeprofile aufweist; und während die Ausgabe auf das Werkstück gerichtet wird, um das Werkstück zu bearbeiten, Bewirken einer Relativbewegung dazwischen, wobei das zeitliche Muster eine ausreichende Frequenz aufweist, damit das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Ausgabe durch eine effektive Ausgabeform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgabeprofile kombiniert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück auf der Grundlage des räumlichen Ausgabeprofils und seiner Leistungsdichte eine zeitbasierte Reaktion auf die Ausgabe erfährt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Relativbewegung nicht schneller als eine maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit erfolgt, wobei die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit (i) auf der Grundlage der zeitbasierten Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt wird und (ii) sicherstellt, dass die Reaktion der effektiven Ausgabeform entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder innere Bereich der Faser ein Kernbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die inneren Bereiche mindestens einen zentralen ersten Kern und einen ringförmigen zweiten Kern umfassen, der den ersten Kern umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der inneren Bereiche der Faser ein Kernbereich ist und mindestens einer der inneren Bereiche der Faser ein Mantelbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laseremission in Abhängigkeit von einer Steuerwellenform gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Steuerwellenform eine Rechteckwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die effektive Ausgabeform ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgabeprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuersignalform ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laseremission ein Mehrwellenlängenstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Laseremission in verschiedene der inneren Bereiche der Faser gelenkt wird, basierend auf mindestens einem der folgenden Punkte: (i) eine Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt wird, (ii) eine Eigenschaft des Werkstücks oder (iii) ein Bearbeitungsweg, entlang dessen das Werkstück bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Art der Bearbeitung ausgewählt wird aus der Liste bestehend aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Eigenschaft des Werkstücks mindestens eine der folgenden Eigenschaften umfasst: eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks oder eine Topographie des Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Laseremission auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad in verschiedene der inneren Bereiche der Faser gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laser umfasst: einen oder mehrere Strahlenemitter, die eine Vielzahl von einzelnen Strahlen aussenden; Fokussierungsoptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; das dispersive Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgabekoppler, der so positioniert ist, dass er die gestreuten Strahlen empfängt, einen Teil der gestreuten Strahlen als Laseremission durchlässt und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei sich die Laseremission aus mehreren Wellenlängen zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Faser einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Faser einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, umfasst.
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellung eines Lasers und eines Faserbündels mit mehreren optischen Fasern, wobei die Einkopplung einer Laseremission in mindestens zwei der optischen Fasern bewirkt, dass das Faserbündel eine Ausgabe mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgabeprofil erzeugt; in einem zeitlichen Muster die Laseremission auf verschiedene der optischen Fasern des Faserbündels lenken, so dass die Ausgabe unterschiedliche räumliche Ausgabeprofile aufweist; und während die Ausgabe auf das Werkstück gerichtet wird, um das Werkstück zu bearbeiten, wodurch eine Relativbewegung dazwischen entsteht, wobei das zeitliche Muster eine ausreichende Frequenz aufweist, so dass das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Ausgabe durch eine effektive Ausgabeform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile kombiniert.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Werkstück auf der Grundlage des räumlichen Ausgabeprofils und seiner Leistungsdichte eine zeitbasierte Reaktion auf der Ausgabe erfährt.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Relativbewegung nicht schneller als eine maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit erfolgt, wobei die maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit (i) auf der Grundlage der zeitbasierten Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt wird und (ii) sicherstellt, dass die Reaktion der effektiven Ausgabeform entspricht.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Laseremission als Reaktion auf eine Steuerwellenform gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Steuerwellenform eine Rechteckwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die effektive Ausgangsform ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgabeprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuerwellenform ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Laseremission ein Mehrwellenlängenstrahl ist.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Laseremission auf verschiedene der optischen Fasern gelenkt wird, basierend auf mindestens einem der folgenden Punkte: (i) eine Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt wird, (ii) eine Eigenschaft des Werkstücks oder (iii) ein Bearbeitungsweg, entlang dessen das Werkstück bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Art der Bearbeitung ausgewählt wird aus der Liste bestehend aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Eigenschaft des Werkstücks mindestens eine der folgenden Eigenschaften umfasst: eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks oder eine Topografie des Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Laseremission auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad auf verschiedene der optischen Fasern gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Laser umfasst: einen oder mehrere Strahlenemitter, die eine Vielzahl von einzelnen Strahlen aussenden; Fokussierungsoptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; das dispersive Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die gestreuten Strahlen empfängt, einen Teil der gestreuten Strahlen als Laseremission durchlässt und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei sich die Laseremission aus mehreren Wellenlängen zusammensetzt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei mindestens eine der optischen Fasern einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei mindestens eine der optischen Fasern einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, umfasst.
Ein Lasersystem, das Folgendes umfasst: eine Strahlquelle für die Emission eines Eingangslaserstrahls; eine optische Faser mit mehreren inneren Bereichen, wobei das Einkoppeln einer Eingangslaseremission in jeden der inneren Bereiche bewirkt, dass die Faser eine Ausgabe mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgabeprofil erzeugt; einen Schaltmechanismus zum Lenken der Eingangslaseremission in verschiedene der inneren Bereiche der Faser, um verschiedene räumliche Ausgabeprofile in einem zeitlichen Muster mit einer Frequenz zu erzeugen; und einen Ausgabemechanismus, um die Ausgabe auf das Werkstück zu lenken und dabei eine Relativbewegung dazwischen zu bewirken, wodurch das Werkstück bearbeitet wird, wobei die Frequenz so bemessen ist, dass das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und der Ausgabe mit einer effektiven Ausgabeform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgabeprofile kombiniert.
System nach Anspruch 34, wobei der Schaltmechanismus einen auf Biegung montierten Reflektor umfasst.
System nach Anspruch 34, bei dem das Werkstück eine zeitbasierte Reaktion auf die Ausgabe auf der Grundlage des räumlichen Ausgabeprofils und einer Leistungsdichte davon erfährt, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die relative Bewegung auf eine maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt, die (i) auf der Grundlage der zeitbasierten Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt wird und (ii) sicherstellt, dass die Reaktion auf die effektive Ausgabeform erfolgt.
System nach Anspruch 34, wobei jeder innere Bereich der Faser ein Kernbereich ist.
System nach Anspruch 37, wobei die inneren Bereiche mindestens einen zentralen ersten Kern und einen ringförmigen zweiten Kern umfassen, der den ersten Kern umgibt.
System nach Anspruch 34, wobei mindestens einer der inneren Bereiche der Faser ein Kernbereich ist und mindestens einer der inneren Bereiche der Faser ein Mantelbereich ist.
System nach Anspruch 34, das ferner einen Wellenformgenerator zum Erzeugen einer Steuerwellenform umfasst, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die Eingangslaseremission in Reaktion auf die Steuerwellenform steuert.
das System nach Anspruch 40, wobei die Steuerwellenform eine Rechteckwelle ist.
System nach Anspruch 40, wobei die effektive Ausgabeform ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgabeprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuerwellenform ist.
System nach Anspruch 34, wobei die Eingangslaseremission ein Mehrwellenlängenstrahl ist.
System nach Anspruch 34, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die Eingangslaseremission auf verschiedene der inneren Bereiche der Faser lenkt, und zwar auf der Grundlage von mindestens einem der folgenden Punkte: (i) eine Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt werden soll, (ii) eine Eigenschaft des Werkstücks oder (iii) ein Bearbeitungspfad, auf dem das Werkstück bearbeitet werden soll.
das System nach Anspruch 44, wobei die Art der Bearbeitung ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten.
System nach Anspruch 44, wobei die Eigenschaft des Werkstücks mindestens eine der folgenden Eigenschaften umfasst: eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks oder eine Topografie des Werkstücks.
System nach Anspruch 44, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die Eingangslaseremission auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Bearbeitungspfad in verschiedene der inneren Bereiche der Faser lenkt.
das System nach Anspruch 34, wobei die Strahlquelle umfasst: einen oder mehrere Strahlenemitter, die eine Vielzahl von einzelnen Strahlen aussenden; Fokussierungsoptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; das dispersive Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgabekoppler, der so positioniert ist, dass er die gestreuten Strahlen empfängt, einen Teil der gestreuten Strahlen als Eingangslaseremission durchlässt und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei sich die Eingangslaseremission aus mehreren Wellenlängen zusammensetzt.
System nach Anspruch 48, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
System nach Anspruch 34, wobei die optische Faser einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, umfasst.
System nach Anspruch 34, wobei die optische Faser einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, umfasst.
Lasersystem, aufweisend: eine Strahlquelle für die Emission eines Eingangslaserstrahls; ein Faserbündel mit mehreren optischen Fasern, wobei die Einkopplung einer Eingangslaseremission in mindestens zwei der optischen Fasern bewirkt, dass das Faserbündel eine Ausgabe mit einem unterschiedlichen räumlichen Ausgabeprofil erzeugt; einen Schaltmechanismus zum Lenken der Eingangslaseremission auf verschiedene der optischen Fasern des Faserbündels, um verschiedene räumliche Ausgabeprofile in einem zeitlichen Muster mit einer Frequenz zu erzeugen; und einen Ausgabemechanismus, um die Ausgabe auf das Werkstück zu lenken und dabei eine Relativbewegung dazwischen zu bewirken, wodurch das Werkstück bearbeitet wird, wobei die Frequenz so bemessen ist, dass das Werkstück während der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Ausgang mit einer effektiven Ausgabeform bearbeitet wird, die die verschiedenen räumlichen Ausgabeprofile kombiniert.
System nach Anspruch 52, wobei der Schaltmechanismus einen biegsam gelagerten Reflektor umfasst.
System nach Anspruch 52, bei dem das Werkstück eine zeitbasierte Reaktion auf die Ausgabe auf der Grundlage des räumlichen Ausgabeprofils und einer Leistungsdichte davon erfährt, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die relative Bewegung auf eine maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt, die (i) auf der Grundlage der zeitbasierten Reaktion des Materials und der Frequenz des zeitlichen Musters ausgewählt wird und (ii) sicherstellt, dass die Reaktion auf die effektive Ausgabeform erfolgt.
System nach Anspruch 52, das ferner einen Wellenformgenerator zum Erzeugen einer Steuerwellenform umfasst, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die Eingangslaseremission in Reaktion auf die Steuerwellenform steuert.
System nach Anspruch 55, wobei die Steuerwellenform eine Rechteckwelle ist.
System nach Anspruch 55, wobei die effektive Ausgabeform ein gewichteter Durchschnitt der verschiedenen räumlichen Ausgangsprofile auf der Grundlage der Form und des Tastverhältnisses der Steuerwellenform ist.
System nach Anspruch 52, wobei die Eingangslaseremission ein Mehrwellenlängenstrahl ist.
System nach Anspruch 52, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die Eingangslaseremission auf verschiedene der optischen Fasern lenkt, basierend auf mindestens einem der folgenden Punkte: (i) eine Art der Bearbeitung, die an dem Werkstück durchgeführt werden soll, (ii) eine Eigenschaft des Werkstücks oder (iii) ein Bearbeitungspfad, entlang dessen das Werkstück bearbeitet werden soll.
System nach Anspruch 59, wobei die Art der Bearbeitung ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Schneiden, Schweißen, Ätzen, Glühen, Bohren, Löten und Hartlöten.
System nach Anspruch 59, wobei die Eigenschaft des Werkstücks mindestens eine der folgenden Eigenschaften umfasst: eine Dicke des Werkstücks, eine Zusammensetzung des Werkstücks, ein Reflexionsvermögen des Werkstücks oder eine Topografie des Werkstücks.
System nach Anspruch 59, wobei der Schaltmechanismus so konfiguriert ist, dass er die Eingangslaseremission auf der Grundlage einer oder mehrerer Richtungsänderungen im Verarbeitungspfad auf verschiedene der optischen Fasern lenkt.
das System nach Anspruch 52, wobei die Strahlenquelle umfasst: einen oder mehrere Strahlenemitter, die eine Vielzahl von einzelnen Strahlen aussenden; Fokussierungsoptik zur Fokussierung der mehreren Strahlen auf ein dispersives Element; das dispersive Element zum Empfang und zur Streuung der empfangenen fokussierten Strahlen; und einen teilreflektierenden Ausgabekoppler, der so positioniert ist, dass er die gestreuten Strahlen empfängt, einen Teil der gestreuten Strahlen als Eingangslaseremission durchlässt und einen zweiten Teil der gestreuten Strahlen zurück in Richtung des dispersiven Elements reflektiert, wobei sich die Eingangslaseremission aus mehreren Wellenlängen zusammensetzt.
System nach Anspruch 63, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
System nach Anspruch 52, wobei mindestens eine optische Faser einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ersten Mantelbereich umgibt, umfasst.
System nach Anspruch 52, wobei mindestens eine optische Faser einen Faserkern, einen ersten Mantelbereich, der den Faserkern umgibt, einen ringförmigen Kern, der den ersten Mantelbereich umgibt, und einen zweiten Mantelbereich, der den ringförmigen Kern umgibt, umfasst.