DE3405972A1

DE3405972A1 - Laser-bearbeitung durch einen lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE3405972A1
Application number: DE19843405972
Authority: DE
Inventors: Gregory Schenectady N.Y. Georgalas; Marshall Gordon Scotia N.Y. Jones
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-02-18
Filing date: 1984-02-18
Publication date: 1985-08-22

Description

Laser-Bearbeitung durch einen Lichtwellenleiter
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abgeben eines Laserstrahles sowie eines Systems dafür und sie bezieht sich mehr im besonderen auf die Übertragung von Laserenergie durch eine optische bzw. Lichtleitfaser bzw. einen Lichtwellenleiter, wobei die übertragene Energie eine ausreichend hohe Leistung hat, um damit Materialien bzw. Gegenstände bearbeiten bzw. herstellen zu können.
Üblicherweise wird ein Laserstrahl zum Bearbeiten von Material unter Verwendung von Spiegeln und Prismen zum Steuern des Strahles übertragen. Eine größere Flexibilität beim Steuern des Strahles ist möglich, wenn der Laserstrahl durch einen Lichtwellenleiter geschickt wird. Diese größere Flexibilität fördert den Zugang zu schwierig zu erreichenden Stellen auf einem Werkstück während der Herstellung. Ein solches Materialbearbeiten, wie Bohren, Schneiden, Schweißen und selektives Wärmebehandeln bzw. Oberflächenbehandeln ist möglich auch bei von der Bearbeitungsstation entfernt liegenden Laserquelle.
Laserenergie ist durch einen Lichtwellenleiter zum Zweck der Kommunikation und der Chirurgie auf medizinischem Gebiet übertragen worden. In beiden Fällen ist der Laserstrahl eine kontinuierliche Welle und durchschnittliche Leistungsniveaus von 100 Watt sind nicht überschritten worden. Von einem CO2-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 pm im fernen IR sind 20 Watt eines kontinuierlichen Laserstrahles durch einen Lichtwellenleiter übertragen worden. Das Leistungsniveau von 100 Watt bei einem kontinuierlichen Laser wurde mit einem Laserstrahl einer Wellenlänge von 1,06#um im nahen IR erzielt. Nur der C02-Laser wurde zusammen mit einem Lichtwellenleiter zur Materialbearbeitung bei solchen Anwendungen wie Gravieren und Schneiden von Gewebe benutzt. Die durchschnittliche oder Spitzenleistung ist für das Schweißen, Schneiden, Bohren und das Wärmebehandeln von Metallen mit kosteneffektiven Geschwindigkeiten nicht ausreichend. Der Lichtwellenleiter für den C02-Laser, der aus Thallium(II)bromid und Thallium(II)jodid zusammengesetzt ist, hat bei 10,6/um eine Durchlässigkeit von 55 %. Wegen dieses Durchlässigkeitsniveaus erfordert dieser Lichtwellenleiter eine Kühlung. Der Neodyrn-Yttriumaluminiumgranat-Laser, eine Energiequelle mit einer Wellenlänge von 1,06/um, hat eine durchschnittliche Leistung bei kontinuierlichem Betrieb von 100 Watt für chirurgische Anwendungen ergeben. Solche Leistungen sind für ein begrenztes Bearbeiten von Metall angemessen, sind jedoch noch nicht angewendet worden. Für das Bearbeiten von Metall wären Spitzenleistungen von mehr als 1000 Watt besser.
Erfindungsgemäß wird Laserenergie in einen einzelnen Lichtwellenleiter gekoppelt, der zur Führung des Lichtes benutzt wird, um an ein Werkstück ausreichend Impulsenergie zur Materialbearbeitung abzugeben. Ein Laserstrahl, der durch einen festen Neodym-YAG-Laser oder einen anderen impulsmäßig betriebenen Laser abgegeben wird und der eine Wellenlänge im nahen IR und sichtbaren Bereich des Spektrums hat, wird auf ein Endstück des Kernes des Lichtwellenleiters fokussiert, der vorzugsweise aus Quarz besteht. Energie mit einer Spitzenleistung im KW-Bereich wird durch die Faser zum Ausgabeende übertragen. Der austretende Laserstrahl wird mit einer Leistungsdichte auf das Werkstück fokussiert, die für Herstellungsverfahren, wie Bohren, Schneiden, Schweißen, Wärmebehandeln und Oberflächenbehandeln ausreicht.
Das System weist eine Linse auf, die den Laserstrahl zu einem kleinen Fleck fokussiert, dessen Durchmesser geringer ist als der Durchmesser des Faserkernes und die numerische Apertur ist derart, daß der eingeschlossene Winkel des fokussierten Strahles weniger als etwa 240 beträgt. In einer spezifischen Ausführungsform erfolgt das Koppeln durch eine Haltebefestigung aus Kupfer oder Gold, die die Laserenergie reflektiert und verhindert, daß Streuenergie in die Umhüllung des Lichtwellenleiters eintritt und sie schmilzt. Die Umhüllung wird am Faserende entfernt und die Faser von einem Loch in der Befestigung aufgenommen. Eine zweite Ausführungsform für durchschnittliche Leistungsniveaus von bis zu 250 Watt hat einen anderen Eingangskoppler. Vom Faserende werden Umhüllung und Abschirmung abgestreift und von dem benachbarten Abschnitt wird nur die Abschirmung entfernt und das so vorbereitete Ende wird in einem Glashalter montiert. Am Faserausgang befindet sich ein Linsensystem zur Rekollimierung und Refokussierung des Laserstrahles auf dem Werkstück.
Dies ist ein flexibles System zur Abgabe eines Laserstrahles mit minimalen optischen Verlusten und es ergibt einen größeren Bereich für die Manipulation des Laserstrahles. Dieses System ist besonders brauchbar zur Metallbearbeitung mit Roboterkontrolle.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Figur 1 ein Diagramm des Laser-gekoppelten Lichtwellenleiter-Systems zum Anwenden von Laserenergie auf ein metallisches Werkstück, Figur 2 einen Längsschnitt durch den Lichtwellenleiter, der den Durchgang des Laserstrahles durch den Kern veranschaulicht und Figur 3 einen verbesserten Eingangsmechanismus zum Übertragen höherer Durchschnittsleistungen in den Lichtwellenleiter.
Das Bearbeiten von Metallen und anderen Materialien erfolgt durch ein System zur Abgabe von Laserenergie, wie es in der Zeichnung dargestellt ist. Es sind durchschnittliche Leistungen in der Größenordnung von 250 Watt und Spitzenleistungen von mehreren Kilowatt durch einen einzelnen Lichtwellenleiter übertragen worden. Ein Neodym-Yttriumaluminiuwtgranat-Laser, der eine Wellenlänge im nahen IR abgibt, wird impulsmäßig betrieben.
Andere geeignete Festkörper-Laser sind der Rubinlaser mit einer WellenLänge von 680 nm und der Alexandrit-Laser mit einer Wellenlänge von 630 bis 730 nm, beide im sichtbaren Spektralbereich.
Alle Wellenlängen im nahen IR und dem sichtbaren Bereich werden in einen Lichtwellenleiter aus Quarz übertragen, ohne das Quarz zu schmelzen. Diese Art des Lichtwellenleiters ist bevorzugt, weil die Faser flexibel ist und Quarz zu langen Fasern gezogen werden kann und außerdem ein reines Material ist. Verunreinigungen neigen zum Absorbieren von Energie. Das System schließt eine Einrichtung zum Koppeln der Laserenergie in die Faser und zum Fokussieren des Strahles ein, der die Faser verläßt, und zwar zu einer Energiedichte, die für die Materialbearbeitung ausreicht.
Bei dem in Figur 1 gezeigten System wird ein Nd-YAG-Laser 10, der impulsmäßig betrieben wird, in einen Lichtwellenleiter 11 aus geschmolzenem Quarz mit einem Durchmesser von 1000 e gekoppelt, indem man den Laserstrahl 12 mit einer Linse 13 auf das Ende der Faser fokussiert. Damit die Laserenergie in die Faser eintritt, sind zwei Bedingungen erforderlich. Als erstes hat der kleine Fleck an der Brennebene einen Durchmesser, der geringer ist als der Durchmesser des Quarzkernes 14. Und zweitens ist die numerische Apertur des Lichtwellenleiters derart, daß der eingeschlossene Winkel des fokussierten Strahles (wie ein Kegelwinkel) kleiner ist als 22 bis 240. Um die besten Ergebnisse zu erhalten, wird das Ende des Kernes 14 optisch flach geschliffen und weist einen Antireflexions-Überzug 15 auf. Das Koppeln findet durch eine Haltebefestigung 16 aus Kupfer statt, die ein Loch aufweist, um die Faser 11 aufzunehmen. Etwa 6 mm der Umhüllung 17 aus transparentem Silizium werden xtom Ende der Faser entfernt. Die Kupferbefestigung 16 hilft, die Faserumhüllung vor irgendwelcher Laser-Streuenergie zu schützen, die nicht in das Ende der Faser eintritt und sie verhindert das Schmelzen der Umhüllung. Kupfer neigt dazu, Laserenergie mit einer Wellenlänge von 1,06,um bei mäßigen Leistungen zu reflektieren. Ein besseres Material wäre Gold, das stärker reflektiert.
Wie der Längsschnitt des Lichtwellenleiters 11 der Figur 2 zeigt, wird der Laserstrahl längs des Quarzkernes 14 zick-zackförmig geleitet und an der Grenzfläche mit der Umhüllung 17 aus Silizium reflektiert. Die optische Faser hat eine Abschirmung 18 aus Nylon. Wird ein Lichtwellenleiter aus geschmolzenem Quarz mit einer Glasumhüllung benutzt, dann vermindert dies die Flexibilität der Faser, doch kann die übertragbare Leistung zunehmen, da Glas für die Wellenlänge von 1,06 #um transparent ist, was ein geringeres Risiko für eine mögliche Beschädigung der Umhüllung beinhaltet. Die Faser hat einen Durchmesser von weniger als 1 mm.
Dickere Fasern sind weniger flexibel.
Nachdem man die Laserenergie durch den Lichtwellenleiter 11 übertragen hat, wird eine Linseneinheit 19, 20 benutzt, um den Laserstrahl zu kollimieren bzw. zu sammeln und zu fokussieren. Der am Ausgabeende des Lichtwellenleiters austretende Strahl neigt zur Ausbreitung. Durch die Linse 19 wird dieser Strahl wieder kollimiert und durch die Linse 20 auf das Werkstück 21 fokussiert. Die Leistungsdichte des fokussierten Strahles an der Brennebene reicht für verschiedene Metallbearbeitungsverfahren aus. Der Laserstrahl kann durch eine Glasplatte 22 geschickt werden, um die Linsen vor irgendwelchen Metalldämpfen zu schützen. Ein Antireflexions-Uberzug auf den drei Linsen erhöht die Durchlässigkeit.
Durchschnittliche Leistungen von bis zu 155 Watt wurden in die Faser übertragen. Bei einer Impulslänge von 0,6 Millisekunden und einer Impulsrate von 30 Impulsen pro Sekunde wurde eine Spitzenleistung im Bereich von 4000 bis 6000 Watt erzielt.
Nach dem Fokussieren des Strahles am Abgabeende des Lichtwellenleiters wurden Leistungsdichten von 106 bis 107 Watt/cm² erzielt, mit denen man Bohren und Schneiden konnte. Die Laserimpulsenergie von 155 Watt wurde durch einen 1 mm dicken Lichtwellenleiter übertragen, ohne daß bei Beugungsradien von mehr als 200 mm eine nachweisbare Schwächung auftrat. Bei Faserbiegeradien von 37,5 mm beträgt die Durchlässigkeit bei 1,06 87 %. Der von dem Lichtwellenleiter abgegebene Laserstrahl wurde auf ein 7,5 mm dickes Werkstück aus Inconel 718 fokussiert und damit das Material sowohl gebohrt als auch geschnitten.
Der Durchmesser der auf der Ausgangsseite liegenden Linsen 19 und 20 kann sehr viel kleiner sein als dargestellt, so daß man das Abgabeende sehr viel leichter herumbewegen kann. Das Endstück der Faser kann so geschliffen sein, daß es ein Linsenelement oder ein Teil einer Linse ist oder es kann ein separates Element an der Faser angebracht werden.
Der Eingabemechanismus der Figur 1 gestattet nur bis zu etwa 155 Watt durchschnittliche Laserenergie, was nicht für alle Verarbeitungsaufgaben ausreicht. Höhere Leistungseingaben sind durch die thermischen Begrenzungen an der Eingabekopplung verhindert. Bis zu 250 Watt durchschnittlicher Leistung werden mit dem verbesserten Koppler der Figur 3 in den Lichtwellenleiter übertragen. Von der Faserspitze wird die Silizium-Umhüllung 17 und die Abschirmung 18 auf einer Länge von etwa 18 mm abgestreift. Im anschließenden Abschnitt etwa gleicher Länge wird nur die Abschirmung entfernt. Das so vorbereitete Endstück wird dann in einem Halter 23 aus Pyrex-Glas angeordnet und genau in der Brennebene des Lasers eingestellt. Das vorbereitete Endstück gestattet das Koppeln des Strahles durch zwei Zonen und zwar die Zonen Kern/Luft und Kern/Umhüllung.
Die erste Region gestattet das Eintreten des stark divergenten einfallenden Strahles in die Faser 11 durch einen größeren Aufnahmewinkel, der durch die Grenzfläche Kern/Luft geschaffen wird. Die zweite Zone sorgt für zusätzliche Reflexionen, um die Übertragung der gesammelten Lichtenergie sicherzustellen.
Die dritte Zone aus Kern, Umhüllung und Abschirmung liefert ein stabiles Gehäuse zum Handhaben der Faser.
Durchschnittliche Leistungen von bis zu 250 Watt wurden in eine Faser mit einer Länge von etwa 5 m übertragen. Bei einer Impulslänge von 0,2 Millisekunden und einer Impulsrate von 200 Impulsen pro Sekunde wurde eine Spitzenleistung im Bereich von 5000 bis 9000 Watt erzielt. Nach dem Fokussieren des Strahles am Ausgabeende der Lichtleitfaser erhielt man Leistungsdichten von 106 bis 107 Watt/cm2, mit denen man Bohren und Schneiden konnte.
eines Bis zu 250 Watt/Impulsenergie Nd-YAG-Lasers konnten durch einen 1 mm dicken Lichtwellenleiter übertragen werden, wobei Faserbiegeradien von mehr als 100 mm keine nachweisbare Schwächung ergaben. Bei dem Biegeradius von 100 mm beträgt die Durchlässigkeit der Wellenlänge 1,06 Xum 90 %. Ein 1,5 mm dickes Werkstück aus Titan 6Al-4V wurde sowohl gebohrt als auch geschnitten. Durch die Möglichkeit, damit höhere durchschnittliche Leistungen übertragen zu können, ist das erfindungsgemäße System für die materialverarbeitende Industrie vielseitiger.
Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Systems zum Abgeben von Laserenergie mittels Lichtwellenleiter ist die größere Flexibilität beim Steuern des Laserstrahles. Auch hat man eine grö-Bere Freiheit bei der Manipulation des Laserstrahles. Mit dem gewichtsmäßig leichten Lichtwellenleiter wird der Laserstrahl mit großer Geschwindigkeit in nahezu jede Richtung bewegt. Das Lokalisieren der Laserquelle fern von der Bearbeitungsstation ist ein zusätzlicher Vorteil der Übertragung eines Laserstrahles durch eine Lichtführung'wie einen Lichtwellenleiter. Die Flexibilität, die man bei einem System zum Abgeben eines Laserstrahles mit einem Lichtwellenleiter erhält, macht dieses außerdem für die Materialbearbeitung durch Laser unter Roboterkontrolle sehr brauchbar.
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Claims

Laser-Bearbeitung durch einen Lichtwellenleiter Ansprüche 1. Verfahren zum Abgeben von Laser-Energie zur Durchführung von Herstellungsverfahren, gekennzeichnet durch: Erzeugen eines impulsartigen Laserstrahls mit einer Wellenlange im nahen IR oder im sichtbaren Bereich, Fokussieren des Laserstrahles auf einem kleinen Fleck auf dem Ende des Kernes eines einzelnen Lichtwellenleiters, Übertragen der Energie mit einer Spitzenleistung im KW-Bereich durch den genannten Lichtwellenleiter und Refokussieren des austretenden Strahles auf einem Werkstück mit einer Leistungsdichte, die für die Materialbearbeitung ausreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Laserstrahl auf einem kleinen Fleck fokussiert wird, dessen Durchmesser geringer ist als der Rerndurchmesser, wobei die numerische Apertur derart ist, daß der fokussierte Strahl einen Winkel von weniger als etwa 240 einschließt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ende des Kernes des Lichtwellenleiters optisch flach ist und einen Antireflexions-Uberzug trägt, um das Koppeln der Energie zu fördern.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in den Lichtwellenleiter durchschnittliche Leistungen von bis zu etwa 250 Watt übertragen werden.
5. System zum Abgeben von Laserenergie, gekennzeichnet durch.

einen impulsartig betriebenen Laser, der einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge im nahen IR oder sichtbaren Bereich erzeugt, einen Lichtwellenleiter mit einem Quarzkern und einer Umhüllung, einer Einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahles auf einem kleinen Fleck auf dem Ende des Quarzkernes, wobei der Lichtwellenleiter Spitzenleistungen von mehr als ein KW zum Abgabeende überträgt und eine Einrichtung zum Sammeln und Fokussieren des austretenden Laserstrahles auf einem Werkstück, um das Materialbearbeiten auszuführen.
6. System nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Laser ausgewählt ist aus einem Neodym-YAG-Laser, einem Rubinlaser und einem Alexandri laser.
7. System nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Haltebefestigung für das Ende des Lichtwellenleiters den Laserstrahl reflektiert und verhindert, daß ein Streustrahl in die Umhüllung eintritt.
8. System nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Umhüllung an einem Ende des Lichtwellenleiters entfernt ist und daß der Lichtwellenleiter in einem Loch in der Haltebefestigung aufgenommen ist, wobei die Haltebefestigung aus einem Metall besteht, wie Kupfer und Gold, das den Laserstrahl reflektiert und so das Schmelzen der Umhüllung verhindert.
9. System nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß von einem kurzen Stück eines Endes des Lichtwellenleiters die Umhüllung und eine darauf befindliche Abschirmung entfernt sind und daß in dem benachbarten Abschnitt nur die Abschirmung entfernt ist und das so vorbereitete Endstück des Lichtwellenleiters in einem Glashalter montiert ist.
10. System zum Abgeben von Laserenergie, gekennzeichnet durch: einen Neodym-YAG-Laser, der impulsförmig betrieben wird und einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1 pm erzeugt, einen einzelnen Lichtwellenleiter mit einem Kern aus geschmolzenem Quarz, einer Umhüllung und einer Abschirmung, einer Linse, die den Lichtstrahl auf ein Ende des Kernes des Lichtwellenleiters auf einem kleinen Fleck fokussiert, dessen Durchmesser geringer ist als der des Kernes, wobei die numerische Apertur derart ist, daß der eingeschlossene Winkel des fokussierten Strahles kleiner ist als 240 und der Lichtwellenleiter als Lichtführung dient, die Spitzenleistungen im Kilowattbereich zum Abgabeende überträgt un ein Linsensystem, das den austretenden Laserstrahl auf ein Werkstück kollimiert und fokussiert, um die Metallbearbeitung durchzuführen.
11. System nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an einem Endstück des Lichtwellenleiters die Umhüllung und die Abschirmung entfernt sind und der Lichtwellenleiter in einem Loch in einer Haltebefestigung aus Kupfer aufgenommen ist, das den Laserstrahl reflektiert und Streulicht daran hindert, die Umhüllung zu schmelzen.
12. System nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß von einem kurzen Stück eines Endes des Lichtwellenleiters Umhüllung und Abschirmung entfernt sind und daß im benachbarten Abschnitt etwa gleicher Lunge nur die Abschirmung entfernt ist und das so vorbereitete Endstück des Lichtwellenleiters in einem Glashalter angeordnet ist.
13. System nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Umhüllung des Lichtwellenleiters aus transparentem Silizium besteht.
14. System nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das eine Endstüiktdes Lichtwellenleiters, an das der Laserstrahl gekoppelt/ optisch flach ist und einen Antireflexions-Überzug trägt.