DE3405972A1 - Laser machining by means of a beam waveguide - Google Patents

Abstract

Pulsed laser energy is fed to a single beam waveguide in the near IR and visible range of the spectrum at an energy level which is sufficient to machine material and metal. A pulsed neodymium-yag laser is coupled to the end of a beam waveguide made of quartz which transmits peak powers in the short-wave range. At the delivery end of the beam waveguide, the beam is focused in order to obtain power densities by means of which it is possible to carry out cutting, drilling etc. The main advantage is greater flexibility in the manipulation of the laser beam.

Description

Laser-Bearbeitung durch einen Lichtwellenleiter Laser processing through a fiber optic cable

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.This invention relates to a method of emitting a laser beam as well as a system for it, and it relates more specifically to transmission of laser energy through an optical or optical fiber or an optical waveguide, whereby the transmitted energy has a sufficiently high power to make materials or to be able to edit or manufacture objects.

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.Usually a laser beam is used to machine material under Use of mirrors and prisms to control the beam transmitted. A bigger one Flexibility in controlling the beam is possible when the laser beam is passed through a Optical fiber is sent. This greater flexibility promotes access too hard-to-reach places on a workpiece during manufacture. Such material processing as drilling, cutting, welding and selective Heat treatment or surface treatment is also possible from the processing station distant laser source.

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.Laser energy is through a fiber optic cable for the purpose of communication and surgery in the medical field. In both cases it is the laser beam has a continuous wave and average power levels 100 watts have not been exceeded. From a CO2 laser with one wavelength of 10.6 pm in the far IR are 20 watts of a continuous laser beam through an optical fiber has been transmitted. The performance level of 100 watts at a continuous laser was made with a laser beam having a wavelength of 1.06 # µm scored in the near IR. Only the C02 laser was used together with a fiber optic cable for material processing in such applications as engraving and cutting Fabric used. The average or peak performance is for welding, cutting, drilling and heat treating metals with cost effective Not enough speeds. The fiber optic cable for the C02 laser, the composed of thallium (II) bromide and thallium (II) iodide has at 10.6 / µm a transmittance of 55%. Because of this level of permeability, it is required Optical fiber cooling. The neodymium yttrium aluminum garnet laser, a source of energy with a wavelength of 1.06 / µm, has an average performance at continuous Operate 100 watts for surgical applications. Such benefits are adequate for limited machining of metal, but are not yet applied been. For the processing of metal, peak performances would be more than 1000 Watts better.

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.According to the invention, laser energy is converted into a single optical waveguide coupled, which is used to guide the light to reach a workpiece sufficiently To deliver pulse energy for material processing. A laser beam that passes through a fixed neodymium-YAG laser or another pulsed laser and which has a wavelength in the near IR and visible range of the spectrum, is focused on an end piece of the core of the optical waveguide, which is preferably is made of quartz. Energy with a peak power in the KW range is generated by the Transfer fiber to output end. The exiting laser beam is with a power density focused on the workpiece, which are used for manufacturing processes such as drilling, cutting, Welding, heat treatment and surface treatment is sufficient.

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.The system has a lens that converts the laser beam into a small one Focused spot, the diameter of which is smaller than the diameter of the fiber core and the numerical aperture is such that the included angle of the focused Beam is less than about 240. In a specific embodiment takes place coupling through a copper or gold mounting bracket that captures the laser energy reflects and prevents stray energy from entering the cladding of the optical waveguide entry and it melts. The sheath is removed at the fiber end and the fiber from one Hole added in the attachment. A second embodiment for average A different input coupler has power levels of up to 250 watts. From the fiber end the sheath and shield are stripped off and from the adjacent section only the shield is removed and the end prepared in this way is placed in a glass holder assembled. At the fiber exit there is a lens system for recollimation and Refocusing of the laser beam on the workpiece.

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.This is a flexible system for delivering a laser beam with minimal optical losses and it gives a larger area for the manipulation of the Laser beam. This system is particularly useful for metalworking with robot control.

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.In the following the invention with reference to the drawing explained in more detail. In detail: Figure 1 shows a diagram of the laser-coupled Fiber optic system for applying laser energy to a metallic workpiece, Figure 2 shows a longitudinal section through the optical waveguide, the passage of the laser beam through the core and Figure 3 illustrates an improved entry mechanism for transmitting higher average powers in the fiber optic cable.

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.The processing of metals and other materials is carried out by a system for delivering laser energy as shown in the drawing. There are average outputs in the order of 250 watts and peak outputs of several kilowatts has been transmitted through a single fiber optic cable. A neodymium yttrium aluminum garnet laser that has a Wavelength in emits near IR, is operated in a pulsed manner.

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.Other suitable solid-state lasers are the single-wavelength ruby laser of 680 nm and the alexandrite laser with a wavelength of 630 to 730 nm, both in the visible spectral range.

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.All near IR and visible wavelengths are in transmit a fiber optic made of quartz without melting the quartz. These Type of optical fiber is preferred because the fiber is flexible and quartz can be drawn to long fibers and is also a pure material. Impurities tend to absorb energy. The system includes a facility for coupling the laser energy into the fiber and to focus the beam that enters the fiber leaves, to an energy density that is sufficient for material processing.

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.In the system shown in Figure 1, an Nd-YAG laser 10, the is operated pulsed, in an optical waveguide 11 made of fused quartz coupled with a diameter of 1000 e by the laser beam 12 with a Lens 13 focused on the end of the fiber. So that the laser energy into the fiber occurs, two conditions are required. The first thing is the little stain the focal plane has a diameter that is smaller than the diameter of the quartz core 14. And second, the numerical aperture of the optical fiber is such that the included angle of the focused beam (such as a cone angle) is smaller than 22 to 240. For best results, the end of the core becomes 14 Ground optically flat and has an anti-reflective coating 15. The pairing takes place through a retaining bracket 16 made of copper, which has a hole to take up the fiber 11. About 6 mm of the envelope 17 made of transparent silicon are removed xtom end of the fiber. The copper fixture 16 helps hold the fiber cladding protect from any laser stray energy that is not in the end of the fiber occurs and it prevents the envelope from melting. Copper tends to use laser energy with a wavelength of 1.06 to reflect at moderate powers. A better one The material would be gold, which is more reflective.

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.As the longitudinal section of the optical waveguide 11 of Figure 2 shows, the laser beam is guided along the quartz core 14 in a zigzag shape and at the Reflected interface with the sheath 17 made of silicon. The optical fiber has a shield 18 made of nylon. Becomes an optical fiber made from fused quartz used with a glass envelope, this reduces the flexibility of the fiber, however, the transmittable power can increase, since glass for the wavelength of 1.06 #um is transparent, which means less risk of possible damage to the Includes wrapping. The fiber is less than 1 mm in diameter.

Dickere Fasern sind weniger flexibel.Thicker fibers are less flexible.

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.After having transmitted the laser energy through the optical waveguide 11 a lens unit 19, 20 is used to collimate or collimate the laser beam. to collect and focus. The one exiting at the output end of the fiber optic cable The ray tends to spread. This beam is collimated again by the lens 19 and focused on workpiece 21 through lens 20. The power density of the focused beam at the focal plane is sufficient for various metalworking processes the end. The laser beam can be sent through a glass plate 22 to the lenses protect from any metal vapors. An anti-reflective coating on the three lenses increases the transmittance.

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.Average powers of up to 155 watts were put into the fiber transfer. With a pulse length of 0.6 milliseconds and a pulse rate of 30 pulses per second was a peak performance in the range of 4000 to 6000 Watt achieved.

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.After focusing the beam at the output end of the optical fiber power densities of 106 to 107 watts / cm² were achieved, with which one can drill and Could cut. The laser pulse energy of 155 watts was through a 1 mm thick Optical waveguides transmit without a. With diffraction radii of more than 200 mm detectable weakening occurred. With fiber bending radii of 37.5 mm, the permeability is at 1.06 87%. The laser beam emitted from the optical waveguide was applied to a 7.5 mm thick workpiece made of Inconel 718 in focus and with it that Material both drilled and cut.

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.The diameter of the lenses 19 and on the exit side 20 can be very much smaller than shown, so that the dispensing end is very much can move around more easily. The end piece of the fiber can be ground so that it is a lens element or part of a lens or it can be a separate element attached to the fiber.

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.The input mechanism of Figure 1 only allows up to about 155 watts average laser energy, which is not enough for all processing tasks. Higher power inputs are due to the thermal limitations on the input coupling prevented. Up to 250 watts of average power are achieved with the improved Transmit the coupler of Figure 3 in the optical waveguide. From the fiber tip becomes the silicon casing 17 and the shield 18 over a length of about 18 mm stripped. In the subsequent section of approximately the same length, only the shield is used removed. The end piece prepared in this way is then placed in a holder 23 made of Pyrex glass arranged and set exactly in the focal plane of the laser. The prepared End piece allows the beam to be coupled through two zones, namely the zones Core / air and core / cladding.

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.The first region allows the strongly divergent incident one to enter Beam into the fiber 11 through a larger angle of acceptance, which is through the interface Core / air is created. The second zone provides additional reflections in order to ensure the transmission of the collected light energy.

Die dritte Zone aus Kern, Umhüllung und Abschirmung liefert ein stabiles Gehäuse zum Handhaben der Faser.The third zone of core, cladding and shielding provides a stable one Housing for handling the fiber.

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.Average powers of up to 250 watts were produced in one fiber transferred with a length of about 5 m. With a pulse length of 0.2 milliseconds and a pulse rate of 200 pulses per second became a peak performance in the Range from 5000 to 9000 watts achieved. After focusing the beam at the output end of the optical fiber, power densities were obtained from 106 to 107 Watts / cm2 that could be used for drilling and cutting.

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. Up to 250 watts / pulse energy Nd-YAG laser could be through a 1 mm thick fiber optic cable can be transmitted, with fiber bending radii of more when 100 mm did not show any detectable weakening. With a bending radius of 100 mm the transmittance of the wavelength is 1.06 Xum 90%. A 1.5 mm thick workpiece Titanium 6Al-4V was both drilled and cut. By being able to to be able to transmit higher average powers is that according to the invention System for the material processing industry more versatile.

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.The main advantage of the laser energy delivery system of the present invention by means of optical fibers there is greater flexibility in controlling the laser beam. You also have greater freedom in manipulating the laser beam. With The light waveguide is light in weight and the laser beam moves at great speed moved in almost every direction. Locating the laser source away from the processing station is an additional advantage of the transmission of a laser beam through a light guide'like an optical fiber. The flexibility that you get with a dispensing system of a laser beam with a fiber optic cable, also does this for material processing by laser under robot control is very useful.

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Claims (14)

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. Laser processing through an optical waveguide Claims 1. Method for emitting laser energy for carrying out manufacturing processes, characterized by: generating a pulsed laser beam with a wavelength in the vicinity IR or in the visible range, focusing the laser beam on a small spot on the end of the core of a single fiber optic cable, transmitting the energy with a peak power in the KW range thanks to the optical waveguide mentioned and Refocusing the exiting beam on a workpiece with a power density, which is sufficient for material processing. 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.2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the laser beam is focused on a small spot, the diameter of which is smaller than the core diameter, where is the numerical aperture is such that the focused beam makes an angle of less than about 240 °. 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.3. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the end of the core of the optical waveguide is optically flat and one Anti-reflective coating to promote coupling of energy. 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.4. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that in the optical waveguide average powers of up to about 250 watts can be transmitted. 5. System zum Abgeben von Laserenergie, gekennzeichnet durch.5. System for delivering laser energy, characterized by. 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. a pulsed laser that emits a laser beam with a Wavelength in the near IR or visible range creates an optical waveguide with a quartz core and a casing, a device for focusing the laser beam on a small spot on the end of the quartz core, where the fiber optic cable Top performance of more than one KW at the end of delivery transmits and one facility for collecting and focusing the emerging laser beam on a workpiece, to carry out the material processing. 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.6. System according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the laser is selected from a neodymium-YAG laser, a ruby laser and an 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.7. System according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a mounting bracket for the end of the optical fiber laser beam reflects and prevents a stray beam from entering the envelope. 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. 8. System according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the sheathing is removed at one end of the optical waveguide and that the optical waveguide is received in a hole in the mounting bracket, wherein The retaining bracket is made of a metal, such as copper and gold, that supports the laser beam reflects and thus prevents the envelope from melting. 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.9. System according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that from a short piece of one end of the optical fiber the sheath and a shield thereon are removed and that in the adjacent one Section only the shielding is removed and the end piece of the prepared in this way Optical fiber is mounted in a glass holder. 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.10. A system for delivering laser energy characterized by: a Neodymium YAG laser, which is operated in pulse form and a laser beam with a Wavelength of 1 pm generated, a single optical waveguide with a core fused quartz, a cladding and a shield, a lens that covers the Light beam on one end of the core of the fiber optic cable on a small spot focused, the diameter of which is less than that of the nucleus, the numerical Aperture is such that the included angle of the focused beam is smaller is called 240 and the fiber optic cable serves as a light guide, the top performances in the kilowatt range to the delivery end transmits un a lens system that the exiting Laser beam collimated on a workpiece and focused to metalworking perform. 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.11. The system of claim 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that at an end piece of the optical waveguide, the sheathing and the shield are removed and the optical fiber in a hole in a mounting bracket is made of copper, which reflects the laser beam and scattered light on it prevents the coating from melting. 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.12. System according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that sheathing from a short piece of one end of the optical fiber and Shielding are removed and that in the adjacent section approximately the same lung only the shielding is removed and the end piece of the fiber optic cable that has been prepared in this way is arranged in a glass holder. 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.13. System according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the cladding of the optical waveguide consists of transparent silicon. 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.14. System according to claim 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that one end piece of the optical waveguide to which the laser beam is coupled / is optically flat and has an anti-reflective coating.