WO2021069716A1 - Vorrichtung und verfahren zum transport von gepulster laser-strahlung mit einer hohlkernlichtleitfaser - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum transport von gepulster laser-strahlung mit einer hohlkernlichtleitfaser Download PDF

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Aleksander BUDNICKI
Stefan BAUMBACH
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Trumpf Laser Gmbh
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    • H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping

Definitions

  • the present invention relates to a device for transporting high-power laser pulses with a hollow core optical fiber.
  • the invention also relates to a method for transporting high-power laser pulses with a hollow-core optical fiber.
  • the guidance of laser radiation can be influenced in conventional glass fibers such as step-index solid-core glass fibers by a possible interaction of the laser light with the fiber material.
  • damage to the fiber material caused by the interaction limits the maximum transportable pulse energy and pulse power, so that the use of solid core fibers with high-intensity laser radiation, especially with high-power laser pulses, is not possible.
  • High-power laser pulses are understood here as ultra-short pulses with pulse durations in the range from a few femtoseconds (fs) to a few hundred picoseconds (ps) and with pulse energies in the range from microjoules (pj) to millijoules (mJ).
  • High-power laser pulses can be formed in different spectra len areas, for example in the IR spectral range, green Spektralbe rich, UV spectral range, deep UV spectral range.
  • fibers with a hollow core and in particular also photonic crystal fibers with a hollow core (hollow core photonic crystal Aber, HCPCF) are suitable for the transport of high-power laser pulses.
  • Such fibers have light-conducting areas in which laser pulses with pulse durations in the nanosecond to femtosecond range can be transported. In the light-conducting areas, the peak intensities are not in the material of the fiber, but in areas that are essentially free of solids.
  • a filling len of the hollow core with z. B. air or nitrogen or evacuation can also make it possible to adapt the optical properties of a fiber, for example its non-linearity.
  • hollow-core optical fibers also referred to herein as hollow-core fibers or hollow fibers for short
  • hollow-core fibers such as the HCPCFs.
  • the hollow core that carries the laser radiation is surrounded by a photonic “crystal structure”.
  • the photonic structure is designed in such a way that that a coupling of the light from the hollow core into the photonic structure is optically suppressed or not possible, so that the laser radiation remains “trapped” in the hollow core.
  • This type of light guidance depending on the type of fiber, is also known under the terms “photonic-band-gap-guiding” or “inhibited-coupling” or “anti-resonant-guiding”.
  • Exemplary fiber types include inhibited coupling (IC) -HCPCFs (eg HCPCFs of the Kagome type or the hypocycloid-core Kagome type) or bandgap HC-PCFs.
  • the transition between the hollow core and the photonic structure is formed by an (innermost) core wall structure. If laser radiation is coupled into the hollow core fiber, there is usually only a low intensity during transport in the area of the core wall structure; the main part of the power is kept in the center of the hollow core by the design of the fiber.
  • the relative position of the beam path with respect to the fiber end into which it is coupled is important.
  • the beam path of the laser radiation must be adapted to the subsequent course of the light-guiding area of the fiber for good coupling into a hollow core fiber in place (beam center position) and the angle of incidence with respect to the fiber end. Beam center position and angle of incidence are also referred to herein as beam path parameters.
  • the tolerance range relates to the position of the center of the beam and the angle of incidence of the incident laser radiation and specifies a location and angle of incidence in which a focused laser beam can strike the fiber without damaging the fiber. Permissible local areas of the beam center and angles of incidence are z.
  • a fiber coupling device is used to set the correct adjustment of the beam path required for coupling.
  • the adjustment relates, for example, to the positioning of a coupling lens with respect to the light-guiding area. So can a misalignment of the coupling lens with regard to the light-guiding area deteriorates the coupling efficiency.
  • the beam path (beam center and angle of incidence) must be kept as stationary as possible with respect to the fiber end; that is, the Strahlver running parameters in the coupling area should be within the tolerance range.
  • the laser radiation emerging from the fiber is fed to the following optical components using a fiber decoupling device.
  • One aspect of this disclosure is based on the object of enabling the transport of high-power laser pulses with a hollow core fiber while maintaining a sufficient tolerance window with regard to the coupling of the laser radiation into the hollow core fiber.
  • At least one of these objects is achieved by a device for transporting pulsed laser radiation according to claim 1 or claim 15 or claim 16 and by a method for transporting pulsed laser radiation with a hollow core optical fiber according to claim 11. Further developments are given in the dependent claims.
  • a device for transporting pulsed laser radiation with a pulse energy which leads to high-intensity laser pulses (3C) with a compressed pulse duration a pulse duration setting device which is designed to receive the pulsed laser radiation and to set a transport pulse duration of the laser radiation, a Hollow-core optical fiber, which has a hollow core surrounded by material, the hollow-core optical fiber laser pulses coupled into a first fiber end being transported in the hollow core to a second fiber end and output there, and furthermore operating the hollow-core optical fiber with a beam present at the first fiber end course parameter values, which are in a target tolerance range, is provided, and a fiber coupling device which is set up to receive the laser radiation set to the transport pulse duration and to feed it into the hollow-core optical fiber with beam course parameter values couple that are in the target tolerance range.
  • a system for providing high-intensity laser pulses for material processing of a workpiece comprises a laser pulse source which is set up to output laser pulses with a spectral width and a pulse energy required for material processing as pulsed laser radiation, a device for transport as described above the pulsed laser radiation with a hollow core optical fiber and a pulse duration setting device and a laser processing head that focuses the laser pulses emerging from the hollow core optical fiber on the workpiece for material processing.
  • the pulse duration setting device of the device for transporting the pulsed laser radiation can be designed as a separate component assigned to the hollow core fiber or as part of the laser pulse source (a pulse duration stretching device or (not maximally compressing) pulse duration compression device).
  • a further aspect comprises a method for transporting pulsed laser radiation from a laser pulse source with a hollow-core optical fiber which has a hollow core surrounded by a material, the hollow-core optical fiber being designed to direct the laser radiation in the hollow core from a first fiber end to a second fiber end transport, the steps:
  • the peak power being set by lengthening the pulse duration from the initial pulse duration to a transport pulse duration or by non-maximum compression of the laser pulses in such a way that for beam path parameter values at the first fiber end, the setpoint provided for operation of the hollow core optical fiber -Tolerance range, a coupling of laser pulses with the transport pulse duration takes place in the hollow core, in which the material and / or a structure of the hollow-core optical fiber is obtained.
  • the target tolerance range can be given by fluctuations in the beam parameters of the pulsed laser radiation to be tolerated during operation.
  • the beam parameters can in particular include a beam center position and / or an angle of incidence.
  • a fluctuation in the beam center position to be tolerated can at a few percent of the mode field diameter, for example in the range of ⁇ 1%, ⁇ 2%, ⁇ 5% or ⁇ 10% of the mode field diameter, and / or a tolerable fluctuation in the angle of incidence can be a few percent of the beam divergence, for example in Ranges of ⁇ 1%, ⁇ 2%, ⁇ 5% or ⁇ 10% of the beam divergence.
  • the hollow core optical fiber can be assigned a maximum pulse peak power in the nominal tolerance range, above which coupling in without damage to the hollow core optical fiber is not given over the entire nominal tolerance range.
  • the transport pulse duration of the laser radiation is set at the first fiber end in such a way that a peak power of the laser radiation at the first fiber end is less than or equal to the maximum pulse peak power.
  • the hollow core optical fiber can have structural elements, in particular a glass structure or a photonic crystal structure, which form an inner core wall surrounding the hollow core.
  • the pulse duration setting device and the fiber coupling device can be set up in such a way that a spatial overlap of an intensity distribution of the laser radiation with the structural elements at beam path parameter values within the tolerance range, and in particular at limit values of the target tolerance range, is such that an intensity present in the area of the structural elements is below a damage threshold intensity of the core wall.
  • the pulse duration setting device can be set up as a pulse duration stretching device to extend laser pulses of the pulsed laser radiation, which have an initial pulse duration, by a stretching factor to the transport pulse duration by at least one optical element and to output them as temporally stretched laser pulses.
  • the pulse duration setting device used in transmission or in reflection, can comprise a diffraction grating, a volume Bragg grating, a prism, a grating prism and / or a dispersive mirror.
  • the transport pulse duration can be set with the pulse duration setting device in such a way that, with regard to the material of the hollow-core optical fiber, a damage-free coupling into the hollow-core optical fiber takes place within the target tolerance range.
  • the pulse duration setting device designed as a pulse duration stretching device can be set up to set an initial pulse duration in the range from 50 fs to 1 ps with a stretch factor of at least 1.5, in particular of at least 10 or at least 100, to extend the transport pulse duration.
  • the pulse duration setting device can be set up as a pulse duration compression device to compress laser pulses of the pulsed laser radiation in the pulse duration (only) to the transport pulse duration.
  • the pulse duration setting device can be set up, in particular as a pulse duration compression device, to receive laser pulses of a pulsed laser radiation, which are output by a laser amplifier system with a pulse duration that is significantly longer than a minimum possible pulse duration with respect to a given spectral bandwidth, through at least one optical element to compress in time in the pulse duration to the transport pulse duration and thus output in particular as laser pulses which are temporally stretched with respect to the minimum possible pulse duration.
  • the pulse duration setting device can also be set up to extend the pulse duration of the laser pulses to the transport pulse duration with regard to the minimum possible pulse duration in the range of 50 fs to 1 ps with a stretch factor of at least 1.5, in particular of at least 10 or at least 100 adjust.
  • an additional safety factor of at least 2, 10 or 100 can be included when determining the transport pulse duration.
  • beam parameters of the pulsed laser radiation can include parameters from the following groups:
  • Beam propagation parameters including mode field diameter, aperture angle and beam quality value
  • Pulse parameters including pulse energy, pulse duration and repetition rate and
  • the beam path parameters which include a beam center position at the first fiber end and a direction of incidence of the pulsed laser radiation on the first fiber end.
  • a peak power of the pulsed laser radiation can be adjusted with the help of the pulse duration setting device in such a way that, with fixed beam propagation parameters and fixed pulse parameters, the laser radiation can be coupled into the hollow core with beam path parameters within the tolerance range without damage.
  • the laser pulse source can comprise a laser amplifier system and a pulse duration compression device.
  • the laser processing head can have a pulse duration adaptation device which is designed to shorten the transport pulse duration to a processing pulse duration.
  • a pulse duration adaptation device which is designed to shorten the transport pulse duration to a processing pulse duration.
  • it can comprise at least one diffraction grating, a volume Bragg grating, a prism, a grating prism and / or a dispersive mirror.
  • the device for transporting the pulsed laser radiation can be set in such a way that, without lengthening the initial pulse duration, the pulse energy at the first fiber end leads to a peak power which causes damage to the hollow-core optical fiber. In some embodiments of the system, the device for transporting the pulsed laser radiation can be set such that with a dispersive maximum possible compression of the laser pulses, the pulse energy at the first fiber end leads to a peak power which causes damage to the hollow-core optical fiber. Damage can generally occur in the case of compression for a duration that is shorter than the transport pulse.
  • the method can also include the following steps:
  • the extension of the pulse duration from the initial pulse duration to the transport pulse duration can be based on a stretch factor of at least 1.5, in particular at least 10 or 100, and optionally an additional safety stretch factor of at least 2, 10 or 100.
  • the coupling of the laser pulses into the hollow core optical fiber can be done with a fiber coupling device that provides a beam path for the pulsed laser radiation, the beam path parameter values in the target tolerance range at the first fiber end for damage-free coupling into the hollow core optical fiber with the transport pulse duration.
  • the method can also include the following steps: Decoupling of the pulsed laser radiation from the hollow core optical fiber,
  • a device for transporting pulsed laser radiation with a pulse energy that leads to highly intensive laser pulses with a compressed pulse duration comprises a Pulsdauerkompres sion device, which is designed to receive the pulsed laser radiation and to set a transport pulse duration of the laser radiation, wherein the Pulsdauerkompressionsvor direction is set up to compress laser pulses of the pulsed laser radiation in the pulse duration to the transport pulse duration.
  • the device comprises a hollow core light guide fiber which has a hollow core surrounded by material, the hollow core light guide fiber transporting laser pulses, which are coupled in at a first fiber end, in the hollow core to a second fiber end and emitting them there.
  • the device comprises a fiber coupling device which is set up to receive the laser radiation set to the transport pulse duration and to couple it into the hollow-core optical fiber with beam path parameter values that are in the target tolerance range.
  • the transport pulse duration is set in such a way that the laser radiation is coupled into the hollow core for all beam path parameter values in the target tolerance range, in which the material and / or a structure of the hollow-core optical fiber is retained.
  • a system for transporting pulsed laser radiation with a pulse energy that leads to high-intensity laser pulses with a compressed pulse duration comprises a pulse duration setting device which is designed to receive the pulsed laser radiation and to set a transport pulse duration of the laser radiation, the pulse duration setting device being designed as a pulse duration compression device to generate laser pulses of the pulsed laser radiation in the Compress pulse duration to the transport pulse duration.
  • the device further comprises a hollow-core optical fiber which has a hollow core surrounded by material, the hollow-core optical fiber transporting laser pulses, which are coupled in at a first fiber end, in the hollow core to a second fiber end and emitting them there.
  • the device comprises a fiber coupling device which is set up to receive the laser radiation set to the transport pulse duration and to couple it into the hollow core optical fiber with beam path parameter values which are in the target tolerance range.
  • the transport pulse duration is set in such a way that the laser radiation is coupled into the hollow core for all beam path parameter values in the target tolerance range, in which the material and / or a structure of the hollow-core optical fiber is retained.
  • a tolerance range is usually defined for such a fiber-based arrangement for transporting pulsed laser radiation, in particular for coupling in pulsed Laserstrah treatment with predetermined parameters (such as pulse energy, pulse duration, repetition rate), which indicates the extent to which the position of the beam center or the angle of incidence may vary due to a drift in the beam path without the operation leading to damage or destruction of the photonic structure.
  • predetermined parameters such as pulse energy, pulse duration, repetition rate
  • the addressed local areas of the beam center and angle of incidence areas - depending on the fiber type - in the range of ⁇ 5% to ⁇ 10% of the mode field diameter and in the range of ⁇ 5% to ⁇ 10% of the beam divergence are aimed for.
  • the concepts proposed here make it possible to provide greater tolerance ranges for coupling into Holkem fibers and thus more robust beam guidance systems for industrial use than would be determined without applying the concepts in view of possible damage or destruction of the photonic structure would.
  • the threshold for destruction of the hollow core fiber in particular the photonic structure such as the core wall structure, is raised by such laser pulses with reduced peak pulse power. Since such fiber destruction can be avoided or at least reduced in frequency, failures of systems in which a hollow core fiber is used to transport high-intensity pulsed laser radiation and components of such systems can be reduced.
  • Fig.lA a schematic representation to illustrate a coupling of pulsed laser radiation in a hollow core fiber for Strahlver running parameters in the tolerance range;
  • 1B shows a schematic representation to illustrate a coupling of pulsed laser radiation into a hollow core fiber for Strahlver running parameters outside the tolerance range
  • 2A and 2B are sketches to illustrate the use of a device for transporting pulsed laser radiation with a pulse duration setting device in laser-based material processing
  • 3A and 3B are plan views of a coupling end of an exemplary hollow core fiber to explain a variation of a beam path parameter
  • Fig. 4 is a diagram to illustrate the adjustability of the Strahlintensi ity that is present in the coupling, when using a pulse duration setting device.
  • Fig. 1A illustrates the use of a hollow core fiber 1 (transport fiber) for the transport of high-power laser pulses 3 A.
  • the high-power laser pulses 3 A are generated by a laser pulse source 3 and each have an initial pulse duration At.
  • the high-power laser pulses 3A are focused on a first fiber end 1 A of the hollow-core fiber 1 using a fiber coupling device that includes a lens 5A.
  • the beam profile of the high-power laser pulses 3A overlaps with a hollow core 4A of the hollow core fiber 1, so that only a small proportion of the intensity of the beam profile overlaps with the material 4B of the hollow core fiber 1 that surrounds the hollow core 4A.
  • a maximum intensity I max represents a damage threshold of the fiber type for fixed beam parameters (see also Fig. 4).
  • the laser radiation can be guided in the hollow core 4 to a second fiber end 1B.
  • the high-power laser pulses emerge as strongly diverging laser radiation.
  • the emerging laser radiation is collimated with a wide Ren lens 5B and guided, for example, as a free beam to a laser processing head 7 with a focusing lens 7A for processing a workpiece 9.
  • a processing pulse duration At ′ of the high-power laser pulses 3 A ′ emerging from the hollow core fiber 1 can (essentially) correspond to the initial pulse duration At of the injected laser pulses 3 A.
  • the hollow core fiber 1 can have a dispersive effect, so that the pulse duration can change during the propagation of the laser pulses in the hollow core fiber 1 (fiber-based stretching or shortening of the pulse duration).
  • the beam path parameters (beam center, angle of incidence) of the high-power laser pulses 3 A are outside the (narrow) tolerance range during coupling or if the peak intensities of the high-power laser pulses 3 A are too high, beam intensities in the area of material 4B (for example in the area of a photonic structure) can result which lead to damage to the first fiber end 1 A. This obviously also applies to intensities ten equal to or above the maximum intensity I max.If the hollow core fiber 1 is damaged, this can ultimately result in no laser radiation that can be used for machining the workpiece 9 emerging from the hollow core fiber 1.
  • 1B illustrates, as an example, the case in which the lens 5A is misaligned with respect to the first fiber of the 1 A, so that the beam center of the beam profile of the high-power laser pulses 3 A is not centered with the hollow core 4A and thus a core wall 4C of the hollow core fiber 1 is for example ablated or thermally deformed by the incident laser radiation.
  • a maximum destruction peak power, from which a photonic structure is destroyed, since the maximum intensity I max is reached, and from which the hollow core fiber for every possible coupling situation (i.e. also with ideal coupling) for a reliable use for the transport of high-power laser pulses is not is more useful is referred to as a destruction threshold.
  • the damage threshold and thus also the tolerance range considered here for the coupling increase with the pulse duration of the incident laser pulses, since for a destructive interaction of the laser radiation with the fiber material, the greater the pulse energy, the more pulse energy has to be applied.
  • the tolerance range - depending on the fiber type - includes changes / fluctuations in the center of the beam in the range from ⁇ 5% to ⁇ 10% of the mode field diameter and changes / fluctuations in the angle of incidence in the range from ⁇ 5% to ⁇ 10% of the beam divergence.
  • the target tolerance range fiber destruction should generally no longer be possible with the variations in the beam path parameters that are possible during operation (tolerable incorrect coupling).
  • the tolerance range is given by a tolerance range threshold in the form of a (limit) intensity I Lim.
  • the (limit) intensity I Lim is so far below the maximum intensity I max, ie below the “ideal” damage threshold, that the fluctuations possible during operation within the target tolerance range are covered.
  • the tolerance range threshold which has been lowered with respect to the damage threshold, serves to protect the hollow core fibers 1.
  • the protection should also be ensured in particular with pulse energies (for example in the pJ range, ie greater than 1 pJ or greater than 10 pJ), which in principle (in the case of a compressed Pulse duration) could lead to high-intensity laser pulses with peak intensities above the destruction threshold.
  • the inventors have now recognized that destruction of the hollow core fiber can be prevented despite high pulse energies (which in principle could lead to peak intensities above the damage threshold) if the effect (intensity) of the laser pulses to be transported is always due to a "long" transport pulse duration stay below the tolerance range threshold of the fiber type.
  • the inventors accordingly propose to increase the tolerance range for the coupling at least up to the target tolerance range in that the tolerance range threshold with regard to the peak intensity / pulse energies is given a longer pulse duration than the minimum pulse duration that can be achieved, for example, through the bandwidth available (for example, by an extension the transport pulse duration before coupling or due to incomplete compression of the laser pulse duration before coupling) into the hollow core fiber.
  • a corresponding tolerance range of beam path parameters can be provided during coupling by setting the pulse duration of the laser pulses with the aid of a pulse duration setting device (for example a pulse duration stretching device or a non-maximally compressing pulse duration compression device ) is set / extended accordingly.
  • a pulse duration setting device for example a pulse duration stretching device or a non-maximally compressing pulse duration compression device
  • the inventors propose stretching in the sense of a separate pulse duration extension or a compression (setting) of the pulse duration that is not carried out to the maximum before coupling into a hollow core transport fiber in order to reduce the (pulse) peak power. Because, if the pulse duration of the laser pulses is set long enough, damage to z. B.
  • the core wall webs are avoided or at least reduced within a predetermined tolerance range with regard to the coupling. If a limit of the tolerance range is reached (for example, the maximum deviation of the beam center from a central axis of the hollow core fiber permitted in the target tolerance range is exceeded - greater, for example, ⁇ 5% or ⁇ 10% of the mode field diameter or the maximum deviation of the angle of incidence permitted in the target tolerance range from the axial incidence - greater e.g. ⁇ 5% or ⁇ 10% of the beam divergence), the beam path can be readjusted in order to restore the desired transport properties without the transport fiber having been damaged beforehand and possibly even having to be replaced .
  • the concept proposed here of stretching the pulse duration before coupling can also be referred to as “chirped pulse transport”.
  • the extension of the pulse duration enables the transport of laser pulses which already have the full pulse energy required for laser processing, but which are reduced in their (pulse) peak power for transport.
  • the stretching (separate pulse duration extension or compression that is not carried out to the maximum) on the transport pulse duration is carried out to an extent that ensures that the hollow core fiber is not destroyed in the event of misalignment within a tolerance range required for beam guidance (usually in the target tolerance range specified for the fiber application) .
  • FIGS. 2A to 4 illustrate the procedure according to the invention by way of example.
  • the 2A shows a system 10 for the laser-based processing of a material 9.
  • the system 10 has a laser pulse source 3, a device 11 for transporting pulsed laser radiation and a laser processing head 21.
  • the laser pulse source 3 emits pulsed laser radiation in the form of laser pulses 3A with an initial pulse duration At.
  • the pulsed laser radiation is fed to the device 11 which, with a hollow core fiber 1, enables flexible transport of the pulsed laser radiation to the location where the material is to be processed.
  • the device 11 for transporting pulsed laser radiation comprises the hollow core fiber 1, a continuous pulse stretching device 13 and a fiber coupling device 17 and optionally a fiber decoupling device 19.
  • the hollow core fiber 1 is designed as a pure transport fiber, it accordingly does not act on the transported laser radiation. For example, a self-phase modulation, a spectral broadening or a spectral shift during transport in the hollow core fiber 1 used as a pure transport fiber can be avoided.
  • the transport can be specifically accompanied by a spectral broadening in the fiber by filling the hollow core with a gas;
  • Such a transport fiber can be part of a device described herein for transporting pulsed laser radiation, provided that the filling with gas does not lead to optical conditions in which the Fiber is damaged during coupling, and the spectral broadening does not damage the fiber during transport.
  • the fiber can have a dispersive effect on the pulsed laser radiation.
  • FIG. 3A schematically shows a plan view of a fiber end of a Kagome fiber 31 (as an example of a microstructured glass fiber, also referred to as photonic crystal fiber).
  • the fiber end shown provides the fiber end face by which the laser radiation is to be coupled into the Kagome fiber 31.
  • the hollow core 33 has an essentially round mouth opening which is surrounded by a perforated jacket structure 35.
  • the perforated jacket structure 35 consists of channels 37 which surround the hollow core 33 and cause the light to be guided optically in the hollow core 33.
  • the channels 37 are formed by a specific arrangement of wall webs 37A.
  • the photonic structure delimits the hollow core 33 by the wall sections 39 lying furthest inside.
  • the wall sections 39 shown in FIG. 3A form a core wall.
  • the aim of transporting laser radiation with a Kagome fiber 31 is to guide laser radiation with as little loss as possible and as little susceptible as possible to disturbances in the transport conditions.
  • Fig. 3A an exemplary rotationally symmetrical Intensticiansvertei treatment 41 (beam profile) of an incident laser beam is indicated schematically.
  • the beam center 41 A belonging to the laser beam (given by the maximum intensity in the center of the intensity distribution) ideally coincides in the situation shown with a central axis 31 A of the Kagome fiber 31, so that the beam profile of the laser radiation is also in the Kagome fiber 31 can spread centrally in the hollow core 33.
  • the pulse duration stretching device 13 is shown by way of example as a grid stretcher with two grids 15.
  • the dispersive splitting and merging of the wavelengths forming the laser pulses is indicated schematically.
  • the pulse duration stretching device 13 comprises at least one optical element such as a diffraction grating, a volume Bragg grating, a prism and / or a grating prism (Grism).
  • a diffraction grating such as a diffraction grating, a volume Bragg grating, a prism and / or a grating prism (Grism).
  • two optical elements can be arranged in the beam path in order to extend the pulse duration of the laser pulses 3A.
  • Further optical elements such as folding mirrors, focusing mirrors or lenses can be provided to set up a pulse duration adjustment device (such as the pulse duration stretching device 13 in FIG. 2A or pulse duration compression device 13 ′′ in FIG. 2B) that can be adjusted in terms of the dispersion contribution Pulse duration is disclosed by the applicant in DE 102016 110947 A1.
  • Such a compressor can be used, for example, for incomplete compression of laser pulses (see structure in FIG. 2B).
  • laser pulses 3B are shown which have a frequency chirp and emerge from the pulse duration stretching device 13 with a corresponding time extension with a transport pulse duration At_t.
  • the transport pulse duration At_t is thus much longer than the theoretical lower limit determined by the time-bandwidth product for the compression of the laser pulses from the laser pulse source 3.
  • the extended laser pulses 3B are fed to the fiber coupling device 17.
  • the fiber coupling device 17 comprises, for example, a (coupling) lens 5.
  • the lens 5 is arranged such that it focuses the laser pulses at an angle of incidence ⁇ on the fiber end face of the hollow core fiber 1 with a beam center position X in the area of the mouth opening of the hollow core 4A.
  • the 2A schematically illustrates a range Da for the angle of incidence ⁇ and a range DC for the position X of the beam center.
  • the areas Da and DC define the tolerance range for the values of the beam path parameters “angle of incidence a” and “beam center position X”. They are, for example, a few percent (for example in the range of ⁇ 1%, ⁇ 2%, ⁇ 5% or ⁇ 10%) of the mode field diameter and the beam di vergence, for example in the range of ⁇ 5% to ⁇ 10% of the mode field diameter and in Range from ⁇ 5% to ⁇ 10% of the beam divergence.
  • Fig. 3B illustrates a position of the beam center 41 A, which strikes the fiber end shifted by an offset AXd with respect to the central axis 31 A of the Kagome fiber 31.
  • An interaction area 43 is indicated by dashed lines, which does not yet significantly overlap with the photonic structure 35 (minimal overlap areas 45 with the core wall), so that the offset AXd does not cause any damage to the hollow core fiber. It can be seen that the interaction area 43 would overlap with the photonic structure 35 if the offset was increased beyond the offset AXd.
  • the offset AXd limits the tolerance range with regard to the beam path parameter “beam center position”.
  • a variation in the angle of incidence a beyond the tolerance range with regard to the beam path parameter “angle of incidence” can cause the laser pulses to interact with the material of the hollow core fiber 1.
  • the extension of the pulse duration is set according to the invention using the pulse duration stretching device 13 in the exemplary embodiment of FIG. 2A (or, with a view to FIG. 2B, the incomplete compression using the incomplete compression in a compressor 13 ′′) such that the beam path parameters, as it is required for the respective use of a hollow core fiber, damage to the hollow core fiber cannot occur.
  • the fiber decoupling device 19 is shown at the exit of the hollow core fiber 1, which collimates the laser radiation emerging divergently from the hollow core fiber, for example with a lens 5B.
  • the hollow core fiber 1 is designed as a transport fiber
  • the emerging laser pulses 3B 'at the fiber end have a pulse duration At_f which essentially corresponds to the transport pulse duration At_t. This is the case as long as there is no interaction between the laser radiation and the fiber in the case of the transport fiber (for example, with regard to non-linear effects for shortening the pulse duration / spectral broadening).
  • the emitted laser pulses 3B ' can be temporally compressed after the hollow core fiber by means of appropriate dispersion compensation in a pulse duration adjustment device, for example with a grating or prism compressor.
  • a grid compressor at the fiber output can be set in such a way that a desired processing pulse duration and thus the peak power required for laser processing after the beam has been transported to a target location, e.g. B. in a material to be machined of a work piece 9, is available.
  • the laser processing head 21 can be designed as a compression laser processing head for this purpose.
  • the laser processing head 21 includes, in addition to the focusing lens 7A, a pulse duration adjustment device 23, exemplified as a grid compressor.
  • the pulse duration adjustment device 23 is set such that the laser pulses 3B 'supplied to it are output as compressed laser pulses 3C with a processing pulse duration Af become.
  • the processing pulse duration Af corresponds, for. B. approximately the initial pulse duration At of the laser pulses 3 A.
  • the pulse duration adjustment device 23 is adjustable in such a way that the processing pulse duration of the laser pulse 3C provided for laser processing can be achieved for the intended range of transport pulse duration.
  • the compressed laser pulses 3C have a pulse energy which - apart from losses in the pulse duration stretching device 13, the pulse duration adjusting device 23, the hollow core fiber 1 and the coupling and decoupling devices 17, 19 - corresponds to the pulse energy of the laser pulses 3 A of the laser pulse source 3.
  • a variation of the beam path parameters (beam center position and direction of incidence) within the set tolerance range can occur during operation without endangering the transport fiber. Only when the limits of the target tolerance range are reached or exceeded, a new adjustment / readjustment (and / or possibly a larger pulse duration extension) is necessary. The readjustment can be carried out manually or automatically.
  • the concepts disclosed herein are particularly advantageous when, for unstretched pulses (pulse durations in the range of the maximum temporal compressibility of the laser pulses), peak pulse power of 25 MW and more (pulse parameters of e.g. about 10 pj and more in the range of (a few) hundred femtoseconds , e.g. 300 fs) are to be transported with a hollow core fiber.
  • the destruction threshold for the respective hollow core fiber design e.g. photonic band gap, inhibited couping, antiresonant, negative curvature hollow core fibers
  • Laser pulses from a laser pulse source are coupled into the fiber with ideal and stable beam parameters (in particular with regard to mode field diameter, opening angle, M 2 value, stability with regard to position and angle).
  • an upper limit of the power - the maximum pulse peak power - is determined at which the hollow-core fiber design is still able to guide the laser pulses non-destructively.
  • the value of the maximum pulse peak power can also be reduced in order to ensure non-destructive transport.
  • the thus reduced peak pulse power corresponds to the (limit) intensity I Lim determined for the target tolerance range, which is below the maximum possible pulse peak intensity I max.
  • the reduction in peak power is achieved via a stretch factor of the laser pulses with respect to the minimum possible pulse duration (temporal extension of the pulse duration to reduce the peak power with a pulse duration stretching device or by compression that is not carried out to the maximum with a pulse duration compression device in the laser pulse source).
  • a safety factor can be taken into account in the stretching factor in order to achieve robust and reliable fiber guidance.
  • the additional reduction of the peak power due to the safety factor takes place, for example, by at least a factor of 2, preferably a factor of 10 and particularly preferably a factor of 100, so that the maximum pulse peak power present at the fiber end is lower at this factor than the pulse peak power determined for the target tolerance range (Safety factor).
  • FIG. 4 shows a diagram to illustrate the ability to adjust the beam intensity for two starting situations (e.g. for laser pulses from two different laser beam sources).
  • the intensity in the structure area (I_s-axis) is plotted.
  • the critical part would be given, for example, by the thin wall webs 37A made of glass, generally by the photonic structure implemented.
  • a damage threshold intensity I max is shown in the diagram of FIG. 4. This is specific to the hollow core fiber under consideration. If the intensity I_s is below the threshold intensity I max at an optimal beam center position, pulsed laser radiation can be transported without damaging the hollow core fiber. If the intensity I_s is greater than or equal to the damage threshold intensity I max, the hollow core fiber will be damaged even with ideal adjustment. It is noted that the intensity of the laser radiation in the hollow core fiber results as power per area from the pulse peak power and the mode field area of the hollow core fiber, since the mode field area is given for a hollow core fiber and does not change. It is further noted that the mode field area from hollow core fiber to hollow core fiber and in particular for different fiber types are generally different in size.
  • a tolerance range threshold intensity I Lim (threshold intensity for short) is shown in the diagram in FIG. 4. This is specified specifically for the hollow core fiber under consideration as part of the intended operation. If the intensity I_s is below the tolerance range threshold intensity I Lim at a beam center position, pulsed laser radiation can be transported without damaging the hollow core fiber. If the intensity I_s is above the tolerance range threshold intensity I Lim, there is a risk of Damage to the hollow core fiber and coupling into the hollow core fiber must be avoided.
  • tolerance ranges are shown for the beam course parameter beam center, which result from the plotted intensity courses and the threshold intensity I Lim. If a tolerance range meets the required extent that is to be provided for the operation of the associated laser system, the transport pulse duration has been adequately adapted.
  • the x-axis describes a deviation from optimal coupling conditions that z. B. by changing the mode field diameter at the fiber entrance or by moving the position of the beam center (offset AXd in Fig. 3B) away from the central axis of the fiber and / or by reducing the angle of incidence of the laser radiation to be transported.
  • drifting can be caused, for example, by temperature fluctuations in optical elements.
  • the intensity / peak power is plotted on the y-axis, which interacts with the critical part of the fiber and which, if it is above the threshold intensity I Lim, can lead to the destruction of the fiber and which, if it is above the damage threshold intensity I max, leads to the destruction of the fiber.
  • the first example shows the course of the intensity for injected laser pulses whose pulse duration was not set specifically for the transport fiber.
  • the associated tolerance range AX Ll may not allow robust operation in every application of a system that uses the Transportvor direction.
  • the line Ll_t runs in the diagram below that of the line LI; d. That is, the peak intensities were lowered and the tolerance range AX Ll t was increased, which is given for the laser pulses that lead to intensities in the critical range that are smaller than the tolerance range threshold intensity I Lim.
  • the use of the hollow core fiber for transporting pulsed laser radiation can be made possible by lengthening the pulse duration.
  • the second example is based on an intensity distribution on the transport fiber that does not allow coupling.
  • a target tolerance range adapted to this example can be defined, which for example corresponds to the tolerance range AX_L2_t or is slightly smaller in order to take into account further uncertainties in the beam parameters
  • the pulse duration adjustment devices can generally be used in transmission or in reflection optical elements such as diffraction gratings, volume Bragg gratings, prisms and / or grisms and / or dispersive mirrors such as Gires-Tournois interferometer mirrors (GTI- Mirror).
  • Co-Tournois interferometer mirrors GTI- Mirror
  • Coordinated lattice stretcher and lattice compressor combinations allow the introduction and compensation of large dispersion values. Large dispersion values with a correspondingly large stretching may be necessary for laser pulses with high power / high pulse energy, as can be generated, for example, with a generative amplifier system as a laser pulse source.
  • the pulse duration setting device of the device 11 can also be provided in the laser pulse source 3.
  • 2A schematically indicates a device 13 'which can be designed as a pulse duration stretching device with which the pulse duration can be actively extended, on the one hand, or as a pulse duration compression device which does not compress the laser pulses to the maximum.
  • the pulse duration compression device is set accordingly in such a way that a dispersion of the laser pulses of the pulsed laser radiation remains so that the laser pulses are “only” compressed to the transport pulse duration in the pulse duration.
  • FIG. 2B illustrates the structure in which a pulse duration compression device 13 ′′ (also referred to herein as a compressor for short) amplifies a laser pulse source 3 for pulse compression Laser pulse is used.
  • FIG. 2B shows that the laser pulse source 3 ′ generates laser pulses in an amplifier system L for transport with the device 11.
  • the amplified laser pulses are emitted by the laser amplifier system L with a pulse duration that is wesent Lich longer than a minimum possible pulse duration with respect to a spectral bandwidth available after the amplification.
  • the amplified laser pulses are time-compressed to the transport pulse duration At_t by at least one optical element 15 '.
  • the amplified laser pulses are thus output as laser pulses 3B which are stretched in terms of time with respect to the minimum possible pulse duration and are fed directly (ie, without passing through the stretcher 13) to the transport fiber 1.
  • the pulses 3B are output by the laser pulse source 3 'in such a way that their pulse duration with the pulse duration compression device 13 "is non-dispersively possible with regard to the time band product (time band).
  • time band The time-bandwidth product theoretically determines the lower limit for the compression of the laser pulses, ie their pulse duration for a given spectral bandwidth, the pulse duration usually being the full width at half maximum (FWHM) of the intensity profile of the laser pulses
  • the time-bandwidth product of actually generated ultra-short laser pulses usually does not reach the theoretical limit value due to the pulse shape, non-removable residual dispersion (remaining chirp), etc.
  • the time-bandwidth product determines the theoretically achievable peak pulse power theoretically achievable peak pulse power cannot be achieved with real laser pulses.
  • the pulse duration of the output laser pulses 3B is greater the lower limit for the pulse duration and the present peak pulse power is lower than the theoretically achievable peak pulse power.
  • the target pulse duration can now be set in such a way that the peak pulse power present on the hollow-core optical fiber corresponds to the (limit) intensity I Lim or is still below this according to the safety factor, so that the operation of the hollow-core optical fiber is within the target tolerance range guaranteed as a means of transport.
  • the controlled setting of the compressor 13 ′′ in FIG. 2B in the sense of a non-optimized dispersion-compensating setting (also referred to as "misalignment” or maladjustment herein)
  • misalignment also referred to as "misalignment” or maladjustment herein
  • the setting of the compressor 13 ' is such that a residual dispersion remains in the laser beam, so the laser pulses are not completely compressed to the shortest possible pulse duration with the given spectral bandwidth.
  • the compressor 13 ' is misadjusted in such a way that the target pulse duration, which is above the lower limit of the pulse duration given by the time-bandwidth product, is achieved dispersively (through the residual dispersion), so that a peak pulse power of the injected pulses - if a safety factor is included - for example, a maximum of 50%, 10% or even a maximum of 1% of a permissible peak pulse power determined for the tolerance range.
  • 200 fs laser pulses i.e., time-bandwidth-product-limited FWHM pulse duration in the range of 200 fs
  • pulse durations greater than 1 ps FWHM pulse duration
  • the concepts disclosed herein can be implemented in a structure according to FIG. 2B by means of incomplete compression as follows. First, the destruction clamp of the hollow core fiber is determined or it is already available, the determination being carried out within the entire tolerance range. Then the Compressor 13 "is set with respect to the transport fiber used. The setting is made, for example, by adjusting the spacing of the grids 15 'in the dispersion-compensating grid arrangement of the compressor 13" (or in the case of FIG. 2A the dispersion-adding lattice arrangement of the stretcher 13) or by adjusting the Alignment of a small glass plate in the compressor 13 ′′ (or stretcher 13) in the case of a structure according to the already mentioned DE 102016 110947 A1.
  • laser pulses that are as completely compressed as possible pulse duration as close as possible to that determined by the time bandwidth -Product given pulse duration
  • This compression can take place in the downstream compressor 23 and / or at least partially in the hollow core fiber.
  • laser pulse sources can be designed to be extremely stable, especially with regard to pulse energy and spectral width, so that primarily changes in the geometric parameters of the beam path, i.e. the beam path parameters of the beam center position and angle of incidence mentioned above, are important when determining the tolerance range.
  • the tolerance range generally depends on a mode field diameter and a basic mode of the respective hollow core fiber.
  • the beam parameters should lie in a predetermined local area of the beam center and in a predetermined area of the angle of incidence.
  • a variation to be tolerated in the position of the center of the beam can be in a spatial range of ⁇ 5% to ⁇ 10% of the mode field diameter (for example in the range of ⁇ 5 ⁇ m from a central axis of the hollow core fiber).
  • a deviation to be tolerated in the angle of incidence in the range of ⁇ 5% to ⁇ 10% of the beam di vergence (for example a deviation in the range of 2 to 5 mrad).
  • a starting point in the implementation of the invention is determined which intensity one can “afford” on the innermost (glass) webs without damage occurring.
  • the peak pulse power to be implemented for the tolerance range is then to be set to a value below the resulting damage threshold by setting a corresponding pulse duration through residual dispersion / additional dispersion.
  • the procedure for implementing the invention can include, for example, the following steps:
  • the concepts disclosed herein are particularly applicable to unstretched (i.e., maximum achievable) peak pulse power of at least 25 MW and more.
  • Such peak pulse powers can, for example, already be achieved with ultra-short pulses with pulse energies of around 10 pj at 300 fs pulse duration.
  • the inventive concept for the transport of high-power laser pulses with a hollow core fiber is based on the following points:
  • the systems disclosed here differ from known transport systems in that the tolerance range for the coupling of laser radiation into a hollow fiber is increased by adding a certain stretch factor to the laser pulses due to additional dispersion (stretcher 13) or missing / incomplete dispersion compensation (misalignment of the compressor 13 ") before the coupling.
  • the stretching factor ie the additionally provided dispersion or the missing dispersion compensation, depends on the transport fiber and the pulse peak power.
  • an initial pulse duration At in the range from 50 fs to 1 ps can be with a factor (Stretch factor) can be extended from at least 1.5 to the transport pulse duration At_t; exemplary factors are in the range from 1.5 to a few 100; for example, the factors are greater than or equal to a factor of 2, 10 or 100 and can take a safety factor into account. I will be preferred n the factors (i.e. the residual dispersion or the added dispersion) are kept as small as possible (e.g. B. a factor of less than 100) in order not to have to make unnecessary dispersion corrections.

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Abstract

Eine Vorrichtung (11) zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, umfasst eine Pulsdauereinstellvorrichtung (13), eine Hohlkernlichtleitfaser (1) und eine Fasereinkopplungsvorrichtung (17). Die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) ist zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer (Δt_t) der Laserstrahlung ausgebildet. Die Hohlkernlichtleitfaser (1) weist einen von Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) auf, wobei die Hohlkernlichtleitfaser (1) Laserpulse (3B), die an einem ersten Faserende (1A) eingekoppelt werden, im hohlen Kern (4A) zu einem zweiten Faserende (1B) transportiert und dort ausgibt. Ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfaser (1) mit am ersten Faserende (1A) vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten (X, α), die in einem Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) liegen, ist vorgesehen. Die Fasereinkopplungsvorrichtung (17) ist dazu eingerichtet, die auf die Transportpulsdauer (Δt_t) eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfaser (1) mit Strahlverlaufsparameterwerten (X, α) einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) liegen. Die Transportpulsdauer (Δt_t) ist derart eingestellt, dass für alle Strahlverlaufsparameterwerte (X, α) im Soll-Toleranzbereich (ΔX_S) eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern (4A) gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur (37) der Hohlkernlichtleitfaser (1) erhalten bleibt.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM TRANSPORT VON GEPULSTER LASER STRAHLUNG MIT EINER HOHLKERNLICHTLEITFASER
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Transport von Hochleistungslaser pulsen mit einer Hohlkernlichtleitfaser. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Transport von Hochleistungslaserpulsen mit einer Hohlkernlichtleitfaser.
Die Führung von Laserstrahlung kann in konventionellen Glasfasern wie Stufen-Index- Vollkern-Glasfasern durch eine mögliche Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Faserma terial beeinflusst werden. Insbesondere begrenzt eine durch die Wechselwirkung hervorgeru fene Beschädigung des Fasermaterials die maximal transportierbare Pulsenergie und Pulsleis tung, sodass der Einsatz von Vollkernfasern bei hochintensiver Laserstrahlung, insbesondere bei Hochleistungslaserpulsen, nicht möglich ist. Unter Hochleistungslaserpulsen werden hier in sogenannte ultra-kurze Pulse mit Pulsdauern im Bereich von wenigen Femtosekunden (fs) bis zu einigen hundert Pikosekunden (ps) und mit Pulsenergien im Bereich von Mikrojoule (pj) bis Millijoule (mJ) verstanden. Hochleistungslaserpulse können in verschiedenen spektra len Bereichen ausgebildet werden, beispielsweise im IR-Spektralbereich, grünen Spektralbe reich, UV-Spektralbereich, Deep UV-Spektralbereich.
Eine Wechselwirkung mit dem Material einer Faser, die eine Beschädigung der Faser hervor- rufen kann, lässt sich mit Lichtleitfasern vermeiden oder zumindest reduzieren, die einen hoh len Faserkern aufweisen, in dem sich die hochintensive Laserstrahlung ausbreitet. Entspre chend sind Fasern mit einem Hohlkem (hollow core Aber) und insbesondere auch photonische Kristallfasem mit Hohlkern (hollow core photonic crystal Aber, HCPCF) für den Transport von Hochleistungslaserpulsen geeignet. Derartige Fasern weisen lichtleitende Bereiche auf, in denen Laserpulse mit Pulsdauem im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich transportiert werden können. In den lichtleitenden Bereichen liegen die Spitzenintensitäten nicht im Mate rial der Faser, sondern in Bereichen, die im Wesentlichen festkörperfrei sind, vor. Ein Befül len des Hohlkerns mit z. B. Luft oder Stickstoff oder ein Evakuieren kann es ferner erlauben, die optischen Eigenschaften einer Faser, beispielsweise deren Nichtlinearität anzupassen.
Die nachfolgend beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere den Transport von Laserpul sen mit Hohlkernlichtleitfasern (hierin auch als Hohlkernfaser oder kurz Hohlfaser bezeich net) wie den HCPCFs. Bei einer HCPF wird der hohle, die Laserstrahlung führende Kern von einer photonischen „KristalU-Struktur umgeben. Die photonische Struktur ist derart ausgelegt, dass ein Koppeln des Lichts vom Hohlkem in die photonische Struktur optisch unterdrückt oder nicht möglich ist, sodass die Laserstrahlung im hohlen Kern „gefangen“ bleibt. Diese Art der Lichtführung je nach Fasertyp ist auch unter den Bezeichnungen „photonic-band-gap- guiding“ oder „inhibited-coupling“ oder „anti-resonant-guiding“ bekannt. Beispielhafte Faser typen umfassen inhibited coupling (IC)-HCPCFs (z.B. HCPCFs des Kagome-Typs oder des hypocycloid-core Kagome-Typs) oder Bandgap-HC-PCFs.
Den Übergang zwischen dem Hohlkem und der photonischen Struktur bildet eine (innerste) Kernwandstruktur. Wird Laserstrahlung in die Hohlkernfaser eingekoppelt, liegt üblicher weise während des Transports im Bereich der Kernwandstruktur nur eine geringe Intensität vor, der Hauptanteil der Leistung wird durch die Auslegung der Faser im Zentrum des Hohl kerns gehalten.
Allgemein ist es für eine gute Effizienz der Lichtführung mit einer Faser wichtig, die einzu koppelnde Laserstrahlung in den Strahlausbreitungsparametern wie Spotgröße und Divergenz an die Faserparameter anzupassen.
Zusätzlich ist die relative Lage des Strahlengangs bezüglich des Faserendes, in das eingekop pelt wird, wichtig. D. h., der Strahlengang der Laserstrahlung ist für eine gute Einkopplung in eine Hohlkernfaser im Ort (Strahlmittenposition) und Einfallswinkel bezüglich des Faserendes an den nachfolgenden Verlauf des lichtleitenden Bereichs der Faser anzupassen. Strahlmitten position und Einfallswinkel werden hierin auch als Strahlverlaufsparameter bezeichnet.
Für die Einkopplung ergibt sich für Lichtleitfasern ein sogenannter Toleranzbereich für die Strahlverlaufsparameter. Der Toleranzbereich bezieht sich auf die Lage der Strahlmitte und den Einfallswinkel der einfallenden Laserstrahlung und gibt einen Orts- und Einfallswinkelbe reich an, in dem ein fokussierter Laserstrahl auf die Faser einfallen darf, ohne dass die Faser Schaden nimmt. Zulässige Ortsbereiche der Strahlmitte und Einfallswinkelbereiche liegen z.
B. je nach Fasertyp im Bereich von ±5 % bis ±10 % des Modenfelddurchmessers und im Be reich von ± 5 % bis ± 10 % der Strahl di vergenz.
Üblicherweise wird eine Fasereinkopplungsvorrichtung verwendet, um die für die Einkopp lung benötigte korrekte Justage des Strahlengangs einzustellen. Die Justage betrifft beispiels weise die Positionierung einer Einkoppellinse bezüglich des lichtleitenden Bereichs. So kann eine Dejustage der Einkoppellinse hinsichtlich des lichtleitenden Bereichs die Einkopplungs effizienz verschlechtern. Während des Betriebs ist der Strahlengang (Strahlmitte und Ein fallswinkel) bezüglich des Faserendes möglichst stationär zu halten; d. h., die Strahlver laufsparameter im Bereich der Einkopplung sollen innerhalb des Toleranzbereichs liegen.
Nach dem Transport der Laserstrahlung mit der Faser wird die aus der Faser austretende La serstrahlung mit einer Faserauskopplungsvorrichtung den nachfolgenden optischen Kompo nenten zugeführt.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transport von Hochleis tungslaserpulsen mit einer Hohlkernfaser unter Wahrung eines ausreichenden Toleranzfens ters hinsichtlich der Einkopplung der Laserstrahlung in die Hohlkernfaser zu ermöglichen.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Transport von ge pulster Laserstrahlung nach Anspruch 1 oder Anspruch 15 oder Anspruch 16 und durch ein Verfahren zum Transportieren von gepulster Laserstrahlung mit einer Hohlkernlichtleitfaser nach Anspruch 11. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist eine Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, auf: eine Pulsdauereinstellvorrichtung, die zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer der Laserstrahlung ausgebildet ist, eine Hohlkernlichtleitfaser, die einen von Material umgebenen hohlen Kern aufweist, wobei die Hohlkernlichtleitfaser Laserpulse, die an einem ersten Faserende eingekoppelt wer den, im hohlen Kern zu einem zweiten Faserende transportiert und dort ausgibt, und wobei ferner ein Betreiben der Hohlkemlichtleitfaser mit am ersten Faserende vorliegenden Strahl verlaufsparameterwerten, die in einem Soll-Toleranzbereich liegen, vorgesehen ist, und eine Fasereinkopplungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die auf die Transport pulsdauer eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfaser mit Strahlverlaufsparameterwerten einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich liegen.
Dabei ist die Transportpulsdauer derart eingestellt, dass für (alle) Strahlverlaufsparameterwer te im Soll-Toleranzbereich eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkernlichtleitfaser erhalten bleibt. In einem weiteren Aspekt umfasst ein System zum Bereitstellen von hochintensiven Laserpul sen für die Materialbearbeitung eines Werkstücks eine Laserpulsquelle, die dazu eingerichtet ist, Laserpulse mit einer spektralen Breite und einer für die Materialbearbeitung benötigten Pulsenergie als gepulste Laserstrahlung auszugeben, eine wie zuvor beschriebene Vorrichtung zum Transport der gepulsten Laserstrahlung mit einer Hohlkernlichtleitfaser und einer Puls dauereinstellvorrichtung und einen Laserbearbeitungskopf, der Laserpulse, die aus der Hohl kernlichtleitfaser austreten, zur Materialbearbeitung auf das Werkstück fokussiert. In einigen Ausführungsformen kann die Pulsdauereinstellvorrichtung der Vorrichtung zum Transport der gepulsten Laserstrahlung als separate der Hohlkernfaser zugeordnete Komponente oder als Teil der Laserpulsquelle (eine dort angeordnete Pulsdauer Streckvorrichtung oder (nicht maxi mal komprimierende) Pulsdauerkompressionsvorrichtung) ausgebildet sein.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Transportieren von gepulster Laser strahlung einer Laserpulsquelle mit einer Hohlkemlichtleitfaser, die einen von einem Material umgebenen hohlen Kern aufweist, wobei die Hohlkernlichtleitfaser dazu ausgebildet ist, die Laserstrahlung im hohlen Kern von einem ersten Faserende zu einem zweiten Faserende zu transportieren, die Schritte:
Erzeugen der gepulsten Laserstrahlung, die Laserpulse mit einer Anfangspulsdauer umfasst,
Einstellen einer Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung, die am ersten Faserende vorliegt, und
Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in die Hohlkernlichtleitfaser, wobei die Spitzenleistung durch Verlängern der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer auf eine Transportpulsdauer oder durch nicht-maximale Kompression der Laserpulse derart eingestellt wird, dass für Strahlverlaufsparameterwerte am ersten Faserende, die in einem für einen Betrieb der Hohlkernlichtleitfaser vorgesehenen Soll-Toleranzbereich liegen, eine Ein kopplung von Laserpulsen mit der Transportpulsdauer in den hohlen Kern erfolgt, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkernlichtleitfaser erhalten wird.
In einigen Weiterbildungen der Vorrichtung kann der Soll-Toleranzbereich durch im Betrieb zu tolerierende Schwankungen von Strahlparametern der gepulsten Laserstrahlung gegeben sein. Dabei können die Strahlparameter insbesondere eine Strahlmittenposition und/oder einen Einfallswinkel umfassen. Eine zu tolerierende Schwankung in der Strahlmittenposition kann bei einigen Prozent des Modenfelddurchmessers, beispielsweise im Bereich von ±1%, ±2%, ±5% oder ±10% des Modenfelddurchmessers, liegen und/oder eine zu tolerierende Schwan kung im Einfallswinkel kann bei einigen Prozent der Strahl di vergenz, beispielsweise im Be reich von ±1%, ±2%, ±5% oder ±10% der Strahl di vergenz, liegen. Ferner kann der Hohlkern lichtleitfaser im Soll-Toleranzbereich eine maximale Puls Spitzenleistung zuordbar sein, ober halb der eine Einkopplung ohne Beschädigung der Hohlkemlichtleitfaser nicht über den ge samten Soll-Toleranzbereich gegeben ist. Entsprechend ist die Transportpulsdauer der Laser strahlung derart am ersten Faserende eingestellt ist, dass eine Spitzenleistung der Laserstrah lung am ersten Faserende kleiner oder gleich der maximalen Pulsspitzenleistung ist.
In einigen Weiterbildungen kann die Hohlkemlichtleitfaser Strukturelemente, insbesondere eine Glasstruktur oder eine photonische Kri stall Struktur, aufweisen, die eine den Hohlkem umgebende innere Kernwand ausbilden. Die Pulsdauereinstellvorrichtung und die Faserein kopplungsvorrichtung können derart eingerichtet sein, dass ein räumlicher Überlapp einer Intensitätsverteilung der Laserstrahlung mit den Strukturelementen bei Strahlverlaufsparame terwerten innerhalb des Toleranzbereichs, und insbesondere an Grenzwerten des Soll- Toleranzbereichs, derart ist, dass eine im Bereich der Strukturelemente vorliegende Intensität unterhalb einer Zerstörschwellenintensität der Kemwand liegt.
In einigen Weiterbildungen kann die Pulsdauereinstellvorrichtung als Pulsdauerstreckvorrich- tung dazu eingerichtet sein, Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung, die eine Anfangspuls dauer aufweisen, durch mindestens ein optisches Element um einen Streckungsfaktor auf die Transportpulsdauer zu verlängern und als zeitlich gestreckte Laserpulse auszugeben.
Optional kann die Pulsdauereinstellvorrichtung, in Transmission oder in Reflexion verwendet, ein Diffraktionsgitter, ein Volum en-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Gitterprisma und/oder einen dispersive Spiegel umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Transportpulsdauer mit der Pulsdauereinstellvorrich tung derart eingestellt sein, dass hinsichtlich des Materials der Hohlkemlichtleitfaser eine be schädigungsfreie Einkopplung in die Hohlkemlichtleitfaser im Soll-Toleranzbereich erfolgt.
Alternativ oder ergänzend kann die als Pulsdauerstreckvorrichtung ausgeführte Pulsdauerein stellvorrichtung dazu eingerichtet sein, eine Anfangspulsdauer im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder min destens 100, auf die Transportpulsdauer zu verlängern.
In einigen Weiterbildungen kann die Pulsdauereinstellvorrichtung als Pulsdauerkompressi onsvorrichtung dazu eingerichtet sein, Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung in der Puls dauer (nur) auf die Transportpulsdauer zu komprimieren.
In einigen Weiterbildungen kann die Pulsdauereinstellvorrichtung insbesondere als Pulsdau erkompressionsvorrichtung dazu eingerichtet sein, Laserpulse einer gepulsten Laserstrahlung, die von einem Laserverstärker System mit einer Pulsdauer ausgegeben werden, die wesentlich länger ist als eine bezüglich einer vorliegenden spektralen Bandbreite minimal möglichen Pulsdauer, durch mindestens ein optisches Element in der Pulsdauer auf die Transportpuls dauer zeitlich zu komprimieren und somit insbesondere als zeitlich bezüglich der minimal möglichen Pulsdauer gestreckte Laserpulse auszugeben. Optional kann die Pulsdauereinstell vorrichtung ferner dazu eingerichtet sein, die Laserpulse bezüglich der minimal möglichen Pulsdauer im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Streckungsfaktor von mindestens 1,5, ins besondere von mindestens 10 oder mindestens 100, in ihrer Pulsdauer auf die Transportpuls dauer einzustellen. Überdies kann ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor von mindestens 2, 10 oder 100 bei der Bestimmung der Transportpulsdauer einbezogen werden.
In einigen Ausführungsformen können Strahlparameter der gepulsten Laserstrahlung Parame ter der folgenden Gruppen umfassen:
- Strahlausbreitungsparameter umfassend Modenfelddurchmesser, Öffnungswinkel und Strahlgütewert,
- Pulsparameter umfassend Pulsenergie, Pulsdauer und Repetitionsrate und
- die Strahlverlaufsparameter, die eine Strahlmittenposition am ersten Faserende und eine Einfallsrichtung der gepulsten Laserstrahlung auf das erste Faserende umfassen.
Dabei kann eine Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung mithilfe der Pulsdauereinstell vorrichtung derart angepasst sein, dass bei festeingestellten Strahlausbreitungsparametern und festeingestellten Pulsparametem eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern mit im Toleranzbereich liegenden Strahlverlaufsparameter beschädigungsfrei durchführbar ist.
In einigen Ausführungsformen des Systems kann die Laserpulsquelle ein Laserverstärkersys tem und eine Pulsdauerkompressionsvorrichtung umfassen. In einigen Ausführungsformen des Systems kann der Laserbearbeitungskopf eine Pulsdauer- anpassvorrichtung aufweisen, die zum Verkürzen der Transportpulsdauer auf eine Bearbei tungspul sdauer ausgebildet ist. Optional kann er, in Transmission oder in Reflexion verwen det, mindestens ein Diffraktionsgitter, ein Volum en-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Gitterprisma und/oder einen dispersive Spiegel umfassen.
In einigen Ausführungsformen des Systems kann die Vorrichtung zum Transport der gepuls ten Laserstrahlung derart eingestellt sein, dass ohne Verlängerung der Anfangspulsdauer die Pulsenergie am ersten Faserende zu einer Spitzenleistung führt, die eine Beschädigung der Hohlkernlichtleitfaser bewirkt. In einigen Ausführungsformen des Systems kann die Vorrich tung zum Transport der gepulsten Laserstrahlung derart eingestellt sein, dass bei einer disper- siv maximal möglichen Kompression der Laserpulse die Pulsenergie am ersten Faserende zu einer Spitzenleistung führt, die eine Beschädigung der Hohlkernlichtleitfaser bewirkt. Eine Beschädigung kann allgemein bei einer Kompression zu einer kürzeren als der Transportpuls dauer eintreten.
In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen:
Bestimmen einer maximalen Pulsspitzenleistung für eine Einkopplung mit Strahlver laufsparameterwerten im gesamten Soll-Toleranzbereich und
Einstellen der Transportpulsdauer derart, dass die Spitzenleistung der gepulsten Laser strahlung, insbesondere der Laserpulse, kleiner oder gleich der maximalen Puls Spitzenleistung ist.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der Verlängerung der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer auf die Transportpulsdauer ein Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbe sondere von mindestens 10 oder 100, und optional ein zusätzlicher Sicherheitsstreckungsfak tor von mindestens 2, 10 oder 100, zugrunde liegen. Das Einkoppeln der Laserpulse in die Hohlkernlichtleitfaser kann mit einer Fasereinkopplungsvorrichtung erfolgen, die einen Strah lengang für die gepulste Laserstrahlung bereitstellt, der Strahlverlaufsparameterwerte im Soll- Toleranzbereich am ersten Faserende zur beschädigungsfreien Einkopplung in die Hohlkern lichtleitfaser mit der Transportpulsdauer bereitstellt.
In einigen Weiterbildungen kann das Verfahren ferner die Schritte umfassen: Auskoppeln der gepulsten Laserstrahlung aus der Hohlkernlichtleitfaser,
Verkürzen der Pulsdauer von Laserpulsen der aus der Hohlkernlichtleitfaser ausgekop pelten gepulsten Laserstrahlung von der Transportpulsdauer auf eine Bearbeitungspulsdauer und
Fokussieren der ausgekoppelten gepulsten Laserstrahlung zum Bereitstellen von hoch intensiven Laserpulsen für die Materialbearbeitung eines Werkstücks.
In einem weiteren Aspekt - der insbesondere gemäß den vorausgehend zusammengefassten Ausführungsformen weitergebildet werden kann - wird eine Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen führt, offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine Pulsdauerkompres sionsvorrichtung, die zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer der Laserstrahlung ausgebildet ist, wobei die Pulsdauerkompressionsvor richtung dazu eingerichtet ist, Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung in der Pulsdauer auf die Transportpulsdauer zu komprimieren. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Hohlkernlicht leitfaser, die einen von Material umgebenen hohlen Kern aufweist, wobei die Hohlkemlicht- leitfaser Laserpulse, die an einem ersten Faserende eingekoppelt werden, im hohlen Kern zu einem zweiten Faserende transportiert und dort ausgibt. Ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfa ser ist mit am ersten Faserende vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten, die in einem Soll-Toleranzbereich liegen, vorgesehen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Fasereinkopp lungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die auf die Transportpulsdauer eingestellte Laser strahlung aufzunehmen und in die Hohlkemlichtleitfaser mit Strahlverlaufsparameterwerten einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich liegen. Dabei ist die Transportpulsdauer derart eingestellt, dass für alle Strahlverlaufsparameterwerte im Soll-Toleranzbereich eine Einkopp lung der Laserstrahlung in den hohlen Kern gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkemlichtleitfaser erhalten bleibt.
In einem weiteren Aspekt - der insbesondere gemäß den vorausgehend zusammengefassten Ausführungsformen weitergebildet werden kann - wird eine zum Transport von gepulster La serstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen führt, offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine Pulsdauereinstellvorrichtung, die zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer der Laserstrahlung ausgebildet ist, wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung als Pulsdauerkom pressionsvorrichtung dazu eingerichtet ist, Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung in der Pulsdauer auf die Transportpulsdauer zu komprimieren. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Hohlkernlichtleitfaser, die einen von Material umgebenen hohlen Kern aufweist, wobei die Hohlkernlichtleitfaser Laserpulse, die an einem ersten Faserende eingekoppelt werden, im hohlen Kern zu einem zweiten Faserende transportiert und dort ausgibt. Ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfaser ist mit am ersten Faserende vorliegenden Strahlverlaufsparameterwer ten, die in einem Soll-Toleranzbereich liegen, vorgesehen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Fasereinkopplungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die auf die Transportpulsdauer eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfaser mit Strahlver laufsparameterwerten einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich liegen. Dabei sit die Trans portpulsdauer derart eingestellt, dass für alle Strahlverlaufsparameterwerte im Soll- Toleranzbereich eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkernlichtleitfaser erhalten bleibt.
Die eingangs zitierten Voraussetzungen an die Justage des Strahlengangs im Rahmen des To leranzbereichs treffen auch auf Hohlkernfasern zu. Bei Hohlkernfasem kann ein Driften des Strahlengangs der Laserstrahlung dazu führen, dass Laserstrahlung außerhalb des Hohlkernbe reichs auf die photonische Struktur auftrifft und die photonische Struktur somit vermehrt in tensiven Bereichen des Laserstrahls ausgesetzt ist. Dadurch kann bei zu hohen Spitzenleistun gen eine Beschädigung oder Zerstörung der photonischen Struktur erfolgen. Insbesondere kann ein Bereich der Kernwandstruktur, die für die Lichtleitung wesentlich verantwortlich ist, beschädigt werden, wodurch letztlich die Faser ihre Eignung zum Transport von Laserstrah lung verlieren kann.
Entsprechend wird üblicherweise für eine derartige faserbasierte Anordnung zum Transport von gepulster Laserstrahlung, insbesondere für eine Einkopplung von gepulster Laserstrah lung mit vorgegebenen Parametern (wie Pulsenergie, Pulsdauer, Repetitionsrate) ein Tole ranzbereich festgelegt, der das Ausmaß angibt, in dem die Lage der Strahlmitte oder der Ein fallswinkel aufgrund eines Drifts des Strahlengangs variieren darf, ohne dass der Betrieb zu einer Beschädigung oder Zerstörung der photonischen Struktur führt. Angestrebt werden hier beispielsweise die angesprochenen Ortsbereiche der Strahlmitte und Einfallswinkelbereiche - je nach Fasertyp - im Bereich von ±5 % bis ±10 % des Modenfelddurchmessers und im Be reich von ± 5 % bis ± 10 % der Strahl di vergenz. Die hierin vorgeschlagenen Konzepte erlauben es hinsichtlich des Einsatzes hochintensiver Laserpulse, größere Toleranzbereiche für die Einkopplung in Holkemfasem und somit robus tere Strahlführungssysteme für den industriellen Einsatz bereitzustellen, als sie ohne Elmset zung der Konzepte angesichts einer möglichen Beschädigung oder Zerstörung der photoni- schen Struktur bestimmt werden würden. Durch die erfindungsgemäß beim Einkoppeln in die Hohlkernfaser reduzierte Pulsspitzenleistung wird die Schwelle zur Zerstörung der Hohlkern faser, insbesondere der photonischen Struktur wie der Kernwandstruktur, durch derartige in der Pulsspitzenleistung reduzierte Laserpulse angehoben. Da so eine Faserzerstörung vermie den oder zumindest in ihrer Häufigkeit reduziert werden kann, können Ausfälle von Syste men, bei denen eine Hohlkernfaser zum Transportieren von hochintensiver gepulster Laser strahlung eingesetzt wird, und Komponenten von derartigen Systemen reduziert werden.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:
Fig.lA eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Einkopplung von gepulster Laserstrahlung in eine Hohlkernfaser für Strahlver laufsparameter im Toleranzbereich;
Fig. 1B eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Einkopplung von gepulster Laserstrahlung in eine Hohlkernfaser für Strahlver laufsparameter außerhalb des Toleranzbereichs;
Fig. 2A und Fig. 2B Skizzen zur Verdeutlichung der Verwendung einer Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauereinstellvor richtung bei der laserbasierten Materialbearbeitung;
Fig. 3A und Fig. 3B Aufsichten auf ein Einkopplungsende einer beispielhaften Hohlkernfa ser zur Erläuterung einer Variation eines Strahlverlaufsparameters; und
Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Einsteilbarkeit der Strahlintensi tät, die bei der Einkopplung vorliegt, bei Verwendung einer Pulsdauer einstellvorrichtung.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf Erkenntnissen, die zum Toleranzbereich von Strahlverlaufsparametern bei Hohlkernfasern, die für den Transport von Laserstrahlung eingesetzt werden sollen, gewonnen wurden. So wurde erkannt, dass sich ein Toleranzbereich, in dem Strahl drifts erlaubt sind, wesentlich reduziert, je höher die Spitzenleistung der einge koppelten zu transportierenden Laserstrahlung ist.
Fig. 1 A verdeutlicht den Einsatz einer Hohlkernfaser 1 (Transportfaser) für den Transport von Hochleistungslaserpulsen 3 A. Die Hochleistungslaserpulse 3 A werden von einer Laserpuls quelle 3 erzeugt und weisen jeweils eine Anfangspulsdauer At auf. Die Hochleistungslaserpul se 3A werden mit einer Fasereinkopplungsvorrichtung, die eine Linse 5A umfasst, auf ein erstes Faserende 1 A der Hohlkernfaser 1 fokussiert. Insbesondere überlappt das Strahlprofil der Hochleistungslaserpulse 3A mit einem hohlen Kern 4A der Hohlkernfaser 1, so dass nur ein geringer Intensitätsanteil des Strahlprofils mit dem Material 4B der Hohlkemfaser 1 über lappt, das den holen Kern 4A umgibt. Bei idealer Einkopplung (d.h., es liegt ein minimaler Überlapp des Strahlprofils mit dem Material vor) stellt für feststehende Strahlparameter eine maximale Intensität I max eine Zerstörschwelle des Fasertyps dar (siehe auch Fig. 4).
Liegen, für Intensitäten unterhalb der maximalen Intensität I max, die Strahlverlaufsparame ter des Strahlengangs der einfallenden Laserstrahlung in einem aufgrund der hohen Intensitä ten oft sehr engen Toleranzbereich, kann die Laserstrahlung im hohlen Kern 4 bis zu einem zweiten Faserende 1B geführt werden. Dort treten die Hochleistungslaserpulse als stark diver gierende Laserstrahlung aus. In Fig. 1 A wird die austretende Laserstrahlung mit einer weite ren Linse 5B kollimiert und beispielsweise als Freistrahl zu einem Laserbearbeitungskopf 7 mit einer Fokussierlinse 7A für die Bearbeitung eines Werkstücks 9 geführt. In Fig. 1 A ist angedeutet, dass eine Bearbeitungspulsdauer At' der aus der Hohlkernfaser 1 austretenden Hochleistungslaserpulse 3 A' (im Wesentlichen) der Anfangspulsdauer At der eingekoppelt Laserpulse 3 A entsprechen kann. Es wird angemerkt, dass eine dispersive Wirkung der Hohl kernfaser 1 vorliegen kann, sodass sich die Pulsdauer während der Ausbreitung der Laserpulse in der Hohlkemfaser 1 verändern kann (faserbasierte Streckung oder Verkürzung der Pulsdau er).
Liegen die Strahlverlaufsparameter (Strahlmitte, Einfallswinkel) der Hochleistungslaserpulse 3 A bei der Einkopplung außerhalb des (engen) Toleranzbereichs oder sind die Spitzenintensi täten der Hochleistungslaserpulse 3 A zu hoch, können sich Strahlintensitäten im Bereich des Materials 4B (beispielsweise im Bereich einer photonischen Struktur) ergeben, die zu einer Beschädigung des ersten Faserendes 1 A führen. Dies gilt offensichtlich ebenso für Intensitä- ten gleich oder oberhalb der maximalen Intensität I max. Wird die Hohlkemfaser 1 beschä digt, kann das dazu führen, dass letztendlich keine für eine Bearbeitung des Werkstücks 9 brauchbare Laserstrahlung aus der Hohlkernfaser 1 austritt.
Fig. 1B verdeutlicht als Beispiel den Fall, in dem die Linse 5A bezüglich des ersten Faseren des 1 A dejustiert ist, so dass die Strahlmitte des Strahlprofils der Hochleistungslaserpulse 3 A nicht mit dem hohlen Kern 4A zentriert ist und so eine Kernwand 4C der Hohlkernfaser 1 von der eintreffenden Laserstrahlung beispielsweise abgetragen oder thermisch verformt wird.
Eine maximale Zer stör Spitzenleistung, ab der eine photonische Struktur zerstört wird, da die maximale Intensität I max erreicht wird, und ab der die Hohlkemfaser für jede mögliche Ein kopplungssituation (also auch bei idealer Einkopplung) für einen zuverlässigen Einsatz für den Transport von Hochleistungslaserpulsen nicht mehr brauchbar ist, wird als Zerstörschwel le bezeichnet. Die Zerstörschwelle und damit auch der hierin betrachtete Toleranzbereich bei der Einkopplung steigen mit der Pulsdauer der einfallenden Laserpulse an, da für eine zerstö rende Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Fasermaterial umso mehr Pulsenergie auf zubringen ist, je größer die Pulsdauer ist.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass es für ein bei der industriellen Fertigung vorgesehenes Lasersystem, das eine Hohlkernfaser für den Transport von Hochleistungslaserpulsen einer Laserpulsquelle einsetzt, erforderlich ist, einen ausreichend großen Toleranzbereich (Soll- Toleranzbereich) bei der Einkopplung in die Hohlkernfaser bereitzustellen. Beispielsweise umfasst der Toleranzbereich - je nach Fasertyp - Änderungen/Schwankungen der Strahlmitte im Bereich von ±5 % bis ±10 % des Modenfelddurchmessers und Änderungen/Schwankungen des Einfallswinkels im Bereich von ± 5 % bis ± 10 % der Strahldivergenz. In dem Soll- Toleranzbereich soll eine Faserzerstörung bei den im Betrieb möglichen Variationen der Strahlverlaufsparameter (tolerierbare Fehleinkopplungen) im Allgemeinen nicht mehr möglich sein. Der Toleranzbereich wird durch eine Toleranzbereichsschwelle in Form einer (Grenz-) Intensität I Lim gegeben. Die (Grenz-) Intensität I Lim liegt so weit unterhalb der maximalen Intensität I max, d.h. unterhalb der „idealen“ Zerstörschwelle, dass die während des Betriebs möglichen Schwankungen innerhalb des Soll-Toleranzbereichs abgedeckt sind. Die bezüglich der Zerstörschwelle abgesenkte Toleranzbereichsschwelle dient dem Schutz der Hohlkemfa ser 1. Der Schutz soll insbesondere auch bei Pulsenergien (beispielsweise im pJ-Bereich, d.h. größer 1 pJ oder größer 10 pj) gewährleistet werden, die prinzipiell (bei einer komprimierten Pulsdauer) zu hochintensiven Laserpulsen mit Spitzenintensitäten oberhalb der Zerstörschwel le führen könnten.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass eine Zerstörung der Hohlkemfaser trotz hoher Pulsener gien (die prinzipiell zu Spitzenintensitäten oberhalb der Zerstörschwelle führen könnten) ver hindert werden kann, wenn aufgrund einer „langen“ Transportpulsdauer die zu transportieren den Laserpulse in ihrer Wirkung (Intensität) immer unterhalb der Toleranzbereichsschwelle des Fasertyps bleiben. Die Erfinder schlagen entsprechend vor, den Toleranzbereich bei der Einkopplung dadurch mindestens bis zum Soll-Toleranzbereich zu vergrößern, dass die Tole ranzbereichsschwelle hinsichtlich der Spitzenintensität/Pulsenergien durch eine längere Puls dauer als die beispielsweise durch die vorliegende Bandbreite erreichbare minimale Pulsdauer (beispielsweise durch eine Verlängerung der Transportpulsdauer vor der Einkopplung oder durch eine nicht vollständige Kompression der Laserpulsdauer vor der Einkopplung) in die Hohlkernfaser nicht überschritten wird.
D. h., wenn Strahlverlaufsparameter bei der Einkopplung in einem gewissen Ausmaß variie ren können sollen, kann ein entsprechender Toleranzbereich von Strahlverlaufsparametern bei der Einkopplung dadurch vorgesehen werden, dass die Pulsdauer der Laserpulse mithilfe einer Pulsdauereinstellvorrichtung (beispielsweise einer Pulsdauerstreckvorrichtung oder einer nicht maximal komprimierenden Pulsdauerkompressionsvorrichtung) entsprechend lang einge stellt/verlängert wird. Mit anderen Worten schlagen die Erfinder vor, eine Streckung im Sinne einer separaten Pulsdauerverlängerung oder einer nicht maximal durchgeführten Kompression (Einstellung) der Pulsdauer vor der Einkopplung in eine Hohlkern-Transportfaser vorzuneh men, um eine Reduzierung der (Puls-) Spitzenleistung zu bewirken. Denn, sind die Laserpulse in ihrer Pulsdauer lang genug eingestellt, kann eine Beschädigung von z. B. Kernwandstegen innerhalb eines hinsichtlich der Einkopplung vorgegebenen Toleranzbereichs vermieden oder zumindest reduziert werden. Wird eine Grenze des Toleranzbereichs erreicht (beispielsweise eine Übertretung der maximal im Soll-Toleranzbereich erlaubten Abweichung der Strahlmitte von einer Zentralachse der Hohlkernfaser - größer z.B. ±5 % oder ±10 % des Modenfeld durchmessers oder der maximal im Soll-Toleranzbereich erlaubten Abweichung des Einfalls winkels vom axialen Einfall - größer z.B. ±5 % oder ±10 % der Strahl di vergenz), kann eine Nachjustage des Strahlengangs durchgeführt werden, um die gewünschten Transporteigen schaften wiederherzustellen, ohne dass zuvor die Transportfaser beschädigt wurde und mög licherweise sogar ein Fasertausch notwendig geworden wäre. Das hierin vorgeschlagene Konzept der Streckung der Pulsdauer vor Einkopplung kann auch als „chirped pulse-Transport“ bezeichnet werden. Die Streckung der Pulsdauer ermöglicht den Transport von Laserpulsen, die bereits eine vollständige für die Laserbearbeitung benötigte Pulsenergie aufweisen, jedoch für den Transport in der (Puls-) Spitzenleistung reduziert wur den. Die Streckung (separate Pulsdauerverlängerung oder nicht maximal durchgeführte Kom pression) auf die Transportpulsdauer erfolgt in einem Umfang, der gewährleistet, dass die Hohlkernfaser bei Dejustage in einem für die Strahlführung benötigten Toleranzbereich (übli cherweise im für die Faseranwendung vorgegebenen Soll-Toleranzbereich) nicht zerstört wird.
Die Figuren 2A bis 4 verdeutlichen das erfindungsgemäße Vorgehen beispielhaft.
Fig. 2A zeigt ein System 10 für die laserbasierte Bearbeitung eines Materials 9. Das System 10 weist eine Laserpulsquelle 3, eine Vorrichtung 11 zum Transport von gepulster Laserstrah lung und einen Laserbearbeitungskopf 21 auf.
Die Laserpulsquelle 3 gibt gepulste Laserstrahlung in Form von Laserpulsen 3A mit einer Anfangspulsdauer At aus. Die gepulste Laserstrahlung wird der Vorrichtung 11 zugeführt, die mit einer Hohlkernfaser 1 einen flexiblen Transport der gepulsten Laserstrahlung an den Ort ermöglicht, an dem die Materialbearbeitung erfolgen soll.
Die Vorrichtung 11 zum Transport von gepulster Laserstrahlung umfasst die Hohlkernfaser 1, eine Pulsdauerstreckvorrichtung 13 und eine Fasereinkopplungsvorrichtung 17 sowie optional eine Faserauskopplungsvorrichtung 19.
Ist die Hohlkemfaser 1 als reine Transportfaser ausgelegt, wirkt sie entsprechend nicht auf die transportierte Laserstrahlung ein. Beispielsweise kann eine Selbstphasenmodulation, eine spektrale Verbreiterung oder eine spektrale Verschiebung während des Transports in der als reine Transportfaser eingesetzten Hohlkernfaser 1 vermieden werden. In einigen Ausfüh rungsformen kann der Transport gezielt von einer spektralen Verbreiterung in der Faser be gleitet werden, indem der Hohlkern mit einem Gas gefüllt wird; eine derartige Transportfaser kann Teil einer hierin beschriebenen Vorrichtung zum Transport von gepulster Laserstrahlung sein, vorausgesetzt die Befüllung mit Gas führt nicht zu optischen Bedingungen, bei denen die Faser bei der Einkopplung beschädigt wird, und die spektrale Verbreiterung führt nicht zu einer Beschädigung der Faser während des Transports. Ferner kann eine dispersive Wirkung der Faser auf die gepulste Laserstrahlung vorliegen.
Beispielhaft für eine Hohlkernfaser zeigt Fig. 3A schematisch eine Aufsicht auf ein Faserende einer Kagome-Faser 31 (als Beispiel einer mikrostrukturierten Glasfaser, auch als photonische Kristallfaser bezeichnet). Das gezeigte Faserende stellt die Faserendfläche bereit, durch die Laserstrahlung in die Kagome-Faser 31 eingekoppelt werden soll.
Man erkennt in der Mitte den lichtführenden Bereich der Kagome-Faser 31, der von der Ka gome-Faser 31 als zentraler Hohlkern 33 bereitgestellt wird. Der Hohlkern 33 weist eine im Wesentlichen runde Mündungsöffnung auf, die von einer Lochmantelstruktur 35 umgeben ist. Die Lochmantel Struktur 35 besteht aus Kanälen 37, die den Hohlkem 33 umgeben und ein optisches Führen des Lichts im Hohlkern 33 bewirken. In dieser „photonischen“ Struktur wer den die Kanäle 37 durch eine spezifische Anordnung von Wandstegen 37A gebildet.
Die photonische Struktur grenzt den Hohlkem 33 durch die am weitesten innen liegenden Wandabschnitte 39 ab. Die in Fig. 3A gezeigten Wandabschnitte 39 bilden eine Kernwand.
Ziel des Transports von Laserstrahlung mit einer Kagome-Faser 31 ist es, Laserstrahlung möglichst verlustarm und möglichst wenig anfällig hinsichtlich Störungen der Transportbe dingungen zu führen. In Fig. 3 A ist eine beispielhafte rotationssymmetrische Intensitätsvertei lung 41 (Strahlprofil) eines einfallenden Laserstrahls schematisch angedeutet. Die zum Laser strahl gehörende Strahlmitte 41 A (gegeben durch die maximale Intensität im Zentrum der Intensitätsverteilung) fällt in der dargestellten Situation ideal mit einer Zentralachse 31 A der Kagome-Faser 31 zusammen, sodass sich auch in der Kagome-Faser 31 das Strahlprofil der Laserstrahlung mittig im Hohlkern 33 ausbreiten kann.
Wieder bezugnehmend auf Fig. 2A ist die Pulsdauer Streckvorrichtung 13 beispielhaft als Git ter-Strecker mit zwei Gittern 15 dargestellt. Das dispersive Aufspalten und Zusammenführen der die Laserpulse ausbildenden Wellenlängen ist schematisch angedeutet.
Allgemein umfasst die Pulsdauerstreckvorrichtung 13 mindestens ein optisches Element wie ein Diffraktionsgitter, ein Volum en-Bragg-Gitter, ein Prisma und/oder ein Gitterprisma (Grism). Wie in Fig. 2A beispielhaft gezeigt können zwei optische Elemente im Strahlengang angeordnet werden, um eine Verlängerung der Pulsdauer der Laserpulse 3 A zu bewirken. Weitere optische Elemente wie Faltungsspiegel, Fokussierspiegel oder Linsen können zum Aufbau einer im Dispersionsbeitrag einstellbaren Pulsdaueranpassvorrichtung (wie der Puls dauerstreckvorrichtung 13 in Fig. 2A oder Pulsdauerkompressionsvorrichtung 13" in Fig. 2B) vorgesehen sein. Eine weitere beispielhafte Pulsdaueranpassvorrichtung, insbesondere ein Kompressor zur Feineinstellung der Pulsdauer, ist in der DE 102016 110947 Al der Anmel derin offenbart. Ein derartiger Kompressor kann beispielsweise für eine nicht vollständige Kompression von Laserpulse (siehe Aufbau in Fig. 2B) genutzt werden.
In Fig. 2A sind Laserpulse 3B gezeigt, die einen Frequenz-Chirp aufweisen und entsprechend zeitlich verlängert mit einer Transportpulsdauer At_t aus der Pulsdauerstreckvorrichtung 13 austreten. Die Transportpulsdauer At_t ist somit wesentlich länger als die durch das Zeit- Bandbreite-Produkt bestimmte theoretische untere Grenze für die Kompression der Laserpulse der Laserpulsquelle 3. Die verlängerten Laserpulse 3B werden der Fasereinkopplungsvorrich tung 17 zugeführt.
Die Fasereinkopplungsvorrichtung 17 umfasst beispielsweise eine (Einkoppel-) Linse 5. Die Linse 5 ist derart angeordnet, dass sie die Laserpulse unter einem Einfallswinkel a auf die Faserendfläche der Hohlkemfaser 1 mit einer Strahlmittenposition X im Bereich der Mün dungsöffnung des Hohlkerns 4A fokussiert.
Fig. 2A verdeutlicht schematisch einen Bereich Da für den Einfallswinkel a und einen Bereich DC für die Position X der Strahlmitte. Die Bereiche Da und DC definieren den Toleranzbe reich für die Werte der Strahlverlaufsparameter „Einfallswinkel a“ und „Strahlmittenposition X“. Sie liegen z.B. bei einigen Prozent (beispielsweise im Bereich von ±1%, ±2%, ±5% oder ±10%) des Modenfelddurchmessers und der Strahl di vergenz, z.B. im Bereich von ±5 % bis ±10 % des Modenfelddurchmessers und im Bereich von ± 5 % bis ± 10 % der Strahldiver genz.
Hierzu verdeutlicht Fig. 3B eine Position der Strahlmitte 41 A, die um einen Versatz AXd be züglich der Zentralachse 31 A der Kagome-Faser 31 verschoben auf das Faserende auftrifft. Gestrichelt ist ein Wechselwirkungsbereich 43 angedeutet, der noch nicht mit der photoni- schen Struktur 35 wesentlich überlappt (minimale Überlappungsbereiche 45 mit der Kern- wand), sodass bei dem Versatz AXd noch keine Beschädigung der Hohlkemfaser hervorgeru fen wird. Man erkennt, dass der Wechselwirkungsbereich 43 bei einer Vergrößerung des Ver satzes über den Versatz AXd hinaus mit der photonischen Struktur 35 überlappen würde. D. h., der Versatz AXd begrenzt den Toleranzbereich hinsichtlich des Strahlverlaufsparameters „Strahlmittenposition“. Ähnlich kann eine Variation des Einfallwinkels a über den Toleranz bereich hinsichtlich des Strahlverlaufsparameters „Einfallswinkel“ hinaus eine Wechselwir kung der Laserpulse mit dem Material der Hohlkemfaser 1 hervorrufen.
Die Verlängerung der Pulsdauer wird mithilfe der Pulsdauerstreckvorrichtung 13 im Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 2A (bzw. mit Blick auf Fig. 2B die nicht vollständige Kompression mithilfe der unvollständigen Kompression in einem Kompressor 13") erfindungsgemäß derart eingestellt, dass über einen Toleranzbereich der Strahlverlaufsparameter, wie er für den jewei ligen Einsatz einer Hohlkemfaser benötigt wird, eine Beschädigung der Hohlkemfaser nicht eintreten kann.
Wieder bezugnehmend auf Fig. 2A ist am Ausgang der Hohlkernfaser 1 die Faserauskopp- lungsvorrichtung 19 dargestellt, die divergent aus der Hohlkernfaser austretende Laserstrah lung beispielsweise mit einer Linse 5B kollimiert. Da die Hohlkernfaser 1 als Transportfaser ausgelegt ist, weisen die austretenden Laserpulse 3B' am Faserende eine Pulsdauer At_f auf, die im Wesentlichen der Transportpulsdauer At_t entspricht. Dies ist der Fall, solange bei der Transportfaser eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der Faser (beispielsweise hin sichtlich nichtlinearer Effekte zur Pulsdauerverkürzung/spektralen Verbreiterung) nicht er folgt.
Um nach dem Strahltransport eine gewünschte (Puls-) Spitzenleistung mit hochintensiven Laserpulsen zu generieren, können die ausgetretenen Laserpulse 3B' nach der Hohlkernfaser mittels entsprechender Dispersionskompensation in einer Pulsdaueranpassvorrichtung, bei spielsweise mit einem Gitter- oder Prismen-Kompressor, zeitlich komprimiert werden. Z. B. kann ein Gitterkompressor am Faserausgang derart eingestellt werden, dass eine gewünschte Bearbeitungspulsdauer und somit die für die Laserbearbeitung benötigte Spitzenleistung nach dem Strahltransport an einem Zielort, z. B. in einem zu bearbeitenden Material eines Werk stücks 9, zur Verfügung steht. Wie in Fig. 2A gezeigt kann der Laserbearbeitungskopf 21 hierzu als Kompressionslaserbear beitungskopf ausgebildet werden. D. h., der Laserbearbeitungskopf 21 umfasst zusätzlich zur Fokussierlinse 7A eine beispielhaft als Gitter-Kompressor dargestellte Pulsdaueranpassvor- richtung 23. Die Pulsdaueranpassvorrichtung 23 wird derart eingestellt, dass die ihr zugeführ ten Laserpulse 3B' als komprimierte Laserpulse 3C mit einer Bearbeitungspulsdauer Af aus gegeben werden. Die Bearbeitungspulsdauer Af entspricht z. B. in etwa der Anfangspulsdauer At der Laserpulse 3 A. Allgemein ist die Pulsdaueranpassvorrichtung 23 derart einstellbar aus geführt, dass die Bearbeitungspulsdauem der für die Laserbearbeitung vorgesehenen Laser pulse 3C für den vorgesehenen Bereich von Transportpul sdauem erreicht werden können.
Ferner weisen die komprimierten Laserpulse 3C eine Pulsenergie auf, die - abgesehen von Verlusten in der Pulsdauerstreckvorrichtung 13, der Pulsdaueranpassvorrichtung 23, der Hohlkernfaser 1 und den Ein- und Auskopplungsvorrichtungen 17, 19 - der Pulsenergie der Laserpulse 3 A der Laserpulsquelle 3 entspricht.
Mit den komprimierten Laserpulsen 3C kann nun die Laserbearbeitung des Werkstücks 9 vor genommen werden.
Aufgrund der eingestellten Transportpulsdauer kann während des Betriebs eine Variation der Strahlverlaufsparameter (Strahlmittenposition und Einfallsrichtung) im Rahmen des Soll- Toleranzbereichs ohne Gefährdung der Transportfaser eintreten. Erst wenn die Grenzen des Soll-Toleranzbereichs erreicht bzw. überschritten werden, wird eine erneute Justa ge/Nachjustage (und/oder unter Umständen eine größere Pulsdauerverlängerung) notwendig. Die Nachjustage kann manuell oder automatisiert vorgenommen werden.
In Zerstörschwellenexperimenten wurde festgestellt, dass bei einer beispielhaft untersuchten Fasergeometrie ein zuverlässiger Transport von Laserpulsen mit einer Spitzenleistung größer 2 GW nicht mehr möglich war. Ein robuster Transport der gleichen Laserpulse konnte jedoch gewährleistet werden, wenn die Laserpulse für die Einkopplung in die Faser zeitlich gestreckt wurden (und entsprechend nach der Faser wieder komprimiert wurden). Beispielsweise führ ten Hochleistungslaserpulse mit Pulsenergien im Bereich von 100 pJ oder mehr und eine Pulsdauer von einigen hundert Femtosekunden zu Puls Spitzenleistungen, die bei ausreichen dem Überlapp mit einem Material der Faser zur Beschädigung der Struktur des Materials führ ten. Eine Pulsdauerverlängerung (allgemein die Verwendung einer längeren Pulsdauer) er- laubte es, die Beschädigung der Struktur der Faser zu verhindern und so den Transport zu er möglichen. Die hierin offenbarten Konzepte sind insbesondere vorteilhaft einzusetzen, wenn für nicht gestreckte Pulse (Pulsdauern im Bereich der maximalen zeitlichen Komprimierbar keit der Laserpulse) Pulsspitzenleistung von 25 MW und mehr ( Pulsparameter von z.B. ca.10 pj und mehr im Bereich von (einigen) Hundert Femtosekunden, z.B. 300 fs ) mit einer Hohl kernfaser zu transportieren sind.
Um die benötigte Länge der Pulsdauer (Verlängerung der Pulsdauer/nicht-vollständige Kom pression), d. h. die Transportpulsdauer, festlegen zu können, kann eine Bestimmung der Zer störschwelle für das jeweilige Hohlkernfaserdesign (z. B. photonic band gap-, inhibited coup- ling-, antiresonant-, negative curvature-Hohlkernfasem) wie folgt durchgeführt werden:
1. Laserpulse einer Laserpulsquelle werden mit idealen und stabilen Strahlparametern (insbesondere hinsichtlich Modenfelddurchmesser, Öffnungswinkel, M2-Wert, Stabilität hin sichtlich Lage und Winkel) in die Faser eingekoppelt.
2. Durch eine stufenweise Erhöhung der Spitzenleistung wird eine obere Grenze der Leis tung - die maximale Puls Spitzenleistung - ermittelt, bei der das Hohlkemfaserdesign noch in der Lage ist, die Laserpulse zerstörungsfrei zu führen.
3. Bei Verwendung einer Laserpulsquelle mit schwankenden Strahlparametern (z. B. Schwankungen von M2-Werten, Lage- und Winkel Stabilität, Pulsstabilität) kann die maximale Pulsspitzenleistung im Wert zusätzlich reduziert werden, um einen zerstörungsfreien Trans port zu gewährleisten. Die so reduzierte Pulsspitzenleistung entspricht der für den Soll- Toleranzbereich bestimmten (Grenz-) Intensität I Lim, die unterhalb der maximal möglichen Pulsspitenintensität I max liegt.
4. Die Reduzierung der Spitzenleistung wird über einen Streckungsfaktor der Laserpulse bezüglich der minimal möglichen Pulsdauer (zeitliche Verlängerung der Pulsdauer zur Sen kung der Spitzenleistung mit einer Pulsdauerstreckvorrichtung oder durch nicht maximal durchgeführten Kompression mit einer Pulsdauerkompressionsvorrichtung in der Laserpuls quelle) erreicht. 5. Zusätzlich kann noch ein Sicherheitsfaktor bei dem Streckungsfaktor berücksichtigt werden, um eine robuste und zuverlässige Faserführung zu realisieren. Die zusätzliche Redu zierung der Spitzenleistung aufgrund des Sicherheitsfaktors erfolgt beispielsweise um mindes tens einen Faktor 2, bevorzugt einen Faktor 10 und besonders bevorzugt einen Faktor 100, sodass die maximal am Faserende vorliegende Pulsspitzenleistung am diesen Faktor niedriger ist als die für den Soll-Toleranzbereich bestimmte Pulsspitzenleistung (Sicherheitsfaktor).
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der Einsteilbarkeit der Strahlintensität für zwei Ausgangssituationen (z. B. für Laserpulse aus zwei verschiedenen Laserstrahlquellen). Im Diagramm wird in Abhängigkeit von der Strahlmittenposition (x-Achse) die Intensität im Strukturbereich (I_s-Achse), wie sie in einem hinsichtlich Beschädigung kritischen Teil einer Hohlkernfaser eingebracht wird, aufgetragen. Der kritische Teil wäre bei der in Fig. 3A ge zeigten Kagome-Faser 31 zum Beispiel durch die dünne Wandstege 37A aus Glas, allgemein durch die verwirklichte photonische Struktur, gegeben.
Ferner ist im Diagramm der Fig. 4 eine Zerstörschwellenintensität I max eingezeichnet. Diese ist spezifisch für die jeweils betrachtete Hohlkernfaser. Liegt die Intensität I_s bei einer opti malen Strahlmittenposition unterhalb der Schwellenintensität I max, ist ein Transport von gepulster Laserstrahlung ohne Beschädigung der Hohlkernfaser möglich. Ist die Intensität I_s größer oder gleich der Zerstörschwellenintensität I max, wird die Hohlkernfaser selbst bei idealer Justage beschädigt. Es wird angemerkt, dass sich die Intensität der Laserstrahlung in der Hohlkemfaser als Leistung pro Fläche aus der Pulsspitzenleistung und der Modenfeldflä- che der Hohlkemfaser ergibt, da für eine betrachtete Hohlkernfaser die Modenfeldfläche vor gegeben ist und sich nicht ändert. Es wird ferner angemerkt, dass die Modenfeldfläche von Hohlkernfaser zu Hohlkernfaser und insbesondere für verschiedene Fasertypen im Allgemei nen unterschiedlich groß sind.
Ferner ist im Diagramm der Fig. 4 eine Toleranzbereichsschwellenintensität I Lim (kurz Schwellenintensität) eingezeichnet. Diese wird spezifisch für die jeweils betrachtete Hohl kernfaser im Rahmen des angestrebten Betriebs festgelegt. Liegt die Intensität I_s bei einer Strahlmittenposition unterhalb der Toleranzbereichsschwellenintensität I Lim, ist ein Trans port von gepulster Laserstrahlung ohne Beschädigung der Hohlkemfaser möglich. Liegt die Intensität I_s oberhalb der Toleranzbereichsschwellenintensität I Lim, besteht das Risiko ei- ner Beschädigung der Hohlkernfaser und eine Einkopplung in die Hohlkernfaser ist zu ver meiden.
In Fig. 4 sind für den Strahlverlaufsparameter Strahlmitte Toleranzbereiche eingezeichnet, die sich aus den aufgetragenen Intensitätsverläufen und der Schwellenintensität I Lim ergeben. Erfüllt ein Toleranzbereich das erforderliche Ausmaß, das für den Betrieb des zugehörigen Lasersystems bereitzustellen ist, wurde die Transportpulsdauer ausreichend angepasst.
Allgemein betrachtet beschreibt die x-Achse eine Abweichung von optimalen Einkopplungs bedingungen, die z. B. durch eine Änderung des Modenfelddurchmessers am Fasereingang oder durch ein Wandern der Lage der Strahlmitte (Versatz AXd in Fig. 3B) weg von der Zent ralachse der Faser und/oder durch eine Verkleinerung des Einfallswinkels der zu transportie renden Laserstrahlung entstehen kann. Ein derartiges Driften kann beispielsweise durch Tem peraturschwankungen von optischen Elementen verursacht werden. Auf der y-Achse ist die Intensität/Spitzenleistung aufgetragen, die mit dem kritischen Teil der Faser wechselwirkt und die, falls sie oberhalb der Schwellenintensität I Lim liegt, zur Zerstörung der Faser führen kann und die, falls sie oberhalb der Zerstörschwellenintensität I max liegt, zur Zerstörung der Faser führt.
Das erste Beispiel (Linie LI) zeigt den Verlauf der Intensität für eingekoppelte Laserpulse, die nicht spezifisch für die Transportfaser in ihrer Pulsdauer eingestellt wurden. Der zugehörige Toleranzbereich AX Ll mag nicht in jeder Anwendung eines Systems, das die Transportvor richtung einsetzt, einen robusten Betrieb ermöglichen. Durch Anpassen der Pulsdauer (Ver längerung der Pulsdauer auf eine Transportpulsdauer) kann die Spitzenleistung gesenkt wer den. Die Linie Ll_t verläuft im Diagramm unterhalb der der Linie LI; d. h., die Spitzeninten sitäten wurden abgesenkt und der Toleranzbereich AX Ll t wurde vergrößert, der für die Laserpulse gegeben ist, die zu Intensitäten im kritischen Bereich führen, die kleiner als die Toleranzbereichsschwellenintensität I Lim sind.
Liegt im ersten Beispiel ein für den Betrieb erforderlicher Soll-Toleranzbereich AX_S zwi schen dem Toleranzbereichen AX Ll und dem Toleranzbereich AX Ll t kann durch die Ver längerung der Pulsdauer die Verwendung der Hohlkemfaser zum Transport von gepulster La serstrahlung ermöglicht werden. Das zweite Beispiel geht von einer Intensitätsverteilung auf der Transportfaser aus, die keine Einkopplung erlaubt. Linie L2 verläuft aufgrund einer z. B. sehr hohen Pulsenergie durchge hend oberhalb der Zerstörschwellenintensität I max und damit auch durchgehend auch ober halb der Toleranzbereichsschwellenintensität I Lim; d. h., auch bei einer idealen Justage (X=0) würde die Faser beschädigt werden. Erst durch ein erfindungsgemäßes Absenken der Spitzenleistung durch Strecken der Pulsdauer verläuft zumindest ein Teil einer Linie L2_t unter die Toleranzbereichsschwellenintensität I Lim. Das erfindungsgemäße Absenken der wechselwirkenden Intensität/Leistung ermöglicht so eine Realisierung des Transports der La serpulse mit der hohen Pulsenergie in einem Toleranzbereich AX_L2_t. Auf dieser Weise kann ein an dieses Beispiel angepasster Soll-Toleranzbereich definiert werden, der zum Bei spiel dem Toleranzbereich AX_L2_t entspricht oder etwas kleiner ist, um weitere Unsicher heiten in den Strahlparametern zu berücksichtigen
Die Pulsdaueranpassvorrichtungen (Pulsdauerstreckvorrichtungen 13 und Kompressorsystem 23) können allgemein in Transmission oder in Reflexion eingesetzte optische Elemente wie Diffraktionsgitter, Volum en-Bragg-Gitter, Prismen und/oder Grisms und/oder dispersive Spiegel wie Gires-Tournois-Interferometer-Spiegel (GTI-Spiegel) einsetzen. Aufeinander ab gestimmte Gitterstrecker- und Gitterkompressor-Kombinationen erlauben das Einbringen und Kompensieren von großen Dispersionswerten. Große Dispersionswerte mit entsprechend gro ßer Streckung können bei Laserpulsen mit hoher Leistung/hoher Pulsenergie notwendig wer den, wie sie beispielsweise mit einem generativen Verstärker System als Laserpulsquelle er zeugt werden können.
Ergänzend wird hinsichtlich Fig. 2A erwähnt, dass die Pulsdauereinstellvorrichtung der Vor richtung 11 auch in der Laserpulsquelle 3 vorgesehen werden kann. In Fig. 2A ist schematisch eine Vorrichtung 13‘ angedeutet, die als Pulsdauerstreckvorrichtung, mit der die Pulsdauer zum einen aktiv verlängert werden kann, oder als Pulsdauerkompressionsvorrichtung, die die Laserpulse nicht maximal komprimiert, ausgebildet sein kann. Die Pulsdauerkompressions vorrichtung ist entsprechend so eingestellt, dass eine Dispersion der Laserpulse der gepulsten Laserstrahlung verbleibt, sodass die Laserpulse in der Pulsdauer „nur“ auf die Transportpuls dauer komprimiert werden.
Fig. 2B verdeutlicht den Aufbau, bei dem eine Pulsdauerkompressionsvorrichtung 13" (hierin auch kurz Kompressor bezeichnet) einer Laserpulsquelle 3 zur Pulskomprimierung verstärkter Laserpulse eingesetzt wird. Fig. 2B zeigt, dass die Laserpulsquelle 3' in einem Verstärker Sys tem L Laserpulse für den Transport mit der Vorrichtung 11 erzeugt. Die verstärkten Laserpul se werden vom Laserverstärker System L mit einer Pulsdauer ausgegeben werden, die wesent lich länger ist als eine bezüglich einer nach der Verstärkung vorliegenden spektralen Band breite minimal möglichen Pulsdauer. Die verstärkten Laserpulse werden durch mindestens ein optisches Element 15' auf die Transportpulsdauer At_t zeitlich komprimiert. Die verstärkten Laserpulse werden somit als zeitlich bezüglich der minimal möglichen Pulsdauer gestreckte Laserpulse 3B ausgeben und direkt (d.h., ohne Durchlaufen des Streckers 13) der Transportfa ser 1 zugeführt.
Bezüglich der Vorrichtung 11 und der beispielhaften weiteren Strahlführung der von der Vor richtung 11 ausgegebenen Laserpulse 3B' wird auf die vorausgehende Beschreibung der Fig. 2A verwiesen.
Gemäß dem Aufbau der Fig. 2B werden zur Verwendung der Vorrichtung 11 die Pulse 3B derart von der Laserpulsquelle 3' ausgegeben, dass ihre Pulsdauer mit der Pulsdauerkompres sionsvorrichtung 13" nicht dispersiv maximal möglich hinsichtlich der anhand des gegebenen Zeit-Bandbreite-Produkt (time band width product) komprimiert wurde. Das Zeit-Bandbreite- Produkt bestimmt theoretisch die untere Grenze für die Kompression der Laserpulse, d.h., deren Pulsdauer bei gegebener spektraler Bandbreite, wobei die Pulsdauer üblicherweise durch die Full Width at Half Maximum (FWHM) des Intensitätsprofils der Laserpulse gege ben ist. Das Zeit-Bandbreite-Produkt real erzeugter ultrakurzer Laserpulse erreicht den theore tischen Grenzwert aufgrund von Pulsform, nicht entfernbaren Rest-Disperion (verbleibender Chirp) etc. üblicherweise nicht.
Allgemein bestimmt bei gegebener Pulsenergie (hier Pulsenergien im pJ-Bereich, z.B. größer 10 pj, wie 100 pj oder mehr) das Zeit-Bandbreite-Produkt auch die theoretisch erreichbare Pulsspitzenleistung, wobei wiederum aufgrund von Pulsform, nicht entfernbaren Rest- Disperion etc. die theoretisch erreichbare Pulsspitzenleistung mit realen Laserpulsen nicht erreicht werden kann.
Gemäß dem Aufbau der Fig. 2B verbleibt nach der Kompression im Kompressor 13' eine Restdispersion im Strahl, d.h., die Pulsdauer der ausgegebenen Laserpulse 3B liegt oberhalb der unteren Grenze für die Pulsdauer und die vorliegende Pulsspitzenleistung ist geringer als die theoretisch erreichbare Pulsspitzenleistung.
Bzgl. des Zeit-Bandbreite-Produkt kann nun die Zielpulsdauer derart eingestellt, dass die an der Hohlkernlichtleitfaser vorliegende Pulsspitzenleistung der (Grenz-) Intensität I Lim ent spricht oder noch unter dieser gemäß dem Sicherheitsfaktor liegt, sodass im Soll- Toleranzbereich der Betrieb der Hohlkernlichtleitfaser als Transportmittel gewährleistet wer den kann.
Im Vergleich mit der aktiven Pulsdauerverlängerung im Strecker 13 der Fig. 2A hat die kon trollierte Einstellung des Kompressors 13" in Fig. 2B, im Sinne einer nicht optimierten Dis- persion-ausgl eichende Einstellung (hierin auch als „Dejustage“ oder Fehljustage bezeichnet) den Vorteil eines einfacheren Aufbaus mit weniger optischen Komponenten und entsprechend reduzierten Kosten. Weniger optische Komponenten können ferner Intensitätsverluste bei der Strahlführung vermeiden, wie sie insbesondere im Strecker 13 eintreten können. Weniger op tische Komponenten können ferner das Beam Pointing/die Genauigkeit im Strahlengang ver bessern.
Die Einstellung des Kompressors 13' ist derart, dass eine Restdispersion im Laserstrahl ver bleibt, die Laserpulse also nicht vollständig auf die mit der gegebenen spektralen Bandbreite mögliche kürzeste Pulsdauer komprimiert werden. Mit anderen Worten wird eine Dejustage des Kompressors 13' derart vorgenommen, dass die Zielpulsdauer, die oberhalb der unteren Grenze der durch das Zeit-Bandbreite-Produkt gegebenen Pulsdauer liegt, dispersiv (durch die Restdispersion) erreicht wird, sodass eine Pulsspitzenleistung der eingekoppelten Pulse - bei Einbezug eines Sicherheitsfaktors - beispielsweise höchstens 50 %, 10 % oder sogar höchstens 1 % einer für den Toleranzbereich bestimmten zulässigen Pulsspitzenleistung beträgt. Bei spielsweise können 200 fs-Laserpulse (d.h., Zeit-Bandbreite-Produkt-begrenzte FWHM- Pulsdauer im Bereich von 200 fs) mit Pulsdauern größer 1 ps (FWHM-Pulsdauer) von der Laserpulsquelle 3' ausgegeben und in die Hohlkemfaser 1 eingekoppelt werden.
Zusammenfassend kann die Umsetzung der hierein offenbarten Konzepte in einem Aufbau gemäß Fig. 2B mittels nicht vollständiger Kompression wie folgt erfolgen. Zuerst wird die Zerstörschelle der Hohlkernfaser bestimmt oder sie liegt bereits vor, wobei die Bestimmung im gesamten Toleranzbereich durchgeführt wird. Dann wird üblicherweise im Werk der Kompressor 13" bezüglich der verwendeten Transportfaser eingestellt. Die Einstellung erfolgt z.B. durch Anpassen des Abstands der Gitter 15' in der dispersionskompensierenden Gitteran ordnung des Kompressors 13" (oder im Fall der Fig. 2A der dispersionszufügenden Gitterano rdnung des Streckers 13) oder durch Einstellen der Ausrichtung eines Glasplättchens im Kompressors 13" (oder Strecker 13) im Falle eines Aufbaus gemäß der bereits angesproche nen DE 102016 110947 Al. Für eine mit dem Laserstrahl vorzunehmende Laserbearbeitung werden jedoch möglichst vollständig komprimierte Laserpulse (Pulsdauer möglichst nahe an der durch das Zeit-Bandbreite-Produkt gegebenen Pulsdauer) benötigt. Diese Kompression kann in dem nachgelagerten Kompressor 23 und/oder zumindest teilweise in der Hohlkernfa ser erfolgen.
Es wird angemerkt, dass Laserpulsquelle insbesondere hinsichtlich Pulsenergie und spektraler Breite äußerst stabil ausgebildet werden können, sodass hinsichtlich einer Festlegung des To leranzbereichs primär Änderungen in den geometrischen Parametern des Strahlengangs, also die eingangs angesprochenen Strahlverlaufsparameter Strahlmittenposition und Einfallswin kel, von Bedeutung sind.
Neben diesen Beam Pointing-Parametern hängt der Toleranzbereich allgemein von einem Modenfelddurchmesser und einer Grundmodi gkeit der jeweiligen Hohlkernfaser ab. Je grundmodiger der jeweilige Fasertyps, desto kleiner ist der Toleranzbereich, denn umso grö ßer kann ein Überlapp des einfallenden transversalen Strahlprofils mit einem Material des jeweiligen Fasertyps sein. Je größer der Modenfelddurchmesser der Faser, umso größer ist der Toleranzbereich, da weniger Materialüberlapp vorliegt.
Gemäß einem für Transportlichtleitfasern üblichen Toleranzbereich sollen die Strahlver laufsparameter in einem vorgegebene Ortsbereich der Strahlmitte und in einem vorgegebenen Bereich des Einfallswinkels liegen. Wie bereits erwähnt kann je nach Fasertyp eine zu tolerie rende Variation in der Lage der Strahlmitte in einem Ortsbereich von ±5 % bis ±10 % des Modenfelddurchmessers liegen (beispielsweis im Bereich von ±5 pm von einer Mittenachse der Hohlkernfaser). Alternativ oder zusätzlich kann - wieder je nach Fasertyp - eine zu tolerie rende Abweichung im Einfallswinkel im Bereich von ± 5 % bis ± 10 % der Strahl di vergenz liegen (beispielsweis eine Abweichung im Bereich von 2 bis 5 mrad ). Um nun den jeweils bei einer Anwendung der Transportfaser vorgegebenen Toleranzbereich bereitstellen zu können, wird als ein Ausgangspunkt bei der Umsetzung der Erfindung be stimmt, welche Intensität man sich auf den innersten (Glas-)Stegen „leisten“ kann, ohne dass eine Beschädigung eintritt. Die für den Toleranzberiech umzusetzende Pulsspitzenleistung ist dann auf einen Wert unterhalb der sich daraus ergebenden Zerstörschwelle einzustellen, in dem eine entsprechende Pulsdauer durch Restdispersion/Zusatzdispersion eingestellt wird.
Die Vorgehensweise bei der Umsetzung der Erfindung kann beispielsweise die folgenden Schritte umfassen:
1. Ermitteln einer Zerstörschwelle für eine Faser, wobei insbesondere die Restdispersi on/Zusatzdispersion ermittelt wird, ab der sich eine Pulsspitzenleistung ergibt, die im Tole ranzbereich der Strahlführungsparameter bei gegebener Pulsenergie und gegebener Wellen länge nicht mehr zu einer Beschädigung der Faser führt.
2. Einstellen der Pulsdauer derart, dass eine Pulsspitzenleistung um mindestens einen Sicherheitsfaktor 2, insbesondere um mindestens einen Sicherheitsfaktor 10 oder 100, niedri ger ist als die unter 1. bestimmte Pulsspitzenleistung. Dieser Sicherheitsfaktor kann einen si cheren Betrieb, auch bei Schwankungen in der Pulsenergie oder im Spektrum, gewährleisten.
Die hierein offenbarten Konzepte sind insbesondere bei nicht gestreckten (d.h., maximal er reichbaren) Pulsspitzenleistung von mindestens von 25 MW und mehr anwendbar. Derartige Pulsspitzenleistungen können z.B. bereits mit ultrakurzen Pulsen mit Pulsenergien von ca.10 pj bei 300 fs Pulsdauer erreicht werden.
Das erfinderische Konzept zum Transport von Hochleistungslaserpulsen mit einer Hohlkern faser basiert zusammenfassend auf den folgenden Punkten:
1. Es gibt eine (theoretische) Zerstörschwelle hinsichtlich der vorliegenden Intensitä ten/Leistungen, bei der auch bei perfekter Einkopplung die Faser zerstört wird. Die maximale Pulsspitzenleistung, die in einer Hohlkernfaser transportiert werden kann, ist durch den vor handenen Überlapp des Strahlprofils mit der Faserstruktur bestimmt. Dies gilt für eine perfekt justierte Einkopplung in die Faser und kommt bei Dejustagen noch stärker zu tragen. Die ma ximal transportierbare/einkoppelbare Spitzenleistung ist dadurch endlich. 2. Es gibt einen Toleranzbereich für die Einkopplung von Laserstrahlung in eine Hohlkernfa ser. Dieser ist von der Pulsspitzenleistung abhängig, muss aber für einen zuverlässigen Betrieb eine gewisse Größe aufweisen (Soll-Toleranzbereich).
3. Eine Einkopplung muss im Betrieb immer unter einer maximalen Spitzenleistung (gegeben durch die Toleranzbereichsschwellenintensität) bleiben, die der Faser zugeordnet ist. Bei dem Transport von Laserpulsen, die zu höheren Puls Spitzenleistungen führen könnten, wird bei der Einkopplung ein definierter Streckungsfaktor (sei es durch den Strecker 13 oder die Dejustage des Kompressors 13") für die Pulsdauer umgesetzt.
Zusammenfassend unterscheiden sich die hierin offenbarten Systeme von bekannten Trans portsystemen darin, dass der Toleranzbereich für die Einkopplung von Laserstrahlung in eine Hohlfaser erhöht wird, indem die Laserpulse einen gewissen Streckungsfaktor durch zuge führte zusätzliche Dispersion (Strecker 13) oder fehlende/unvollständige Dispersionskompen sation (Dejustage des Kompressors 13") vor der Einkopplung erfahren. Der Streckungsfaktor, d.h., die zusätzlich vorgesehene Dispersion oder die fehlende Dispersionskompensation, ist dabei von der Transportfaser und der Pulsspitzenleistung abhängig. Beispielsweise kann eine Anfangspulsdauer At im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Faktor (Streckungsfaktor) von mindestens 1,5 auf die Transportpulsdauer At_t verlängert werden; beispielhafte Faktoren lie gen im Bereich von 1,5 bis einige 100; beispielsweise sind die Faktoren größer oder gleich einem Faktor 2, 10, oder 100 und können einen Sicherheitsfaktor berücksichtigen. Bevorzugt werden die Faktoren (d.h., die Restdispersion oder die zugeführte Dispersion) so klein wie möglich gehalten (z. B. ein Faktor kleiner 100), um nicht unnötig Dispersionskorrekturen vor nehmen zu müssen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (11) zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, mit: einer Pulsdauereinstellvorrichtung (13), die zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrah lung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer (At_t) der Laserstrahlung ausgebildet ist, einer Hohlkernlichtleitfaser (1), die einen von Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) aufweist, wobei
- die Hohlkemlichtleitfaser (1) Laserpulse (3B), die an einem ersten Faserende (1 A) eingekoppelt werden, im hohlen Kern (4A) zu einem zweiten Faserende (1B) transpor tiert und dort ausgibt, und
- ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfaser (1) mit am ersten Faserende (1 A) vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten (X, a), die in einem Soll-Toleranzbereich (AX_S) liegen, vorgesehen ist, und einer Fasereinkopplungsvorrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, die auf die Trans portpulsdauer (At_t) eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfa ser (1) mit Strahlverlaufsparameterwerten (X, a) einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich (AX_S) liegen, wobei die Transportpulsdauer (At_t) derart eingestellt ist, dass für alle Strahlver laufsparameterwerte (X, a) im Soll-Toleranzbereich (AX_S) eine Einkopplung der Laserstrah lung in den hohlen Kern (4A) gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur (37) der Hohlkernlichtleitfaser (1) erhalten bleibt.
2. Vorrichtung (11) nach Anspruch 1, wobei der Soll-Toleranzbereich (AX_S) durch im Betrieb zu tolerierende Schwankungen von Strahlparametern der gepulsten Laserstrahlung gegeben ist, wobei die Strahlparameter insbe sondere eine Strahlmittenposition (X) und/oder einen Einfallswinkel (a) umfassen, und eine zu tolerierende Schwankung in der Strahlmittenposition (X) bei einigen Prozent des Moden felddurchmessers, beispielsweise im Bereich von ±1%, ±2%, ±5% oder ±10% des Moden felddurchmessers, liegt und/oder eine zu tolerierende Schwankung im Einfallswinkel (a) bei einigen Prozent der Strahl di vergenz, beispielsweise im Bereich von ±1%, ±2%, ±5% oder ±10% der Strahl di vergenz, liegt, der Hohlkemlichtleitfaser (1) im Soll-Toleranzbereich (AX_S) eine maximale Puls spitzenleistung zuordbar ist, oberhalb der eine Einkopplung ohne Beschädigung der Hohlkern lichtleitfaser (1) nicht über den gesamten Soll-Toleranzbereich (AX S) gegeben ist, und die Transportpulsdauer (At_t) der Laserstrahlung derart am ersten Faserende (1 A) ein gestellt ist, dass eine Spitzenleistung der Laserstrahlung am ersten Faserende (1 A) kleiner oder gleich der maximalen Puls Spitzenleistung ist.
3. Vorrichtung (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hohlkernlichtleitfaser (1) Strukturelemente, insbesondere eine Glasstruktur oder eine photonische Kristall Struktur (37), aufweist, die eine den Hohlkern (4A) umgebende inne re Kernwand ausbilden, und die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) und die Fasereinkopplungsvorrichtung (17) der art eingerichtet sind, dass ein räumlicher Überlapp einer Intensitätsverteilung (41) der Laser strahlung mit den Strukturelementen bei Strahlverlaufsparameterwerten (X, a) innerhalb des Soll-Toleranzbereichs (AX S), und insbesondere an Grenzwerten des Soll-Toleranzbereichs (AX S), derart ist, dass eine im Bereich der Strukturelemente vorliegende Intensität (I_s) un terhalb einer Zerstörschwellenintensität (I max) der Kernwand liegt.
4. Vorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) als Pulsdauerstreckvorrichtung dazu eingerichtet ist, Laserpulse (3 A) der gepulsten Laserstrahlung, die eine Anfangspulsdauer (At) aufweisen, durch mindestens ein optisches Element (15) um einen Streckungsfaktor auf die Transport pulsdauer (At_t) zu verlängern und als zeitlich gestreckte Laserpulse (3B) auszugeben, und wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung optional dazu eingerichtet ist, eine Anfangs pulsdauer (At) im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder mindestens 100, auf die Transportpulsdauer (At_t) zu verlängern.
5. Vorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) als Pulsdauerkompressionsvorrichtung (13“) dazu eingerichtet ist, Laserpulse einer gepulsten Laserstrahlung, die von einem Laserverstär kersystem (L) mit einer Pulsdauer ausgegeben werden, die wesentlich länger ist als eine be züglich einer vorliegenden spektralen Bandbreite minimal möglichen Pulsdauer, durch min destens ein optisches Element (15) in der Pulsdauer auf die Transportpulsdauer (At_t) zeitlich zu komprimieren und somit insbesondere als zeitlich bezüglich der minimal möglichen Puls dauer gestreckte Laserpulse (3B) auszugeben, und wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung optional dazu eingerichtet ist, die Laserpulse (3B) bezüglich der minimal möglichen Pulsdauer im Bereich von 50 fs bis 1 ps mit einem Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder mindestens 100, in ihrer Pulsdauer auf die Transportpulsdauer (At_t) einzustellen.
6. Vorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Transportpulsdauer (At_t) mit der Pulsdauereinstellvorrichtung (13) derart einge stellt ist, dass hinsichtlich des Materials (4B) der Hohlkernlichtleitfaser (1) eine beschädi gungsfreie Einkopplung in die Hohlkernlichtleitfaser (1) im Soll-Toleranzbereich (AX_S) erfolgt, und wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) optional, in Transmission oder in Reflexi on verwendet, ein Diffraktionsgitter, ein Volum en-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Gitterprisma und/oder einen dispersiven Spiegel umfasst.
7. Vorrichtung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
Strahlparameter der gepulsten Laserstrahlung Parameter der folgenden Gruppen um fassen:
- Strahlausbreitungsparameter umfassend Modenfelddurchmesser, Öffnungswinkel und Strahlgütewert,
- Pulsparameter umfassend Pulsenergie, Pulsdauer und Repetitionsrate und
- die Strahlverlaufsparameter, die eine Strahlmittenposition (X) am ersten Faserende (1 A) und eine Einfallsrichtung (a) der gepulsten Laserstrahlung auf das erste Faserende (1 A) umfassen, und wobei eine Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung mithilfe der Pulsdauerein stellvorrichtung (13) derart angepasst ist, dass bei festeingestellten Strahlausbreitungsparame tern und festeingestellten Pulsparametem eine Einkopplung der Laserstrahlung in den hohlen Kern (4A) mit im Soll-Toleranzbereich (AX_S) liegenden Strahlverlaufsparameter beschädi gungsfrei durchführbar ist.
8. System (10) zum Bereitstellen von hochintensiven Laserpulsen für die Materialbear beitung eines Werkstücks (9) mit: einer Laserpulsquelle (3), die dazu eingerichtet ist, Laserpulse (3 A) mit einer spektral en Breite und einer für die Materialbearbeitung benötigten Pulsenergie als gepulste Laser strahlung auszugeben und insbesondere ein Laserverstärkersystem (L) und eine Pulsdauer kompressionsvorrichtung (13“) umfasst, einer Vorrichtung (11) zum Transport der gepulsten Laserstrahlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Hohlkernlichtleitfaser (1) und einer Pulsdauereinstell vorrichtung (13) und einem Laserbearbeitungskopf (21), der Laserpulse (3B1), die aus der Hohlkemlichtleit- faser (1) austreten, zur Materialbearbeitung auf das Werkstück (9) fokussiert.
9. System (10) nach Anspruch 8, wobei der Laserbearbeitungskopf (21) eine Pulsdauer- anpassvorrichtung (23) aufweist, die zum Verkürzen der Transportpulsdauer (At_t) auf eine Bearbeitungspulsdauer (A ) ausgebildet ist und optional, in Transmission oder in Reflexion verwendet, mindestens ein Diffraktionsgitter, ein Volum en-Bragg-Gitter, ein Prisma, ein Git terprisma und/oder einen dispersiven Spiegel umfasst.
10. System (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Vorrichtung (11) zum Transport der gepulsten Laserstrahlung derart eingestellt ist, dass ohne Verlängerung der Anfangspulsdauer (At) oder bei einer dispersiv maximal möglichen Kompression der Laserpulse die Pulsenergie am ersten Faserende (1 A) zu einer Spitzenleistung führt, die eine Beschädigung der Hohlkem- lichtleitfaser (1) bewirkt.
11. Verfahren zum Transportieren von gepulster Laserstrahlung einer Laserpulsquelle (3) mit einer Hohlkernlichtleitfaser (1), die einen von einem Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) aufweist, wobei die Hohlkemlichtleitfaser (1) dazu ausgebildet ist, die Laserstrah lung im hohlen Kern (4A) von einem ersten Faserende (1 A) zu einem zweiten Faserende (1B) zu transportieren, mit den Schritten:
Erzeugen der gepulsten Laserstrahlung, die Laserpulse (3 A) mit einer Anfangspuls dauer (At) umfasst,
Einstellen einer Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung, die am ersten Faserende (1 A) vorliegt, und
Einkoppeln der gepulsten Laserstrahlung in die Hohlkernlichtleitfaser (1), wobei die Spitzenleistung durch Verlängern der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer (At) auf eine Transportpulsdauer (At_t) oder durch nicht-maximale Kompression in einer als Pulsdauerkompressionsvorrichtung (13") ausgeführten Pulsdauereinstellvorrichtung (13) der art eingestellt wird, dass für Strahlverlaufsparameterwerte (X, a) am ersten Faserende (1 A), die in einem für einen Betrieb der Hohlkernlichtleitfaser (1) vorgesehenen Soll- Toleranzbereich (AX_S) liegen, eine Einkopplung von Laserpulsen (3B) mit der Transport pulsdauer (At_t) in den hohlen Kern (4A) erfolgt, bei der das Material und/oder eine Struktur der Hohlkemlichtleitfaser (1) erhalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit:
Bestimmen einer maximalen Pulsspitzenleistung für eine Einkopplung mit Strahlver laufsparameterwerten (X, a) im gesamten Soll-Toleranzbereich (AX_S) und
Einstellen der Transportpulsdauer (At_t) derart, dass die Spitzenleistung der gepulsten Laserstrahlung, insbesondere der Laserpulse (3B), kleiner oder gleich der maximalen Puls spitzenleistung ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Verlängerung der Pulsdauer von der Anfangspulsdauer (At) auf die Transportpulsdauer (At_t) ein Streckungsfaktor von mindestens 1,5, insbesondere von mindestens 10 oder 100, und optional ein zusätzlicher Sicherheitsstre ckungsfaktor von mindestens 2, 10 oder 100, zugrunde liegt, und/oder das Einkoppeln der Laserpulse (3B) in die Hohlkernlichtleitfaser mit einer Faserein kopplungsvorrichtung (17) erfolgt, die einen Strahlengang für die gepulste Laserstrahlung bereitstellt, der Strahlverlaufsparameterwerte (X, a) im Soll-Toleranzbereich (AX_S) am ers ten Faserende (1 A) zur beschädigungsfreien Einkopplung in die Hohlkernlichtleitfaser (1) mit der Transportpulsdauer (At_t) bereitstellt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner mit:
Auskoppeln der gepulsten Laserstrahlung aus der Hohlkernlichtleitfaser (1),
Verkürzen der Pulsdauer von Laserpulsen (3B1) der aus der Hohlkemlichtleitfaser (1) ausgekoppelten gepulsten Laserstrahlung von der Transportpulsdauer (At_t) auf eine Bearbei tungspul sdauer (At1) und
Fokussieren der ausgekoppelten gepulsten Laserstrahlung zum Bereitstellen von hoch intensiven Laserpulsen (3C) für die Materialbearbeitung eines Werkstücks (9).
15. Vorrichtung (11) zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, mit: einer Pulsdauerkompressionsvorrichtung (13), die zum Aufnehmen der gepulsten La serstrahlung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer (At_t) der Laserstrahlung ausgebil det ist, wobei die Pulsdauerkompressionsvorrichtung dazu eingerichtet ist, Laserpulse (3 A) der gepulsten Laserstrahlung in der Pulsdauer auf die Transportpulsdauer (At_t) zu kompri mieren, einer Hohlkernlichtleitfaser (1), die einen von Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) aufweist, wobei
- die Hohlkemlichtleitfaser (1) Laserpulse (3B), die an einem ersten Faserende (1 A) eingekoppelt werden, im hohlen Kern (4A) zu einem zweiten Faserende (1B) transpor tiert und dort ausgibt, und
- ein Betreiben der Hohlkemlichtleitfaser (1) mit am ersten Faserende (1 A) vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten (X, a), die in einem Soll-Toleranzbereich (AX_S) liegen, vorgesehen ist, und einer Fasereinkopplungsvorrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, die auf die Trans portpulsdauer (At_t) eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfa ser (1) mit Strahlverlaufsparameterwerten (X, a) einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich (AX_S) liegen, wobei die Transportpulsdauer (At_t) derart eingestellt ist, dass für alle Strahlver laufsparameterwerte (X, a) im Soll-Toleranzbereich (AX_S) eine Einkopplung der Laserstrah lung in den hohlen Kern (4A) gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur (37) der Hohlkemlichtleitfaser (1) erhalten bleibt.
16. Vorrichtung (11) zum Transport von gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsenergie, die bei einer komprimierten Pulsdauer zu hochintensiven Laserpulsen (3C) führt, mit: einer Pulsdauereinstellvorrichtung (13), die zum Aufnehmen der gepulsten Laserstrah lung und zum Einstellen einer Transportpulsdauer (At_t) der Laserstrahlung ausgebildet ist, wobei die Pulsdauereinstellvorrichtung (13) als Pulsdauerkompressionsvorrichtung dazu ein gerichtet ist, Laserpulse (3 A) der gepulsten Laserstrahlung in der Pulsdauer auf die Transport pulsdauer (At_t) zu komprimieren, einer Hohlkemlichtleitfaser (1), die einen von Material (4B) umgebenen hohlen Kern (4A) aufweist, wobei
- die Hohlkemlichtleitfaser (1) Laserpulse (3B), die an einem ersten Faserende (1 A) eingekoppelt werden, im hohlen Kern (4A) zu einem zweiten Faserende (1B) transpor tiert und dort ausgibt, und - ein Betreiben der Hohlkernlichtleitfaser (1) mit am ersten Faserende (1 A) vorliegenden Strahlverlaufsparameterwerten (X, a), die in einem Soll-Toleranzbereich (AX_S) liegen, vorgesehen ist, und einer Fasereinkopplungsvorrichtung (17), die dazu eingerichtet ist, die auf die Trans- portpulsdauer (At_t) eingestellte Laserstrahlung aufzunehmen und in die Hohlkernlichtleitfa ser (1) mit Strahlverlaufsparameterwerten (X, a) einzukoppeln, die im Soll-Toleranzbereich (AX_S) liegen, wobei die Transportpulsdauer (At_t) derart eingestellt ist, dass für alle Strahlver laufsparameterwerte (X, a) im Soll-Toleranzbereich (AX_S) eine Einkopplung der Laserstrah- lung in den hohlen Kern (4A) gegeben ist, bei der das Material und/oder eine Struktur (37) der Hohlkernlichtleitfaser (1) erhalten bleibt.
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