DE102011089482A1 - Laser with monitored fiber optic path - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Laser mit einer Laserquelle (2), die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, einer ein Eintritts- und ein Austrittsende (13, 12) aufweisenden Lichtleitfaserstrecke (5), in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende (13) eingekoppelt wird und die in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende (12) abgibt, einer Meßeinheit (14, 15), die Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende (13, 12) der Lichtleiterfaserstrecke (5) liegenden Stelle austritt, mißt und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt, und einem Steuermodul (6) bereitgestellt, das basierend auf dem der Laserquelle (2) zugeführten Strom laufend einen ersten Grenzwert (Ss1(t)) und/oder einen zweiten Grenzwert (Ss2(t)) ermittelt, das basierend auf dem Meßsignal der Meßeinheit (14, 15) laufend ein Istsignal (S1(t)) ermittelt und das Istsignal (S1(t)) laufend mit dem ersten Grenzwert (Ss1(t)) vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (S1(t)) kleiner ist als der erste Grenzwert(Ss1 (t)) und/oder das Istsignal (S1(t)) laufend mit dem zweiten Grenzwert (Ss2(t)) vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (S1(t)) größer ist als der zweite Grenzwert.It is a laser with a laser source (2) which is operable with power and generates a first laser radiation as a function of the supplied current, an inlet and an outlet end (13, 12) having optical fiber path (5) into which the first laser radiation coupled via the inlet end (13) and which emits a second laser radiation via the outlet end (12) as a function of the coupled-in first laser radiation, a measuring unit (14, 15), the laser radiation, which at one between the inlet and the outlet end (13 , 12) of the optical fiber section (5), measures and generates a measurement signal based thereon, and provides a control module (6) based on the laser source (2) current supplied continuously a first threshold (Ss1 (t)) and / or a second limit value (Ss2 (t)) which, based on the measuring signal of the measuring unit (14, 15), continuously determines an actual signal (S1 (t)) and the actual signal (S1 (t)) continuously compares with the first threshold (Ss1 (t)) and turns off the laser source (2) when the actual signal (S1 (t)) is less than the first threshold (Ss1 (t)) and / or the actual signal (S1 (t )) continuously compares with the second threshold (Ss2 (t)) and turns off the laser source (2) when the actual signal (S1 (t)) is greater than the second threshold.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser mit einer Laserquelle, die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, und einer ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisenden Lichtleitfaserstrecke, in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende eingekoppelt wird und die in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende abgibt. The present invention relates to a laser having a laser source which is operable with current and generates a first laser radiation in response to the supplied current, and an inlet and an outlet end having optical fiber link into which the first laser radiation is coupled via the input end and in Dependence of the coupled-in first laser radiation emits a second laser radiation via the outlet end.
Da die Führung der Laserstrahlung in der Lichtleitfaserstrecke stattfindet, liegt eine geschlossene Lichtführung vor im Gegensatz zu einer auch möglichen offenen Lichtführung, bei der die Laserstrahlung durch Spiegel bis zum Austrittsende des Lasers geführt wird. Since the leadership of the laser radiation takes place in the Lichtleitfaserstrecke, a closed light guide is in contrast to a possible open light guide, in which the laser radiation is guided by mirrors to the exit end of the laser.
Bei einer Führung der Laserstrahlung in einer Lichtleitfaserstrecke besteht eine Schwierigkeit darin, daß bis zum Austritt der Laserstrahlung aus dem Austrittsende keine frei zugängliche Stelle vorhanden ist, an der beispielsweise mittels eines Auskoppelspiegels ein Teil der Laserstrahlung zur Regelung des Lasers ausgekoppelt werden kann. Da eine Lichtleitfaserstrecke als lichtführendes Medium für die Laserstrahlung in der Regel Glasfasern oder Glasfaserbauteile enthält, besteht das Risiko einer Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke beispielsweise durch Faserbruch oder durch thermisch bedingtes Aufschmelzen einer Faserverbindungsstelle. Bei einer solchen Zerstörung würde die Laserstrahlung zumindest im Inneren des Lasers frei austreten und bei entsprechend hoher Leistung des Lasers (von beispielsweise 1 kW oder mehr) erheblichen Schaden im Laser sowie zusätzlich noch eine Gefährdung des Bedienpersonals bewirken. When guiding the laser radiation in an optical fiber path, there is a difficulty in that until the laser radiation exits the outlet end there is no freely accessible point at which a part of the laser radiation for regulating the laser can be coupled out, for example by means of a coupling-out mirror. Since an optical fiber path as a light-guiding medium for the laser radiation usually contains glass fibers or glass fiber components, there is the risk of destruction of the optical fiber link, for example by fiber breakage or thermally induced melting of a fiber connection point. In the case of such a destruction, the laser radiation would emerge freely at least in the interior of the laser and, with a correspondingly high power of the laser (of, for example, 1 kW or more), cause considerable damage to the laser as well as endangering the operating personnel.
Besonders kritisch bei Lasern mit einer Lichtleitfaserstrecke sind die Spleißverbindungen, bei denen Faserendflächen miteinander verschmolzen sind, und Faserkoppler, die insbesondere für in umgekehrter Ausbreitungsrichtung laufende Laserstrahlung eine bedeutend kleinere Zerstörschwelle aufweisen als in der bestimmungsgemäßen vorgesehenen Ausbreitungsrichtung. Eine solche Rückwärtspropagation von Laserstrahlung kann auftreten, wenn die vom Laser abgegebene Laserstrahlung vom zu bearbeitenden Werkstück zurück in die Lichtleitfaserstrecke reflektiert wird. Particularly critical in lasers with an optical fiber link are the splices in which fiber end faces are fused together, and fiber couplers, in particular for running in the opposite direction of propagation laser radiation significantly lower damage threshold than in the intended direction of propagation. Such reverse propagation of laser radiation can occur when the laser radiation emitted by the laser is reflected back from the workpiece to be machined in the Lichtleitfaserstrecke.
Bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke besteht somit die Schwierigkeit, daß eine Zerstörung von dem primär erzeugten, in Vorwärtsrichtung laufenden Laserlicht als auch durch rückwärtslaufendes, beispielsweise vom zu bearbeitenden Werkstück reflektierten Laserlichtes, verursacht werden kann. Da keine frei zugänglichen Stellen zur Gewinnung von Meßsignalen bei der Lichtleitfaserstrecke im Vergleich zu Lasern mit offener Strahlführung vorliegen, ist schon die Gewinnung von entsprechenden Meßsignalen für eine Überwachung der Lichtleitfaserstrecke des Lasers schwierig. Thus, in a laser having an optical fiber link, there is a problem that destruction may be caused by the primarily generated forward laser light as well as backward running laser light reflected from the workpiece to be processed, for example. Since there are no freely accessible locations for obtaining measurement signals in the optical fiber link in comparison to open beam lasers, it is already difficult to obtain corresponding measurement signals for monitoring the optical fiber path of the laser.
Es ist bei Lichtleitkabeln bekannt, die Zerstörung (z.B. in Form eines Faserbruches) durch Einbettung einer neben der lichtführenden Faser laufenden Detektions-Ader zu erfassen. Die Detektions-Ader kann ein Draht oder eine auf das Primärcoating der Faser aufgedampfte Leiterbahn (
Ferner ist es bekannt, einen Lichtwellenleiter durch speziell mehrschichtig aufgebaute Faserschichten zu überwachen, die Verluststrahlung durch Konversionsprozesse von einer ersten Schicht zu einer zweiten Schicht gelangen läßt, und die dann bis zu einem Detektor geführt wird (
Ferner ist es bekannt, Fotodetektoren zur Detektion von Streulicht jeweils am Eingangs- und am Ausgangsende der Faser in Verbindung mit einer geeigneten Auswerteelektronik vorzusehen, die die beiden Signale vergleicht (
Eine solche Ausgestaltung betrifft somit eine Fokussierung in ein Lichtleitkabel und den Austritt aus dem Lichtleitkabel, also den Fall einer unterbrochenen Strahlführung, was bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke gerade nicht vorliegt. Zudem werden die Signale für die Fotodetektoren direkt am Eingangs- und am Ausgangsende gewonnen, wozu in der
Ferner ist es bekannt, die Messung am Fasereingang und am Faserausgang so durchzuführen, daß am Faserausgang das Signal richtungsabhängig gewonnen wird, um Rückschlüsse auf den Materialbearbeitungsprozeß hinsichtlich Rückreflexionen und Defokussierung zu ermöglichen (
Auch hier liegt der Fall einer unterbrochenen Strahlführung vor, um die entsprechenden Meßsignale gewinnen zu können. Das Meßsignal am Ausgangsende wird ferner von vom Werkstück reflektierten Licht beeinflußt, was zwar hier berücksichtigt wird, aber die Auswertung dennoch erschwert. Again, there is the case of an interrupted beam guidance in order to win the corresponding measurement signals can. The measurement signal at the output end is further influenced by light reflected from the workpiece, which is indeed taken into account, but the evaluation still difficult.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Laser mit einer Laserquelle und einer ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisenden Lichtleitfaserstrecke vorzusehen, bei dem eine Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke im Betrieb des Lasers möglichst verhindert oder zumindest möglichst gering gehalten werden kann. Proceeding from this, it is an object of the invention to provide a laser with a laser source and an inlet and an outlet end having optical fiber link, in which destruction of the optical fiber during operation of the laser as possible prevented or at least minimized.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Laser mit einer Laserquelle, die mit Strom betreibbar bzw. pumpbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, einer ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisenden Lichtleitfaserstrecke, in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende eingekoppelt wird und die in Abhängigkeit der angekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende abgibt, einer Meßeinheit, die Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke liegenden Stelle austritt, mißt und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt und ein Steuermodul, das basierend auf dem der Laserquelle zugeführten Strom laufend einen ersten und einen zweiten Grenzwert ermittelt, das basierend auf dem Meßsignal der Meßeinheit laufend ein Istsignal ermittelt und das Istsignal laufend mit dem ersten Grenzwert vergleicht und die Laserquelle abschaltet, wenn das Istsignal kleiner ist als der erste Grenzwert und/oder das Istsignal laufend mit dem zweiten Grenzwert vergleicht und die Laserquelle abschaltet, wenn das Istsignal größer ist als der zweite Grenzwert. According to the invention, the object is achieved by a laser having a laser source which can be operated or pumped with current and generates a first laser radiation as a function of the supplied current, an inlet and an outlet end having optical fiber link, into which the first laser radiation coupled via the inlet end is and which emits a second laser radiation via the outlet end depending on the coupled first laser radiation, a measuring unit, the laser radiation which exits at a lying between the inlet and the outlet end of the optical fiber passage, measures and based thereon generates a measurement signal and a control module, based on the current supplied to the laser source continuously determines a first and a second limit, which continuously determines based on the measurement signal of the measuring unit an actual signal and continuously compares the actual signal with the first limit and the laser source switches off, who n the actual signal is smaller than the first limit value and / or the actual signal continuously compares with the second limit value and the laser source switches off when the actual signal is greater than the second limit value.
Ein Absinken des Istsignals unter den ersten Grenzwert zeigt einen Verlust von Laserstrahlung in der Lichtleitfaserstrecke an, was z.B. dann auftritt, wenn die in der Lichtleitfaserstrecke geführte Laserstrahlung einen Teil der Lichtleitfaserstrecke thermisch beschädigt oder wenn beispielsweise eine mechanische Beschädigung vorliegt. Bei einer entsprechenden Wahl der Größe des ersten Grenzwertes kann somit sicher eine weitere Beschädigung der Lichtleitfaserstrecke verhindert werden. A decrease in the actual signal below the first threshold indicates a loss of laser radiation in the optical fiber link, e.g. occurs when the guided in the Lichtleitfaserstrecke laser radiation thermally damaged part of the Lichtleitfaserstrecke or if, for example, a mechanical damage is present. With an appropriate choice of the size of the first limit value can thus be safely prevented further damage to the optical fiber link.
Wenn das Istsignal den zweiten Grenzwert übersteigt, zeigt dies z.B. an, daß zurückreflektierte Laserstrahlung in die Lichtleitfaserstrecke eingekoppelt wird und sie in entgegengesetzter Richtung die Lichtleitfaserstrecke durchläuft. Dies kann bei der Bearbeitung von Werkstücken auftreten, wenn z.B. während der Materialbearbeitung eine stark reflektierende Schmelze gebildet wird. Bei einer entsprechenden Wahl des zweiten Grenzwertes können Schäden, die die zurückreflektierte Laserstrahlung bewirken würde, verhindert werden. Natürlich können durch den Vergleich des Istsignals mit dem zweiten Grenzwert auch Schäden durch Laserstrahlung verhindert werden, die aus sonstigen Gründen in entgegengesetzter Richtung die Lichtleitfaserstrecke durchläuft. Der zweite Grenzwert ist bevorzugt größer als der zweite Grenzwert. If the actual signal exceeds the second threshold, this is indicated e.g. on that reflected back laser radiation is coupled into the optical fiber link and it passes in the opposite direction, the optical fiber link. This can occur when machining workpieces, e.g. during material processing a highly reflective melt is formed. With a corresponding choice of the second limit, damage that would cause the reflected back laser radiation can be prevented. Of course, can be prevented by the comparison of the actual signal with the second limit and damage by laser radiation that passes through the optical fiber for other reasons in the opposite direction. The second threshold is preferably greater than the second threshold.
Unter einer laufenden Überwachung wird hier insbesondere verstanden, daß das System kontinuierlich überwacht wird, beispielsweise mit einer analogen elektronischen Schaltung, oder daß das System zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten überwacht wird, wobei der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Überwachungszeitpunkten so kurz gewählt werden kann, daß ein in der Zwischenzeit auftretender Defekt entweder nicht zu einer Zerstörung weiterer Bauteile des Systems oder normalerweise wenigstens nicht zu einer Gefährdung für Mensch und Umwelt führen würde. Die zweitgenannte Ausbildung einer laufenden Überwachung kann beispielsweise mit einer Digitalelektronik ausgebildet sein, bei welcher beispielsweise ein Controller in einer programmtechnisch realisierten Endlosschleife immer wieder die Istwerte mit den Grenzwerten vergleicht. Beispielsweise kann die Zeitdauer zwischen zwei Überwachungszeitpunkten einige µs betragen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Zeitdauer zwischen zwei Überwachungszeitpunkten z.B. entweder jeweils immer gleich oder unterschiedlich sein kann. By continuous monitoring is meant in particular that the system is continuously monitored, for example, with an analog electronic circuit, or that the system is monitored at successive times, wherein the distance between successive monitoring times can be chosen so short that one in the meantime either defect would not lead to the destruction of other components of the system or would normally not at least endanger human and environmental health. The second-mentioned training of a continuous monitoring can be formed, for example, with a digital electronics, in which, for example, a controller repeatedly compares the actual values with the limit values in an infinitely loop realized in the program. For example, the time duration between two monitoring times may be a few μs. For the sake of completeness, it should be mentioned that the time period between two monitoring times, e.g. either always the same or different.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann das Steuermodul die Laserquelle durch Abschalten der Stromzufuhr zur Laserquelle abschalten. In the case of the laser according to the invention, the control module can switch off the laser source by switching off the power supply to the laser source.
Unter Abschalten des Lasers wird hier insbesondere verstanden, daß die Laserleistung soweit reduziert wird, daß keine Beschädigung von Bauteilen auftreten kann oder daß keine Gefährdung vom Laser ausgehen kann. Die Abschaltung kann, aber muß nicht, derart vorgenommen werden, daß der Laserstrom auf Null gebracht wird. Das kann beispielsweise durch Abschalten des Laserstromes geschehen oder alternativ durch Kurzschließen des Laserstromes. Das Kurzschließen des Laserstromes kann vorteilhafterweise in unmittelbarer Nähe zum Laser erfolgen, beispielsweise mit einem MOSFET oder einem Bipolartransistor. Zum Abschalten des Lasers reicht es allerdings auch aus, wenn der Strom nicht komplett abgeschaltet, sondern soweit reduziert wird, dass die Laserschwelle nicht erreicht wird.Die Lichtleitfaserstrecke ist bevorzugt direkt mit der Laserquelle verbunden, so daß zwischen Laserquelle und Lichtleitfaserstrecke kein Freistrahlzugang vorliegt. Insbesondere liegt von der Laserquelle bis zum Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke kein Freistrahlzugang vor, so daß der Laser eine vollkommen geschlossene Strahlführung aufweist. Switching off the laser is understood here in particular to mean that the laser power is reduced to such an extent that no damage of components can occur or that no danger can emanate from the laser. The shutdown can, but need not, be made such that the laser current is brought to zero. This can be done for example by switching off the laser current or alternatively by shorting the laser current. The short-circuiting of the laser current can advantageously take place in the immediate vicinity of the laser, for example with a MOSFET or a bipolar transistor. To switch off the laser, however, it is also sufficient if the current is not completely switched off, but is reduced to such an extent that the laser threshold is not reached. The optical fiber link is preferably connected directly to the laser source, so that there is no free beam access between the laser source and the optical fiber link. In particular, there is no free beam access from the laser source to the exit end of the optical fiber path, so that the laser has a completely closed beam path.
Unter Freistrahlzugang wird hier z.B. verstanden, daß die Laserstrahlung über eine gewisse Länge in Luft geführt wird, so daß in diesem Bereich z.B. ein Auskoppelsignal zum Auskoppeln eines geringen Anteils der Laserstrahlung positioniert werden kann. Die freie Strecke beispielsweise zwischen einem Diodenlaser und der FAC-Linse bzw. innerhalb einer kompakt aufgebauten Faserkopplungsoptik für einen Diodenlaser ist in diesem Sinne aber nicht als Freistrahlzugang zu verstehen, weil dort kein Platz für eine Vorrichtung zur Auskopplung vorgesehen ist. Ein Freistrahlzugang ist hingegen in einem optischen Teleskop zur Kopplung der Strahlung aus einer Faser in eine andere Faser vorhanden, da im kollimierten Strahlabschnitt eine Vorrichtung zur Auskopplung eines Meßstrahls vorgesehen werden kann. Ein solcher Freistrahlzugang ist jedoch nicht vorhanden, wenn es sich um ein System handelt, bei dem die Fasern zusammengespleißt oder über eine Stirnflächenkopplung verbunden sind. In einem solchen System ist dann kein Freistrahlzugang vorhanden. Under free-jet access, here is e.g. understood that the laser radiation is guided over a certain length in air, so that in this area, for. a decoupling signal for decoupling a small portion of the laser radiation can be positioned. However, the free path, for example between a diode laser and the FAC lens or within a compact fiber optic coupling optics for a diode laser is not to be understood as free beam access in this sense, because there is no space for a device for decoupling provided. In contrast, a free-beam access is present in an optical telescope for coupling the radiation from one fiber to another fiber, since a device for coupling out a measuring beam can be provided in the collimated beam section. However, such free beam access is not present if it is a system in which the fibers are spliced together or connected via face coupling. In such a system then no free beam access is available.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Laser die Lichtleitfaserstrecke zumindest eine Lichtleitfaser mit Kern und Mantel aufweisen und die Meßeinheit die aus dem Mantel austretende Laserstrahlung messen. Diese Strahlung wird häufig auch als Mantellicht bezeichnet. Die Lichtleitfaser kann so ausgebildet werden, daß sie an einer vorbestimmten Stelle ein solches Mantellicht abstrahlt. Dazu können z.B. mikroskopisch kleine Störungen im Übergang vom Kern zum Mantel vorgesehen werden. Es kann ferner ein kleiner Bereich des Fasermantels aufgerauht werden, wodurch ein Herausstreuen des Mantellichts erfolgt. Zusätzlich oder alternativ kann die Lichtleitfaser absichtlich so gebogen werden, daß aufgrund der Biegung Mantellicht austritt. Es ist auch möglich, auf die Mantelfläche ein Medium aufzubringen, das einen höheren Brechungsindex als der Mantel aufweist, so daß an der Grenzfläche zwischen dem Mantel und dem aufgebrachten Medium keine Totalreflexion stattfindet und somit Mantellicht ausgekoppelt wird. Furthermore, in the case of the laser according to the invention, the optical fiber path can have at least one optical fiber with core and cladding and the measuring unit can measure the laser radiation emerging from the cladding. This radiation is often referred to as a sheath light. The optical fiber can be formed so that it emits such a jacket light at a predetermined location. For this, e.g. microscopic disturbances in the transition from the core to the cladding are provided. It can also be roughened a small portion of the fiber cladding, whereby a scattering of the jacket light takes place. Additionally or alternatively, the optical fiber may be intentionally bent so that due to the bending of the cladding light emerges. It is also possible to apply to the lateral surface of a medium having a higher refractive index than the cladding, so that no total reflection takes place at the interface between the cladding and the applied medium and thus cladding light is coupled out.
Die von der Meßeinheit gemessene Laserstrahlung tritt bevorzugt quer zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung in der Lichtleitfaserstrecke aus. The laser radiation measured by the measuring unit preferably exits transversely to the propagation direction of the laser radiation in the optical fiber path.
Die ausgekoppelte Laserstrahlung weist bevorzugt nur einen Bruchteil der mittleren Leistung der in der Lichtleitfaserstrecke geführten Laserstrahlung auf. Insbesondere kann der Bruchteil im Promillebereich liegen. The decoupled laser radiation preferably has only a fraction of the average power of the laser radiation guided in the optical fiber path. In particular, the fraction may be in the per thousand range.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann die Lichtleitfaserstrecke zumindest zwei miteinander verspleißte Lichtleitfasern aufweisen und die Meßeinheit die an der Spleißstelle austretende Laserstrahlung messen. In the case of the laser according to the invention, the optical fiber path can have at least two optical fibers spliced together and the measuring unit can measure the laser radiation exiting at the splice point.
Des weiteren kann die Lichtleitfaserstrecke mehrere Lichtleitfasern aufweisen, die mittels eines Faserkopplers mit einer einzigen Lichtleitfaser gekoppelt sind, wobei die Meßeinheit die aus dem Faserkoppler austretende Laserstrahlung mißt. Furthermore, the optical fiber path may comprise a plurality of optical fibers, which are coupled by means of a fiber coupler with a single optical fiber, wherein the measuring unit measures the emerging from the fiber coupler laser radiation.
In beiden Fällen (Messung an der Spleißstelle sowie Messung am Faserkoppler) wird erfindungsgemäß ausgenutzt, daß die dort austretende Laserstrahlung gemessen und zur erfindungsgemäßen Sicherheitsüberwachung der Lichtleitfaserstrecke genutzt wird. In both cases (measurement at the splice point as well as measurement at the fiber coupler), the invention makes use of the fact that the laser radiation emerging there is measured and used to monitor the safety of the optical fiber link according to the invention.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann die Lichtleitfaserstrecke als passive Lichtleitfaserstrecke ausgebildet sein. In diesem Fall wird über die Lichtleitfaserstrecke lediglich die erste Laserstrahlung der Laserquelle geführt, so daß die über das Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke ausgekoppelte zweite Laserstrahlung der ersten Laserstrahlung entspricht. In the case of the laser according to the invention, the optical fiber link can be designed as a passive optical fiber link. In this case, only the first laser radiation of the laser source is guided over the optical fiber path, so that the second laser radiation coupled out via the outlet end of the optical fiber path corresponds to the first laser radiation.
Natürlich ist es auch möglich, daß die Lichtleitfaserstrecke eine aktive Faser aufweist, die mit der Laserstrahlung der Laserquelle gepumpt ist. In diesem Fall liegt ein Faserlaser vor, so daß die ausgekoppelte zweite Laserstrahlung die Laserstrahlung des Faserlasers ist und die eingekoppelte erste Laserstrahlung die Pumpstrahlung des Faserlasers ist. In diesem Fall kann mittels der Meßeinheit als austretende Laserstrahlung die Pumpstrahlung und/oder die mittels des Faserlasers erzeugte zweite Laserstrahlung gemessen werden. Of course, it is also possible that the optical fiber link has an active fiber which is pumped with the laser radiation of the laser source. In this case, a fiber laser is present, so that the decoupled second laser radiation is the laser radiation of the fiber laser and the coupled first laser radiation is the pump radiation of the fiber laser. In this case, the pumping radiation and / or the second laser radiation generated by means of the fiber laser can be measured by means of the measuring unit as emerging laser radiation.
Die Laserquelle kann zumindest eine Laserdiode aufweisen. Sie kann bevorzugt mehrere Laserdioden aufweisen, die beispielsweise in Serien- oder Parallelschaltungen mit Strom beaufschlagt werden. Es sind jedoch auch andere Laserquellen möglich, die mit Strom betreibbar bzw. elektrisch pumpbar sind. Insbesondere können im Allgemeinen elektrisch gepumpte Halbleiterlaser eingesetzt werden. Es ist auch möglich, mittels eines oder mehrerer elektrisch gepumpter Halbleiterlaser einen Festkörperlaser zu pumpen, um dadurch die Laserquelle zu realisieren. The laser source may have at least one laser diode. It may preferably have a plurality of laser diodes which are supplied with current, for example, in series or parallel circuits. However, other laser sources are also possible which can be operated with electricity or are electrically pumpable. In particular, electrically pumped semiconductor lasers can generally be used. It is also possible to pump a solid-state laser by means of one or more electrically pumped semiconductor lasers, thereby realizing the laser source.
Das Steuermodul kann mit zunehmenden Pumpstrom den ersten und/oder zweiten Grenzwert erhöhen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, daß mit zunehmenden Pumpstrom die mittlere Laserleistung und somit auch die Gefahr eines Defektes in der Lichtleitfaserstrecke steigt. The control module may increase the first and / or second threshold as the pumping current increases. This takes into account the fact that with increasing pumping current increases the average laser power and thus the risk of a defect in the optical fiber link.
Insbesondere führt das Steuermodul die Erhöhung des ersten Grenzwertes mit zunehmendem Pumpstrom so durch, daß die Erhöhung mit zunehmendem Pumpstrom zunimmt. Somit wird die Zunahme um so größer, je größer der Pumpstrom wird, wodurch ein besserer Schutz erzielt wird. Ferner kann das Steuermodul die Erhöhung des zweiten Grenzwertes so durchführen, daß mit zunehmendem Pumpstrom die Erhöhung des zweiten Grenzwertes abnimmt. Mit zunehmendem Pumpstrom fällt bei weiterer Zunahme somit die Erhöhung für den zweiten Grenzwert geringer aus, was wiederum zu einem besseren Schutz des Lasers führt. So kann z.B. die Breite des durch beide Grenzwerte definierten Fensters mit zunehmendem Pumpstrom abnehmen. Nur wenn der Istwert im Fenster liegt, wird der Laser nicht abgeschaltet. In particular, the control module increases the first limit as it increases Pumping current through so that the increase increases with increasing pumping current. Thus, the larger the pumping current becomes, the greater the increase becomes, whereby better protection is achieved. Furthermore, the control module can perform the increase of the second limit value so that the increase of the second limit value decreases with increasing pumping current. As the pumping current increases, the increase for the second threshold value decreases as the increase continues, which in turn leads to better protection of the laser. For example, the width of the window defined by both limits may decrease with increasing pumping current. Only when the actual value is in the window, the laser is not switched off.
Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann der der Laserquelle zugeführte Strom zeitlich variieren, um z.B. gepulste Laserstrahlung zu erzeugen oder die Strahlleistung im Dauerstichbetrieb zu variieren. In diesem Fall variieren das Istsignal sowie der erste und/oder zweite Grenzwert zeitlich bevorzugt in gleicher Weise. Damit wird erreicht, daß der erste und/oder zweite Grenzwert ideal an die jeweiligen Laserbedingungen angepaßt sind und somit der erste und/oder zweite Grenzwert sehr nah am Istwert gewählt werden können, so daß der bestimmungsgemäße Betrieb sicher durchgeführt werden kann und dabei gleichzeitig die gewünschte Sicherheit (also die schnelle Abschaltung, falls notwendig) gewährleistet wird. In the laser according to the invention, the current supplied to the laser source may vary over time, e.g. To produce pulsed laser radiation or to vary the beam power in continuous stitching operation. In this case, the actual signal as well as the first and / or second limit value preferably vary in time in the same way. This ensures that the first and / or second limit are ideally adapted to the respective laser conditions and thus the first and / or second threshold can be selected very close to the actual value, so that the intended operation can be safely performed and at the same time the desired Security (ie the fast shutdown, if necessary) is guaranteed.
Der Laser ist insbesondere für hohe Leistungen ausgelegt. Hierunter wird insbesondere verstanden, daß die mittlere Leistung im Dauerstrichbetrieb oder der Pulsspitzenleistung im Pulsbetrieb der über das Austrittsende abgegebenen Laserstrahlung mindestens 1 kW beträgt. The laser is designed especially for high power. This is understood in particular to mean that the average power in continuous-wave mode or the peak pulse power in pulsed operation of the laser radiation emitted via the outlet end is at least 1 kW.
Die Lichtleitfaserstrecke kann ferner so ausgebildet sein, daß an mehreren Stellen zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende Laserstrahlung austritt. In diesem Fall ist die Meßeinheit bevorzugt so ausgebildet, daß sie an diesen mehreren Stellen jeweils die austretende Laserstrahlung mißt und entsprechende Meßsignale erzeugt. Das Steuermodul ermittelt dann basierend auf den Meßsignalen für jede Austrittsstelle laufend ein entsprechendes Istsignal und vergleicht alle Istsignale laufend mit dem ersten Grenzwert und/oder dem zweiten Grenzwert. Wenn zumindest eines der Istsignale kleiner ist als der erste Grenzwert, führt das Steuermodul die Abschaltung der Laserquelle durch. Ferner schaltet das Steuermodul die Laserquelle auch ab, wenn zumindest eines der Istsignale größer ist als der zweite Grenzwert. The optical fiber path can also be designed such that laser radiation emerges at several points between the inlet and the outlet end. In this case, the measuring unit is preferably designed so that it measures at each of these multiple locations the exiting laser radiation and generates corresponding measurement signals. The control module then determined based on the measurement signals for each exit point continuously a corresponding actual signal and compares all actual signals continuously with the first limit and / or the second limit. If at least one of the actual signals is smaller than the first limit value, the control module carries out the shutdown of the laser source. Furthermore, the control module also shuts off the laser source when at least one of the actual signals is greater than the second threshold.
Die Lichtleitfaserstrecke kann ferner so ausgebildet sein, dass sie mehrere Lichteintrittsenden aufweist. Insbesondere kann auch das Austrittsende gleichzeitig als Eintrittsende genutzt werden. Das ist beispielsweise bei einem zweiseitig endgepumpten Faserlaser der Fall. Dort kann das Austrittsende der Laserstrahlung der aktiven Faser gleichzeitig Eintrittsende für die Pumpstrahlung sein. Die Pumpstrahlung und austretende Laserstrahlung können unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, so dass eine Trennung der Strahlwege beispielsweise mit einem wellenlängenselektiven Spiegelelement möglich ist. The optical fiber path can also be designed such that it has a plurality of light entry ends. In particular, the exit end can also be used as entry end. This is the case, for example, with a double ended end-pumped fiber laser. There, the exit end of the laser radiation of the active fiber can simultaneously be the inlet end for the pump radiation. The pump radiation and emerging laser radiation may have different wavelengths, so that a separation of the beam paths, for example with a wavelength-selective mirror element is possible.
Der Laser kann gepulste Laserstrahlung oder Dauerstrich-Strahlung abgeben. The laser can emit pulsed laser radiation or continuous wave radiation.
Es wird ferner bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben eines Lasers, der eine Laserquelle, die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, und eine ein Eintritts- und ein Austrittsende aufweisende Lichtleitfaserstrecke aufweist, in die die erste Laserstrahlung über das Eintrittsende eingekoppelt und in Abhängigkeit der eingekoppelten ersten Laserstrahlung eine zweite Laserstrahlung über das Austrittsende ausgegeben wird, wobei der Laserquelle Strom zugeführt wird, so daß sie die erste Laserstrahlung erzeugt, Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke liegende Stelle austritt, gemessen und basierend darauf ein Meßsignal erzeugt wird, basierend auf dem der Laserquelle zugeführten Strom laufend ein erster und/oder ein zweiter Grenzwert ermittelt wird, basierend auf dem Meßsignal laufend ein Istsignal ermittelt wird und das Istsignal laufend mit dem ersten Grenzwert verglichen und die Laserquelle abgeschaltet wird, wenn das Istsignal kleiner wird als der erste Grenzwert, und/oder das Istsignal laufend mit dem zweiten Grenzwert verglichen und die Laserquelle abgeschaltet wird, wenn das Istsignal größer wird als der zweite Grenzwert. Dabei kann das Istsignal gleich dem Messsignal sein, oder das Istsignal kann noch zusätzlich beispielsweise einen von der zeitlichen Änderung des Messsignals abhängigen Anteil, der als Differentialteil bezeichnet wird, oder beispielsweise einen Integralteil beinhalten, der von der über einen bestimmten Zeitabschnitt aufsummierten Regelungsabweichung abhängt. Ein solcher Differentialteil führt zu einer schnelleren Abschaltung bei plötzlichen Abweichungen des Istwertes vom Sollbasiswert, d.h. bei bei sprunghaften Abweichungen. There is further provided a method of operating a laser having a laser source which is operable with current and generates a first laser radiation in response to the supplied current, and having an inlet and an outlet end having optical fiber in which the first laser radiation over the Input end coupled and output in response to the coupled first laser radiation, a second laser radiation over the exit end, the current being supplied to the laser source so that it generates the first laser radiation, laser radiation emerging at a lying between the inlet and the outlet end of the optical fiber link , Measured and based on a measurement signal is generated based on the current supplied to the laser source continuously a first and / or a second limit is determined based on the measurement signal continuously an actual signal is determined and the actual signal continuously with the first limit value compared and the laser source is turned off when the actual signal is smaller than the first threshold, and / or the actual signal continuously compared with the second threshold and the laser source is turned off when the actual signal is greater than the second threshold. In this case, the actual signal may be equal to the measurement signal, or the actual signal may additionally include, for example, a dependent of the time change of the measurement signal portion, which is referred to as a differential part, or for example an integral part, which depends on the accumulated over a certain period control deviation. Such a differential portion results in faster shutdown in the event of sudden deviations of the actual value from the target base value, i. in case of sudden deviations.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Lasers kann die Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke sicher verhindert bzw. zumindest eine eintretende Zerstörung minimiert werden. With the method according to the invention for operating a laser, the destruction of the optical fiber path can be reliably prevented or at least an occurring destruction can be minimized.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Lasers kann so weiter gebildet werden, daß der erfindungsgemäße Laser einschließlich seiner Weiterbildungen betrieben werden kann. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Laser beschriebenen Verfahrensschritte enthalten. The inventive method for operating a laser can be further formed so that the laser according to the invention can be operated including its developments. In particular, the inventive method can contained in the context of the laser according to the invention described method steps.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Die Lichtleitfaserstrecke kann Lichtleitfasern, Lichtwellenleiter und Lichtleitkabel oder sonstige faseroptische Bauteile enthalten. The optical fiber link may include optical fibers, optical fibers and optical cables or other fiber optic components.
Bei der in
Die Lichtleitfaserstrecke
Der Laser
Zum Betrieb des Lasers
Durch die Beaufschlagung mit Strom erzeugen die Laserdioden
Bei dem in
Die Lichtleitfasern
In
Um die Faser biegsam und mechanisch robust zu machen, ist auf dem Mantel
Die in Verbindung mit
Da der Laser
Ferner kann in unerwünschter Weise die über das Austrittsende
Um eine Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke
Diese Art der Regelung bzw. der Überwachung des Lasers
Basierend auf diesem zeitlich konstanten Betriebsstrom I(t) bestimmt das Steuermodul
In
In
Die von dem ersten Fotodetektor
Ferner kann auch das an den Spleißstellen V1, V2 entstehende Streulicht detektiert werden. Dies ist in
Um auch die Gefahr von in der falschen Richtung eingekoppelten Laserstrahlung in die Lichtleitfaserstrecke
Diese Art des Sicherheitsabschaltens des Lasers
In
Basierend auf diesem Strom ermittelt das Steuermodul
Solange der Istwert S1(t) zwischen den beiden Grenzwerten Ss1 und Ss2 liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen und ordnungsgemäßen Betrieb des Lasers
In gleicher Weise findet ein Abschalten statt, falls der Istwert S’1 den ersten Grenzwert Ss1 erreicht. Dies ist gemäß der Darstellung von
Durch die beiden Grenzwerte Ss1 und Ss2 wird somit ein Fenster für den Istwert S1 vorgegeben. Solange der Istwert in diesem Fenster liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Lasers
In
Natürlich ist es möglich, den Laser
In
Das Steuermodul
Die Werte für ∆Slow und ∆Shigh können gleich oder auch unterschiedlich sein. Die Werte sind geeignet bestimmt, um die gewünschte Schutzfunktion zu realisieren. Insbesondere können die Werte ∆Slow und ∆Shigh mit steigendem Pumpstrom der Laserdioden
Die zweite elektronische Schaltung
Das erste Istsignal S1(t) sowie die beiden Grenzwerte Ss1(t) und Ss2(t) werden der dritten elektronischen Schaltung
Die dritte elektronische Schaltung
Die Reaktionszeit von der Detektion einer Schwellwertüber- bzw. unterschreitung bis zum Abschalten des Lasers
Sollen bei dem erfindungsgemäßen Laser
In
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Vergleich des Istsignals S1(t) mit den Grenzwerten derart, daß zunächst der Sollbasiswert S0(t) vom Meßwert P(t) subtrahiert wird, zu der Differenz in o.g. Weise Proportional-, Differential- und Integralanteile summiert werden und diese Summe (Istwert) S1(t) dann mit den zulässigen Regelabweichungen verglichen werden. Diese Regelabweichungen sind jeweils die Differenzen ∆Shigh bzw. ∆Slow aus dem oberen Grenzwert Ss1(t) und dem Sollbasiswert S0(t) bzw. dem Sollbasiswert S0(t) und dem unteren Gernzwert Ss2(t). Natürlich müssen nicht immer zu der Regelabweichung R1(t) Proportional-, Differential- und Integralanteil summiert werden. Es kann auch nur eine der Anteile oder es können zwei der Anteile zur Regelabweichung addiert werden. Dieses Verfahren der Durchführung des Vergleiches ist nicht nur in diesem speziellen Ausführungsbeispiel, sondern auch allgemein gleichwertig zu einem direkten Vergleich eines Istwertes, welcher auf Basis des Meßwertes ohne Abzug des Sollbasiswertes berechnet wird, mit den oberen und unteren Grenzwerten Shigh bzw. Slow. In this exemplary embodiment, the comparison of the actual signal S 1 (t) with the limit values takes place in such a way that first the nominal base value S 0 (t) is subtracted from the measured value P (t), adding to the difference in the above-mentioned manner proportional, differential and integral components and this sum (actual value) S 1 (t) are then compared with the permissible control deviations. These control deviations are respectively the differences ΔS high and ΔS low from the upper limit value S s1 (t) and the nominal base value S 0 (t) or the nominal base value S 0 (t) and the lower nominal value S s2 (t). Of course, it is not always necessary to add to the control deviation R 1 (t) the proportional, differential and integral components. It can also only one of the shares or it can be added to two of the shares to the control deviation. This method of performing the comparison is not only in this specific embodiment, but also generally equivalent to a direct comparison of an actual value, which is calculated on the basis of the measured value without deduction of the target base value, with the upper and lower limits S high and S low .
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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