WO2013091851A1 - Laser having a monitored optical fiber section - Google Patents

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WO2013091851A1
WO2013091851A1 PCT/EP2012/005263 EP2012005263W WO2013091851A1 WO 2013091851 A1 WO2013091851 A1 WO 2013091851A1 EP 2012005263 W EP2012005263 W EP 2012005263W WO 2013091851 A1 WO2013091851 A1 WO 2013091851A1
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WO
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laser
optical fiber
laser radiation
actual signal
radiation
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PCT/EP2012/005263
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Peter Heist
Matthias Hoffmann
Uwe Kutschki
Gunter SCHEIDING
Original Assignee
Jenoptik Laser Gmbh
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Publication date
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    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305Feedback control systems
    • GPHYSICS
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    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
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    • G01D3/00Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/08Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for safeguarding the apparatus, e.g. against abnormal operation, against breakdown

Definitions

  • 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. Since the leadership of the laser radiation takes place in the Lichtleitmaschinezone, 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.
  • CONFIRMATION OPIE can be caused. Since there are no freely accessible points for obtaining measurement signals in the optical fiber path in comparison to open beam lasers, it is already difficult to obtain corresponding measurement signals for monitoring the optical fiber path of the laser.
  • the detection wire may be a wire or a conductor track deposited on the primary coating of the fiber (US 4,883,054), which changes the conductivity in case of fiber breakage.
  • a second optical waveguide fiber into which a second, very low-power light source is coupled and detected at the outlet end, can be provided, as described in DE 40 107 89 A1.
  • Such an embedding of an electrical or "optical” wire is not or not consistently possible in a laser with an optical fiber link (especially if it is designed for high power), since such an electrical or optical wire can not be integrated in important fiber components such as a high power fiber coupler is.
  • Such a configuration thus relates to a focus in a light guide and the exit from the light guide, so the case of an interrupted beam, which is not present in a laser with a Lichtleitmaschineffle just.
  • the signals for the photodetectors are obtained directly at the input and the output end, for which purpose a specific preparation of the fiber ends is described in US Pat. No. 7,146,073.
  • Such a preparation precludes use of commercially available high performance fiber optic cable provided with standard plug dimensions.
  • it is known to carry out the measurement at the fiber input and at the fiber output in such a way that the signal is obtained as a function of direction at the fiber output in order to allow conclusions about the material processing process with regard to backreflection and defocusing US Pat. No. 5,319,195).
  • the measurement signal at the output end is further influenced by reflected light from the workpiece, which is taken into account here, but the evaluation still difficult.
  • 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 and which emits a second laser radiation via the outlet end in dependence on the coupled first laser radiation, a measuring unit which measures the laser radiation which emerges at a point lying between the inlet and the outlet end of the optical fiber path, and generates thereon 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 an actual signal based on the measurement signal of the measuring unit and constantly 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.
  • a decrease in the actual signal below the first limit indicates a loss of laser radiation in the optical fiber link, which z. B. occurs when the guided in the optical fiber laser radiation part of the optical fiber path thermally damaged 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.
  • the actual signal exceeds the second limit this shows z. For example, 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, if z. B. during material processing a highly reflective melt is formed.
  • damage that would cause the reflected back laser radiation can be prevented.
  • the second threshold is preferably greater than the first threshold.
  • 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.
  • the time between two monitoring times may be a few ps.
  • the time period between two monitoring times z. B. either always be the same or different.
  • control module can switch off the laser source by switching off the power supply to the laser source.
  • 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.
  • it is also sufficient to switch off the laser if the current is not switched off completely but is reduced to such an extent that the laser threshold is not reached.
  • the optical fiber path is preferably connected directly to the laser source, so that between Laser source and optical fiber link no free beam access is present.
  • free beam access is present in an optical telescope for coupling the radiation from one fiber into another fiber, since a device for coupling out a measuring beam can be provided in the collimated beam section.
  • 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.
  • 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. These can z. B. microscopic interference in the transition from the core to the jacket can be 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 can be intentionally bent so that due to the bending jacket 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 jacket light is decoupled.
  • the laser radiation measured by the measuring unit preferably exits transversely to the propagation direction of the laser radiation in the optical fiber path.
  • the decoupled laser radiation preferably has only a fraction of the average power of the laser radiation guided in the optical fiber path.
  • the fraction may be in the per thousand range.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the optical fiber link can be designed as a passive optical fiber link.
  • the first laser radiation of the laser source is guided over the optical fiber path, so that the second laser radiation decoupled via the outlet end of the optical fiber path corresponds to the first laser radiation.
  • the optical fiber link has an active fiber which is pumped with the laser radiation of the laser source.
  • a fiber laser is present, so that the decoupled second laser radiation is the laser radiation of the fiber laser and the coupled-in first laser radiation is the pump radiation of the fiber laser.
  • 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.
  • 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.
  • other laser sources are also possible which can be operated with electricity or are electrically pumpable.
  • 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.
  • 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, the mean laser power and thus also the risk of a defect in the optical fiber link increases.
  • the control module performs the increase of the first limit value with increasing pumping current such that the increase increases with increasing pumping current.
  • the control module can carry out the increase of the second limit value such that the increase of the second limit value decreases with increasing pumping current.
  • the increase for the second threshold value decreases as the increase continues, which in turn leads to better protection of the laser. So z. B. the width of the window defined by both limits decrease with increasing pumping current. Only when the actual value is in the window, the laser is not switched off.
  • the current supplied to the laser source can vary over time, in order, for. B. pulsed laser radiation or to vary the beam power in continuous wave mode.
  • 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 value are ideally adapted to the respective laser conditions and thus the first and / or second limit value can be selected very close to the actual value, so that the intended operation can be performed safely and at the same time the desired Security (ie the fast shutdown, if necessary) is guaranteed.
  • the laser is designed especially for high power. This is understood in particular to mean that the average power in continuous-wave operation or the pulse peak power in pulsed operation of the laser radiation emitted via the outlet end is at least 1 kW.
  • the optical fiber path may also be designed such that laser radiation emerges at several points between the inlet and the outlet end.
  • the measuring unit is preferably designed so that it respectively measures the emerging laser radiation at these multiple locations and generates corresponding measuring signals.
  • the control module then continuously determines a corresponding actual signal for each exit point on the basis of the measurement signals and continuously compares all actual signals with the first limit value and / or the second limit value. 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.
  • the optical fiber path can also be designed such that it has a plurality of light entry ends.
  • the exit end can also be used as entry end. This is the case, for example, with a double ended end-pumped fiber laser.
  • 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 can Have different wavelengths, so that a separation of the beam paths, for example, with a wavelength-selective mirror element is possible.
  • the laser can emit pulsed laser radiation or continuous wave radiation.
  • 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 depending on the coupled-in first laser radiation, a second laser radiation is output via the outlet end, wherein the laser source power is supplied 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.
  • 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.
  • a differential part leads to a faster shutdown in case of sudden deviations of the actual value from the target base value, d. H. with sudden deviations.
  • the destruction of the optical fiber path can be reliably prevented or at least an occurring destruction can be minimized.
  • the inventive method for operating a laser can be further developed so that the laser according to the invention can be operated including its developments.
  • the method according to the invention may contain the method steps described in connection with the laser according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic view of a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 is an enlarged schematic sectional view of a fiber optic element of
  • 3a-3c are diagrams for explaining the monitoring of the invention
  • Fig. 5a-5c are diagrams for explaining the monitoring of the invention
  • 6a-6c are diagrams for explaining the monitoring according to the invention.
  • Fig. 7 is a schematic representation of the signal acquisition and processing by the
  • Fig. 8 is a schematic representation for explaining the technical control
  • the optical fiber link may include optical fibers, optical fibers and optical cables or other fiber optic components.
  • the laser 1 has a laser source 2 with three laser diodes 3i, 3 2 and 3 3 , a current source 4 for operating the laser diodes 3 r 3 3 , an optical fiber link 5 and a control module 6.
  • the laser source 2 may also contain more than three or fewer than three laser diodes 3 3 3 .
  • the number of three laser diodes 3 3 3 is only an example.
  • the other end of the first optical fibers 7 7 3 is welded to second optical fibers 8 8 3 of a fiber coupler 9.
  • the fiber coupler 9 has on the output side, a third optical fiber 10, with their from the fiber coupler. 9 destructive end is welded to a fourth optical fiber 11, the third optical fiber 10 facing away from an exit end 12 of the optical fiber 5 forms.
  • the entrance end 13 of the optical fiber 5 is formed by the connected to the laser diode 3 3 3 ends of the first optical fiber 7 1 -7 3 .
  • the laser 1 further comprises a first and a second photodetector 14, 15, with which laterally from the optical fiber 5 between the inlet and outlet ends 13, 12 emerging laser radiation (indicated by arrows 16, 17) can be measured. This is used for a safety shutdown of the laser 1, as will be described in more detail below.
  • the measurement signals of the photodetectors 14, 15 are supplied to the control module 6.
  • the laser diodes 3 3 3 are supplied with current of the current source 4.
  • the series connection of the laser diodes 3 r 3 3 shown in FIG. 1 is only to be understood as an example. There are also other types of wiring possible. In particular, a parallel connection is possible.
  • the laser diodes By applying current, the laser diodes generate 3 3 3 laser radiation, which is coupled into the respective first optical fiber 7 7 3 and is guided over the fiber coupler 9 to the outlet end 12 of the optical fiber 5.
  • the optical fiber link 5 is formed purely passive. Thus, only the laser radiation of the laser diodes 3 3 3 is guided to the exit end 12.
  • a fiber laser is present whose laser radiation is emitted as desired laser radiation via the exit end 12.
  • the emerging at the outlet end 12 laser radiation 18 may, for. B.
  • the output current for the laser diodes 3 3 3 can be determined by the user of the laser 1 from the outside via a terminal 19 of the power source 4.
  • a closed beam guiding is present, since the laser beam of the laser diode 3 3 3 is directly coupled into the first optical fibers 7 1 -7 3, and the optical fibers 7 7 3 8 8 3, 10 and 11 by means of splices V1 and V2, in which the fiber end faces are welded together, are connected to each other and thus the laser radiation of the laser diode 3 3 3 is coupled via the outlet end 12 of the optical fiber 5.
  • the laser according to FIG. 1 can therefore also be referred to as an all-fiber laser.
  • the optical fibers 7 7 3 , 8 8 3 , 10 and 1 1 of the optical fiber 5 are fiber optic components that may differ depending on the specific implementation in detail, but are always similar in their basic structure. In Fig.
  • the optical fiber 2 is shown schematically in an enlarged sectional view of the basic structure of such an optical fiber having a step-shaped refractive index profile, wherein the optical fiber has a light-guiding core 20, which is usually formed of quartz glass.
  • the refractive index of the quartz glass of the core 20 is greater than the refractive index of the immediately adjacent shell 21, which leads to a total internal reflection at the boundary core-cladding and thus to the light-guiding property of the fiber.
  • the jacket 21 may be formed, for example, from fluorine-doped quartz glass.
  • a plastic layer 22 is applied to the casing 21, which is often referred to as a coating or buffer.
  • the plastic layer 22 may consist of a primary, soft coating 23 and a secondary, harder coating 24.
  • a secondary, harder coating 24 In the training as fiber optic cables still more sheaths are often provided to increase the robustness.
  • on fiber couplers may be omitted on the coating 22.
  • the optical fiber described in connection with FIG. 2 has a step-shaped refractive index profile between core 20 and cladding 21, so that such fibers are also frequently called step-index fibers. Instead of being formed as a step-index fiber, the optical fibers can also be designed as so-called gradient index fibers in which the refractive index continuously decreases towards the outside from the fiber center.
  • the optical fiber path 5 is subject to the risk of destruction, for example in the form of fiber breakage or thermally induced melting of a splice point V1, V2.
  • the laser radiation could emerge freely at least in the interior of the laser 1 and at the possible high power of, for example, 1 kW and more cause significant damage to the device and a threat to the operator.
  • the laser radiation 18 emitted via the exit end 12 can undesirably be reflected back into the optical fiber path 5 by the workpiece W to be machined, so that there is an undesired reverse propagation.
  • the fiber coupler 9 can have a significantly smaller destruction threshold for laser radiation in the opposite propagation direction than in the intended propagation direction. In order to prevent a destruction of the optical fiber link 5 and a risk to persons or at least to minimize the extent of destruction of the optical fiber link 5, the fact is exploited that a clear functional relationship between the generated laser power and the current supplied to operate the laser diode 3 3 3 is present.
  • a first limit value S s1 (t) is derived and a (first) actual signal S t) to be compared is derived from the read signal of the first photodetector 14 .
  • the first limit value S s (t), which may also be referred to as the first threshold value or the first setpoint value, and the actual signal Si (t), which may also be referred to as the actual value, are continuously compared with one another in the control module 6, and if the actual signal S ⁇ t) is smaller than the first threshold value S s i (t), causes the control module 6 via the power source 4, a shutdown of the laser 1.
  • Such a decrease in the actual signal Si (t) shows that the laser power in the optical fiber 5 "lost This occurs, for example, when melting begins at a splice connection V1, V2.
  • the control module 6 determines the first limit value S s1 (t), as shown schematically in FIG. 3 b.
  • the actual signal Si (t) determined by the control module 6 based on the measurement signal of the first photodetector 14 is shown in addition to the first limit value S s1 (t). Since this actual signal S ⁇ t) is always above the first limit value S s1 (t), the laser 1 is not switched off.
  • Fig. 3c is still another actual signal S ' ⁇ t) is shown, which is assumed that it at time t1 drops to the first threshold value S s . With such an actual signal S'i (t), the control module 6 switches off the current source 4 at the time t1, so that the laser diodes 3 3 3 are no longer supplied with current. This leads to the shutdown of the laser. 1
  • FIGS. 4a-4c show the case in which the operating current I is modulated as intended in terms of time. This then likewise leads to a time-modulated first limit value S s1 (t), as shown in FIG. 4 b.
  • the actual signal Si (t) should then have the same temporal modulation as long as the laser 1 has no error, as indicated in FIG. 4c.
  • a temporally constant first limit value would not make sense for this operation, since the intended temporal modulation of the actual signal Si (t) to a Fall below the temporally constant first limit would result, so that in an undesirable manner, the laser 1 would be turned off. In order to prevent this, the distance between the temporally constant first limit value and the expected actual signal would have to be so large that it would no longer be possible to reliably prevent or at least quickly prevent destruction of the optical fiber link 5.
  • the laser radiation detected by the first photodetector 14 is preferably decoupled in such a way that it is only a small fraction of the light from the laser radiation exiting via the exit end 12. Typically, the fraction is in the range of a few per thousand.
  • This can be achieved in particular by decoupling light from the cladding of the corresponding optical fiber.
  • microscopic perturbations in the transition from the core to the cladding can be provided.
  • known methods for generating cladding light can be used. For example, a small area of the fiber cladding can be roughened, whereby the cladding light is scattered out.
  • the control module 6 determines a second time-dependent actual signal which is continuously compared with the first limit value in the same way as the first actual signal. When the second actual signal drops to the first limit value, the control module 6 switches off the laser 1 for safety reasons.
  • a second limit value S s2 (t) which can also be referred to as the second threshold value or second setpoint value, can be determined, which is an upper limit for the actual value represents. If this upper limit is exceeded by the actual value, the control module 6 again performs a shutdown of the laser 1. In order to measure the laser radiation injected in the wrong direction, it is again possible to measure jacket light which arises when laser radiation reflected back from the workpiece W is coupled back into the optical fiber link 5 via the outlet end 12.
  • control module 6 determines, in addition to the first limit value S s1 (t), a second limit value S s2 (t) as an upper limit, which is shown in FIG. 5b in the same way as in FIG. 3b.
  • a window for the actual value Si is predetermined by the two limit values S s1 and S s2 . As long as the actual value lies in this window, the operation of the laser 1 as intended is assumed. If the actual value ST leaves this window, the laser 1 is switched off.
  • FIGS. 6a-6c show the case with the lower and upper limit values S s1 and S s2 in the case of a time-varying operating current I.
  • the corresponding time-varying actual value ST is within the window prescribed by the two limit values S s1 and S s2 , it is assumed that the operation is as intended and the laser is not switched off. Should the actual value Si reach the upper or lower limit (ie the first or second limit value S s1) S s2 ), the automatic switch-off takes place.
  • FIG. 7 schematically shows the signal acquisition and processing by the control module 6 for the case with the lower and upper limit values S s1 (t) and S s2 (t).
  • the control module 6 comprises a current detector 25 and a first to third electronic circuit 26, 27 and 28.
  • the current detector 25 determines based on the laser diode 3 3 3 supplied operating current l (t) a nominal base signal S 0 (t), for example, an electrical voltage signal is.
  • This nominal base signal S 0 (t) is supplied to the first electronic circuit 26, which determines therefrom the lower and upper limit values S s1 (t) and S s2 (t) according to the following formulas
  • 0W and AS hig h can be the same or different.
  • the values are suitably determined to realize the desired protective function.
  • 0W and AS high are selected smaller with increasing pumping current of the laser diodes 3 3 3 .
  • the higher risk of destruction with increasing laser power can be considered.
  • the relative inaccuracies just above the laser threshold are particularly high. In this operating range, therefore, there is a particular risk that it will lead to faulty laser shutdown, without a fiber defect is present. This can be counteracted by allowing a larger percentage deviation AS tow / S 0 and / or AShigh S 0 in the lower power range.
  • the second electronic circuit 27 generates based on the measurement signal supplied to the first photodetector 14, the first actual signal S ⁇ t), which in turn may be a voltage signal.
  • the first actual signal Si (t) and the two limit values S s1 (t) and S s2 (t) are supplied to the third electronic circuit 28, which performs the described comparison of the signals (eg according to FIGS. 5c and 6c) Output signal S out .
  • the third electronic circuit 28 may be formed, for example, as a window discminator, which compares the first actual signal Si (t) with the two limit values S s1 (t) and S s2 (t). Depending on the comparison result, the level of the output signal S ou t is generated. If the actual value is within the limits, the level of the output signal S ou t z. B. be low. If the actual signal is not within the limits, the level of the output signal S out may be high, which then causes the current source to be turned off.
  • the window discminator can 28 also be designed so that it only outputs the signal S out, when the actual-value signal Si (t) is not within the limits.
  • the current source is designed so that a shutdown is effected upon application of the signal S out .
  • the reaction time from the detection of a threshold value exceeding or threshold value undershooting to the switching off of the laser 1 essentially depends on the speed of the photodetectors 14, 15 and the electronics and software of the control module 6 processing the signals. Since laser-induced destruction is based on thermal effects, reaction times in the range of a few microseconds should be aimed for, in particular in the event of a preventive shutdown before the onset of fiber destruction. The need for microsecond response times can be estimated as greatly simplified as follows. If z. For example, if the fiber coupler 9 is considered critical, a small area V1 of approximately 0.01 mm 3 volume could be melted.
  • reaction time can be selected as long as the housing or other shields reliably prevent the leakage of laser radiation into the environment. These reaction times are then longer than the mentioned few microseconds in the case of the preventive shutdown of the laser.
  • Fig. 8 the control engineering view of another embodiment is shown schematically.
  • the control deviation Ri (t) is formed as the difference from the continuously monitored measured value of the power P (t) and the instantaneous desired base value S 0 (t) calculated from the laser current. From this, a proportional value is formed by multiplication by a coefficient P (coefficient for the proportional component) (indicated by block 30). Furthermore, an integral value (indicated by block 31) can be formed by the summation over previous control deviation values multiplied by an integral coefficient m. Further, by taking the difference between, for example, two consecutive control deviation values multiplied by a coefficient m d for the differential component, a differential value can be formed (by block 32 indicated).
  • the comparison of the actual signal S ⁇ 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), to which difference in the above-mentioned manner proportional, differential and integral parts are summed and this sum (actual value) S ⁇ t) are then compared with the permissible control deviations.
  • These control deviations are in each case the differences AS h i gh or AS

Abstract

The invention relates to a laser having a laser source (2), which can be operated with power and generates first laser radiation as a function of the power supply, and an optical fiber section (5) having an inlet and outlet end (13, 12), into which section the first laser radiation is coupled via the inlet end (13) and which outputs second laser radiation via the outlet end (12) as a function of the first laser radiation coupled in, a measuring unit (14, 15), which measures laser radiation that emerges at a point located between the inlet and outlet end (13, 12) of the optical fiber section (5) and, on the basis thereof, generates a measured signal, and a control module (6), which continuously determines a first limiting value (Ss1(t)) and/or a second limiting value (Ss2(t)) on the basis of the power supplied to the laser source (2), continuously determines an actual signal (S1(t)) on the basis of the measured signal from the measuring unit (14, 15), compares the actual signal (S1(t)) continuously with the first limiting value (Ss1(t)) and switches off the laser source (2) if the actual signal (S1(t)) is smaller than the first limiting value (Ss1(t)) and/or compares the actual signal (S1(t)) continuously with the second limiting value (Ss2(t)) and switches off the laser source (2) if the actual signal (S1(t)) is greater than the second limiting value.

Description

Laser mit überwachter Lichtleitfaserstrecke  Laser with monitored fiber optic path
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. 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. 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. 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, In the case of a laser with an optical fiber link, there is therefore the difficulty that destruction of the laser beam which is generated primarily in the forward direction and also by laser light reflected backwards, for example by the workpiece to be machined,
BESTÄTSGUNGS OPIE 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. CONFIRMATION OPIE can be caused. Since there are no freely accessible points for obtaining measurement signals in the optical fiber path 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 (US 4,883,054) sein, der bzw. die im Falle eines Faserbruchs die Leitfähigkeit ändert. Ferner kann eine zweite Lichtwellenleiterfaser, in die eine zweite, sehr leistungsschwache Lichtquelle eingekoppelt und am Austrittsende detektiert wird, vorgesehen werden, wie in der DE 40 107 89 A1 beschrieben ist. Eine derartige Einbettung eines elektrischen oder „optischen" Drahtes ist bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke (insbesondere wenn er für hohe Leistung ausgelegt ist) nicht oder nicht durchgängig möglich, da ein solcher elektrischer oder optischer Draht in wichtigen Faserkomponenten, wie einem Hochleistungsfaserkoppler, nicht integrierbar ist. It is known in light-conducting cables to detect the destruction (eg in the form of a fiber break) by embedding a detection wire running next to the light-guiding fiber. The detection wire may be a wire or a conductor track deposited on the primary coating of the fiber (US 4,883,054), which changes the conductivity in case of fiber breakage. Furthermore, a second optical waveguide fiber, into which a second, very low-power light source is coupled and detected at the outlet end, can be provided, as described in DE 40 107 89 A1. Such an embedding of an electrical or "optical" wire is not or not consistently possible in a laser with an optical fiber link (especially if it is designed for high power), since such an electrical or optical wire can not be integrated in important fiber components such as a high power fiber coupler is.
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 (DE 43 140 31 A1). Auch hier besteht jedoch die Schwierigkeit, dass speziell präparierte Glasfasern benötigt werden, die häufig bei einem Laser mit einer Lichtleitfaserstrecke (insbesondere für hohe Leistungen) nicht zum Einsatz kommen können. 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 (US 4,812,641) oder mit einem festgelegten Sollwert vergleicht (US 7,146,073). 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 US 7,146,073 eine spezielle Präparation der Faserenden beschrieben ist. Eine solche Präparation schließt eine Benutzung von kommerziell erhältlichen und mit genormten Steckerabmessungen versehenen Hochleistungslichtleitkabeln aus. 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 (US 5,319,195). Furthermore, it is known to monitor an optical waveguide by specially multilayer fiber layers, which can pass loss radiation through conversion processes from a first layer to a second layer, and which is then passed to a detector (DE 43 140 31 A1). Again, however, there is the difficulty that specially prepared glass fibers are needed, which often can not be used in a laser with an optical fiber link (especially for high power). Further, it is known to provide photodetectors for detecting stray light at the input and output ends of the fiber, respectively, in conjunction with suitable evaluation electronics which compares the two signals (US 4,812,641) or compares to a predetermined setpoint (US 7,146,073). Such a configuration thus relates to a focus in a light guide and the exit from the light guide, so the case of an interrupted beam, which is not present in a laser with a Lichtleitfaserstrecke just. In addition, the signals for the photodetectors are obtained directly at the input and the output end, for which purpose a specific preparation of the fiber ends is described in US Pat. No. 7,146,073. Such a preparation precludes use of commercially available high performance fiber optic cable provided with standard plug dimensions. Furthermore, it is known to carry out the measurement at the fiber input and at the fiber output in such a way that the signal is obtained as a function of direction at the fiber output in order to allow conclusions about the material processing process with regard to backreflection and defocusing (US Pat. No. 5,319,195).
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 reflected light from the workpiece, which is taken into account here, 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 and which emits a second laser radiation via the outlet end in dependence on the coupled first laser radiation, a measuring unit which measures the laser radiation which emerges at a point lying between the inlet and the outlet end of the optical fiber path, and generates thereon 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 an actual signal based on the measurement signal of the measuring unit and constantly 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. 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 erste Grenzwert. A decrease in the actual signal below the first limit indicates a loss of laser radiation in the optical fiber link, which z. B. occurs when the guided in the optical fiber laser radiation part of the optical fiber path thermally damaged 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. If the actual signal exceeds the second limit, this shows z. For example, 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, if z. B. 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 first 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 ps betragen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Zeitdauer zwischen zwei Überwachungszeitpunkten z. B. entweder jeweils immer gleich oder unterschiedlich sein kann. Under an ongoing monitoring is here understood in particular that the system is continuously monitored, for example, with an analog electronic circuit, or that the system is monitored at successive times, 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 between two monitoring times may be a few ps. For completeness, it should be mentioned that the time period between two monitoring times z. B. either always be 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. 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. 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. However, it is also sufficient to switch off the laser if the current is not switched off completely but is reduced to such an extent that the laser threshold is not reached. The optical fiber path is preferably connected directly to the laser source, so that between Laser source and optical fiber link no free beam access is present. 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 guidance. Under free-beam access is here z. B. understood that the laser radiation is conducted over a certain length in air, so that in this area z. B. a decoupling signal for decoupling a small proportion 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, free beam access is present in an optical telescope for coupling the radiation from one fiber into 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. These can z. B. microscopic interference in the transition from the core to the jacket can be 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 can be intentionally bent so that due to the bending jacket 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 jacket light is decoupled.
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. Bei dem erfindungsgemäßen Laser kann die Lichtleitfaserstrecke zumindest zwei miteinander verspleißte Lichtleitfasern aufweisen und die Messeinheit die an der Spleißstelle austretende Laserstrahlung messen. 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. 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. 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. 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 decoupled 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. 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. 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-in 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. 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 zunehmendem Pumpstrom den ersten und/oder zweiten Grenzwert erhöhen. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass mit zunehmendem Pumpstrom die mittlere Laserleistung und somit auch die Gefahr eines Defektes in der Lichtleitfaserstrecke steigt. 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 umso 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. 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, the mean laser power and thus also the risk of a defect in the optical fiber link increases. In particular, the control module performs the increase of the first limit value with increasing pumping current such that the increase increases with increasing pumping current. Thus, the larger the pumping current becomes, the greater the increase becomes, thereby providing better protection. Furthermore, the control module can carry out the increase of the second limit value such 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. So z. B. the width of the window defined by both limits 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 Dauerstrichbetrieb 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. 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. In the case of the laser according to the invention, the current supplied to the laser source can vary over time, in order, for. B. pulsed laser radiation or to vary the beam power in continuous wave mode. 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 value are ideally adapted to the respective laser conditions and thus the first and / or second limit value can be selected very close to the actual value, so that the intended operation can be performed safely and at the same time the desired Security (ie the fast shutdown, if necessary) is guaranteed. The laser is designed especially for high power. This is understood in particular to mean that the average power in continuous-wave operation or the pulse peak 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 may 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 respectively measures the emerging laser radiation at these multiple locations and generates corresponding measuring signals. The control module then continuously determines a corresponding actual signal for each exit point on the basis of the measurement signals and continuously compares all actual signals with the first limit value and / or the second limit value. 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 can 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 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 depending on the coupled-in first laser radiation, a second laser radiation is output via the outlet end, wherein the laser source power is supplied 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 part leads to a faster shutdown in case of sudden deviations of the actual value from the target base value, d. H. with 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 developed so that the laser according to the invention can be operated including its developments. In particular, the method according to the invention may contain the method steps described in connection with the laser according to the invention.
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 not only in the specified combinations, but also in others Combinations or alone can be used 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:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fig. 1 is a schematic view of a first embodiment of the invention
Lasers;  laser;
Fig. 2 eine vergrößerte schematische Schnittansicht eines faseroptischen Elements der  Fig. 2 is an enlarged schematic sectional view of a fiber optic element of
Lichtleitfaserstrecke des erfindungsgemäßen Lasers;  Optical fiber path of the laser according to the invention;
Fig. 3a-3c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der 3a-3c are diagrams for explaining the monitoring of the invention
Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß Fig. 1 ;  Optical fiber path of the laser according to Fig. 1;
Fig. 4a-4c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der 4a-4c are diagrams for explaining the monitoring of the invention
Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß Fig. 1 ;  Optical fiber path of the laser according to Fig. 1;
Fig. 5a-5c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der Fig. 5a-5c are diagrams for explaining the monitoring of the invention
Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß Fig. 1 ;  Optical fiber path of the laser according to Fig. 1;
Fig. 6a-6c Diagramme zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Überwachung der 6a-6c are diagrams for explaining the monitoring according to the invention
Lichtleitfaserstrecke des Lasers gemäß Fig. 1 ;  Optical fiber path of the laser according to Fig. 1;
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Signalgewinnung und -Verarbeitung durch das Fig. 7 is a schematic representation of the signal acquisition and processing by the
Steuermodul des erfindungsgemäßen Lasers, und  Control module of the laser according to the invention, and
Fig. 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der regeltechnischen Fig. 8 is a schematic representation for explaining the technical control
Verwirklichung der Überwachung der Lichtleitfaserstrecke.  Realization of the monitoring of the optical fiber link.
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 Figur 1 gezeigten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Laser 1 eine Laserquelle 2 mit drei Laserdioden 3i , 32 und 33, eine Stromquelle 4 zum Betreiben der Laserdioden 3r33, eine Lichtleitfaserstrecke 5 und ein Steuermodul 6 auf. Die Laserquelle 2 kann natürlich auch mehr als drei oder weniger als drei Laserdioden 3 33 enthalten. Die Anzahl von drei Laserdioden 3 33 ist nur beispielhaft. In the embodiment shown in FIG. 1, the laser 1 according to the invention has a laser source 2 with three laser diodes 3i, 3 2 and 3 3 , a current source 4 for operating the laser diodes 3 r 3 3 , an optical fiber link 5 and a control module 6. Of course, the laser source 2 may also contain more than three or fewer than three laser diodes 3 3 3 . The number of three laser diodes 3 3 3 is only an example.
Die Lichtleitfaserstrecke 5 weist für jede Laserdiode 3 33 eine erste Lichtleitfaser und somit hier drei erste Lichtleitfasern 7-, , 72 und 73 auf, wobei jede erste Lichtleitfaser 7 73 genau einer Laserdiode 3 33 so zugeordnet ist, dass ein erstes Ende jeder ersten Lichtleitfaser 7 73 mit der zugeordneten Laserdiode 3,-33 verbunden ist. Das andere Ende der ersten Lichtleitfasern 7 73 ist mit zweiten Lichtleitfasern 8 83 eines Faserkopplers 9 verschweißt. Der Faserkoppler 9 weist ausgangsseitig eine dritte Lichtleitfaser 10 auf, die mit ihrem vom Faserkoppler 9 wegweisenden Ende mit einer vierten Lichtleitfaser 11 verschweißt ist, deren der dritten Lichtleitfaser 10 abgewandtes Ende ein Austrittsende 12 der Lichtleitfaserstrecke 5 bildet. Das Eintrittsende 13 der Lichtleitfaserstrecke 5 wird durch die mit den Laserdioden 3 33 verbundenen Enden der ersten Lichtleitfaser 71-73 gebildet. The fiber span 5, for each laser diode 3 33 a first optical fiber and thus here three first optical fibers 7, 7 2 and 7 3, wherein each first optical fiber 7 7 3 is exactly assigned to a laser diode 3 3 3 so that a first end Each first optical fiber 7 7 3 with the associated laser diode 3, -33 is connected. The other end of the first optical fibers 7 7 3 is welded to second optical fibers 8 8 3 of a fiber coupler 9. The fiber coupler 9 has on the output side, a third optical fiber 10, with their from the fiber coupler. 9 groundbreaking end is welded to a fourth optical fiber 11, the third optical fiber 10 facing away from an exit end 12 of the optical fiber 5 forms. The entrance end 13 of the optical fiber 5 is formed by the connected to the laser diode 3 3 3 ends of the first optical fiber 7 1 -7 3 .
Der Laser 1 umfasst ferner einen ersten und einen zweiten Fotodetektor 14, 15, mit denen seitlich aus der Lichtleitfaserstrecke 5 zwischen Eintritts- und Austrittsende 13, 12 austretende Laserstrahlung (durch Pfeile 16, 17 angedeutet) gemessen werden kann. Dies wird für eine Sicherheitsabschaltung des Lasers 1 genutzt, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben werden wird. Die Messsignale der Fotodetektoren 14, 15 werden dem Steuermodul 6 zugeführt. The laser 1 further comprises a first and a second photodetector 14, 15, with which laterally from the optical fiber 5 between the inlet and outlet ends 13, 12 emerging laser radiation (indicated by arrows 16, 17) can be measured. This is used for a safety shutdown of the laser 1, as will be described in more detail below. The measurement signals of the photodetectors 14, 15 are supplied to the control module 6.
Zum Betrieb des Lasers 1 werden die Laserdioden 3 33 mit Strom der Stromquelle 4 beaufschlagt. Die in Fig. 1 gezeigte Serienschaltung der Laserdioden 3r33 ist nur beispielhaft zu verstehen. Es sind auch andere Arten der Beschaltung möglich. Insbesondere ist eine Parallelschaltung möglich. For operation of the laser 1, the laser diodes 3 3 3 are supplied with current of the current source 4. The series connection of the laser diodes 3 r 3 3 shown in FIG. 1 is only to be understood as an example. There are also other types of wiring possible. In particular, a parallel connection is possible.
Durch die Beaufschlagung mit Strom erzeugen die Laserdioden 3 33 Laserstrahlung, die in die jeweilige erste Lichtleitfaser 7 73 eingekoppelt wird und über den Faserkoppler 9 bis zum Austrittsende 12 der Lichtleitfaserstrecke 5 geführt wird. In der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Lichtleitfaserstrecke 5 rein passiv ausgebildet. Es wird somit nur die Laserstrahlung der Laserdioden 3 33 bis zum Austrittsende 12 geführt. Es ist jedoch auch möglich, in der Lichtleitfaserstrecke 5 eine aktive Faser anzuordnen, die mit der Laserstrahlung der Laserdioden 3 33 gepumpt wird. In diesem Fall liegt ein Faserlaser vor, dessen Laserstrahlung als gewünschte Laserstrahlung über das Austrittsende 12 abgegeben wird. Die am Austrittsende 12 austretende Laserstrahlung 18 kann z. B. zum Schneiden, Schweißen oder Härten von verschiedenartigen Werkstücken W eingesetzt werden und weist hier eine mittlere Leistung von mindestens 1 kW auf. Der abzugebende Strom für die Laserdioden 3 33 kann vom Anwender des Lasers 1 von außen über einen Anschluss 19 der Stromquelle 4 bestimmt werden. By applying current, the laser diodes generate 3 3 3 laser radiation, which is coupled into the respective first optical fiber 7 7 3 and is guided over the fiber coupler 9 to the outlet end 12 of the optical fiber 5. In the embodiment described here, the optical fiber link 5 is formed purely passive. Thus, only the laser radiation of the laser diodes 3 3 3 is guided to the exit end 12. However, it is also possible to arrange an optical fiber in the optical fiber 5, which is pumped with the laser radiation of the laser diode 3 3 3 . In this case, a fiber laser is present whose laser radiation is emitted as desired laser radiation via the exit end 12. The emerging at the outlet end 12 laser radiation 18 may, for. B. for cutting, welding or hardening of various workpieces W are used and here has an average power of at least 1 kW. The output current for the laser diodes 3 3 3 can be determined by the user of the laser 1 from the outside via a terminal 19 of the power source 4.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Laser liegt eine geschlossene Strahlführung vor, da die Laserstrahlung der Laserdioden 3 33 direkt in die ersten Lichtleitfasern 71-73 eingekoppelt wird und die Lichtleitfasern 7 73, 8 83, 10 und 11 mittels Spleißverbindungen V1 und V2, bei denen die Faserendflächen miteinander verschweißt sind, miteinander verbunden sind und somit die Laserstrahlung der Laserdioden 3 33 über das Austrittsende 12 der Lichtleitfaserstrecke 5 ausgekoppelt wird. Der Laser gemäß Fig. 1 kann daher auch als All-Fiber-Laser bezeichnet werden. Die Lichtleitfasern 7 73, 8 83, 10 und 1 1 der Lichtleitfaserstrecke 5 sind faseroptische Bauteile, die sich je nach konkreter Ausführung im Detail unterscheiden können, jedoch in ihrem Grundaufbau stets ähnlich sind. In Fig. 2 ist schematisch in einer vergrößerten Schnittdarstellung der Grundaufbau für eine solche Lichtleitfaser mit einem stufenförmigen Brechzahlprofil dargestellt, wobei die Lichtleitfaser einen lichtführenden Kern 20 aufweist, der üblicherweise aus Quarzglas gebildet ist. Die Brechzahl des Quarzglases des Kernes 20 ist größer als die Brechzahl des unmittelbar angrenzenden Mantels 21 , wodurch es zu einer inneren Totalreflexion an der Grenze Kern- Mantel und damit zu der lichtführenden Eigenschaft der Faser kommt. Der Mantel 21 kann beispielsweise aus fluordotiertem Quarzglas gebildet sein. In the example shown in Fig. 1 Laser a closed beam guiding is present, since the laser beam of the laser diode 3 3 3 is directly coupled into the first optical fibers 7 1 -7 3, and the optical fibers 7 7 3 8 8 3, 10 and 11 by means of splices V1 and V2, in which the fiber end faces are welded together, are connected to each other and thus the laser radiation of the laser diode 3 3 3 is coupled via the outlet end 12 of the optical fiber 5. The laser according to FIG. 1 can therefore also be referred to as an all-fiber laser. The optical fibers 7 7 3 , 8 8 3 , 10 and 1 1 of the optical fiber 5 are fiber optic components that may differ depending on the specific implementation in detail, but are always similar in their basic structure. In Fig. 2 is shown schematically in an enlarged sectional view of the basic structure of such an optical fiber having a step-shaped refractive index profile, wherein the optical fiber has a light-guiding core 20, which is usually formed of quartz glass. The refractive index of the quartz glass of the core 20 is greater than the refractive index of the immediately adjacent shell 21, which leads to a total internal reflection at the boundary core-cladding and thus to the light-guiding property of the fiber. The jacket 21 may be formed, for example, from fluorine-doped quartz glass.
Um die Faser biegsam und mechanisch robust zu machen, ist auf dem Mantel 21 eine Kunststoffschicht 22 aufgebracht, die häufig als Coating oder Buffer bezeichnet wird. Die Kunststoffschicht 22 kann aus einem primären, weichen Coating 23 und einem sekundären, härteren Coating 24 bestehen. Bei der Ausbildung als Lichtleitkabel sind häufig zur Erhöhung der Robustheit noch weitere Ummantelungen vorgesehen. Andererseits kann z. B. bei Faserkopplern unter Umständen auf das Coating 22 verzichtet werden. Die in Verbindung mit Figur 2 beschriebene Lichtleitfaser weist zwischen Kern 20 und Mantel 21 ein stufenförmiges Brechzahlprofil auf, so dass solche Fasern auch häufig Stufenindexfasern genannt werden. Statt der Ausbildung als Stufenindexfaser können die Lichtleitfasern auch als sogenannte Gradientenindexfasern ausgebildet sein, bei denen die Brechzahl vom Faserzentrum kontinuierlich nach außen hin abnimmt. In order to make the fiber pliable and mechanically robust, a plastic layer 22 is applied to the casing 21, which is often referred to as a coating or buffer. The plastic layer 22 may consist of a primary, soft coating 23 and a secondary, harder coating 24. In the training as fiber optic cables still more sheaths are often provided to increase the robustness. On the other hand, for. B. on fiber couplers may be omitted on the coating 22. The optical fiber described in connection with FIG. 2 has a step-shaped refractive index profile between core 20 and cladding 21, so that such fibers are also frequently called step-index fibers. Instead of being formed as a step-index fiber, the optical fibers can also be designed as so-called gradient index fibers in which the refractive index continuously decreases towards the outside from the fiber center.
Da der Laser 1 die beschriebene geschlossene Strahlführung aufweist, unterliegt die Lichtleitfaserstrecke 5 dem Risiko einer Zerstörung beispielsweise in Form eines Faserbruchs oder eines thermisch bedingten Aufschmelzens einer Spleißstelle V1 , V2. Im Fall einer solchen Zerstörung könnte die Laserstrahlung zumindest im Gerätinneren des Lasers 1 frei austreten und bei den möglichen hohen Leistungen von beispielsweise 1 kW und mehr erhebliche Schäden im Gerät und eine Gefährdung des Bedienpersonals bewirken. Since the laser 1 has the described closed beam guidance, the optical fiber path 5 is subject to the risk of destruction, for example in the form of fiber breakage or thermally induced melting of a splice point V1, V2. In the case of such destruction, the laser radiation could emerge freely at least in the interior of the laser 1 and at the possible high power of, for example, 1 kW and more cause significant damage to the device and a threat to the operator.
Ferner kann in unerwünschter Weise die über das Austrittsende 12 abgegebene Laserstrahlung 18 vom zu bearbeitenden Werkstück W zurück in die Lichtleitfaserstrecke 5 reflektiert werden, so dass eine unerwünschte Rückwärtspropagation vorliegt. Gerade der Faserkoppler 9 kann für Laserstrahlung in umgekehrter Ausbreitungsrichtung eine bedeutend kleinere Zerstörungsschwelle aufweisen als in der bestimmungsgemäßen Ausbreitungsrichtung. Um eine Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke 5 und eine Gefährdung von Personen zu verhindern oder zumindest den Umfang der Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke 5 zu minimieren, wird die Tatsache ausgenutzt, dass ein eindeutiger funktionaler Zusammenhang zwischen der erzeugten Laserleistung und dem zugeführten Strom zum Betreiben der Laserdioden 3 33 vorliegt. Dies wird in der Art genutzt, dass basierend auf dem Strom zum Betreiben der Laserdioden 3 33 ein erster Grenzwert Ss1 (t) abgeleitet und ein damit zu vergleichendes (erstes) Istsignal S^t) aus dem esssignal des ersten Fotodetektors 14 abgeleitet wird. Der erste Grenzwert Ss (t), der auch als erster Schwellwert oder erster Sollwert bezeichnet werden kann, und das Istsignal S-i(t), das auch als Istwert bezeichnet werden kann, werden im Steuermodul 6 laufend miteinander verglichen, und wenn das Istsignal S^t) kleiner wird als der erste Grenzwert Ssi(t), bewirkt das Steuermodul 6 über die Stromquelle 4 ein Abschalten des Lasers 1. Ein solches Absinken des Istsignals S-i(t) zeigt nämlich, dass Laserleistung in der Lichtleiterfaserstrecke 5„verloren geht". Dies tritt z. B. dann ein, wenn ein Aufschmelzen an einer Spleißverbindung V1 , V2 beginnt. Furthermore, the laser radiation 18 emitted via the exit end 12 can undesirably be reflected back into the optical fiber path 5 by the workpiece W to be machined, so that there is an undesired reverse propagation. Especially the fiber coupler 9 can have a significantly smaller destruction threshold for laser radiation in the opposite propagation direction than in the intended propagation direction. In order to prevent a destruction of the optical fiber link 5 and a risk to persons or at least to minimize the extent of destruction of the optical fiber link 5, the fact is exploited that a clear functional relationship between the generated laser power and the current supplied to operate the laser diode 3 3 3 is present. This is used in such a way that, based on the current for operating the laser diodes 3 3 3, a first limit value S s1 (t) is derived and a (first) actual signal S t) to be compared is derived from the read signal of the first photodetector 14 , The first limit value S s (t), which may also be referred to as the first threshold value or the first setpoint value, and the actual signal Si (t), which may also be referred to as the actual value, are continuously compared with one another in the control module 6, and if the actual signal S ^ t) is smaller than the first threshold value S s i (t), causes the control module 6 via the power source 4, a shutdown of the laser 1. Such a decrease in the actual signal Si (t) shows that the laser power in the optical fiber 5 "lost This occurs, for example, when melting begins at a splice connection V1, V2.
Diese Art der Regelung bzw. der Überwachung des Lasers 1 soll nachfolgend detailliert in Verbindung mit Figuren 3a-3c beschrieben werden. Es wird angenommen, dass der Betriebsstrom l(t) zum Betreiben der Laserdioden 3 33 zeitlich konstant ist, wie in Fig. 3a dargestellt ist. This type of regulation or monitoring of the laser 1 will be described in detail below in conjunction with FIGS. 3a-3c. It is assumed that the operating current I (t) for operating the laser diodes 3 3 3 is constant in time, as shown in Fig. 3a.
Basierend auf diesem zeitlich konstanten Betriebsstrom l(t) bestimmt das Steuermodul 6 den ersten Grenzwert Ss1(t), wie es in Fig. 3b schematisch dargestellt ist. Based on this temporally constant operating current I (t), the control module 6 determines the first limit value S s1 (t), as shown schematically in FIG. 3 b.
In Figur 3c ist zusätzlich zu dem ersten Grenzwert Ss1(t) das vom Steuermodul 6 basierend auf dem Messsignal des ersten Fotodetektors 14 ermittelte Istsignal S-i(t) eingezeichnet. Da dieses Istsignal S^t) stets oberhalb des ersten Grenzwertes Ss1(t) liegt, wird der Laser 1 nicht abgeschaltet. In Fig. 3c ist noch ein weiteres Istsignal S'^t) eingezeichnet, von dem angenommen wird, dass es zum Zeitpunkt t1 bis auf den ersten Grenzwert Ss absinkt. Bei einem solchen Istsignal S'i(t) schaltet das Steuermodul 6 zum Zeitpunkt t1 die Stromquelle 4 ab, so dass die Laserdioden 3 33 nicht mehr mit Strom beaufschlagt werden. Dies führt zum Abschalten des Lasers 1. In FIG. 3c, the actual signal Si (t) determined by the control module 6 based on the measurement signal of the first photodetector 14 is shown in addition to the first limit value S s1 (t). Since this actual signal S ^ t) is always above the first limit value S s1 (t), the laser 1 is not switched off. In Fig. 3c is still another actual signal S '^ t) is shown, which is assumed that it at time t1 drops to the first threshold value S s . With such an actual signal S'i (t), the control module 6 switches off the current source 4 at the time t1, so that the laser diodes 3 3 3 are no longer supplied with current. This leads to the shutdown of the laser. 1
In Figuren 4a-4c ist der Fall gezeigt, bei dem der Betriebsstrom I bestimmungsgemäß zeitlich moduliert wird. Dies führt dann ebenfalls zu einem zeitlich modulierten ersten Grenzwert Ss1(t), wie in Fig. 4b gezeigt ist. Beim normalen Betrieb des Lasers 1 sollte dann auch das Istsignal Si(t) die gleiche zeitliche Modulation aufweisen, sofern der Laser 1 keinen Fehler aufweist, wie dies in Figur 4c angedeutet ist. Ein zeitlich konstanter erster Grenzwert wäre für diesen Betrieb nicht sinnvoll, da die bestimmungsgemäße zeitliche Modulation des Istsignals S-i(t) zu einem Unterschreiten des zeitlich konstanten ersten Grenzwertes führen würde, so dass in unerwünschter Weise der Laser 1 abgeschaltet werden würde. Um dies zu verhindern, müsste der Abstand des zeitlich konstanten ersten Grenzwertes vom zu erwartenden Istsignal so groß gewählt werden, dass damit nicht mehr sicher eine Zerstörung der Lichtleitfaserstrecke 5 verhindert oder zumindest schnell unterbunden werden kann. FIGS. 4a-4c show the case in which the operating current I is modulated as intended in terms of time. This then likewise leads to a time-modulated first limit value S s1 (t), as shown in FIG. 4 b. During normal operation of the laser 1, the actual signal Si (t) should then have the same temporal modulation as long as the laser 1 has no error, as indicated in FIG. 4c. A temporally constant first limit value would not make sense for this operation, since the intended temporal modulation of the actual signal Si (t) to a Fall below the temporally constant first limit would result, so that in an undesirable manner, the laser 1 would be turned off. In order to prevent this, the distance between the temporally constant first limit value and the expected actual signal would have to be so large that it would no longer be possible to reliably prevent or at least quickly prevent destruction of the optical fiber link 5.
Die von dem ersten Fotodetektor 14 detektierte Laserstrahlung wird bevorzugt in der Weise ausgekoppelt, dass sie nur einen kleinen Bruchteil des Lichtes von der über das Austrittsende 12 austretenden Laserstrahlung beträgt. Typischerweise liegt der Bruchteil im Bereich von wenigen Promille. Dies kann insbesondere durch Auskoppeln von Licht aus dem Mantel der entsprechenden Lichtleitfaser erzielt werden. Für eine solche Auskopplung können mikroskopisch kleine Störungen im Übergang vom Kern zum Mantel vorgesehen werden. Des Weiteren können bekannte Methoden zum Erzeugen von Mantellicht eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein kleiner Bereich des Fasermantels aufgerauht werden, wodurch das Mantellicht herausgestreut wird. 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. Ferner kann auch das an den Spleißstellen V1 , V2 entstehende Streulicht detektiert werden. Dies ist in Fig. 1 für die Spleißstelle V1 angedeutet, wobei das entsprechende Streulicht 17 mittels des zweiten Detektors 15 gemessen wird. Basierend auf dem Messsignal des zweiten Detektors 15 ermittelt das Steuermodul 6 ein zweites zeitabhängiges Istsignal, das in gleicher Weise wie das erste Istsignal mit dem ersten Grenzwert laufend verglichen wird. Wenn das zweite Istsignal auf den ersten Grenzwert absinkt, schaltet das Steuermodul 6 den Laser 1 aus Sicherheitsgründen aus. The laser radiation detected by the first photodetector 14 is preferably decoupled in such a way that it is only a small fraction of the light from the laser radiation exiting via the exit end 12. Typically, the fraction is in the range of a few per thousand. This can be achieved in particular by decoupling light from the cladding of the corresponding optical fiber. For such decoupling, microscopic perturbations in the transition from the core to the cladding can be provided. Furthermore, known methods for generating cladding light can be used. For example, a small area of the fiber cladding can be roughened, whereby the cladding light is scattered out. It is also possible to apply to the lateral surface a medium which has a higher refractive index than the cladding, so that no total reflection takes place at the interface between the cladding and the applied medium. Furthermore, the scattered light produced at the splices V1, V2 can also be detected. This is indicated in Fig. 1 for the splice point V1, wherein the corresponding scattered light 17 is measured by means of the second detector 15. Based on the measurement signal of the second detector 15, the control module 6 determines a second time-dependent actual signal which is continuously compared with the first limit value in the same way as the first actual signal. When the second actual signal drops to the first limit value, the control module 6 switches off the laser 1 for safety reasons.
Um auch die Gefahr von in der falschen Richtung eingekoppelter Laserstrahlung in die Lichtleitfaserstrecke 5 zu minimieren, kann ein zweiter Grenzwert Ss2(t), der auch als zweiter Schwellwert oder zweiter Sollwert bezeichnet werden kann, bestimmt werden, der eine obere Grenze für den Istwert darstellt. Wenn diese obere Grenze durch den Istwert überschritten wird, führt das Steuermodul 6 wiederum ein Abschalten des Lasers 1 durch. Zur Messung der in falscher Richtung eingekoppelten Laserstrahlung kann wiederum Mantellicht gemessen werden, das entsteht, wenn von dem Werkstück W zurückreflektierte Laserstrahlung über das Austrittsende 12 in die Lichtleitfaserstrecke 5 wieder eingekoppelt wird. Da in diesem Fall in der Regel keine optimalen Einkoppelbedingungen hinsichtlich der numerischen Apertur der Faser und/oder hinsichtlich Spotgröße und Einfallswinkel in den Faserkern vorliegen, wird ein Überstrahlen stattfinden, das detektiert werden kann. Diese Art des Sicherheitsabschaltens des Lasers 1 soll nachfolgend noch genauer beschrieben werden. In Figur 5a ist in gleicher Weise wie in Figur 3a der zeitliche Verlauf des Stroms für die Laserdioden 3 33 dargestellt, wobei hier von einem zeitlich konstanten Strom ausgegangen wird. In order to minimize the risk of laser radiation coupled into the optical fiber link 5 in the wrong direction, a second limit value S s2 (t), which can also be referred to as the second threshold value or second setpoint value, can be determined, which is an upper limit for the actual value represents. If this upper limit is exceeded by the actual value, the control module 6 again performs a shutdown of the laser 1. In order to measure the laser radiation injected in the wrong direction, it is again possible to measure jacket light which arises when laser radiation reflected back from the workpiece W is coupled back into the optical fiber link 5 via the outlet end 12. Since, in this case, there are generally no optimum coupling-in conditions with regard to the numerical aperture of the fiber and / or with regard to spot size and angle of incidence in the fiber core, overblasting will take place, which can be detected. This type of safety shutdown of the laser 1 will be described in more detail below. In FIG. 5 a, the time profile of the current for the laser diodes 3 3 3 is shown in the same way as in FIG. 3 a , with a current that is constant over time being assumed here.
Basierend auf diesem Strom ermittelt das Steuermodul 6 neben dem ersten Grenzwert Ss1(t) einen zweiten Grenzwert Ss2(t) als obere Grenze, die in Figur 5b in gleicher Weise wie in Fig. 3b eingezeichnet sind. Based on this current, the control module 6 determines, in addition to the first limit value S s1 (t), a second limit value S s2 (t) as an upper limit, which is shown in FIG. 5b in the same way as in FIG. 3b.
Solange der Istwert S^t) zwischen den beiden Grenzwerten Ss1 und Ss2 liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen und ordnungsgemäßen Betrieb des Lasers 1 ausgegangen. Sollte jedoch der Istwert S"i über den zweiten Grenzwert Ss2 steigen, wie in Figur 5c angedeutet ist, schaltet das Steuermodul 6 den Laser 1 durch Unterbinden der Stromzufuhr ab. Dies ist bei der Darstellung gemäß Figur 5c zum Zeitpunkt t2 der Fall. As long as the actual value S ^ t) lies between the two limit values S s1 and S s2 , the operation of the laser 1 as intended and proper is assumed. If, however, the actual value S "i rises above the second limit value S s2 , as indicated in FIGURE 5c, the control module 6 shuts off the laser 1 by inhibiting the current supply.This is the case in the illustration according to FIG.
In gleicher Weise findet ein Abschalten statt, falls der Istwert 8Ί den ersten Grenzwert Ss1 erreicht. Dies ist gemäß der Darstellung von Fig. 5c zum Zeitpunkt t1 der Fall. In the same way, a shutdown takes place if the actual value 8Ί reaches the first limit value S s1 . This is the case according to the representation of FIG. 5c at the time t1.
Durch die beiden Grenzwerte Ss1 und Ss2 wird somit ein Fenster für den Istwert Si vorgegeben. Solange der Istwert in diesem Fenster liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Lasers 1 ausgegangen. Sollte der Istwert ST dieses Fenster verlassen, wird der Laser 1 abgeschaltet. Thus, a window for the actual value Si is predetermined by the two limit values S s1 and S s2 . As long as the actual value lies in this window, the operation of the laser 1 as intended is assumed. If the actual value ST leaves this window, the laser 1 is switched off.
In Figuren 6a-6c ist der Fall mit dem unteren und oberen Grenzwert Ss1 und Ss2 für den Fall eines zeitlich variierenden Betriebsstromes I dargestellt. Solange der entsprechende zeitlich variierende Istwert ST innerhalb des durch die beiden Grenzwerte Ss1 und Ss2 vorgegebenen Fensters liegt, wird von einem bestimmungsgemäßen Betrieb ausgegangen und der Laser nicht abgeschaltet. Sollte der Istwert Si die obere oder untere Grenze (also den ersten oder zweiten Grenzwert Ss1) Ss2) erreichen, findet die automatische Abschaltung statt. FIGS. 6a-6c show the case with the lower and upper limit values S s1 and S s2 in the case of a time-varying operating current I. As long as the corresponding time-varying actual value ST is within the window prescribed by the two limit values S s1 and S s2 , it is assumed that the operation is as intended and the laser is not switched off. Should the actual value Si reach the upper or lower limit (ie the first or second limit value S s1) S s2 ), the automatic switch-off takes place.
Natürlich ist es möglich, den Laser 1 so auszubilden, dass nur ein Vergleich des Istwertes ST mit dem zweiten Grenzwert Ss2 durchgeführt wird. Of course, it is possible to design the laser 1 such that only a comparison of the actual value ST with the second limit value S s2 is performed.
In Figur 7 ist schematisch die Signalgewinnung und -Verarbeitung durch das Steuermodul 6 für den Fall mit dem unteren und oberen Grenzwert Ss1(t) und Ss2(t) dargestellt. Das Steuermodul 6 umfasst einen Stromdetektor 25 sowie eine erste bis dritte elektronische Schaltung 26, 27 und 28. Der Stromdetektor 25 ermittelt anhand des den Laserdioden 3 33 zugeführten Betriebsstroms l(t) ein Sollbasissignal S0(t), das beispielsweise ein elektrisches Spannungssignal ist. Dieses Sollbasissignal S0(t) wird der ersten elektronischen Schaltung 26 zugeführt, die daraus den unteren und oberen Grenzwert Ss1(t) und Ss2(t) gemäß folgenden Formeln ermittelt FIG. 7 schematically shows the signal acquisition and processing by the control module 6 for the case with the lower and upper limit values S s1 (t) and S s2 (t). The control module 6 comprises a current detector 25 and a first to third electronic circuit 26, 27 and 28. The current detector 25 determines based on the laser diode 3 3 3 supplied operating current l (t) a nominal base signal S 0 (t), for example, an electrical voltage signal is. This nominal base signal S 0 (t) is supplied to the first electronic circuit 26, which determines therefrom the lower and upper limit values S s1 (t) and S s2 (t) according to the following formulas
Ssi(t) = S0(t) - ASIOw Ssi (t) = S 0 (t) - AS IO w
Ss2(t) = S0(t) + AShigh S s2 (t) = S 0 (t) + AS high
Die Werte für AS|0W und AShigh können gleich oder auch unterschiedlich sein. Die Werte sind geeignet bestimmt, um die gewünschte Schutzfunktion zu realisieren. Insbesondere können die Werte AS|0W und AShigh mit steigendem Pumpstrom der Laserdioden 3 33 kleiner gewählt werden. Dadurch kann die höhere Zerstörungsgefahr bei steigender Laserleistung berücksichtigt werden. Außerdem ist zu bedenken, dass die relativen Messungenauigkeiten knapp über der Laserschwelle besonders hoch sind. In diesem Betriebsbereich besteht deshalb in besonderem Maße die Gefahr, dass es zur fehlerhaften Laserabschaltung kommt, ohne dass ein Faserdefekt vorliegt. Dem kann dadurch begegnet werden, dass im unteren Leistungsbereich eine betragsmäßig größere prozentuale Abweichung AStow / S0 und/oder AShigh S0 zugelassen wird. Es kann, muss aber nicht, sogar eine größere absolute Abweichung für AS|0W und AShigh im Bereich knapp über der Laserschwelle zugelassen werden im Vergleich zum Betrieb bei Nennleistung. Die zweite elektronische Schaltung 27 erzeugt basierend auf dem ihr zugeführten Messsignal des ersten Fotodetektors 14 das erste Istsignal S^t), das wiederum ein Spannungssignal sein kann. The values for AS | 0W and AS hig h can be the same or different. The values are suitably determined to realize the desired protective function. In particular, the values AS | 0W and AS high are selected smaller with increasing pumping current of the laser diodes 3 3 3 . Thus, the higher risk of destruction with increasing laser power can be considered. It should also be noted that the relative inaccuracies just above the laser threshold are particularly high. In this operating range, therefore, there is a particular risk that it will lead to faulty laser shutdown, without a fiber defect is present. This can be counteracted by allowing a larger percentage deviation AS tow / S 0 and / or AShigh S 0 in the lower power range. It may, but need not, even have a greater absolute deviation for AS | 0W and AS high in the range just above the laser threshold are allowed compared to the operation at rated power. The second electronic circuit 27 generates based on the measurement signal supplied to the first photodetector 14, the first actual signal S ^ t), which in turn may be a voltage signal.
Das erste Istsignal Si(t) sowie die beiden Grenzwerte Ss1(t) und Ss2(t) werden der dritten elektronischen Schaltung 28 zugeführt, die den beschriebenen Vergleich der Signale (z. B. gemäß Figuren 5c und 6c) durchführt und ein Ausgangssignal Sout ausgibt. The first actual signal Si (t) and the two limit values S s1 (t) and S s2 (t) are supplied to the third electronic circuit 28, which performs the described comparison of the signals (eg according to FIGS. 5c and 6c) Output signal S out .
Die dritte elektronische Schaltung 28 kann beispielsweise als Fensterdisknminator ausgebildet sein, der das erste Istsignal Si(t) mit den beiden Grenzwerten Ss1(t) und Ss2(t) vergleicht. Je nach Vergleichsresultat wird der Pegel des Ausgangssignals Sout erzeugt. Wenn der Istwert innerhalb der Grenzen liegt, kann der Pegel des Ausgangssignals Sout z. B. niedrig sein. Wenn das Istsignal nicht innerhalb der Grenzen liegt, kann der Pegel des Ausgangssignals Sout hoch sein, was dann ein Abschalten der Stromquelle bewirkt. Natürlich kann der Fensterdisknminator 28 auch so ausgebildet sein, dass er das Signal Sout nur ausgibt, wenn das Istsignal S-i(t) nicht innerhalb der Grenzen liegt. In diesem Fall ist die Stromquelle so ausgebildet, dass bei Anlegen des Signals Sout ein Abschalten bewirkt wird. Die Reaktionszeit von der Detektion einer Schwellwertüberschreitung bzw. Schwellwertunterschreitung bis zum Abschalten des Lasers 1 hängt im Wesentlichen von der Geschwindigkeit der Fotodetektoren 14, 15 und der die Signale verarbeitende Elektronik und Software des Steuermoduls 6 ab. Da eine laserstrahlinduzierte Zerstörung auf thermischen Effekten beruht, sind Reaktionszeiten im Bereich von einigen Mikrosekunden anzustreben, insbesondere für den Fall einer präventiven Abschaltung vor Einsetzen einer Faserzerstörung. Die Notwendigkeit von Reaktionszeiten im Bereich von Mikrosekunden kann wie folgt stark vereinfacht abgeschätzt werden. Wenn z. B. der Faserkoppler 9 als kritische Stelle angesehen wird, könnte ein kleiner Bereich V1 von schätzungsweise 0,01 mm3 Volumeninhalt aufgeschmolzen werden. Dazu muss eine Wärmeenergie Q=p V c ΔΤ eingebracht werden, bei einer Dichte des Quarzglases p=2,2g/cm3, einer Wärmekapazität von c=1 J/(gK) und einem Schmelzpunkt des Quarzglases von etwa 1660 °C. Es ergibt sich somit eine Wärmeenergie Q von ungefähr 0,03 J = 0,03 Ws. Bei vollständiger Absorption der Laserstrahlung muss eine Laserleistung von P=1 kW ca. 30 με lang einwirken, um diese Wärmeenergie zu deponieren. Daher sollte die Reaktionszeit im Bereich von einigen Mikrosekunden liegen. The third electronic circuit 28 may be formed, for example, as a window discminator, which compares the first actual signal Si (t) with the two limit values S s1 (t) and S s2 (t). Depending on the comparison result, the level of the output signal S ou t is generated. If the actual value is within the limits, the level of the output signal S ou t z. B. be low. If the actual signal is not within the limits, the level of the output signal S out may be high, which then causes the current source to be turned off. Of course, the window discminator can 28 also be designed so that it only outputs the signal S out, when the actual-value signal Si (t) is not within the limits. In this case, the current source is designed so that a shutdown is effected upon application of the signal S out . The reaction time from the detection of a threshold value exceeding or threshold value undershooting to the switching off of the laser 1 essentially depends on the speed of the photodetectors 14, 15 and the electronics and software of the control module 6 processing the signals. Since laser-induced destruction is based on thermal effects, reaction times in the range of a few microseconds should be aimed for, in particular in the event of a preventive shutdown before the onset of fiber destruction. The need for microsecond response times can be estimated as greatly simplified as follows. If z. For example, if the fiber coupler 9 is considered critical, a small area V1 of approximately 0.01 mm 3 volume could be melted. For this purpose, a heat energy Q = p V c ΔΤ must be introduced, with a density of the quartz glass p = 2.2 g / cm 3 , a heat capacity of c = 1 J / (gK) and a melting point of the quartz glass of about 1660 ° C. This results in a heat energy Q of approximately 0.03 J = 0.03 Ws. With complete absorption of the laser radiation, a laser power of P = 1 kW must act for approximately 30 με to deposit this heat energy. Therefore, the reaction time should be in the range of a few microseconds.
Sollen bei dem erfindungsgemäßen Laser 1 vorrangig Folgeschäden nach einer Zerstörung einer faseroptischen Komponente der Lichtleitfaserstrecke 5 verhindert werden, kann die Reaktionszeit so lange gewählt werden, wie das Gehäuse oder andere Abschirmungen ein Austreten von Laserstrahlung in die Umgebung sicher verhindern. Diese Reaktionszeiten sind dann länger als die erwähnten einigen Mikrosekunden für den Fall der präventiven Abschaltung des Lasers 1. If, in the case of the laser 1 according to the invention, consequential damage following the destruction of a fiber-optic component of the optical fiber link 5 is to be prevented, the reaction time can be selected as long as the housing or other shields reliably prevent the leakage of laser radiation into the environment. These reaction times are then longer than the mentioned few microseconds in the case of the preventive shutdown of the laser. 1
In Fig. 8 ist schematisch die regelungstechnische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels gezeigt. Aus dem laufend überwachten Messwert der Leistung P(t) und dem aus dem Laserstrom berechneten momentanen Sollbasiswert S0(t) wird die Regelabweichung Ri(t) als Differenz gebildet. Daraus wird durch Multiplikation mit einem Koeffizienten P (Koeffizient für den Proportionalanteil) ein proportionaler Wert gebildet (durch Block 30 angedeutet). Weiterhin kann durch die Summenbildung über vorangegangene Regelabweichungswerte multipliziert mit einem Integralkoeffizienten m, ein integraler Wert gebildet werden (durch Block 31 angedeutet). Ferner kann durch die Differenzbildung zwischen beispielsweise zwei aufeinanderfolgenden Regelabweichungswerten multipliziert mit einem Koeffizienten md für den Differentialanteil ein differentieller Wert gebildet werden (durch Block 32 angedeutet). Diese drei Werte können zum Istwert S^t) aufsummiert werden. Dieser laufend gebildete Istwert S^t) wird laufend mit einem Fensterdiskriminator 28 daraufhin überwacht, ob er einen unteren Wert der Regelabweichung AS|0W unterschreitet oder einen oberen zulässigen Wert der Regelabweichung AShi9h überschreitet, wobei diese beiden Grenzwerte aus dem Sollbasiswert S0(t) laufend neu berechnet werden (durch Blöcke 33 und 34 angedeutet). In Fig. 8, the control engineering view of another embodiment is shown schematically. The control deviation Ri (t) is formed as the difference from the continuously monitored measured value of the power P (t) and the instantaneous desired base value S 0 (t) calculated from the laser current. From this, a proportional value is formed by multiplication by a coefficient P (coefficient for the proportional component) (indicated by block 30). Furthermore, an integral value (indicated by block 31) can be formed by the summation over previous control deviation values multiplied by an integral coefficient m. Further, by taking the difference between, for example, two consecutive control deviation values multiplied by a coefficient m d for the differential component, a differential value can be formed (by block 32 indicated). These three values can be added up to the actual value S ^ t). This currently formed actual value S ^ t) is continuously monitored with a window discriminator 28 to determine whether it has a lower value of the control deviation AS | 0W or exceeds an upper permissible value of the control deviation AS h i 9h , these two limit values being continuously recalculated from the desired basic value S 0 (t) (indicated by blocks 33 and 34).
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Vergleich des Istsignals S^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) S^t) dann mit den zulässigen Regelabweichungen verglichen werden. Diese Regelabweichungen sind jeweils die Differenzen AShigh bzw. AS|0W aus dem oberen Grenzwert Ss (t) und dem Sollbasiswert S0(t) bzw. dem Sollbasiswert S0(t) und dem unteren Gernzwert Ss2(t). Natürlich müssen nicht immer zu der Regelabweichung R-i(t) Proportional-, Differential- und Integralanteil summiert werden. Es kann auch nur einer 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 Shi9h bzw. S|0W . In this embodiment, the comparison of the actual signal S ^ 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), to which difference in the above-mentioned manner proportional, differential and integral parts are summed and this sum (actual value) S ^ t) are then compared with the permissible control deviations. These control deviations are in each case the differences AS h i gh or AS | 0W from the upper limit value S s (t) and the target base value S 0 (t) and the target base value S 0 (t) and the lower Gernzwert S s2 (t). Of course, it is not always necessary to add to the control deviation Ri (t) the proportional, differential and integral parts. It can also only one of the shares or it can be added to the control deviation two of the shares. 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 h i 9h or S | 0W .

Claims

Patentansprüche claims
1. Laser mit 1. Laser with
einer Laserquelle (2), die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt,  a laser source (2) which can be operated with current and generates a first laser radiation as a function of the supplied current,
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,  an optical fiber path (5) having an inlet and an outlet end (13, 12) into which the first laser radiation is coupled via the inlet end (13) and which emits a second laser radiation via the outlet end (12) in dependence on the coupled-in first laser radiation,
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  a measuring unit (14, 15), the laser radiation which exits at a lying between the inlet and the outlet end (13, 12) of the optical fiber path (5), measures and based on a measurement signal, and
einem Steuermodul (6),  a control module (6),
das basierend auf dem der Laserquelle (2) zugeführten Strom laufend einen ersten Grenzwert (Ss1(t)) und/oder einen zweiten Grenzwert (Ss2(t)) ermittelt, the current supplied to the laser source (2) continuously determines a first limit value (S s1 (t)) and / or a second limit value (S s2 (t)),
das basierend auf dem Messsignal der Messeinheit (14, 15) laufend ein Istsignal (S^t)) ermittelt t und based on the measurement signal of the measuring unit (14, 15) continuously an actual signal (S ^ t)) determines t and
das Istsignal (S^t)) laufend mit dem ersten Grenzwert (Ss1(t), vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (S^t)) kleiner ist als der erste Grenzwert (Ss1(t)) the actual signal (S ^ t)) continuously with the first limit value (S s1 (t), compares and the laser source (2) turns off when the actual signal (S ^ t)) is smaller than the first limit value (S s1 (t) )
und/oder das Istsignal (S^t)) laufend mit dem zweiten Grenzwert (Ss2(t)) vergleicht und die Laserquelle (2) abschaltet, wenn das Istsignal (Si(t)) größer ist als der zweite Grenzwert (Ss2(t)). and / or the actual signal (S ^ t)) continuously with the second threshold value (S s2 (t)) compares and the laser source (2) turns off when the actual signal (Si (t)) is greater than the second threshold value (S s2 (t)).
2. Laser nach Anspruch 1 , bei dem das Steuermodul (6) den ersten Grenzwert (Ssi(t)) mit zunehmendem Pumpstrom erhöht. The laser of claim 1, wherein the control module (6) increases the first threshold (S s i (t)) as the pumping current increases.
3. Laser nach Anspruch 2, bei dem das Steuermodul (6) den ersten Grenzwert (Ss1(t)) mit zunehmendem Pumpstrom so erhöht, dass die Erhöhung mit zunehmendem Pumpstrom zunimmt. The laser of claim 2, wherein the control module (6) increases the first threshold (S s1 (t)) with increasing pumping current such that the increase increases with increasing pumping current.
4. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Steuermodul (6) den zweiten Grenzwert (Ss2(t)) mit zunehmendem Pumpstrom erhöht. 4. A laser according to any one of the preceding claims, wherein the control module (6) increases the second threshold (S s2 (t)) as the pumping current increases.
5. Laser nach Anspruch 4, bei dem das Steuermodul den zweiten Grenzwert (Ss2(t)) so erhöht, dass mit zunehmendem Pumpstrom die Erhöhung abnimmt. 5. The laser of claim 4, wherein the control module increases the second threshold (S s2 (t)) so that the increase decreases as the pumping current increases.
6. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der der Laserquelle zugeführte Strom zeitlich variiert und das Istsignal (S^t)) sowie der erste und/oder zweite Grenzwert (Ssi(t), Ss2(t)) in gleicher weise zeitlich variieren. 6. Laser according to one of the above claims, wherein the current supplied to the laser source varies in time and the actual signal (S ^ t)) and the first and / or second limit value (S s i (t), S s2 (t)) in same time vary.
7. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Steuermodul (6) die Laserquelle (2) durch Abschalten der Stromzufuhr zur Laserquelle (2) abschaltet. 7. Laser according to one of the above claims, wherein the control module (6) switches off the laser source (2) by switching off the power supply to the laser source (2).
8. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) zumindest eine Lichtleitfaser (7^ 72, 73; 8!, 82, 83; 10; 11) mit Kern (20) und Mantel (21) aufweist und die Messeinheit (14, 15) die aus dem Mantel austretende Laserstrahlung misst. 8. Laser according to one of the above claims, wherein the optical fiber path (5) comprises at least one optical fiber (7 ^ 7 2 , 7 3 ; 8 ! , 8 2 , 8 3 ; 10; 11) with core (20) and cladding (21 ) and the measuring unit (14, 15) measures the laser radiation emerging from the jacket.
9. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) zumindest zwei miteinander verspleißte Lichtleitfasern (7^ 72, 73; 81, 82, 83; 10; 11) aufweist und die Messeinheit (14, 15) die an der Spleißstelle (V1 , V2) austretende Laserstrahlung mißt. 9. Laser according to one of the above claims, wherein the optical fiber path (5) has at least two optical fibers spliced together (7 ^ 7 2 , 7 3 , 81, 8 2 , 8 3 , 10, 11) and the measuring unit (14, 15 ) measures the laser radiation emerging at the splice point (V1, V2).
10. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) mehrere Lichtleitfasern (7i, 72, 73) aufweist, die mittels eines Faserkopplers (9) mit einer einzigen10. Laser according to one of the above claims, wherein the optical fiber path (5) comprises a plurality of optical fibers (7i, 7 2 , 7 3 ) by means of a fiber coupler (9) with a single
Lichtleitfaser (10) gekoppelt sind, und die Messeinheit (14, 15) die aus dem Faserkoppler (9) austretende Laserstrahlung misst. Optical fiber (10) are coupled, and the measuring unit (14, 15) measures the laser radiation emerging from the fiber coupler (9).
11. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) als passive Lichtleitfaserstrecke (5) ausgebildet ist. 11. Laser according to one of the above claims, wherein the Lichtleitfaserstrecke (5) is designed as a passive Lichtleitfaserstrecke (5).
12. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Lichtleitfaserstrecke (5) eine aktive Faser aufweist, die mit der Laserstrahlung der Laserquelle (2) gepumpt ist. 12. A laser according to any one of claims 1 to 10, wherein the optical fiber path (5) comprises an active fiber which is pumped with the laser radiation of the laser source (2).
13. Laser nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Laserquelle (2) mindestens eine Laserdiode (3-i, 32, 33) aufweist. 13. Laser according to one of the above claims, wherein the laser source (2) has at least one laser diode (3-i, 3 2 , 3 3 ).
14. Laser nach einem der obigen Ansprüche, der so ausgebildet ist, dass die mittlere Leistung im Dauerstrichbetrieb oder die Pulsspitzenleistung im Pulsbetrieb der über das Austrittsende (12) abgegebenen Laserstrahlung (18) mindestens 1 kW beträgt. 14. Laser according to one of the above claims, which is designed so that the average power in the continuous wave mode or the pulse peak power in pulsed operation of the emitted via the outlet end (12) laser radiation (18) is at least 1 kW.
15. Laser nach einem der obigen Ansprüche, der von der Laserquelle (2) oder dem Eintrittsende der Lichtleitfaserstrecke bis zum Austrittsende (12) der Lichtleitfaserstrecke (5) ohne Freistrahlzugang ausgebildet ist. 15. Laser according to one of the above claims, which is formed by the laser source (2) or the inlet end of the optical fiber path to the outlet end (12) of the optical fiber link (5) without free beam access.
16. Verfahren zum Betreiben eines Lasers, 16. Method for Operating a Laser,
der eine Laserquelle, die mit Strom betreibbar ist und in Abhängigkeit des zugeführten Stroms eine erste Laserstrahlung erzeugt, a laser source which can be operated with current and generates a first laser radiation as a function of the supplied current,
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, and an optical fiber path having an inlet and an outlet end, into which the first laser radiation is coupled via the inlet end and a second laser radiation is emitted via the outlet end as a function of the coupled-in first laser radiation,
wobei der Laserquelle Strom zugeführt wird, so dass sie die erste Lasterstrahlung erzeugt, Laserstrahlung, die an einer zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende der Lichtleitfaserstrecke liegenden Stelle austritt, gemessen und basierend darauf ein Messsignal erzeugt wird, power is supplied to the laser source so as to generate the first load radiation, laser radiation exiting at a point located between the entrance and exit ends of the optical fiber path is measured, and based thereon a measurement signal is generated,
basierend auf dem der Laserquelle zugeführten Strom laufend ein erster und/oder ein zweiter Grenzwert ermittelt wird, based on the current supplied to the laser source current, a first and / or a second threshold is determined
basierend auf dem Messsignal laufend ein Istsignal ermittelt wird und based on the measurement signal continuously an actual signal is determined and
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. the actual signal is continuously compared with the first limit value and the laser source is switched off when the actual signal becomes smaller than the first limit value and / or the actual signal is continuously compared with the second limit value and the laser source is switched off when the actual signal becomes greater than the second limit value ,
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