LUFTGEKüHLTεS ^' STEϊX^XUTßϊX FüR EINEN LICHTWELLENLEITER

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein luftgekühltes Steckerbauteil für einen Lichtwellenleiter (LWL), der sich insbesondere zur übertragung von Laserstrahlung eignet.

Stand der Technik

Bei der übertragung von Laserstrahlung von einer Strahlquelle zu einer Bearbeitungsstation liegt eine Strahlenergie vor, die typischerweise im Bereich von wenigen Milliwatt bis zu einigen Kilowatt liegt. Diese Energie wird über einen LWL geführt, der im Allgemeinen einen Durchmesser von 200 bis 600 μm hat, in Ausnahmefallen in den Bereich bis ca. 1,2 mm. Ein LWL besteht im wesentlichen aus einer Kernfaser (Gore) und einer umgebenden Umhüllung (Cladding), die beide aus Quarzglas sind. Daran schließt sich eine Silikonmasse an, und als äußerste Schicht wird vielfach eine Kunststoffiimmantelung verwendet. Der Strahl läuft normalerweise in der Kernfaser; sitzt die Strahlung nicht mittig im Core, findet ein Energieeintrag in das Cladding statt. Der auf die hohe übertragene Energie zurückzuführenden Erwärmung wird mit einer Kühlung entgegengewirkt, die wenigstens über einen Teil der Länge des LWL wirkt, insbesondere auch an Steckerbauteilen.

Mit Kühlung versehene Steckerbauteile für Lichtwellenleiter sind bekannt. Eine Möglichkeit ist, LWL und Steckerbauteil mit Wasser zu kühlen. Hierzu wird das Cladding wenigstens auf einem Teil seiner Länge mit Wasser umspült und intensiv gekühlt; die normalerweise anfallende Verlustwärme kann von Wasser aufgrund seiner hohen Wärmekapazität leicht abgeführt werden.

Bei der übertragung von Laserstrahlung im Kilowattbereich kann sich jedoch das Cladding an manchen Steilen übermäßig stark erwärmen; die Ursachen hierfür sind dem Fachmann bekannt, aber für die vorliegende Erfindung nicht relevant und werden daher auch nicht näher erläutert. Eine typische maximale Betriebstemperatur, die von den Materialien noch toleriert wird, liegt bei ca. 300 ⁰ C.

Es hat sich nun in der Praxis als Problem herausgestellt, dass trotz Wasserkühlung die Oberflächentemperatur an einem Lichtwellenleiter auf über 100 ⁰ C ansteigen kann, was zu Dampfbläschen fuhren muss. Dieses ist allgemein in der Lasertechnik an wassergekühlten Optiken bekannt. Bei erneutem Wasserkontakt des zuvor von dem Bläschen umgebenen Bereichs erleidet das Quarzglasmaterial eine Schockwirkung, die oftmals Ausgangspunkt für eine komplette Zerstörung des LWL ist. Ein weiteres Problem besteht darin, die Dichtigkeit des Wasserkreislaufs vor dem Hintergrund thermischer Schwankungen aufrechtzuerhalten. Bei solchen thermischen Schwankungen sind die verschiedenen Längenausdehnungskoeffizienten der Materialien (häufige Paarung Glas und Metall) Ursache für derlei Dichtigkeitsprobleme.

Diese in der übertragung von Laserenergie bekannten Probleme haben zu der überlegung geführt, als Kühlmedium Luft oder ein beliebiges Gas anstelle von Wasser zu verwenden. Luft hat den Vorteil, dass das oben beschriebene Phänomen des thermischen Schocks nicht auftritt; die wesentlich geringere Wärmekapazität von Luft erweist sich hier gerade als vorteilhaft. Im Gegensatz zu einer Wasserkühlung ist bei der Kühlung mit Luft der Betriebstemperaturbereich der beteiligten Optiken wesentlich größer und kann z.B. bis 300 ⁰ C - 400 ⁰ C gehen. Auch eine Kühlung mit flüssiger Luft oder flüssigen Gasen ist angedacht. Hierdurch wird der Temperaturbereich des Kühlmediums wesentlich vergrößert und kann zum Beispiel bei -40 ⁰ C und darunter beginnen. Im Rahmen von umfassenden Vorversuchen hat sich auch gezeigt, dass der Abtransport von Verlustwärme vom LWL ohne Weiteres auch mit Luft bewerkstelligt werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die zu kühlende Masse relativ gering ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch eine übertragungsstrecke eines Laserstrahls von einem Laser bis zu einer Bearbeitungsstation;

Figur 2 zeigt eine stark vereinfachte Ansicht des erfindungsgemäßen luftgekühlten Steckerbauteils; und

Figur 3 ist eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Steckerbauteils in einer abgewandelten Ausführungsform, aus der die Strömungswege des Kühlmediums hervorgehen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt in stark schematisierter Form eine beispielhafte übertragungsstrecke für einen Laserstrahl. In Fig. 1 ist links eine Laserquelle 1 schematisch dargestellt; hier kann es sich z.B. um einen YAG-Laser handeln, der Laserstrahlung im Bereich bis zu 6 kW und mehr erzeugt. Diese Strahlung wird über eine Fokussierlinse zu einem LWL 3 geführt, um in diesen an der mit A bezeichneten Stelle eingekoppelt zu werden. Der LWL hat die Aufgabe, den Laserstrahl über oftmals beträchtliche Weglängen von bis zu 80 m zu einer Bearbeitungsstation zu fuhren, an der der Strahl zum Schneiden, Schweißen, Beschriften, Abtragen, Perforieren usw. eingesetzt wird. Bei B tritt der Laserstrahl aus dem LWL wieder aus, läuft durch eine Kollimationslinse, eine zweite Fokussierlinse und gelangt schließlich auf das zu bearbeitende Werkstück W.

An den mit A und B bezeichneten Stellen kann das erfindungsgemäße Steckerbauteil zum Einsatz kommen, wobei auf den Einsatz beim Auskoppeln des Strahls an der Stelle A oder B aus Funktions- und Kostengründen auch verzichtet werden kann.

Fig.2 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemäßen Steckerbauteils im Einzelnen, das insgesamt mit der Bezugszahl 6 gekennzeichnet ist. Es besteht im Wesentlichen aus einem meist zylindrischen Gehäuse 10, das mit einer Endplatte 16 verschlossen ist. Die Endplatte dient auch als

Kabelzugentlastung. Durch eine öffnung in der Endplatte 16 tritt der LWL 8 in das Steckerbauteil 6 ein. Der genaue Aufbau des LWL aus Quarzkern, Quarzumhüllung und den mehreren Schutzhüllen ist für die Erfindung nicht wesentlich, weshalb auch nicht naher hierauf eingegangen wird. Wichtig ist nur, dass innerhalb des Steckerbauteils der LWL auf einem Teil seiner Länge "abisoliert" ist, so dass stirnseitig das Core und mantelseitig das Cladding zum Vorschein kommt. An der der Endplatte 16 gegenüberliegenden Seite befindet sich ein Schutzglas 14, das eine planparallele Platte aus Quarzglas ist, die beidseitig entspiegelt ist. Durch diese läuft der vom Laser ankommende Strahl in das Steckerbauteil hinein (Stelle A) oder aus dem Steckerbauteil wieder hinaus (Stelle B). Außerdem ist das Schutzglas 14 nötig, um einen Druck im Inneren des Steckerbauteüs aufzubauen und Verunreinigungen, wie sie bei Einsatz unter Industriebedingungen vorkommen, fernzuhalten. Bezugszahl 17 kennzeichnet eine Einlassbohrung

für das Kϋhlmedium. Bei 18 ist mindestens ^" eine ^" Auslässbόhrung gezeigt, durch die das zugeführte Rühlmedium (im Allgemeinen Luft) wieder abfließt.

Das Schutzglas 14 ist evtl. mit Dichtungen am Gehäuse 10 angebracht; es kann im Falle einer Schädigung ersetzt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass eventuelle Ablagerungen vorzugsweise im Randbereich des Schutzglases auftreten, während der Mittenbereich, durch den der Strahl hindurch tritt, perfekt sauber bleibt.

In Fig. 2 ist darüber hinaus noch ein Kegelprisma 20 zu sehen, das konzentrisch zum LWL angeordnet ist und dafür sorgt, dass keine Strahlung in das Cladding gelangt. Das Kegelprisma wirkt sozusagen als Einstrahlschutz oder auch Blende. Es kann für manche Anwendungen auch weggelassen werden. Der an der Bearbeitungsstation zum Einsatz kommende Nutzstrahl befindet sich in der Kernfaser. Das Kegelprisma 20 ist hier nur beispielhaft als optisches Element genannt; es wäre auch denkbar, anstelle des Kegelprismas eine Linse, planparallele Platte, ein anders geartetes Prisma oder dgl. einzusetzen.

Des Weiteren ist mit 12 eine Kühlmanschette gezeigt, die im

Wesentlichen aus einem hülsenformigen Teil besteht, das eine beliebige Anzahl von Ausströmöffnungen 12a aufweist. Diese Ausströmöffnungen können in beliebiger Form realisiert sein; eine Möglichkeit besteht darin, die Hülse innenseitig mit einer Vielzahl von Ausströmröhrchen 13 zu versehen, die im Wesentlichen radial angeordnet sind und alle auf einen Punkt "zielen", der auf der Mittellängsachse der Kühlmanschette 12 liegt. Die Mittellängsachse entspricht der optischen Achse der Vorrichtung. Die Ausströmröhrchen können alle in einer Ebene liegen, also senkrecht zur Mittellängsachse ausgerichtet sein. Es ist aber auch möglich, sie unter einem bestimmten Winkel nach oben oder unten weisend anzuordnen, wobei die Röhrchen alle unter demselben Winkel in Bezug auf die Horizontale angeordnet sind. Aus Fertigungsgründen können die Ausströmröhrchen aber auch weggelassen werden und die Kühlmanschette dann mit entsprechenden schlitzförmigen oder runden Ausströmöffnungen versehen sein. Dies ist in der linke Hälfte der Fig. 2 dargestellt. Die Doppelpfeile geben grob die Luftströmungen an.

Die Kühlmanschette 12 ist hohl bzw. doppelwandig ausgeführt. Die Ausströmröhrchen bzw. Ausströmöffnungen sind vorzugsweise

rotationssymmetrisch angeordnet, wobei aber eine unsymmetrische Anordnung auch angedacht ist.

Die Kühlluft, die der Kühlmanschette zugeführt wird, kann mit modernen, standardmäßigen Luftauibereitimgseiriheiten in einem ausreichend starken Grad gereinigt werden. Die Kühlluft darf natürlich keine festen Partikel und keine Wasser- oder öltröpfchen mitfuhren. Als besonders vorteilhaft erscheint die Verwendung des (ohnehin meist hochreinen) Prozessgases, das an der Bearbeitungsstation als Hilfsmittel beim Schneiden, Schweißen usw. eingesetzt wird. Auch schwerere Gase wie z.B. Xenon mit dementsprechend höherer Wärmeabfuhrleistung können Verwendung finden.

Die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung hat sich als extrem wirksam erwiesen, nicht nur was den Abtransport von Wärme anbelangt. Es konnte auch ein starker Reinigungseffekt beobachtet werden, d.h. eventuell an der Stirnfläche des LWL anhaftende Partikel konnten entfernt werden, genauso wie irgendwelche Schmutzpartikel am Schutzglas 14. Dies ist ein selbstreinigender Effekt und günstig für den Fall, dass z.B. während der Montage Verunreinigungen den Weg in das Innere des Steckerbauteils gefunden haben.

Die Tatsache, dass Schutzglas und Stirnseite des LWL im Betrieb sehr sauber bleiben, ist auf die besonderen Strömungsverhältnisse im Inneren des Steckerbauteils zurückzuführen. Der Erfinder geht davon aus, dass die aus den Ausströmöffnungen austretenden Luftstrahlen in der Mitte aufeinander treffen und eine stark turbulente Strömung hervorrufen, wobei offensichtlich eine starke Strömungstendenz zur Stirnseite des LWL und zur Mitte des Schutzglases besteht. Es wäre denkbar, Ausströmöffnungen direkt auf die Stirnseite des LWL zu richten, um somit die Anströmung derselben noch weiter zu erhöhen. Ebenso könnte man durch eine geeignete Ausrichtung der Ausströmröhrchen dafür sorgen, das Schutzglas stärker anzuströmen. Noch darüber hinaus kann ein Teil der Ausströmröhrchen so ausgerichtet sein, dass sie auf die Mitte des Schutzglases zielen, während die anderen Ausströmröhrchen bevorzugt auf die Stirnseite des LWL gerichtet sind.

Auf der Stirnseite des LWL kann optional eine Antireflexschicht (AR- Schicht) 20a aufgebracht sein, die den Wirkungsgrad des Strahlendurchgangs verbessert. Darüber hinaus ist eine AR-Schicht 20b vorgesehen, die dafür sorgt, dass die durch Totalreflexion im Cladding verbleibende Reststörstrahlung aus dem Cladding entweichen kann; dadurch erfolgt keine

weitere Erwärmung der Kunststoffe (Silikon) ^* , die sich ^' zwϊschen Cladding und seinem Schutzmantel befinden. Diese abgestrahlte Reststörstrahlung wird durch das Kühlmedium abgeführt.

Diese Schichten 20a und 20b sind im Allgemeinen sehr empfindlich und haben durch eine verbesserte Kühlung eine längere Lebensdauer. Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass diese AR-Schichten durch die Luftströmungsverhältnisse im Inneren des Steckerbauteils besser vor überhitzungen geschützt sind. Von Vorteil ist auch, dass die Luft nach der Aufbereitung sehr trocken ist, da sich dann die AR-Schichten nicht durch Feuchtigkeitsaumahme verändern.

Dadurch, dass im Steckerbauteil überdruck herrscht, ist es auch in sehr rauer, verunreinigter (öl, Staub, Ruß, Abbrand) Industiieumgebung einsetzbar.

Fig. 3 zeigt eine konkrete Ausfiihrungsform eines erfindungsgemäßen Steckerbauteils. Man sieht den LWL, der im Bereich b "abisoliert ist. In dieser Figur wird deutlich, dass der Kühlstrom des Kühlmediums sich aufteilt: Hierzu ist in das Steckerbauteil eine Einsatzhülse 19 eingebracht, die mindestens eine erste Bohrung 19a und zweite Bohrungen 19b aufweist Der Kühlstrom tritt durch die Einlassbohrungen 17 ein. Ein Teil KSl des Kühlstroms gelangt durch die Bohrung 19a in den Bereich zwischen Cladding und Einsatzhülse, wodurch das Cladding auf dem "abisolierten" Teil vom Kühlmedium bestrichen wird. Der andere Teil KS2 des Kühlstroms strömt durch den Ringraum, der zwischen Gehäuse 10 und Einsatzhülse 19 gebildet ist, in Richtung des Endes des LWL (in der Figur nach links). Dieser Teil KS2 des Kühlstroms umströmt den Bereich des Kegelprismas und erzeugt im mit 21 bezeichneten Bereich die zuvor erläuterte, turbulente Luftströmung. Bei 19b tritt der Kühlstrom KSl nach überstreichen des Kegelprismas wieder nach außen und vereinigt sich mit dem Strom KS2. Die Kühlströme KSl, KS2 treten durch die Auslassbohrungen 18 aus dem Steckerbauteil wieder aus.

Die vorliegende Erfindung kann vorteilhafter Weise auch in so genannten Faserlasern eingesetzt werden, in denen der Laserstrahl direkt in einer Wellenleiterfaser erzeugt wird. Hier treten die Vorzüge der Erfindung besonders zutage, da Faserlaser im Betrieb eine hohe Temperatur entwickeln und die eingangs beschriebenen Wärmeprobleme bei wassergekühlten Steckerbauteilen in noch stärkerem Maß bestehen.