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Dokumentenidentifikation DE69304613T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0574323
Titel Spiralförmiger, metallischer Wellenleiter zur Übertragung eines Laserstrahlbündels und Laser-Schneideinrichtung
Anmelder L'Air Liquide, S.A. pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude, Paris, FR
Erfinder Briand, Francis, F-75010 Paris, FR;
Mancinelli, Marc, F-95000 Cergy, FR;
Poncon, Vincent, F-95430 Auvers Sur Oise, FR
Vertreter Prietsch, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 80687 München
DE-Aktenzeichen 69304613
Vertragsstaaten BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, NL
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 11.06.1993
EP-Aktenzeichen 934014937
EP-Offenlegungsdatum 15.12.1993
EP date of grant 11.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse G02B 6/10
IPC-Nebenklasse G02B 6/42   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft schraubenförmig verlaufende, metallische Wellenleiter zur Übertragung eines Laserstrahls nach Art einer sog. "Flüstergalerie", mit einem nominalen Radius der Schraubenwindung.

Bei dieser Art von Wellenleitern in Form einer schraubenförmig verlaufenden Rinne mit zwei Krümmungsradien, beschrieben in der US-A-4.194.808, findet die Ausbreitung des Laserstrahls im Inneren der Galerie in Gestalt von Wellenmoden statt, die jeweils besondere räumliche Verteilungen des elektrischen Feldes haben und die somit jeweils ihre eigenen Ausbreitungseigenschaften und Energieverteilungsmerkmale aufweisen. In der Praxis zeigt sich, daß der Grundmodus eine Ellipse ist, deren Dimensionen von jenen der zwei Krümmungsradien der Galerie und von der Wellenlänge der Strahlung abhängen, wobei dieser Grundmodus von weiteren Wellenmoden, die sich durch ihre Orientierungen und ihr Energieprofil voneinander unterscheiden, begleitet wird. Wenn ein Laserstrahl in ein Ende der Galerie durch das aus einem Linsensystem bestehende Zwischenstück zur Fokussierung ohne besondere Transformation des Strahls eingeleitet wird, hat letzterer im allgemeinen nicht das Profil eines besonderen Wellenmodus und es entsteht ein Zerfall oder ein Übergang der einlaufenden Energie auf die meisten der in der Galerie anregbaren Wellenmoden. Jede dieser Wellenmoden breitet sich bis zum Ende aus, wo sie sich unter Erzeugung einer aus einer großen Anzahl unterschiedlicher Intensitätspeaks bestehenden Vielfachmodenstrahlung wiedervereinigen, die sich nur schwer optischen Nachbehandlungen unterziehen läßt, insbesondere einer Fokussierung, um Schneidvorgänge mittels eines Lasers mit guter Qualität zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen verbesserten schraubenförmig verlaufenden, metallischen Wellenleiter oder eine Flüstergalerie bereitzustellen, der/die es ermöglicht, einfach, zuverlässig und reproduzierbar eine gute Übertragung der einlaufenden Energie auf den Grundmodus oder auf einen Wellenmodus benachbarter Ordnung zu erhalten, deren Rekombination am Ausgang einen Strahl erzeugt, der seine gute optische Qualität beibehält.

Um dies gemäß einem Merkmal der Erfindung zu erreichen, umfaßt der Wellenleiter zumindest einen Endbereich, typischerweise den Eingangsbereich, dessen Windungsradius von dem nominalen Radius bis zu einem maximalen Radius, der mindestens doppelt so groß ist wie der nominale Radius, typischerweise mindestens 10mal so groß ist wie letzterer, progressiv zunimmt, wobei der maximale Radius typischerweise größer ist als 10 Meter, d.h. sich einem unendlichen Krümmungsradius annähert.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Wellenleiter, der eine festgelegte Austiefung mit einem inneren, nominalen Radius aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich einen inneren Radius hat, der von dem nominalen Radius bis zu einem maximalen inneren Radius, der mindestens doppelt so groß, typischerweise zehnmal so groß ist wie der innere, nominale Radius, progressiv zunimmt.

Die vorliegende Erfindung hat ebenfalls die Aufgabe, eine Laserschneidevorrichtung mit einer Infrarot-Laserstrahlquelle und einem schraubenförmigen, metallischen Wellenleiter, wie vorstehend definiert, bereitzustellen, wobei die Laserstrahlquelle an das Ende eines ersten Endbereichs des Wellenleiters gekoppelt ist und der Strahl die innere Oberfläche dieses Endes des Endbereichs tangiert.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einer Ausführungsform, die zu Erläuterungszwecken angegeben ist, aber keineswegs einschränkende Wirkung hat, in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung verdeutlicht, in der:

- die Figur eine Laserschneidevorrichtung mit einem schraubenförmig verlaufenden Wellenleiter gemäß der Erfindung darstellt.

Man erkennt in dieser Figur einen schraubenförmig verlaufenden, metallischen Wellenleiter oder eine Flüstergalerie 1, beispielsweise aus Nickel oder aus einer Kupferlegierung, mit einem Eintrittsende A, das über eine aus einem Linsensystem bestehende Kopplungsvorrichtung 2 zur Fokussierung an einen Infrarot-CO&sub2;-Laser, beispielsweise ebenfalls nach Art einer Flüstergalerie, gekoppelt ist, so daß der Laserstrahl die innere Oberfläche des Endes A des Wellenleiters tangiert. Der Wellenleiter 1 umfaßt wie üblich einen schraubenförmigen Hauptteil mit einem Radius R&sub1;, zwischen 5 cm und 20 cm, der einen Abschnitt in Form einer Rinne mit einem konstanten inneren Radius r&sub1;, zwischen 3,5 und 10 mm, typischerweise in der Größenordnung von 5 mm, darstellt. Die gesamte innere (konkave) Oberfläche des Wellenleiters 1, die vollkommen glatt ist, ist mit einer Schicht aus optischem Material, typischerweise Gold, überzogen.

Gemäß der Erfindung umfaßt der Wellenleiter zumindest an seinem Eingang einen Endbereich A-C&sub1;, dessen Windungsradius R ab dem Zwischenbereich C&sub1; von R&sub1; bis R&sub2; progressiv zunimmt, wobei der maximale Radius R&sub2; sehr viel größer ist als der nominale Radius R&sub1; und idealerweise größer ist als 10 Meter, d.h. vergleichbar einem unendlichen Krümmungsradius.

Um progressiv vom nominalen Radius R&sub1; zum maximalen Radius R&sub2; überzugehen, ist die abgewickelte Länge des Endbereichs C&sub1;-A größer als 5 cm, typischerweise größer als 20 cm und vorteilhafterweise größer als 50 cm, je nach der Größe des maximalen Radius R&sub2;.

Im Fall einer Laserschneidevorrichtung, wie dargestellt, ist das Austrittsende B des Wellenleiters an eine Fokussierungsvorrichtung 4 gekoppelt. In diesem Fall umfaßt der Wellenleiter 1 vorteilhafterweise einen zweiten Endbereich C&sub2;-B, bei dem der Windungsradius ebenfalls von dem nominalen Radius R&sub1; bis zu einem zweiten maximalen Radius RB, der doppelt so groß ist wie der nominale Radius R&sub1;, aber nicht unbedingt gleich groß ist wie der erste maximale Radius R&sub2; am Eingang A des Wellenleiters, progressiv zunimmt und die abgewickelte Länge des zweiten Endbereichs C&sub2;-B ebenfalls größer ist als 5 cm, aber geringer sein kann als 20 cm.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zumindest der Endbereich C&sub1;-A des Eingangs so ausgebildet, daß der innere, nominale Radius r ebenfalls von C&sub1; bis zum Eingang A vom nominalen Wert r&sub1; bis zu einem maximalen inneren Radius r&sub2;, der mindestens doppelt so groß ist wie der nominale Radius r&sub1; und vorteilhafterweise mindestens zehnmal so groß ist wie letzterer, progressiv zunimmt. Der zweite Endbereich C&sub2;-B kann, falls erwünscht, ebenfalls einen inneren Radius aufweisen, der vom nominalen, inneren Radius r&sub1; bis zu einem maximalen Radius rB, der mindestens doppelt so groß ist wie r&sub1;, zunimmt.

Die Anderungen der Radien R und r werden vorteilhafterweise durch das Formgebungsverfahren gemäß der Europäischen Patentanmeldung EP 93 401 494.5 erhalten, die von der Anmelderin am selben Tag angemeldet wurde und den Titel hat: "Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines schraubenförmig verlaufenden, elastischen, metallischen Wellenleiters für einen Laserstrahl", bei dem der Wellenleiter im Durchlauf durch mindestens zwei aufeinanderfolgende Formgebungsstationen poliert und geformt wird, von denen jede zwei profilierte, zusammenwirkende Walzen, die konkav bzw. konvex sind, umfaßt, wobei die Änderung des Radius der Schraubenwindung erhalten wird, indem die Position der Walze zur endgültigen Formgebung progressiv verändert wird, und die progressive Veränderung des inneren Radius der Galerie erhalten wird, indem der Abstand der Walzen bei der Formgebung progressiv verändert wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondem sie ist im Gegenteil geeignet für Modifizierungen und Varianten, die für den Fachmann ersichtlich sind. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall und der Leistung des Lasers kann insbesondere der Teil des Wellenleiters mit dem nominalen Windungsradius R&sub1; zugunsten längerer Endbereiche C&sub1;-A und C&sub2;-B mit stark progressiver Veränderung der Krümmungsradien R und/oder r auf eine oder einige Windungen reduziert werden.


Anspruch[de]

1. Schraubenförmig verlaufender, metallischer Wellenleiter (1) nach Art einer sog. Flüstergallerie zur Übertragung eines Laserstrahls, mit einem nominalen Radius der Schraubenwindung (R&sub1;), dadurch gekennzeichnet, daß dieser wenigstens einen ersten Endbereich (C&sub1;-A; C&sub2;-B) aufweist, dessen Windungsradius (R) von dem nominalen Radius (R&sub1;) bis zu einem maximalen Radius (R&sub2;), der wenigstens doppelt so groß wie der nominale Radius (R&sub1;) ist, progressiv zunimmt.

2. Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Windungsradius (R&sub2;) wenigstens zehnmal so groß wie der nominale Radius (R&sub1;) ist.

3. Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Austiefung mit einem inneren, nominalen Radius (r&sub1;), dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (C&sub1;-A; C&sub2;-B) einen inneren Radius hat, der von dem nominalen Radius (r&sub1;) bis zu einem maximalen inneren Radius (r&sub2;), der wenigstens doppelt so groß wie der innere, nominale Radius (r&sub1;) ist, progressiv zunimmt.

4. Wellenleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere, maximale Radius (r&sub2;) wenigstens zehnmal so groß wie der innere, nominale Radius (r&sub1;) ist.

5. Wellenleiter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (C&sub1;-A; C&sub2;-B) eine abgewickelte Länge von mehr als 5 cm hat.

6. Wellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich eine abgewickelte Länge von mehr als 20 cm hat.

7. Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich eine abgewickelte Länge von mehr als 50 cm hat.

8. Laserschneidevorrichtung mit einer Infrarot-Laserstrahlquelle (3) und einem schraubenförmigen, metallischen Wellenleiter (1) nach Art einer sog. Flüstergallerie, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist, wobei die Laserstrahlquelle (3) an das freie Ende (A) des ersten Endbereichs (C&sub1;-A) des Wellenleiters gekoppelt ist, und das Laserstrahlbündel die innere Oberfläche des freien Endes (A) tangiert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Fokussierungsvorrichtung (4) umfaßt, die an das freie Ende (B) des zweiten Endbereichs (C&sub2;-B) des Wellenleiters (1) gekoppelt ist.







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