具有包层光传感器的光导线缆和所属的调校、检查和监测设备

技术领域

本发明涉及一种光导线缆，例如激光光导线缆，所述光导线缆具有光纤和耦合输出插头，该光纤具有光纤芯和光纤包层，该耦合输出插头位于该光纤的耦合输出侧光纤端部处，本发明还涉及所属的调校设备、检查设备和监测设备。

背景技术

一种这类的光导线缆例如由WO2013/095272A1和EP2805790A1已知。

通过光导体传输激光的主要目标是尽可能良好、损耗少地传输辐射。在此决定性的是将激光功率尽可能良好地耦合输入到光导体中，以便通过光导体传输尽可能多的辐射分量。也决定性的是待耦合输入的射束在耦合输入平面上具有的焦散面。辐射分布往往是高斯分布，因此，并不是所有的边缘射束都可以被耦合输入到光纤芯中。这些边缘分量位于所使用的光纤芯直径以外的耦合输入平面中，因此这些分量被耦合输入到围绕光纤芯的光纤包层(Cladding)中。这些辐射分量大多由耦合输入插头和耦合输出插头中的模式剥离器(Modestripper)进行耦合输出。剩余的辐射分量则以较大的发散角引导穿过包层中的光导体，又以同样的方式以较大的发散角在光导体的端部射出。为了实现良好、高效的光纤耦合，所述分量在包层中保持尽可能少。

众所周知，紧接在耦合输入平面之后，借助模式剥离器将耦合输入到包层中的辐射分量在包层侧或在径向方向上从包层中耦合输出，并且借助光电二极管进行检测。然而，在特定的调校激光光导线缆的情况下，只能紧邻模式剥离器地放置光电二极管，因为耦合输出的功率必须在该区域中被冷却。

开篇所提及的WO2013/095272A1公开一种具有传感器的输出插头，用于测量从加工点反射回光纤包层然后在径向方向上从光纤包层中射出的激光，从而控制加工过程。

同样在开篇所提及的EP2805790A1公开一种具有传感器的输出插头，用于测量在径向方向上从光纤包层中射出的激光，从而控制激光功率。

由WO2017/139630A1还已知一种连接到光纤的单独的测量设备。该测量设备具有光圈和测量在该光圈处散射的光线的探测器。该测量信号用作耦合输入的调校信号。

发明内容

本发明的任务在于，在调校、检查和监测措施方面对开篇所提及类型的光导线缆进行优化，本发明的任务还在于对相应的调校、检查和监测设备进行说明。

根据本发明，通过以下解决该任务：耦合输出插头具有布置在耦合输出侧光纤端部后面的至少一个包层光传感器，该包层光传感器用于测量包层光，所述包层光在耦合输出侧光纤端部处在端面上从光纤包层中射出。

根据本发明，耦合输出插头具有用于测量端面射出的包层光的集成式包层光传感器，从而不需要单独的测量装置，并且可以随时进行测量、尤其在持续运行中进行测量。如此获得的传感器信号例如可以用于光导线缆自身的参照(Referenzierung)，或者用于耦合输入光学器件相对于光纤芯的同轴调校。

优选地，耦合输出插头具有布置在耦合输出侧光纤端部与包层光传感器之间的偏转光学器件、尤其反射光圈(远场光圈)，该偏转光学器件将射出的包层光的至少一部分偏转到至少一个包层光传感器上。在光导线缆的射出侧上通过反射光圈将耦合输入的激光辐射的在光纤包层中引导的边缘部分偏转，并且借助包层光传感器(光电二极管)检测所述边缘部分。

特别优选地，光导线缆——尤其耦合输出插头和/或位于耦合输入侧光纤端部的耦合输入插头——具有用于存储特定于线缆的数据的数据存储器。在此，所述数据例如可以是光导线缆在良好状态/新状态下的参照数据，也可以是在限定的辐射持续时间之后在预给定的功率值下所测量到的数据。所存储的数据使得能够做出以下判定：是否可以使用光导线缆，以及是否在持续运行中对光导线缆进行持续的、动态的监测/检验。

此外，耦合输出插头可以具有至少一个散射光传感器，所述散射光传感器用于测量在耦合输出侧光纤端面上或者在耦合输出插头的其他构件上散射的散射光，和/或，存在于耦合输入侧光纤端部上的耦合输入插头可以具有至少一个散射光传感器，所述散射光传感器用于测量在耦合输入侧光纤端面上散射的散射光。散射光测量不需要单独的测量装置，并且可以随时进行散射光测量、尤其在持续运行中进行散射光测量。

本发明还涉及一种调校设备，其具有：具有光纤的光导线缆，该光纤具有光纤芯和光纤包层；布置在耦合输出侧光纤端部后面的至少一个包层光传感器，其用于测量在耦合输出侧光纤端部处在端面上从光纤包层中射出的包层光；用于根据所述至少一个包层光传感器的传感器信号沿垂直于光纤轴线的方向相对于彼此地移动光纤的耦合输入侧光纤端部和/或耦合输入光学器件的装置，该耦合输入光学器件为了将光线耦合输入到光纤芯中而布置在耦合输入侧光纤端部前方。耦合输入光学器件可以要么安装在激光光导线缆本身上，要么是单独固定的部件。

根据本发明，可以通过使包层光最小化来非常灵敏地优化光纤耦合，并且可以将耦合输入光学器件调整到最小的散度和最小的损耗。

优选地，所述至少一个包层光传感器布置在光纤的耦合输出插头上或者布置在其中插入有耦合输出插头的激光加工头上。在第一种情况下，包层光传感器集成在耦合输出插头中，由此实现对光导线缆中的光纤耦合的测量和与之相关的简单调校，而不需要附加的测量设备或测量分析处理。因此可以随时对调校进行检查，并且在必要时进行优化。也可以是一种闭合调节回路，由此，通过按照包层光信号进行主动调节，可以对光纤耦合输入进行再调校，从而使其保持最佳。

本发明还涉及一种检查设备，其具有：具有光纤的光导线缆，该光纤具有光纤芯和光纤包层；布置在耦合输出侧光纤端部后面的至少一个包层光传感器，其用于测量在耦合输出侧光纤端部处在端面上从光纤包层中射出的包层光；对所述包层光传感器的传感器信号进行分析处理的分析处理装置。特别优选地，光导线缆具有数据存储器和至少一个散射光传感器，该数据存储器用于存储分析处理单元的特定于线缆的数据，该散射光传感器用于测量在光纤端面上散射的散射光。

根据本发明的检查设备的重要优点在于，当在激光设备上首次运行光导线缆时，对光导线缆进行详细检查。关于能否在该激光设备上使用该光导线缆的判定可以被独立且自动地承担和执行。此外，在持续运行中，可以鉴于初始情况来做持续且动态的监测/检验。首次连接/插入光导线缆时，激光设备会识别新的光导线缆并要求进行参照。在此，通过自检的方式在必要参数方面对光导线缆进行检查，如果遵守界限值，则准许工作运行。也可以在持续运行期间进行检验。

如果在激光设备上首次投入运行光导线缆，则必须相继进行多项动作，以保证激光辐射通过光导线缆的传输尽可能高效、低损耗。首先，将光导线缆分配给激光设备的射束引导装置的相应光路。然后检查光纤耦合，即耦合输入光学器件相对于光纤芯的调校。为此，可以使用耦合输出插头中的包层光和耦合输入中的散射光作为标准。如果包层光和散射光位于已存储在激光设备自身的特定于设备类型的界限值之内，就可以开始进行参照。参照的目的是求取光导线缆中的包层光/散射光参照值，可以基于所述参照值进行稍后的信号监测。必须在良好/新状态并且没有任何材料加工的情况下求取所述参照值。在限定的射束持续时间之后并且在预给定的功率值下将信号保存在光导线缆的集成式数据存储器上。但这只有在所检测的信号位于也存储在激光设备中的预给定的界限值内时才进行。

本发明还涉及一种监测设备，其具有：具有光纤的光导线缆，该光纤具有光纤芯和光纤包层；布置在耦合输出侧光纤端部后面的至少一个包层光传感器，其用于测量在耦合输出侧光纤端部处在端面上从光纤包层中射出的包层光；至少一个光学元件(例如保护玻璃)，其位于在耦合输出侧光纤端部处在端面上从光纤芯中射出的光线的射束路径中；至少一个散射光传感器，其用于测量在所述至少一个光学元件上散射的散射光；对包层光传感器和散射光传感器的传感器信号进行分析处理的分析处理装置。有利地，在耦合输出侧光纤端部处在端面上从光纤芯中射出的光线的射束路径中依次布置有两个光学元件，例如两个保护玻璃，其中，保护玻璃中的每个都分配有一个散射光传感器。

如果也将散射光传感器用于监测光导线缆中的光学元件——例如监测保护玻璃上或者光纤端面上的散射光，则由此及早地识别到污染和损坏。也可以借助光学元件和所述至少一个散射光传感器的合适的布置来探测反射回的激光或者过程辐射。通过使用多个散射光传感器，可以区分光学构件的污染与反射回的激光/过程辐射，使得在加工期间尽管有反射回的激光/过程辐射，但仍识别到光学元件的污染。此外存在以下可能性，例如在两个加工运行之间的短暂间歇中在无加工的情况下快速、简单地执行检验。在此，可以利用更换加工件所需的时间，以便将具有加工光学器件的光导线缆运送到限定地点，在该限定地点处，能够以与参照相同的方式方法将无加工的情况下的包层光值和散射光值相对于良好/新状态下的原始数值(参照值)进行检验。如果传感器信号相较于开始(参照值)发生改变，则可以及早向操作者告知关于激光控制的操作建议，从而可以提前避免意外的停机状态。对光学元件、例如保护玻璃的更换也可以及早发出信号，从而进行计划。

每个传感器都分配有一个在投入运行时在无加工的情况下记录下的参照值。之后，如果测量值与相应的参照值偏差过大，则由分析处理装置识别到这一点并且关断激光设备。如果只有其中一个测量值存在偏差，则可以利用这一点进行误差确定。如此可以确定偏差是由过程辐射、由保护玻璃的污染还是由光纤耦合输入的失调导致的。

优选地，光纤的耦合输出插头具有至少一个包层光传感器，插入有该耦合输出插头的激光加工头具有至少一个光学元件。

最后，本发明还涉及一种用于在持续运行中监测光导线缆的方法，该光导线缆具有光纤，该光纤具有光纤芯和光纤包层，该方法具有以下方法步骤：

测量在耦合输出侧光纤端部处在端面上从所述光纤包层中射出的包层光，

测量在至少一个光学元件上散射的散射光，所述光学元件布置在所述耦合输出侧光纤端部处在端面上从所述光纤芯中射出的光线的射束路径中，并且

对所测量的包层光和散射光进行分析处理。

如果测量值与预给定的参照值偏差过大，则由分析处理识别到这一点并且关断激光。

优选地，对在光纤的光纤端面上或在其它构件上散射的散射光也进行测量并与所测量的包层光和散射光一起进行分析处理。

附图说明

本发明的主题的其他优点和有利构型从说明书、权利要求和附图中得出。同样地，上文所提及的特征和还进一步列举的特征可以各自单独使用或以任何组合以多个形式使用。所示出的和所描述的实施方式不应被理解为穷举，而是更确切地说具有用于本发明的叙述的示例性特性。附图示出：

图1示出根据本发明的具有包层光传感器的激光光导线缆；

图2示出具有根据本发明的激光光导电缆的调校设备；

图3示出具有根据本发明的激光光导线缆的检查设备；并且

图4示出具有根据本发明的激光光导线缆的监测设备。

具体实施方式

图1中示出的激光光导线缆1包括光纤2、耦合输入插头5和耦合输出插头6，该光纤具有光纤芯3和围绕光纤芯3的光纤包层4，该耦合输入插头位于光纤2的耦合输入侧光纤端部2a，该耦合输出插头位于耦合输出侧光纤端部2b。激光7在耦合输入侧光纤端部2a处耦合输入到光纤芯3中，又在耦合输出侧光纤端部2b处从光纤芯3中耦合输出。

耦合输出插头6具有布置在耦合输出侧光纤端部2b后面的包层光传感器(例如光电二极管)8，该包层光传感器用于测量在耦合输出侧光纤端部2b处在端面上从光纤包层4中射出的包层光9。在耦合输出侧光纤端部2b和包层光传感器8之间，在耦合输出接头6中存在例如构造为反射型远场光圈的偏转光学器件10，该偏转光学器件将射出的包层光9的一部分偏转到包层光传感器8上。

耦合输出插头6可以可选地具有散射光传感器11，该散射光传感器用于测量反射回的激光和在加工地点处生成的过程辐射12，所述激光和过程辐射朝相反的方向落到耦合输出侧光纤端面上并在该处散射(散射光13)，或者直接落到散射光传感器11上。相应地，耦合输入插头5也可以可选地具有散射光传感器14，该散射光传感器用于测量在耦合输入侧光纤端面上散射的激光7(散射光15)。此外，在耦合输入插头5或耦合输出插头6中可以可选地设置数据存储器16，以便将由包层光传感器和散射光传感器8、11、14所提供的测量数据存储为特定于线缆的数据。两个插头5、6可以通过此处未示出的线路彼此电连接，以便将一个插头的传感器数据存储在另一个插头的数据存储器16中。

图2中示出的调校设备20包括激光光导线缆1和装置22：该激光光导线缆具有耦合输入插头5和耦合输出插头6，该耦合输入插头具有用于将激光7耦合输入到光纤芯3中的、布置在耦合输入侧光纤端部2a前面的耦合输入光学器件(耦合输入透镜)21，该耦合输出插头具有包层光传感器8；该装置用于相对于耦合输入插头5垂直于光纤轴线A地沿双箭头23的方向移动该耦合输入透镜21。为了调校耦合输入透镜21，通过耦合输入透镜21将激光7耦合输入到光纤芯3中，并且借助包层光传感器8测量在此产生的包层光9。根据包层光传感器8的传感器信号来移动耦合输入透镜21，直到包层光9被最小化。耦合输入透镜21然后就被调整到最小的散度和最小的损耗。也可以是一种闭合调节回路，由此，通过根据包层光传感器8的传感器信号进行主动调节，可以对光纤耦合输入进行再调校，从而使其保持最佳。包层光传感器8也可以替代地布置在插入有耦合输出插头6的激光加工头41(图4)中，而不是如所示地布置在耦合输出插头6中。

图3中示出的检查设备30包括激光光导线缆1和外部的分析处理装置31：该光导线缆具有带有耦合输入透镜21的耦合输入插头5、散射光传感器14、数据存储器16和具有包层光传感器8的耦合输出插头6；该分析处理装置对包层光传感器和散射光传感器8、14的传感器信号进行分析处理，并且将所述传感器信号作为特定于线缆的数据存储在耦合输入插头5的数据存储器16中。

如果在激光设备(激光射束发生器)32上首次投入运行激光光导线缆1，则必须相继进行多项动作，以保证激光7通过激光光导线缆1的传输尽可能高效、低损耗。首先，将激光光导线缆1分配给激光设备32的射束引导装置的相应光路，包层光传感器和散射光传感器8、14和数据存储器16也由此与配属于激光设备32的分析处理装置31连接。然后检查光纤耦合，即耦合输入透镜21相对于光纤芯3的正确调校。为此，可以使用耦合输出插头6中的包层光9和耦合输入中的散射光15作为标准。如果包层光和散射光9、15位于已存储在激光设备32的分析处理装置31中的特定于设备类型的界限值之内，就可以开始进行参照。参照的目的是求取包层光/散射光值，可以基于所述包层光/散射光值进行随后的信号监测。必须在良好/新状态并且没有任何材料加工的情况下求取所述参照值。在限定的射束持续时间之后，在预给定的功率值下，将分析处理装置31的传感器测量值保存在集成式数据存储器16上。但这只有在所检测的信号位于也存储在分析处理装置31中的预给定的界限值内时才进行。

图4中示出的监测设备40包括激光光导线缆1和激光加工头41：该光导线缆具有带有耦合输入透镜21的耦合输入插头5、散射光传感器14、具有包层光传感器8的耦合输出插头6、散射光传感器11；该激光加工头具有两个保护玻璃42，所述保护玻璃位于从光纤芯3中射出的激光7的射束路径中。耦合输出插头6被插入到激光加工头41中。两个保护玻璃42中的每个都分配有一个散射光传感器43，以便测量在相应的保护玻璃42上散射的散射光44。

每个传感器8、11、14、43都分配有一个在投入运行激光光导线缆1时在无加工的情况下记录下的参照值，所述参照值存储在数据存储器16中。之后，如果传感器测量值与相应的参照值偏差过大，则由分析处理装置31识别到这一点并且关断激光设备32。如果只有其中一个传感器测量值存在偏差，则可以利用这一点进行误差确定。如此可以由分析处理装置31确定该偏差是由被加工工件45的反射回的激光和过程射束12、由保护玻璃的污染还是由光纤耦合输入的失调导致的。通过在保护玻璃42上使用多个散射光传感器43，可以区分保护玻璃42的污染和反射回的激光/过程射束12，从而在加工期间识别保护玻璃的污染。

此外存在以下可能性，例如在两个加工运行之间的短暂间歇中在无加工的情况下快速、简单地执行检验。在此，可以利用更换加工件所需的时间，以便将激光加工头41运送到限定地点，在该限定地点处，能够以与参照相同的方式方法将无加工的情况下的包层光值和散射光值相对于良好/新状态下的原始数值(参照值)进行检验。如果传感器信号相较于开始(参照值)发生改变，则可以及早向操作者告知关于激光控制的操作建议，从而可以提前避免意外的停机状态。对保护玻璃42的更换也可以及早用信号通知，从而进行计划。