DD251097A1

DD251097A1 - Optisches system zum ineinanderfuehren von laserstrahlen

Info

Publication number: DD251097A1
Application number: DD29264186A
Authority: DD
Inventors: Guenter Reisse; Horst Exner; Gerhard Zscherpe; Ulf Seifert
Original assignee: Mittweida Ing Hochschule
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1986-07-18
Publication date: 1987-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserstrahlfuehrung fuer die Lasermaterialbearbeitung. Das Ziel sowie die zu loesende Aufgabe der Erfindung bestehen in der vollstaendigen Ineinanderfuehrung von Laserstrahlen fuer die gleichzeitige Bearbeitung eines vorgegebenen Bereiches einer Werkstoffoberflaeche. Erfindungsgemaess wird ein erster Laserstrahl mit Hilfe einer ersten fokussierenden Optik in die Oeffnung der spiegelnden Flaeche eines zur optischen Achse des Systems geneigten Spiegels fuer einen zweiten Laserstrahl fokussiert. Die so ineinandergefuehrten Laserstrahlen werden mit Hilfe einer zweiten fokussierenden Optik auf die zu bearbeitende Werkstueckoberflaeche gerichtet. Die Erfindung ist anwendbar auf dem Gebiet der Laserstrahltechnologie, insbesondere zur Modifizierung von Festkoerperoberflaechen sowie zum Bohren, Trennen und Fuegen mittles Laserstrahlen.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiete der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar auf dem Gebiete der Laserstrahltechnologie, insbesondere für die laserstrahlinduzierte Modifizierung des Oberflächenbereiches fester Körper sowie zum Bohren, Trennen und Fügen mittels Laserstrahlen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Laserbearbeitung von Materialien, welche eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit besitzen, ist ohne die Erzeugung von Defekten, beispielsweise von Rissen, in den Bearbeitungsgebieten oft nur dann möglich, wenn ein größerer Bereich als das unmittelbare Bearbeitsgebiet mit Hilfe geeigneter Mittel vorgeheizt wird. Als Mittel zum Vorheizen sind beispielsweise auch Laserstrahlen geeignet (DD B23 K26/00 231522), die mit Hilfe optischer Vorrichtungen gleichzeitig mit dem zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahl auf das Bearbeitungsgebiet gelenkt werden. Ein optimaler Energieeintrag in die Materialoberfläche und eine gleichmäßige radialsymmetrische Leistungsflußdichteverteilung auf der Materialoberfläche kann dabei erreicht ·' werden, wenn die zur Bearbeitung und zum Vorheizen verwendeten Laserstrahlen ineinandergeführt sind und somit gleiche oder parallel zueinander ausgerichtete optische Achsen besitzen.

Es sind bereits Verfahren zur tneinanderführung oder zum Teilen von Laserstrahlen bekannt, wobei die ineinandergeführten Laserstrahlen die gleichen und die Teilstrahlen parallele optische Achsen besitzen. In der Patentschrift EP G 02 B 27/14 0059836 wird ein zylinderförmiger Laserstrahl mit Hilfe eines um 45° zur Strahlachse geneigten Spiegels mit einer Öffnung im Strahlauftreffzentrum in einen hohlzylinderförmigen Teilstrahl und in einen dem Öffnungsquerschnitt entsprechenden zylinderförmigen Teilstrahl, der mit Hilfe eines weiteren 45° Spiegels parallel zum hohlzylinderförmigen Teilstrahl gerichtet wird, zerlegt.

Aufgrund der Invarianz der Strahirichtungen in optischen Systemen ist die gleiche Anordnung auch zur Ineinanderführung von Laserstrahlen geeignet; in den Patentschriften DE B23 K26/00 2708039 und DE B23 K26/00 2713904 ist diese Möglichkeit offenbart.

Die Nachteile der Ineinanderführung von zwei Laserstrahlen mit Hilfe dieser Anordnung besteht darin, daß die Öffnung im 45° Spiegel dem Querschnitt des durchgehenden Laserstrahles angepaßt werden muß, wodurch die dem Querschnitt der Öffnung entsprechende Intensität des vom Spiegel reflektierten Laserstrahles nach der Ineinanderführung nicht mehr verfügbar ist, wenn dieser Strahl vor der Reflexion zylinderförmig ausgebildet war. Zur Vermeidung dieses Intensitätsverlustes kann der reflektierte Strahl vor der Reflexion hohlzylinderförmig ausgebildet werden, beispielsweise mit Hilfe einer Spiegeloptik nach DE G 02 B17/ 00 3504366 A1, wodurch jedoch die optischen Parameter des Laserstrahles gemindert werden und der Aufwand für die gesamte Anordnung wesentlich höher ist.

Des weiteren können die mit dieser Anordnung ineinandergeführten Laserstrahlen durch nachfolgend angeordnete Optiken nur gemeinsam fokussiert oder defokussiertwerden, wobei der vom Spiegel reflektierte Anteil des ineinandergeführten Strahles im defokussierten Zustand auf der zu bearbeitenden Materialoberfläche ein ringförmiges Intensitätsprofil besitzt. In einem Ausführungsbeispiel der Patentschrift DE B23 K26/00 2713904 ist eine Optik beschrieben, die es gestattet, einen Teil der ineinandergeführten Strahlen zu fokussieren und einen weiteren Teil zu defokussieren; die Herstellung dieser Optik ist jedoch aufwendig und die Kühlung einer derartigen Ausführung für (^-Laserstrahlen problematisch.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Mangel der bekannten technischen Lösungen zu reduzieren und zylinderförmige Laserstrahlen vollständig ineinanderzuführen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, zur vollständigen Ineinanderführung von Laserstrahlen für die gleichzeitige Bearbeitung eines vorgegebenen Bereiches einer Materialoberfläche, wobei der Brennfleckradius der einzelnen Laserstrahlen unabhängig voneinander variierbar ist.

Die Ursachen der Mängel der bekannten technischen Lösungen bestehen darin, daß beide Laserstrahlen vor der Ineinanderführung durch den um 45° zur Strahlachse des durch die Spiegelöffnung hindurchgehenden Laserstrahles als parallele Strahlenbündel ausgebildet sind. Aus diesem Grunde ist eine unabhängige Variation der Brennfleckradien der ineinandergeführten Strahlen mit Hilfe verfügbarer Optiken nicht möglich, und der vom 45°-Spiegel reflektierte Strahl erzeugt außerhalb des Fokus einen ringförmigen Brennfleck auf der Materialoberfläche.

Für die Lasermaterialbearbeitung mit Vorheizung durch einen zweiten Laserstrahl ist es jedoch erforderlich, daß das vorgeheizte Gebiet des Materialoberflächenbereiches und somit der Brennfleckradius des Vorheizstrahles wesentlich größer gewählt wird als der Brennfleckradius des zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahles.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung bestehend aus wenigstens zwei die verwendeten Laserstrahlen hochreflektierenden Spiegel und zwei hochtransparenten fokussierende Optiken dadurch gelöst, daß die Brennweite einer ersten fokussierenden Optik für einen ersten, parallel ausgerichteten Laserstrahl in der Öffnung der spiegelenden Fläche eines ersten, zur optischen Achse der ersten fokussierenden Optik geneigten Spiegels für einen zweiten nichtfoküssierten Laserstrahl liegt, wodurch dieser Spiegel beide Laserstrahlen ineinanderführt, und daß beide Laserstrahlen nach dem gemeinsamen Durchgang durch eine zweite fokussierende, für die verwendeten Laserstrahlen hochtransparente Optik, welche die gleiche nachfolgend als optische Achse des Systems bezeichnete optische Achse wie die erste fokussierende Optik besitzt, auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung dient als erste fokussierende Optik ein zur optischen Achse des Systems geneigter konkaver Spiegel, und als zweite fokussierende Optik wird der ebenfalls als konkaver Spiegel ausgeführte, die beiden Laserstrahlen ineinanderführende und zur optischen Achse des Systems geneigte Spiegel eingesetzt. Die optisch wirksame Fläche beider Spiegel ist dabei so geformt, daß die Laserstrahlen umgelenkt, parallel zur optischen Achse des Systems geführt und in den vorgegebenen Brennpunkten fokussiert werden.

Zur Positionierung des zweiten, nichtfokussierenden Laserstrahles auf dem ersten Spiegel ist parallel zu diesem und parallel zur optischen Achse des Systems verschiebbar ein zweiter Spiegel angebracht. Durch die vorgegebene Verschiebung des zweiten Spiegels gegenüber dem ersten wird erreicht, daß beide Laserstrahlen wahlweise die gleiche optische Achse oder parallel zueinander ausgerichtete, in ihrem Abstand zueinander um einem vorgegebenen Betrag verschobene optische Achsen besitzen, wodurch das definierte Einbringen einer vorgegebenen Energiefluenz jedes Laserstrahles in die Festkörperoberfläche gleichzeitig oder zeitlich nacheinander erfolgen kann.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Vorrichtung anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Die Zuführung des zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahles als der vom ineinanderführenden 45°-Spiegel reflektierte

Strahl Fig.2: Die Zuführung des zur Bearbeitung verwendten Laserstrahles als der durch die Öffnung des ineinanderführenden

45°-Spiegels durchgehende Strahl Fig. 3: Die Fokussierung der Laserstrahlen mittels reflektierender konkav geformter Spiegel

Bei dem Ausführungsbeispiei nach Fig. 1 wird der vom Laser 2 erzeugte und zur Bearbeitung eingesetztte Laserstrahl 3 von einem fest angebrachten Spiegel 5 und einem parallel zur optischen Achse des Systems verschiebbaren Spiegel 13 auf den ineinanderführenden Spiegel 9, der parallel zur optischen Achse des Systems verschiebbar angebracht ist, gelenkt, vom Spiegel 9 in Richtung der optischen Achse des Systems reflektiert und mit Hilfe der Optik 10, die ebenfalls parallel zur optischen Achse

des Systems verschiebbar und im Bereich des Abstandes ihrer Brennweite von der Öffnung im ineinanderführenden Spiegel 9 und von der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 11 angeordnet ist, auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 11, das auf einem xy-Koordinatentisch 12 positioniert ist, fokussiert.

Der vom Laser 1 erzeugte und zum Vorheizen des zu bearbeitenden Oberflächenbereiches eingesetzte Laserstrahl 4 wird von einem fest angebrachten Spiegel 6 in Richtung der optischen Achse des Systems reflektiert, mit Hilfe der Optik 7 in die Öffnung der spiegelnden Fläche des ineinanderführenden Spiegels 9 fokussiert und durch die Optik 10 auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 9 so abgebildet, daß der Brennfleck des Laserstrahles 3 innerhalb des Brennfleckes des Laserstrahles 4 auf der Werkstückoberfläche liegt. Die Optik 7 ist mit dem Spiegel 9 fest verbunden, um die Fokuslage des Laserstrahles 4 in der Öffnung der spiegelnden Fläche des Spiegels 9 zu fixieren. Der Durchmesser der Öffnung im Spiegel 9 kann somit vergleichbar gewählt werden mit dem Fokusdurchmesser des Laserstrahles 4, so daß der nichtreflektierte Anteil des Laserstrahles 3, der vom Strahlabsorber 8 absorbiert wird, vernachlässigbar klein ist.

Zur Variation der Leistungsflußdichte des Laserstrahles 3 auf der Werkstückoberfläche werden die Optik 10, der Spiegel 9 mit der Optik7und der Spiegel 13 gleichzeitig um den gleichen Betraga = b = c verschoben. Die Leistungsflußdichte des Laserstrahles 4 auf der Werkstückoberfläche ist variierbar durch die gleichzeitige Verschiebung der Spiegel 9 und 13 um den gleichen Betrag a = c. Durch Verschiebung des Spiegels 13 um den Betrag c wird die Lage des Brennfleckes vom Laserstrahl 3 gegenüber dem Brennfleckzentrum von Laserstrahl 4 auf der Werkstoffoberfläche um den gleichen Betrag c verschoben. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird die gleiche Anordnung der optischen Bauteile wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet. Die Abstände zwischen dem Spiegel 9, der Optik 10 und der Oberfläche des Werkstückes 11 sowie die Brennweite der Optik 10 werden so gewählt, daß im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Laserstrahl 4zur Bearbeitung und der Laserstrahl 3 zum Vorheizen der Werkstoffoberfläche nutzbar sind. Das ist möglich, wenn die Entfernung der fokussierenden Optik 10 von derÖffnfung im ineinanderführenden Spiegel 9 und von der Oberfläche des Werkstückes 11 im Bereich der doppelten Brennweite der fokussierenden Optik 10 liegt.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Spiegel 6 und 9 als konkave Spiegel mit sich über die spiegelnde Fläche verändernden Krümmungsradien, ausgebildet und so angeordnet, daß der zum Vorheizen verwendete Laserstrahl 4 mit Hilfe des Spiegels 6 in die Öffnung des ineinanderführenden Spiegels 9 und der zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahl 3 mit Hilfe des ineinanderführenden Spiegels 9 auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 11 fokussiert werden, der Abstand des Spiegels 6 von der Öffnung im Spiegel 9 ist somit gleich der Brennweite des Spiegels 6, und der Abstand des Spiegels 9 von der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes liegt im Bereich der Brennweite des Spiegels 9.

Zur Variation der Leistungsflußdichte des Laserstrahles 3 auf der Oberfläche des Werkstückes 11 werden die miteinander fest verbundenen Spiegel 6,9,14 und der Spiegel 13 um den gleichen Betrag a = c parallel zur optischen Achse des Systems verschoben; dabei ändert sich auch die Leistungsflußdichte des Laserstrahles 4 um einen geringen Betrag.

Claims

1. Optisches System zur Ineinanderführung von Laserstrahlen unter Einsatz von für die verwendeten Laserstrahlen hochreflektierenden Spiegel und fokussierenden Optiken, gekennzeichnet dadurch, daß die Brennweite einer ersten hochtransparenten fokussierenden Optik für einen ersten Laserstrahl in der Öffnung der spiegelnden Fläche eines ersten hochreflektierenden, zur optischen Achse des Systems geneigten Spiegels für einen zweiten Laserstrahl liegt, und daß beide Laserstrahlen nach dem Durchgang durch eine zweite hochreflektierende fokussierende Optik, welche die gleiche optische Achse wie die erste fokussierende Optik besitzt, auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes gerichtet werden, oder daß (des weiteren wahlweise) als erste fokussierende Optik ein zur optischen Achse des Systems geneigter, hochreflektierender konkaver Spiegel dient und als zweite fokussierende Optik der ebenfalls als konkaver Spiegel ausgeführte erste hochreflektierende, die Laserstrahlen ineinanderführende Spiegel verwendet wird, daß zur Positionierung des zweiten Laserstrahles auf dem ersten Spiegel parallel zu diesem und parallel zur optischen Achse des Systems verschiebbar ein zweiter Spiegel angebracht ist und daß beide Laserstrahlen wahlweise die gleiche optische Achse oder parallel zueinander ausgerichtete, in ihrem Abstand zueinander um einen vorgegebenen Betrag verschobene optische Achsen besitzen.

2. Optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand der zweiten hochtransparenten fokussierenden Optik (10) von der Öffnung im ersten, als Planspiegel ausgebildeten ineinanderführenden Spiegel (9) und von der Oberfläche des Werkstückes (11) variierbar ist und vorzugsweise im Bereich der Brennweite der zweiten fokussierenden Optik (10) liegt.

3. Optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand der zweiten fokussierenden Optik (10) von der Öffnung im ersten, als Planspiegel ausgebildeten ineinanderführenden Spiegel (9) und von der Oberfläche des Werkstückes (11) variierbar ist und vorzugsweise im Bereich der doppelten Brennweite der zweiten fokussierenden Optik (10) liegt.

4. Optisches System nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand des als fokussierende Optik ausgebildeten Spiegels (6) von der Öffnung im ineinanderführenden Spiegel (9) gleich der Brennweite des Spiegels (6) und der Abstand des ebenfalls als fokussierende Optik ausgebildeten Spiegels (9) von der Oberfläche des Werkstückes (11) im Bereich der Brennweite des Spiegels (9) liegt.