DD287892A5

DD287892A5 - Vorrichtung zum aufteilen, homogenisieren und fokussieren von laserstrahlen

Info

Publication number: DD287892A5
Application number: DD33269989A
Authority: DD
Inventors: Guenter Reisse; Andreas Fischer; Horst Exner
Original assignee: Ingenieurhochschule Mittweida,Direktorat Forschung Und Ib,De
Priority date: 1989-09-15
Filing date: 1989-09-15
Publication date: 1991-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen. Die Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen dient der abtragenden, fuegenden und formgebenden Bearbeitung von Werkstuecken sowie fuer die Modifizierung der Eigenschaften von leitenden, halbleitenden und isolierenden Werkstoffen. Dazu gehoeren insbesondere Lasermaterialbearbeitungsverfahren, die den Einsatz von Laserstrahlen hoher Leistung erfordern. Grundlage bildet ein einheitliches Baukastenprinzip, das ausschlieszlich aus reflexionsoptischen, gut kuehlbaren Bauteilen besteht und das Aufteilen und wahlweise voneinander unabhaengige Aufweiten, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen gestattet.{Laserstrahl; Laserstrahlaufteilung; Laserstrahlhomogenisierung; Laserstrahlfokussierung; Lasermaterialbearbeitungsverfahren; reflexionsoptisches Bauteil}

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar auf den Gebieten der Technik, dia Laserstrahlen für die abtragende, fügende und formgebende Bearbeitung sowie für die Modifizierung der Eigenschaften von leitenden, halbleitenden und isolierenden Werkstoffen verwenden. Dazu gehören insbesondere Lasermaterialbaarbeitungsverfahren, die den Einsatz von Laserstrahlen hoher Leistung erfordern, wie beispielsweise das Schneiden, Schweißen und Bohren metallischer und keramischer Werkstücke, das Oberflächenhärten von Eisenwerkstoffen und die laserstrahlinduzierte Modifizierung von Keramikwerkstoffen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bereits Vorrichtungen zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen bekannt. Zum Aufweiten und Fokussieren von Laserstrahlen werden gegenwärtig vorwiegend transmissionsoptische Systeme verwendet. Infolge des relativ hohen Absorptionsgrades der eingesetzten Festkörpermaterialien, insbesondere für langwellige Infrarotstrahlung, treten dabei durch Absorption Strahlverluste in den transmissionsoptischen Systemen auf, die für den Lasermaterialbearbeitungsproz.eß nicht mehrzur Verfügung stehen und durch Erwärmung dar Transmissionsoptiken deren optische Parameter verändern. Die bei der Reflexion an Festkörperoberflächen entstehenden Strahlverluste sind dagegen, insbesondere füi langwellige Infrarotstrahlung, wesentlich geringer. Aus diesem Grunde ist es von Vorteil, zum Aufweiten und Fokussieren von Laserstrahlen reflexionsoptische Systeme zu verwenden, deren optische Parameter aufgrund der besseren Kühlbarkeit auch leichter konstant gehalten werden können als die optischen Parameter von transsmissionsoptischen Baugruppen. Reflexionsoptische Systeme zum Aufweiten und Fokussieren von Photonenstrahlen sind zum Beispiel in den folgenden Patentschriften offenbart worden:

In den Patentschriften EP B 23 K 26/060087403, EP G 02B 27/180108618,DEG 02B 17/02 2558923,DEG 02 B 17/182036369,DE G 02 B 17/00 3313708, DE G 02 B 17/00 3504366 A1 und DE B 23 K 26/00 2813642 werden beispielsweise rotationssymmetrische Spiegelsysteme beschrieben, die klassische Lichtstrahlen thermischer Strahlungsqueilen oder Laserstrahlung an einem kegelförmigen Spiegel mit gerader, konvexer oder konkaver Oberflächenkontur oder an einem konvex ausgebildeten Spiegel radialsymmetrisch reflektieren und mit Hilfe von kegelstumpfmantelförmigen Spiegeln mit gerader oder konkaver Oberflächenkontur in einen zylinderinantelförmigen Strahl umwandeln oder als kegelmantelförmigen Strahl fokussieren; in der Patentschrift EP G 02 B 27/18 0108618 ist die Fokussierung des Strahles zu einer Linie offenbart. Bei der in der Patentschrift EP G 02 B 27/14 0144611 A1 beschriebenen Anordnung wird das einfallende parallele Strahlenbündel mit Hilfe eines Spiegels, der aus einer Vielzahl von kreisringförmigen, ineinander angeordneten Elementen mit dreieckigem Querschnitt besteht, radialsymmetrisch reflektiert und mit Hilfe eines kegelstumpfmantc Iförmigen Spiegels fokussiert. In der Patentschrift DE B 23 K 26/00 2908195 ist die Aufspaltung und radialsymmetrische Reflexion des in die Anordnung einfallenden parallelen Strahlenbündels in eine Vielzahl von Teilstrahlen und deren Zusammenführung offenbart. Der Nachteil dieser bekannten optischen Systeme besteht darin, daß der austretende Laserstrahl ein ringförmiges Intensitätsprofil besitzt, wodurch die Lasermaterialbearbeitung bei Verwendung dieser fokussierenden Optiken nur im Fokus des Laserstrahles möglich ist und die beim Einsatz von Transmissionsoptiken übliche Defokussierung des Laserstrahles zur Verringerung seiner Leistungsflußdichte und Vergrößerung seines Brennfleckdurchmessers auf der Werkstückoberfläche nicht angewendet werden kann.

In der Patentschrift DE G 02 B 17/02 2258923 ist des weiteren ein rei luxionsoptisches System beschrieben, das eine Parallelausrichtung oder Fokussierung der von klassischen punktförmigen '.ichtquellen emittierten divergierenden Strahlen dadurch ermöglicht, daß der einfallende divergierende Strahl nach der rotationssymmetrischen Reflexion an einem kegelförmigen Spiegel mit konvexer Oberflächenkontur von einem zylinderförmigen Spiegel mit konvexer Oberflächenkontur auf einen dem ersten kegelförmigen Spiegel entgegengesetzt gerichteten kegelförmigen Spiegel mit konkaver Oberflächenkontur gerichtet und von diesem als paralleler Strahl reflektiert oder fokussiert wird. Das in der Patentschrift DE G 02 B 17/08^036369 B 2 offenbarte gleichartige optische System besitzt anstelle der kegelförmigen Spiegel entgegengesetzt gerichtete konvexe Spiegel.

Zur Erzielung möglichst kleiner Fokusdurchmesser ist es oft erforderlich, den Laserstrahl vor der Fokussierung entsprechend aufzuweiten. Eine Aufweitung des Laserstrahles mit Hilfe eines reflexionsoptischen Systems aus entsprechend angeordneten konvexen, konkaven und zwei planen reflektierenden Spiegeln ist in der Patentschrift EP G 02 B 17/00 0096193 beschrieben. Diese Anordnung benötigt jedoch einen im Vergleich zu Transmissionsoptiken relativ großen Bauraum und wird nicht gleichzeitig für die Fokussierung des Laserstrahles eingesetzt.

Für einige Anwendungen von Laserstrahlen auf dem Gebiet der Lasermaterialbearbeitung ist es erforderlich, daß zwei Laserstrahlen oder Anteile eines Laserstrahles unabhängig voneinander im fokussieren oder nichtfokussierten Zustand gleichzeitig auf die Werkstückoberfläche auftreffen. Derartige Verfahrensvarianten wurden zum Beispiel in den Patentschriften DD B 23 K 26/06229332, DD B 23 K 26/00 231522 A1 und DD B 23 K 26/00 251097 A1 offenbart und erfordern den Einsatz von zwei Lasergeräten.

In den bekannten Vorrichtungen zum Aufteilen von Laserstrahlen werden sowohl reflexionsoptische als auch transmissionsoptische Bauelemente verwendet. Die kommerziell verfügbaren Geräte besitzen zum Aufteilen von Laserstrahlen semitransparente Spiegel; auch das Aufteilen von Laserstrahlen durch Reflexion an prismatischen Bauelementen ist Stand der Technik.

Für viele Anwendungen von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung ist die vom Laser im TEMoo-Mode generierte gaußförmige Leistungsflußdichteverteilung des Laserstrahles nicht optimal. Eine Vergleichmäßigung der Leistungsflußdichteverteilung des Laserstrahles im Zeitmittel wird beispielsweise durch eine bereits bekannte, in den Patentschriften WO G 02 B 17/06 80/01419 und DE B 23 K 26/06 3217227 offenbarte, Vorrichtung aus drei in den Eckpunkten eines Dreiecks mit entsprechender Neigung angeordnete plane Spiegel erreicht, die um die durch zwei Eckpunkte gelegte optische Achse des Laserstrahles schnell rotieren. Diese Vorrichtung benötigt einen großen Bauraum, ist wegen der mechanisch bewegten Teile störanfällig und nicht geeignet für die Homogenisierung gepulster Laserstrahlen.

In der Patentschrift EP B 23 K 26/06 0116933 wird ein Spiegelsystem zur Änderung der Leistungsflußdichteverteilung beschrieben, das aus zwei nicht in einer Achse angeordneten Hohlspiegeln und einem sich konisch verjüngenden rohrförmigen Spiegel besteht, der die Randbereiche des Laserstrahles in Richtung seiner optischen Achse reflektiert. Diese Vorrichtung benötigt ein großes Bauvolumen und ist wogen der nicht rotationssymmetrisch ausgeführten Konstruktion schwer herstellbar. In der Patentschrift EP G 02 B 17/00 0080597 wird eine Vorrichtung zur Aufweitung und Homogenisierung vom Laserstrahlen durch Strahlreflexion an zwei um 90° zueinander angeordnete ind um 90° um ihre optische Achse gedrehte linearkonkave Spiegel, deren reflektierende Fläche mit einem halbzylinderförmigen Profil geriffelt ist, vorgestellt. Diese Vorrichtung ist für die Erzeugung großflächiger homogenisierter Laserstrahlen ohne nachfolgende Fokussierung geeignet, jedoch schwer herstellbar. Reflexionsoptische Vorrichtungen, die das gleichzeitige Aufteilen und unabhängige Homogenisieren und Fokussieren oder Nichtfokussieren der Teilstrahlen auf die gleiche Stelle der Werkstückoberfläche ermöglichen, sind nicht bekannt.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Mängel der bekannten technischen Lösungen zu vermeiden und zylinderförmige Laserstrahlen mit vorzugsweise gaußförmiger Leistungsflußdichteverteilung aufzuteilen und wahlweise unabhängig voneinander aufzuweiten, zu homogenisieren und zu fokussieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen zu entwickeln, die nach einem einheitlichen Baukastenprinzip realisierbar sind, ausschließlich aus reflexionsoptischen, gut kühlbaren Bauteilen bestehen und das Aufteilen und wahlweise voneinander unabhängige Aufweiten, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen gestatten. Die Ursachen der Mängel der bekannten technischen Lösungen bestehen darin, daß bei Verwendung von transmissionsoptischen Bauteilen die optischen Parameter infolge der Wärmeausdehnung triften, daß in den bekannten Vorrichtungen zum Aufteilen von Laserstrahlen die Teilstrahlen unter einem Winkel von vorzugsweise 90° die Vorrichtung verlassen und nur durch den Einsatz weiterer optischer Bauelemente auf die gleiche Stelle der Werkstückoberfläche geführt werden können und daß auch keine reflexionsoptische Vorrichtungen bekannt sind, die eine Aufteilung von Laserstrahlen und eine voneinander unabhängige Aufweitung, Homogenisierung und Fokussierung der ineinanderbefindlichen Teilstrahlen ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe unter Verwendung von teilweise bekannten rotationssymmetrischen reflexionsoptischen Bauteilen, die hochreflektierende Spiegelflächen für die eingestrahlte Laserwellenlänge besitzen, dadurch gelöst, daß zunächst sin parallel zur optischen Achse der Vorrichtung einfallender Laserstrahl mit vorzugsweise gaußförmiger Leistungsflußdichteverteilung entweder von einem ersten kegelförmigen Spiegel mit gerade oder konvex ausgebildeter Oberflächenkontur in bekannter Weise reflektiert und durch die nachfolgende Reflexion an einem aus kegelstumpfmantelförmigen Abschnitten mit verschiedenen Öffnungswinkeln zueinanderzusammengesetzten Spiegel, dessen Symmetrieachse mit der Symmetrieachse des ersten kegelförmigen Spiegels vorzugsweise übereinstimmt und dessen Oberflächenkontur abschnittsweise rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse gerade, konkav oder konvex gestaltet ist, oder durch die Reflexion an einem ersten kegelförmigen Spiegel, dessen Oberflächenkontur rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse aus Abschnitten mit verschiedenen Öffnungswinkeln zueinander besteht und abschnittsweise gerade oder konvex ausgebildet ist, in zwei rotationssymmetrische, ineinander befindliche Teilstrahlen aufgefüllt wird, wobei der innenliegende erste Teilstrahl aus dem inneren Teil und der äußere zweite Teilstrahl aus dem äußeren Teil der Querschnittsfläche des einfallenden Laserstrahles gebildet wird. Der erste kegelförmige Spiegel mit gerade oder konvex ausgebildeter Oberflächenkontur ist parallel zur optischen Achse des aus kegelstumpfförmignn Abschnitten zusammengesetzten Spiegels verschiebbar angeordnet, wodurch die Anteile der entstehenden Teilstrahlen am einfallenden Laserstrahl variiert werden

können. Die durch Reflexion am ersten kegelförmigen Spiegel, dessen Oberflächenkontur aus verschiedenen zueinander geneigten Abschnitten besteht, entstandenen Teilstrahlen sind hohlkegelförmig oder hohlkegelstumpfförmig ausgebildet mit in Ausbreitungsrichtung gleicher oder sich vergrößernder Wanddicke; die durch Reflexion an dem aus kegelstumpfmantelförmigen Abschnitten zusammengesetzten Spiegels entstandenen Teilstrahlen sind unabhängig voneinander hohlzylinderförmig oder kegelstumpfmantelförmig oder als sich überschneidender doppelhohlkegelförmiger Strahl mit in Ausbreitungsrichtung gleicher oder sich vergrößernder Wanddicke geformt. In weiterer Ausbildung der Erfindung werden die sich ineinander befindenden Teilstrahlen durch Reflexion kegelstumpfmantelförmigen Spiegeln, deren Symmetrieachse mit der Symmetrieachse des ersten kegelförmigen Spiegels übereinstimmt, deren Oberflächenkontur rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse gerade, konkav oder konvex gestaltet ist und die relativ zueinander und zum aus kegelstumpfförmigen Abschnitten zusammengesetzten Spiegel parallel zur optischen Achse verschiebbar angeordnet sind unabhängig voneinander zu hohlkegelstumpfförmigen oder hohlkegelförmigen oder sich überschneidenden doppelhohlkegelförmigen Teilstrahlen mit in Ausbreitungsrichtung gleicher, sich vergrößernder oder verkleinernder Wanddicke geformt.

Die Teilstrahlen treffen danach auf einen zweiten kegelförmigen oder kegelmantelförmigen oder im Auftreffbereich des jeweiligen Teilstrahles au; kegelstumpfförmigen und kegelmantelförmigen Teilen zusammengesetzten Spiegel auf, der dem ersten kegelförmigen Spiegel gleichgerichtet oder entgegengesetzt gerichtet ist, vorzugsweise die gleiche Symmetrieachse besitzt, und dessen Oberflächenkontur rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse insgesamt oder in Abschnitten gerade oder konkav oder konvex und mit wahlweise sich stetig verändernden Krümmungsradien ausgebildet ist.

Nach der Reflexion an diesem zweiten Spiegel wird ir Abhängigkeit von der konstruktiven Ausführung der gesamten Vorrichtung der innere Teilstrahl vom inneren Teil und der äußere Teilstrahl vom äußeren Teil der Querschnittsfläche des einfallenden Laserstrahles gebildet oder umgekehrt, wobei der äußere Teilstrahl als hohlkegelförmiger Strahl geformt ist, der sich in Ausbreitungsrichtung überschneidet.

Die vom zweiten Spiegel reflektierten, ineinandergeführten inneren und äußeren Teillaserstrahlen sind des weiteren in Abhängigkeit von der konstruktiven Ausführung der gesamten Vorrichtung unabhängig voneinander als fokussierter oder aufgeweiteter und fokussierter oder als nicht fokussierter oder aufgeweihter und nicht fokussierter Teillaserstrahl ausgebildet mit nahezu der gleichen Leistungsflußdichteverteilung wie in den aus dem einfallenden Laserstrahl entstandenen Teilstrahlen oder mit im Vergleich zu den entstandenen Tnilstrahlen über den jeweiligen Strahlquerschnitt invertierter Leistungsflußdichteverteilung. Die Überlagerung des inneren und äußeren Teilstrahles ermöglicht bei gemeinsamer Fokussierung und Variation der Fokusentfernung die Einstellung einer vorgegebenen Leistungsflußdichteverteilung in der Fokusebene auf der Werkstückoberfläche.

Ausführungsbelsple!

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

Fig. 1: Eine aus vier optischen Bauteilen bestehende Vorrichtung mit vorgegebener Strahlaufteilung in zwei Variationen a und b, Fig. 2: eine aus fünf optischen Bauteilen bestehende Vorrichtung mit variaDiar Strahlaufteilung in zwei Variationen a und b.

Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurden in den Zeichnungen nur die Schnittflächen der Laserstrahlen eingezeichnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 a und 1 b wird ein parallel zur optischen Achse der Vorrichtung einfallender Laserstrahl 1 durch die radialsymmetrische Reflexion an einem ersten kegelförmigen Spiegel 2, dessen Oberflächenkontur aus geraden Abschnitten mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln besteht, in einen aus dem inneren Teil und einem aus dem äußeren Teil der Querschnittsfläche des einfallenden Laserstrahles 1 gebildeten hohlkegelförmigen Teilstrahl 3 und hohlkegelstumpfförmigen Teilstrahl 4 geteilt. Die auf diese Weise entstandenen Teilstrahlen 3 und 4 werden danach von nacheinander angeordneten kegelstumpfmantelförmigen Spiegeln 6 und 10 mit gerader Oberflächenkontur als hohlkegelstumpfförmiger Teilstrahl 7 und hohlkbgelförmiger Teilstrahl 8 reflektiert und auf einen dem kegelförmigen Spiegel 2 entgegengesetzt gerichteten und mit diesem eine konstruktive Einheit bildenden kegelförmigen Spiegel 9, dessen Oberflächenkontur insgesamt oder abschnittsweise gerade oder konkav mit sich stetig änderndem Krümmungsradius ausgebildet ist, gerichtet. Durch Reflexion am zweiten kegelförmigen Spiegel 9 erfolgt eine Inversion der Leistungsflußdichteverteilung im Vergleich zur Leistungsflußdichteverteilung in den entsprochenden Teilen des einfallenden Laserstrahles 1 und eine Überlagerung derTeilstrahlen 11 und 12 in ineinandergeführtem Zustand. Durch die Überlagerung der Teilstrahlen 11 und 12 ändert sich, wie in Fig. 1 a für den nichtfokussierten Zustand erkennbar ist, die summare Leistungsflußdichteverteilung im aus der Vorrichtung austretenden, aus den Teilstrahlen 11 und 12 bestehenden Laserstrahl entlang der optischen Achse in Ausbreitungsrichtung, so daß durch Variation der durch die Krümmungsradien der Oberflächenkonturabschnitte des zweiten kegelförmigen Spiegels 9 bestimmte Fokusentfernung der Vorrichtung, wie Fig. 1 b zeigt, eine vorgegebene Leistungsflußdichteverteilung in der Fokusebene auf der Oberfläche des Werkstückes 13 eingestellt werden kann.

Eine weitere Variation der Leistungsflußdichteverteilung im aus der Vorrichtung austretenden Laserstrahl wird durch folgende konstruktiven Änderungen erreicht:

Ist der kegelförmige Spiegel 9 dem kegelförmigen Spiegel 2 gleichgerichtet, wodurch die reflektierenden Flächen kegclmantolförmig ausgebildet sind, so erfolgt im Positionswechsel derTeilstrahlen 7 und 8 und eine Inversion der Leistungsflußdichteverteilung in den Teilstrahlen 11 und 12; ist nur der den Teilstrahl 8 reflektierende Abschnitt des kegelförmigen Spiegels 9 dem kegelförmigen Spiegel 2 gleichgerichtet, so wird nur die Leistungsflußdichteverteilung im Teilstrahl 12 invertiert und es erfolgt kein Positionswechsel der Teilstrahlen 7 und 8.

Zur Erzielung einer langen Brennweite für die Fokussierung des aus der Vorrichtung austretenden Laserstrahles bei relativ kurzem Abstand zwischen Vorrichtung und Werkstückoberfläche besitzen in weiterer Ausbildung der Erfindung die kegelstumpfmantelförmigen Spiegel β und 10 eine konkave und der kegelförmige Spiegel 9 gerade Oberflächenkonturabschnitte.

Die aus dem einfallenden Laserstrahl 1 gebildeten Teilstrahlen werden aufgeweitet, wenn entweder die Oberflächenkonturabschnitte des kegelförmigen Spiegels 2 konvex und die Oberflächenkontur der kegelstumpfmantelförmigen Spiegel β und 10 konkav oder die Oberflächenkonturen der kegelstumpfmantelförmigen Spiegel β und 10 konvex und die Oberflächenkonturabschnitte des kegelförmigen Spiegels 9 konkav ausgebildet sind.

Die Teilstrahlen 11 und 12 können auch unabhängig voneinander als fokussierter und nicht fokussierter Teilstrahl auf die Oberfläche des Werkstückes 13 gerichtet werden, wenn gemäß Fig. 1 b der jeweilige Oberflächenkonturabschnitt des kegelförmigen Spiegels 9 für die Reflexion des Teilstrahles 7 und 8 konkav oder gerade ausgebildet ist. Die Kühlung der kegelförmigen Spiegel 2 und 9 erfolgt durch die Zu- und Ableitung des Kühlmediums durch die rohrförmig mit linsenförmigem Querschnitt ausgebildeten, um 120° zueinander versetzt angeordneten Spiegelhalter 5; die kegelstumpfmantelförmigen Spiegel 6 und 10 sind zur Kühlung auf der Rückseite des Spiegelträgers mit nichteingezeichnetem doppelwandigem Aufbau oder mit aufgelösten Kühlschlangen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2a und 2 b wird ein parallel zur optischen Achse c er Vorrichtung einfallender Laserstrahl 1 durch die radialsymmetrische Reflexion an einem ersten kegelförmigen Spiegel 2 mit gerader Oberflächenkontur reflektiert und als hohlkegelförmiger Laserstrahl auf einen aus zwei kegelstumpfmantelförmigen Abschnitten 14 und 15 mit verschiedenen Öffnungswinkeln zusammengesetzten Spiegel 14,15 mit geraden Cberflächenkonturen gelenkt und durch Reflexion an diesem Spiegel 14,15 in einen auf dem inneren Teil und einen aus dem äußeren Teil der Querschnittsfläche des einfallenden Laserstrahles 1 gebildeten inneren hohlkegelstumpfförmigen oder sich überschneidenden doppelhohlkegelfömigen Teilstrahl 3 und einen äußeren hohlzylinderförmigen Teilstrahl 4 aufgeteilt; durch die Ausbildung zu einem sich überschneidenden doppelhohlkegelförmigen Teilstrahl 3 wird die Leistungsflußdichteverteilung im Vergleich zur Leistungsflußdichteverteilung im inneren Teil der Querschnittsfläche des einfallenden Laserstrahles 1 invertiert. Der erste kegelförmige Spiegel ist parallel zur optischen Achse des aus aus kegelstumpfmantelförmigen Abschnitten 14 und 15 zusammengesetzten Spiegels 14,15 verschiebbar angeordnet, wodurch die Anteile der Teilstrahlen 3 und 4 am einfallenden Laserstrahl 1 variiert werden können. Bei geeigneterWahl des Öffnungswinkels des kegelstumpfmantelförmigen Abschnittes 15 des Spiegels 14,15 ist auch der Teilstrahl 4 als hohlkegelstumpfförmlger oder sich überschneidender doppelhohlkegelförmiger Strahl ausgebildet.

In weiterer Ausbildung der Erfindung werden der Teilstrahl 3 von einem kegelstumpfmantelförmigen Spiegel 10 mit konkaver Oberflächenkontur zu einem hohlkegelförmigen Teilstrahl 8 geformt und auf die innere Fläche eines dem kegelförmigen Spiegel 2 entgegengesetzt gerichteten kegelförmigen Spiegels 9 und der Teilstrahl 4 von einem kegelstumpfmantelförmigen Spiegel 6 mit gerader Oberflächenkontur auf die äußere Fläche des kegelförmigen Spiegels 9 gerichtet und durch Reflexion am kegelförmigen Spiegel 9, dessen Oberflächenkontur insgesamt oder abschnittsweise mit verschiedenen Öffnungswinkeln gerade ausgebildet ist, im ineinandergeführten Zustand als fokussierter Teilstrahl 12 und nicht fokussierter Teilstrahl 11 auf die Oberfläche des Werkstückes 13 gelenkt.

Bei Verwendung eines kegelstumpfmantelförmigen Spiegels 6 mit konkaver Oberflächenkontur werden beide Teilstrahlen 11 und 12 im überlagerten Zustand auf die Oberfläche des Werkstückes 13 fokussiert, wobei eine lange Fokusentfernung bei relativ kurzem Abstand zwischen Vorrichtung und Werkstückoberfläche realisierbar ist; durch Verwendung von kegelstumpfmantelförmigen Spiegeln 6 und 10 mit gerader Oberflächenkontur und eines kegelförmigen Spiegels 9 mit konkav ausgebildeten Oberflächenkonturabschnitten wird eine kurze Fokusentfernung erreicht. Die Überlagerung der beiden Teilstrahlen 11 und 12 im fokussieren Zustand ermöglicht bei Variation der Krümmungsradien der Oberflächenkonturabschnitte des kegelförmigen Spiegels 9 und/oder Verschiebung des kegelstumpfmantelförmigen Spiegels 6 parallel zur optischen Achse der Vorrichtung und relativ zum kegelförmigen Spiegel 9 die Einstellung einer vorgegebenen Leistungsflußdichteverteilung in der Fokusebene auf der Oberfläche des Werkstückes 13.

Eine weitere Variation der Leistungsflußdichteverteilung im aus der Vorrichtung austretenden summaren Laserstrahl wird durch die gleichen konstruktiven Änderungen wie Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erreicht, wobei ein Positionswechsel der Teilstrahlen 11 und 12 auch durch Verschieben der kegelstumpfmantelförmigen Spiegel 6 und 10 parallel zur optischen Achse und relativ zum kegelförmigen Spiegel 9 bei gleichzeitiger Veränderung ihres Durchmessers erreicht werden kann. Die aus dem einfallenden Laserstrahl 1 gebildeten Teilstrahlen werden unabhängig voneinander aufgeweitet, wenn die entsprechenden, den jeweiligen Teilstrahl reflektierenden Oberflächenkonturabschnitte des kegelförmigen Spiegels 2 konvex und des Spiegels 14,15 konkav oder des Spiegels 14,15 konvex und der Spiegel 6 oder 10 konkav oder der Spiegel 6 oder 10 konvex und der entsprechende Oberflächenkonturabschnitt des kegelförmigen Spiegels 9 konkav ausgebildet sind. Die Kühlung der reflektierenden Spiegel der Vorrichtung erfolgt auf die gleiche Weise wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1.

Claims

1. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen unter Verwendung von reflexionsoptischen Bauteilen mit für die eingestrahlte Laserwellenlänge hochreflektierenden Spiegelflächen, gekennzeichnet dadurch, daß über eine zusammengesetzte Spiegelfläche (14,15) mit mindestens zwei unterschiedlichen Öffnungswinkeln durch Reflexion eine Teilung im vorwählbaren Verhältnis in zwei ineinanderbefindliche 'otationssymmetrische Teillaserstrahlen entsteht, daß zwei kegelstumpfmantelförmige Spiegel (6) und (10) und ein kegelförmiger Spiegel (9) so angeordnet sind, daß durch Reflexion des Teillaserstrahles (3) am kegelstumpfmantelförmigen Spiegel (10) und am kegelförmigen Spiegel (0) sowie durch Reflexion des Teillaserstrahles (4) am kegelstumpfmantelförmigen Spiegel (6) und am kegelförmigen Spiegel (9) die ineinandergeführten Teillaserstrahlen (11,12) geformt und mit im Vergleich zu den Teilen des Laserstrahles (1) aus den sie gebildet sind, gleicher oder invertierter Leistungsflußdichteverteilung entweder unabhängig voneinander als fokussiorter oder nichtfokussierter oder als aufgeweiteter und fokussierter oder nichtfokussierter Teiliaserstrahl oder als summarer nichtfokussierter oder fokussierter oder als aufgeweiteter und fokussierter oder nichtfokussierter Laserstrahl mit vorgegebener Leistungsflußdichteverteilung im Brennfleck auf die Oberfläche des Werkstückes (13) gerichtet werden.

2. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein erster kegelförmiger Spiegel (2), dessen Oberflächenkontur aus zwei Abschnitten (14,15) mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln besteht, achsenparallel in Richtung eines einfallenden Laserstrahlbündels (1) angeordnet ist, so daß der Laserstrahl (1) durch Reflexion am kegelförmigen Spiegel (2) in zwei ineinanderbefindliche rotationssymmetrische Teillaserstrahlen (3,4) gefüllt wird.

3. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein achsenparalleler in Richtung eines einfallenden Laserstrahlbündels (1) gerichteter erster kegelförmiger Spiegel (2) und ein aus kegelstumpfmantelförmigen Abschnitten (14,15) mit verschiedenen Öffnungswinkeln zueinander zusammengesetzter Spiegel (16) so nacheinander angeordnet sind, daß der Laserstrahl (1) vom kegelförmigen Spiegel (2) auf den zusammengesetzten Spiegel (16) gelenkt und durch Reflexion am Spiegel (16) im vorwählbaren Verhältnis in zwei ineinanderbefindliche rotationssymmetrische Teillaserstrahlen (3,4) geteilt wird.

4. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmige Spiegel (2) eine gerade Oberflächenkontur besitzt.

5. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmige Spiegel (2) eine konvexe Oberflächenkontur aufweist.

6. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur der Abschnitte (14,15) des kegelförmigen Spiegels (2) unabhängig voneinander gerade oder konvex ausgebildet ist.

7. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur der kegelstumpfmantelförmigen Abschnitte (14,15) des zusammengesetzten Spiegels (16) unabhängig voneinander gerade, konkav oder konvex ausgebildet ist.

8. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen na ,h Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelstumpfmantelförmige Spiegel (6) eine gerade Oberflächenkontur besitzt.

9. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelstumpfmantelförmige Spiegel (6) eine konkave Oberflächenkontur aufweist.

10. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur des kegelstumpfmantelförmigen Spiegels (6) konvex ausgebildet ist

11. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelstumpfmantelförmige Spiegel (10) eine gerade Oberflächenkontur besitzt.

12. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelstumpfmantelförmige Spiegel (10) eine konkave Oberflächenkontur aufweist.

13. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur des kegelstumpfmantelförmigen Süiegels (10) konvex ausgebildet ist.

14. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach den Ansprüchen 1,2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmig ausgebildete Spiegel (9) dem kegelförmigen Spiegel (2) entgegengesetzt gerichtet ist.

15. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmig ausgebildete Spiegel (9) eine gerade Oberflächenkontur besitzt.

16. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur des kegelförmig ausgebildeten Spiegels (9) abschnittsweise gerade und konkav mit sich stetig änderndem Krümmungsradius ausgebildet ist.

17. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur des kegelförmig ausgebildeten Spiegels (9) abschnittsweise konkav mit verschiedenen, sich stetig ändernden Krümmungsradien ausgebildet ist.

18. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmig ausgebildete Spiegel (9) dem kegelförmigen Spiegel (2) gleichgerichtet ist.

19. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmig ausgebildete Spiegel (fi) eine gerade Oberflächenkontur besitzt.

20. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkonturdes kegelförmig ausgebildeten Spiegels (9) abschnittsweise gerade und konkav mit sich stetig änderndem Krümmungsradius ausgebildet ist.

21. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur des kegelförmig ausgebildeten Spiegels (9) abschnittsweise konkav mit verschiedenen, sich stetig ändernden Krümmungsradien ausgebildet ist.

22. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach der. Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß der aus einem äußeren kegelstumpfförmigen und einem inneren kegelförmigen Teil bestehende Spiegel (9) so ausgebildet wird, daß der äußere kegelstumpfförmige Teil dem kegelförmigen Spiegel (2) entgegengesetzt gerichtet und der innere kegelmantelförmig'.'Teil dem kegelförmigen Spiegel (2) gleichgerichtet ist.

23. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, daß der äußere kegelstumpfförmige Teil und der innere kegelförmige Teil des Spiegels (9) gerade Oberflächenkonturen besitzen.

24. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkonturen des äußeren kegelstumpfförmigen Teils und des inneren kegelförmigen Teils des Spiegels (9) konkav mit verschiedenen sich stetig ändernden Krümmungsradien ausgebildet sind.

25. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, daß der äußere kegelförmige Teil des Spiegels (9) eine gerade Oberflächenkontur besitzt und daß die Oberflächenkontur des inneren kegelförmigen Teiles des Spiegels (9) konkav mit sich stetig änderndem Krümmungsradius ausgebildet ist.

26. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächenkontur des äußeren kegelförmigen Teils des Spiegels (9) konkav mit sich stetig änderndem Krümmungsradius ausgebildet ist und daß der innere kegelförmige Teil des Spiegels (9) eine gerade Oberflächenkontur besitzt.

27. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach den Ansprüchen 2,3 und 18 bis 26, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmige Spiegel (2) und der kegelförmige Spiegel (9) eine konstruktive hohl ausgeführte Einheit bilden und daß deren Halterung über die Kühlmittelleitungen (5) erfolgt.

28. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach den Ansprüchen 2,3 und 18 bis 26, gekennzeichnet dadurch, daß der kegelförmige Spiegel (2) und der kegelförmige Spiegel (9) als getrennte Bauteile und hohl ausgeführt sind, daß der Spiegel (2) parallel zur Symmetrieachse der Vorrichtung relativ zum kegelförmigen Spiegel (9) verschiebbar angeordnet ist und daß die Halterung der kegelförmigen Spiegel (2) und (9) über die Kühlmittelzuleitungen (5) erfolgt.

29. Vorrichtung zum Aufteilen, Homogenisieren und Fokussieren von Laserstrahlen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die kegelstumpfmantelförmigen Spiegel (6) und (10) parallel zur Symmetrieachse des kegelförmigen Spiegels (9) verschiebbar angeordnet sind.