DD288934A5 - Anordnung zur variablen laserstrahlteilung und fuehrung der teilstrahlen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Fuehrung der Teilstrahlen, insbesondere von intensiver CO2-Laserstrahlung, die fuer zahlreiche Materialbearbeitungsaufgaben die Realisierung optimaler technologischer Parameter garantiert. Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer entsprechenden Anordnung, die z. B. fuer die Bearbeitung sproeder Werkstoffe wie Glas, Keramik u. a. hoechste Qualitaet bei hoher Arbeitsproduktivitaet der Materialbearbeitungseinrichtung sichert. Gemaesz der Erfindung wird diese Aufgabe geloest, indem zunaechst der Laserstrahl mittels eines speziellen Modulators auf der Basis eines Fabry-Perot-Interferometers variabel in einen reflektierten und einen transmittierten Anteil aufgeteilt und letzterer anschlieszend durch optische Mittel in seinen Ausbreitungseigenschaften, d. h. entweder seiner Divergenz oder seinem Strahldurchmesser, veraendert und durch den Modulator so zurueckgeschickt wird, dasz ein doppelttransmittierter Strahl entsteht, der wahlweise dem reflektierten Anteil ueberlagert oder auch separat dem Ort der Materialbearbeitung zugefuehrt werden kann.{Laserstrahlteilung; Interferometer; Strahldurchmesser; intensiver CO2 Laserstrahlung}
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die die Strahlteilung eines Laserstrahles, insbesondere eines intensiven CO2-Laserstrahles, bei in weiten Grenzen variablem Teilungsverhältnis, wobei diese Variation wahlweise auch sehr schnell in Zeiten £ 1 ms erfolgen kann, sowie die dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßte Führung der erzeugten Teilstrahlen ermöglicht. Vorrangige Anv/endungsgebiete der Erfindung sind Materialbearbeitungsaufgaben, die spezielle Intensitätsprofile mit rasch veränderlicher Int ensitätsverteilung erfordern, z.B. die Bearbeitung spröder Materialien wie Glas, Keramik u.a., bzw. die Bearbeitung von unterschiedlichen Materialien, insbesondere Metallen, bei höchster Qualität der Bearbeitungsparameter durch optimale Steuerung des Bearbeitungsprozesses.
Es gibt zahlreiche bekannte Anordnungen zur Aufteilung von Laserstrahlung einerseits und zur Bestrahlung des bearbeitenden Werkstückes mit mehreren Teilstrahlen andererseits.
Die Aufteilung der Laserstrahlung erfolgt dabei i. a. durch unterschiedlichste Anordnungen passiver optischer Elemente, insbesondere Spiegelanordnungen, deren wesentlichster Nachteil das fest vorgegebene bzw. nur sehr eingeschränkt variable Teilungsverhältnis ist. So wird z. B. im DD-WP119915 in einer Vorrichtung zur Teilung der Strahlungsenergie eines Gaslasers ein Spiegelpolygon als Umlenkspiegel eingesetzt.
aufgespalten, und anschließend werden beide Teilstrahlen getrennt durch Planspiegel auf das Werkstück gelenkt.
besitzen den gravierenden Nachteil, daß beide Strahlen gegeneinander geneigt das Werkstück treffen, so daß von vornhereineine Anisotropie in der Bearbeitungsebene in Kauf genommen werden muß.
schicken. Im allgemeinen werden dazu durchbohrte Optiken verwendet. So werden im DD-WP 251097 Möglichkeiten für das
beschrieben, wobei jedoch die Teilstrahlen nach der Vereinigung stark unterschiedliche Divergenz besitzen, so daß einegemeinsame Führung über größere Wegstrecken unmöglich ist.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen, insbesondere intensiver (^-Laserstrahlung, um einerseits solche Materialbearbeitungsaufgaben wie das Schneiden, Ritzen, Bohren und Abtragen spröder Werkstoffe, z. B. Glas, Keramik usw., mit hoher Effektivität und Qualität durchführen zu können und andererseits durch optimale Steuerung des Bearbeitungsprozesses ar. B. beim Schneiden von Metallen eine wesentliche Verbesserung der Bearbeitungrgenauigkeit zu erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine entsprechende Anordnung einen Laserstrahl, insbesondere den Intensiven Strahl eines CO]-Hochleistungslaser8, aufzuteilen mit In weiten Grenzen variablem Tellerverhältnis, wobei die Variation des Teilerverhältnisses auch wahlweise sehr schnell, z. B. in Zeiten S1 ms, erfolgen kann, und die anschließend noch in ihren Eigenschaften modifizierten Teilstrahlen so dem Bearbeitungsort zuzuführen, daß dort Laserstrahlung mit einem veränderten, dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßten und insbesondere schnell variierbaren Intensitätsprofil entsteht, so daß unterschiedlichste Anforderungen im Hinblick auf die Optimierung der jeweiligen Einsatzparameter erfüllt werden können. Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist also folgender: Die Elemente der Anordnung sollen die gewünschten Strahlungseigenschaften in drei Etappen realisieren; in der ersten Etappe erfolgt die variable Strahlaufteilung, in der zweiten Etappe erfolgt die Modifizierung der räumlichen Ausbreitungseigenschaften eines Teilstrahles und in der dritten Etappe erfolgt die Führung der Teilstrahlen zum Bearbeitungsort, insbesondere die Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlen zu einem Gesamtstrahl mit neuen Eigenschaften.
Konkret wird dies mit folgender Anordnung realisiert. Die Strahlung des Hochleistungslasers wird zunächst auf einen an sich bekannten Modulator geschickt, der auf dem Prinzip eines Fabry-Perot-Interferometers (FPI) beruht, also einer Anordnung, welche die auftreffende Strahlung definiert in einen reflektierten Anteil der Leistung Pn und einen transmittierten Anteil der Leistung PT bei verschwindend kleinen Verlusten im Modulator selbst aufteilt. Das Teilerverhältnis Pr/Pt zwischen diesen beiden Anteilen kann nun im durch die Reaktivität R der beiden Interferometerplatten festgelegten Intervall 0 < PR/PT s 4R/(1 - R)2 durch mehr oder weniger schnelle Änderungen des Abstandes d dieser Platten variiert werden, wobei je nach der Bauart des Modulators Frequenzen bis In den kHz-Bereich erzielt werden können.
Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen wird nun gemäß der Erfindung der transmittierte Strahlungsanteil durch optische Mittol in seinen Ausbreitungseigenschaften, d. h. entweder seiner Divergenz oder seinem Strahldurchmesser, entsprechend der gewünschten Wirkung im Bearbeitungsprozeß verändert und anschließend durch die Interferometeranordnung „zurückgeschickt", so daß neben dem reflektierten Strahl der Leistung PR ein zweiter, ein „doppelt-transmittierter" Strahl der Leistung P0T für Arbeitsaufgaben zur Verfügung steht. Da dieser Strahl durch geeignete Anordnung der optischen Mittel genau richtungsgleich dem reflektierten Strahl überlagert werden kann, steht ein Arbeitsstrahl mit neuen, für zahlreiche Applikationen außerordentlich günstigen Eigenschaften zur Verfügung. Insbesondere lassen sich auf diese Weise neuartige kombinierte Intensitätsprofile erzeugen, deren besonderen Vorzug ihre der jeweiligen Aufgabe anpaßfähige rasche Variabilität darstellt. Wahlweise kann der doppelt-transmittierte Strahl auch in eine vom reflektierten Strahl abweichende Richtung geschickt werden, so daß mit beiden oder je nach Einsatzfall auch nur einem, z. B. dem doppelt-transmittierten Strahl gearbeitet werden kann. Eine wesentliche Voraussetzung für die Funktion der Anordnung ist die Realisierung eines möglichst kleinen Neigungswinkels zwischen der optischen Achse des Modulators und der A-hse des Laserstrahles. Der Neigungswinkel muß einerseits groß genug sein, damit sich das vom Modulator reflektierte Bündel gut separieren läßt, insbesondere nicht in den Laserresonator zurückgekoppelt wird, und andererseits so klein sein, daß die Funktion des Modulators nicht durch mangelhafte Interferenz
beeinträchtigt wird. Die letzte Forderung kann bei (^-Laserstrahlung (λ = 10,6pm) bis zu Neigungswinkeln von etwa 5° guterfüllt werden, wenn der Abstand d der Interferometerplatten 0,1 mm nicht überschreitet. Da dieser Winkel auch für die
gewählter Anordnung überlagert sich dieser Strahl, der einen relativ geringen Anteil an der Gesamtstrahlungsleistung aufweist,dem transmittierten Strahl, oder er kann separiert werden. In keinem Falle wird die Funktion der Anordnung merklichbeeinträchtigt.
drei justierbaren Spiegeln realisieren, wobei die Reflexionen einerseits unter sehr kleinen Winkeln zu den optischen Achsen unddamit mit geringen Abbildungsfehlern erfolgen und andererseits zwei der Spiegel als Teleskop ausgebildet werden können mitden drei Optionen Einengung, Aufweitung und gezielte Divergenzänderung für das transmittierte Bündel.
der z. B. mit einen) definierten Radius versehen werden kann, um die räumlichen Ausbreitungseigonschafton des doppelttransmittierten Strahles im gewünschten Maße zu beeinflussen.
kann die Austrittsfläche des FPI, also die Außenseite der zweiten FPI-Platte, als dieser rückreflektierende Spiegel ausgebildetwerden.
„Doppeltransmission" entsteht nun eine dritte Charakteristik, da die Transmissionscharakteristik praktisch noch einmal mit sichselbst multipliziert wird. Sie zeichnet sich insbesondere durch einen wesentlich höheren Kontrast gegenüber der einfachen
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1: eine Anordnungsvariante mit drei Spiegeln zur Formung und Führung des transmittierten Strahls; Fig. 2: eine Anordnungsvariante mit zwei Spiegeln; Fig. 3: eine Anordnungsvariante mit einem Spiegel;
Flg. 4: eine Anordnungsvariante mit als Spiegel ausgebildeter FPI-Austrittsfläche; Fig.5: T(Ad)-Charakteristiken für Einfachtransmission (I) und Doppeltransmission (II) eines FPI mit R = 0,3; Fig. 6: einige typische modifizierte Intensitätsprofile des aus der kollinearen Überlagerung des reflektierten und des doppelttransmittierten Anteiles resultierenden Gesamtstrahles.
wird. Der doppelt-transmittierte Anteil 11 kann dann wahlweise dem reflektierten Strahl 6 überlagert oder separat der
großen Reflexionswinkel als off-axis-Spiegel auszubilden. Die Darstellung illustriert für diese Anordnungsvariante die Nutzungdes zweiten reflektierten Strahlungsanteiles 17 zur Strahlungsdiagnostik mittels eines Detektors 18.
(Kurve II) eines FPI mit R = 0,3.
dem doppelt-transmittierten Strahl 11 resultierenden Gesamtstrahles wurde eine Einengung des transmittierten Strahles durchdas Teleskop angenommen. Profil a) entspricht dann dem Fall T = 1 des FPI, Profil c) entspricht T = Tmi„ und Profil b) zeigt einen
Claims (5)
1. Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen, insbesondere für CO2-Hochleistungislaserstrahlen, bei der die Strahlung des Lasers auf einen Modulator fällt, der als Interferometeranordnung mit wahlweise schnell variierbarer Refloktivität ausgebildet ist und unter einem Winkel zwischen seiner optischen Achse und der Richtung der Laserstrahlung angeordnet ist, dor einerseits so klein ist, daß die Interferenzfähigkeit des Modulatorsyslems nur unwesentlich beeinflußt wird und andererseits so groß ist, daß eine unerwünschte Rückkopplung des vom Modulator reflektierten Strahlungsanteils mit dem Laserresonator ohne die Verwendung optischer Hilfsmittel vermieden und eine Weiterleitung dieses Strahlungsanteils entweder direkt oder über einen Hilfsspiegel zum Bearbeitungsort möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der transmittierte Strahlungsanteil (7) durch die geeignete Anordnung optischer Mittel in seinen räumlichen Ausbreitungseigenschaften, insbesondere seiner Divergenz und seinem Strahldurchmesser, in gewünschter Weise geändert und auf eine solche Welse wieder durch den Modulator (4) zurückgeschickt wird, daß dieser doppelt-transmittierte Strahl (11) wahlweise dem reflektierten Strahl (6) überlagert b/w. in einer beliebigen, dem winkelmäßigen Arbeitsbereich des Modulators (4), vorzugsweise einem Winkelbereich, der 5° Neigung gegen die Modulatorachse nicht überschreitet, entsprechenden Richtung dem gewünschten Bearbeitungsort zugeführt werden kann, wobei das Leistungsverhältnis zwischen diesen beiden Arbeitsstrahlen in von den Parametern des Modulators (4) vorgegebenen Grenzen und mit Frequenzen innerhalb des ebenfalls durch den Modulator (4) vorgegebenen Bereiches beliebig variiert werden kann.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der transmittierte Strahlungsanteil (7) mittels eines einzigen Spiegels (14) zur Doppeltransmission durch den Modulator (4) zurückgeschickt wird, wobei dieser Spiegel so nahe wie möglich am Interferometer und mit einem Krümmungsradius versehen wird, der die jeweils gewünschte Divergenz des doppelttransmittierten Strahles (11) realisiert und andererseits justierbar ist, so daß der doppelt-transmittierte Strahl (11) in eine beliebige gewünschte Richtung innerhalb der in Anspruch 1 angeführten Grenzen gelenkt werden kann.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rückreflektierende Spiegel gebildet wird durch die Außenseite (15) der zweiten Interferometerplatte (16), die wahlweise als ebener paralleler, ebener gekippter oder mit einem Krümmungsradius versehener Spiegel ausgeführt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückreflexion des transmittierter, Strahlungsanteils (7) mittels zweier Spiegel (12) und (13) erfolgt.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückreflexion des transmittierten Strahlungsanteils (7) mittels dreier Spiegel (8), (9) und (10) erfolgt, die so angeordnet sind, daß die Reflexion unter möglichst kleinen Winkeln zu den Spiegelnormalen erfolgen und zwei von ihnen eine Teleskopanordnung bilden zur wahlweisen Aufweitung, Einengung bzw. Divergenzänderung des doppelt-transmittierten Strahls (11) und Möglichkeiten zur Justierung vorgesehen sind, die eine Direktion des doppelt-transmittierten Strahles (11) in eine beliebige gewünschte Richtung innerhalb der in Punkt 1 angeführten Grenzen gestattet.
Hierzu 3 Seiten Zeichnungen
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