DE10007391A1 - Device for working material with laser, e.g. for boring and welding plastics, comprises position-focused modulator which produces predetermined power density distribution - Google Patents

Device for working material with laser, e.g. for boring and welding plastics, comprises position-focused modulator which produces predetermined power density distribution

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DE10007391A1
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Abstract

Device for working a material with a laser (4) comprises a position-focused modulator (1) which produces a predetermined power density distribution. Independent claims are included for: (a) a method for working a material with a laser containing the device; and (b) use of the modulator to produce a predetermined power density distribution when working a material.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Materialbe- und Verar­ beitung mit elektromagnetischer Strahlung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1, 11, 16 und 17. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Oberflächenbe­ arbeitung von Werkstücken, wie zum Beispiel das Härten, Beschichten, Gravieren, Beschriften und Auftragsschweißen von Oberflächen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Schweißen und Bohren, wie zum Beispiel das Schweißen und Bohren von Kunststoffen.The invention relates to a method and an apparatus for material handling and processing processing with electromagnetic radiation according to the generic terms of the independent Claims 1, 11, 16 and 17. A preferred area of application is surface treatment working of workpieces, such as hardening, coating, engraving, Labeling and surfacing of surfaces. Another area of application is welding and drilling, such as welding and drilling Plastics.

Stand der TechnikState of the art

Bei der Bearbeitung von Materialien mit elektromagnetischer Strahlung, und hierbei ins­ besondere mit Laserstrahlung, spielt die richtig eingestellte Leistungsdichteverteilung (LDV) auf dem Werkstück eine dominierende Rolle. Die richtig eingestellte LDV besteht zum einen in der richtigen Form des Brennflecks (z. B. rund, elliptisch oder allgemein länglich), sowie der richtigen Intensitätsverteilung innerhalb des Brennflecks. So ist es zum Beispiel vorteilhaft, beim Laserstrahlschweißen von Aluminium einen länglichen Brennfleck einzusetzen, dessen Intensitätsschwerpunkt bezogen auf die Schweißvor­ zugsrichtung im vorderen Bereich liegt. When processing materials with electromagnetic radiation, and ins especially with laser radiation, plays the correctly set power density distribution (LDV) a dominant role on the workpiece. The correctly set LDV exists on the one hand, in the correct shape of the focal spot (e.g. round, elliptical or general elongated), as well as the correct intensity distribution within the focal spot. That's the way it is For example, advantageous when laser welding aluminum an elongated Use focal spot, the focus of its intensity related to the welding process tensile direction is in the front area.  

Zum Zwecke der Materialbearbeitung bieten sich wegen dar dazu erforderlichen Lei­ stungsdichten insbesondere Laser an. Diese weisen meist ein rundes Strahlprofil auf, das zur Gewährleistung einer prozessangepassten LDV über geeignete Optiken trans­ formiert werden muss. Hierzu können zum einen statische Spiegel eingesetzt werden, bei denen die reflektierte Strahlung aufgrund der Oberflächenstruktur des Spiegels ge­ eignet interferiert. Eine andere Möglichkeit bieten deformierbare Spiegel, bei denen über mechanisch verstellbare Aktuatoren die Oberflächenstruktur der Spiegeloberfläche und damit die Reflexion der beaufschlagenden Strahlung in begrenztem Maße gezielt gesteuert werden kann. Eine aufwendige und fehlerträchtige Methode ist ferner die Ad­ dition mindestens zweier Teilstrahlen.For the purpose of material processing, lei are required because of this density, especially lasers. These usually have a round beam profile, the trans to ensure process-adapted LDV using suitable optics must be formed. Static mirrors can be used for this, where the reflected radiation due to the surface structure of the mirror ge is suitable interfered. Another possibility is offered by deformable mirrors, in which over mechanically adjustable actuators the surface structure of the mirror surface and so that the reflection of the radiation is limited to a limited extent can be controlled. Ad is also a complex and error-prone method dition of at least two partial beams.

Die genannten Möglichkeiten weisen den Nachteil auf, dass es sich um speziell ange­ passte Einzellösungen handelt, die unflexibel für jeden Anwendungsfall neu konzipiert werden müssen. Für viele Anwendungen erlauben die oben genannten Möglichkeiten zudem nur eine sequentielle Bearbeitung, d. h. die zu beaufschlagenden Oberflächenbereiche können nur auf langsame Art und Weise nacheinander bestrahlt werden. Diese sequentielle, schreibende Laserstrahlbearbeitung wird bei Schweiß­ applikationen auch Konturschweißen genannt. Beim Konturschweißen erfolgt ein kontinuierliches Abfahren der jeweiligen Bearbeitungsgeometrie mit dem fokussierten Laserstrahl bei einer zeitlich konstanten Leistungsdichteverteilung. Dies erfordert eine Relativbewegung von Werkstück und Laserstrahl mit entsprechenden fehlerträchtigen hochdynamischen, mechanischen Bewegungen. Eine interessante Alternative zum Konturschweißen ist das Simultanschweißen, bei der die gesamte Schweißnahtkontur auf einmal gefügt wird. Die sich damit ergebenden sehr kurzen Prozesszeiten lassen dieses Verfahren besonders für das Schweißen von Serienteilen in der Massenproduktion interessant erscheinen. The possibilities mentioned have the disadvantage that they are specifically designed fits individual solutions that are inflexibly redesigned for every application Need to become. The abovementioned possibilities allow for many applications moreover, only a sequential processing, i.e. H. those to be charged Surface areas can only be irradiated one after the other in a slow manner become. This sequential, writing laser beam processing is used in welding applications also called contour welding. With contour welding there is a continuous movement of the respective machining geometry with the focused one Laser beam with a temporally constant power density distribution. This requires one Relative movement of workpiece and laser beam with corresponding error-prone highly dynamic, mechanical movements. An interesting alternative to Contour welding is simultaneous welding, in which the entire weld contour is joined at once. The resulting very short process times can be avoided this process especially for welding series parts in the Mass production may seem interesting.  

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Nachteile nach dem Stand der Technik weitestgehend zu vermeiden und eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Materialbe- und Verarbeitung bereitzustellen, mit denen eine vorgebbare Leistungsdichteverteilung flexibel eingestellt werden kann. Vorrichtung und Verfahren sollen insbesondere nicht nur die sequentielle Bearbeitung von Werkstücken zulassen.The invention is based on the technical problem, the disadvantages of the prior art Avoid technology as much as possible and a device and a method for the Provide material processing and processing with which a predeterminable Power density distribution can be adjusted flexibly. Device and method should not only allow the sequential machining of workpieces.

Die Lösung des Problems wird durch eine Vorrichtung und durch ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 11, 16 und 17 in Verbindung mit ihren kennzeichnenden Merkmalen angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vor­ richtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den Unteransprüchen ge­ geben.The solution to the problem is achieved by a device and by a method according to the Preambles of claims 1, 11, 16 and 17 in conjunction with their characterizing Characteristics specified. Advantageous further developments of the invention direction and the method according to the invention are ge in the dependent claims give.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die genannten Probleme nach dem Stand der Technik durch eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Materialbearbeitung mit elektromagnetischer Strahlung vermeiden lassen, bei denen ein ortsauflösender Strahl­ modulator zur Generierung einer vorgebbaren Leistungsdichteverteilung vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich das Material sequentiell und simultan zu bearbeiten, aber zusätzlich eine Materialbearbeitung zu realisieren, die von ihrer Art her zwischen der sequentiellen und der simultanen Bearbeitung anzusiedeln ist.According to the invention, it was recognized that the problems mentioned are based on the prior art the technology with a device and a method for material processing with Avoid electromagnetic radiation where a spatially resolving beam modulator for generating a predeterminable power density distribution is provided. This makes it possible to process the material sequentially and simultaneously, however in addition to realize a material processing, which in terms of its nature between the sequential and simultaneous processing.

Die ortsaufgelöst modulierte elektromagnetische Strahlung dient vorliegend zur Bearbei­ tung des zu beaufschlagenden Werkstücks. In diesem Sinne sind grundsätzlich alle Strahlungsquellen einsetzbar, die die meist thermisch bedingten Veränderungen des Werkstücks bewirken können. Um die prozessbedingt erforderlichen Strahlungsdichten bereitzustellen, eignen sich hierzu besonders Laser. Insbesondere für die Kunststoffbe- und -verarbeitung sind Dioden- und Excimerlaser geeignet. The modulated electromagnetic radiation is used for processing in the present case processing of the workpiece to be loaded. In this sense, everyone is basically Radiation sources can be used, which are the mostly thermal changes in the Can effect workpiece. The radiation densities required for the process lasers are particularly suitable for this purpose. Especially for plastic and processing are suitable for diode and excimer lasers.  

Im Sinne der Erfindung kann es sich dabei um einen amplitudenmodulierenden oder ei­ nen phasenmodulierenden Strahlmodulator handeln. Auch eine Kombination von Am­ plituden- und Phasenmodulation ist möglich.For the purposes of the invention, this can be an amplitude-modulating or an egg act a phase-modulating beam modulator. A combination of Am platitude and phase modulation is possible.

Die Amplitudenmodulation lässt sich prinzipiell bei allen Strahlungsquellen einsetzen und ist dadurch besonders universell einsetzbar. Die Amplitudenmodulation beruht darauf, dass ausgehend von einem bereits polarisierten Strahlungsfeld bestimmte Teilbereiche dieses Strahlungsfeldes in ihrem Polarisationszustand kontrolliert verändert und mit einem optischen Element (Analysator) entsprechend ihres Polarisationszustandes selektiert werden. Damit ist eine Modulation der Amplitude der einzelnen Teilbereiche des gesamten Strahlungsfeldes möglich. Ziel der Phasenmodulation ist es, die Phase eines elektromagnetisches Strahlungfeldes so zu modulieren, dass ein gewünschtes Interferenzmuster entsteht. Ausgehend von einem polarisierten Strahlungsfeld mit ausreichender transversaler Kohärenz werden die Phasenlagen einzelner Teilbereiche derart kontrolliert verändert, dass diese Teilbereiche in der gewünschten Weise interferieren. Die Phasenmodulation weist den Vorteil einer verbesserten Energiebilanz auf, da keine Strahlungsanteile des ursprünglichen, unmodulierten Strahlungsfeldes ausgeblendet werden. Daher eignet sich die Phasenmodulation besonders bei Anwendungen, bei denen eine besonders hohe LDV auf dem Werkstück erforderlich ist.In principle, amplitude modulation can be used with all radiation sources and is particularly versatile. The amplitude modulation is based on that, based on an already polarized radiation field, certain sub-areas This radiation field changes in its polarization state in a controlled manner and with an optical element (analyzer) according to its polarization state be selected. This is a modulation of the amplitude of the individual sections of the entire radiation field possible. The aim of phase modulation is to phase modulate an electromagnetic radiation field so that a desired Interference pattern arises. Starting from a polarized radiation field with The phase positions of individual sub-areas become sufficiently transverse coherent changed in such a controlled manner that these sub-areas in the desired manner interfere. Phase modulation has the advantage of an improved energy balance because there are no radiation components from the original, unmodulated radiation field be hidden. Therefore, phase modulation is particularly suitable for Applications where a particularly high LDV is required on the workpiece.

Vorteilhafterweise enthält der Strahlmodulator eine Anordnung einzelner, die vorgegebene LDV steuernder Zellen. In einer einfachen Anordnung sind die Zellen in einer Ebene angeordnet, die senkrecht hierzu mit der Strahlung beaufschlagt wird. Durch die Zellen wird das vorgegebene elektromagnetische Strahlungsfeld in einzelne Teilstrahlenbündel zerteilt. Jedes der Teilstrahlenbündel wird dabei in den Zellen individuell amplituden- und/oder phasenmoduliert, wobei im Falle der Amplitudenmodulation noch ein zusätzlicher Analysator erforderlich ist. Nach dem Verlassen des Strahlmodulators bilden die einzelnen Teilstrahlen in ihrer Gesamtheit ein neues, nunmehr amplituden- und/oder phasenmoduliertes elektromagnetisches Strahlungsfeld. Nach der Propagation des gesamten Strahlungsfeldes durch strahlformende und strahlführende optische Elemente wird auf dem Werkstück die vorgegebene LDV erreicht. Diese Lösung weist den Vorteil auf, dass eine Steuerung der LDV pro Teilstrahlenbündel möglich ist, wobei die LDV eines Teilstrahlenbündels unabhängig von der LDV anderer Teilstrahlenbündel ist. Die Steuerung erfolgt damit besonders einfach und flexibel. Die Ortsauflösung der sich ergebenden LDV in der Werkstückebene bestimmt sich maßgeblich nach der Strahlqualität des ursprünglichen Strahlungsfeldes, der Geometrie und Anzahl der einzelnen Zellen sowie der Qualität der nachgeschalteten strahlformenden und -führenden Optik.The beam modulator advantageously contains an arrangement of individual ones predefined LDV-controlling cells. In a simple arrangement, the cells are in arranged on a plane to which the radiation is applied perpendicularly. The given electromagnetic radiation field is broken down into individual cells Partial beam bundle divided. Each of the partial beams is in the cells individually modulated in amplitude and / or phase, in which case Amplitude modulation still requires an additional analyzer. After this Leaving the beam modulator form the individual partial beams in their entirety new, now amplitude and / or phase modulated electromagnetic Radiation field. After propagating the entire radiation field through  beam-shaping and beam-guiding optical elements on the workpiece predefined LDV reached. This solution has the advantage that the LDV per partial beam is possible, the LDV of a partial beam is independent of the LDV of other partial beams. The control is done with it particularly simple and flexible. The spatial resolution of the resulting LDV in the Workpiece level is largely determined by the beam quality of the original Radiation field, the geometry and number of the individual cells and the quality of the downstream beam-shaping and guiding optics.

Der Strahlmodulator moduliert damit im Sinne der obigen Ausführungen ortsauflösend und erlaubt die Generierung einer vorgebbaren oder vorgegebenen LDV auf dem Werkstück. Vorgegeben werden kann sowohl der Brennfleck bzw. Fokus in seinen äusseren Abmessungen, als auch die Intensität der Strahlung innerhalb des gewünschten Brennflecks. Wird zum Beispiel vom Anwender ein rechteckförmiger Fokus vorgegeben, so wird durch maximales Ausblenden entsprechender Zellen des Strahlmodulators sichergestellt, dass keine Strahlungsintensität für Punkte ausserhalb des rechteckigen Fokus vorliegt. Innerhalb des Fokus kann durch eine geeignete Modulation der jeweiligen Zellen die vorgegebene LDV eingestellt werden. Die Ortsauflösung der sich ergebenden LDV bestimmt sich dann maßgeblich nach Geometrie und Anzahl der einzelnen Zellen.The beam modulator thus modulates in a spatial resolution in the sense of the above statements and allows the generation of a specifiable or predefined LDV on the Workpiece. Both the focal spot and focus can be specified in its outer dimensions, as well as the intensity of the radiation within the desired focal spot. For example, if the user has a rectangular focus is specified by maximum hiding the corresponding cells of the Beam modulator ensures that no radiation intensity for points outside rectangular focus. Within the focus can be through an appropriate Modulation of the respective cells the specified LDV can be set. The The spatial resolution of the resulting LDV is then largely determined Geometry and number of individual cells.

Für die die LDV steuernden Zellen gibt es verschiedene Realisierungsmöglichkeiten.There are various implementation options for the cells controlling the LDV.

Eine Möglichkeit besteht darin, dass jede Zelle mindestens einen beweglichen Mikro­ spiegel enthält. Der Strahlmodulator besteht dann in einer Anordnung aus beweglichen Mikrospiegeln, deren Stellung vorzugsweise elektronisch steuerbar ist (englisch DMD: digital mirror device). In der einfachsten Ausführung können die Mikrospiegel nur zwei Positionen einnehmen. In einer ersten Position wird die gesamte auftreffende Strahlung reflektiert. In einer zweiten Stellung ist die dahinter befindliche Öffnung maximal freige­ geben. In einer vorteilhafteren Ausführung können die Kippwinkel der Mikrospiegel entweder in Stufen oder stufenlos variiert werden. Dadurch ist eine feinere Steuerung der das Werkstück beaufschlagenden Strahlung möglich. Durch eine Steuereinheit werden die für die gewünschte LDV erforderlichen Kippwinkel bestimmt und eingestellt.One possibility is that each cell has at least one mobile micro contains mirror. The beam modulator then consists of a movable arrangement Micromirrors, the position of which is preferably electronically controllable (English DMD: digital mirror device). In the simplest version, the micromirrors can only do two Take positions. In a first position, the entire incident radiation reflected. In a second position, the opening behind it is maximally clear give. In a more advantageous embodiment, the tilt angles of the micromirrors can either  can be varied in steps or continuously. This enables finer control of the radiation impinging on the workpiece is possible. Through a control unit the tilt angle required for the desired LDV is determined and set.

Eine weitere Möglichkeit der Ausgestaltung des Strahlmodulators besteht darin, dass die Zellen einen Mikropolarisator enthalten. Der Strahlmodulator besteht dann in einer Anordnung von Mikropolarisatoren. Eine Phasenmodulation ist damit direkt möglich. Im Zusammenwirken mit einem der Mikropolarisatorenanordnung nachgeschalteten Polari­ sator kann die durch einen Mikropolarisator tretende Strahlung amplitudenmoduliert werden.Another possibility of designing the beam modulator is that the Cells contain a micropolarizer. The beam modulator then consists of one Arrangement of micropolarizers. Phase modulation is thus possible directly. in the Interaction with a Polari arranged downstream of the micropolarizer arrangement sator can amplitude-modulate the radiation passing through a micropolarizer become.

In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die einzelnen (Modulations-)Zellen des Strahlmodulators aus Flüssigkristallen. In diesem Fall weist der Strahlmodulator eine Anordnung von einzelnen Flüssigkristallzellen auf. Die Flüssigkristallzellen können in einem regelmäßigem Schema flächig angeordnet sein und bilden dann eine regelmäßige Anordnung bzw. ein Array individueller Flüssigkristallzellen, d. h. individueller Einzelmodulatoren.In a preferred embodiment, the individual (modulation) cells of the Beam modulator made of liquid crystals. In this case, the beam modulator has one Arrangement of individual liquid crystal cells. The liquid crystal cells can in be arranged flat over a regular scheme and then form one regular arrangement or an array of individual liquid crystal cells, d. H. individual modulators.

Die Modulation eines auf die einzelne Zelle fallenden Teilstrahlenbündels geschieht innerhalb der Zelle durch gezielte Beeinflussung und Ausnutzung der elektro-optischen Effekte. Beispielsweise kann man sich die Doppelbrechungseigenschaften der Flüssigkristalle zu Nutze machen. Konkret kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Flüssigkristallzelle der ausserordentliche Brechungsindex der Flüssigkristalle verändert werden. Dadurch kann wiederum die Polarisation der einfallenden elektromagnetischen Strahlung verändert werden. Die Polarisationsrichtung lässt sich dabei in Abhängigkeit von der angelegten Spannung kontinuierlich oder schrittweise durchstimmen. Durch Anlegen individueller Spannungen an die einzelnen Zellen der Flüssigkristallzellenanordnung erhält man somit innerhalb des Gesamtstrahls eine Vielzahl individueller Polarisationsrichtungen. Durch diese Vorgehensweise ist eine Phasenmodulation direkt möglich. Je nach Amplitude der an eine Zelle angelegten alternierenden Spannung, meist eine Rechteckspannung, können die Brechungsindizes der Flüssigkristalle gezielt eingestellt werden. Durch die gezielte Modulation der Phasen der einzelnen Teilstrahlen, erreicht man das diese Teilstrahlen in der Werkstückebene zu der gewünschten LDV interferieren. Befindet sich im Strahlengang zusätzlich ein Analysator, so lässt sich die Strahlung amplitudenmodulieren. Auch eine Kombination von Amplituden- und Phasenmodulation ist realisierbar, zum Beispiel in dem innerhalb eines einzigen Modulators zwei Flüssigkristallarrays in optischer Flucht nacheinander angeordnet werden.The modulation of a partial beam falling on the individual cell takes place within the cell through targeted influencing and utilization of the electro-optical Effects. For example, you can look at the birefringence properties of the Make use of liquid crystals. Specifically, by applying an electrical Voltage to the liquid crystal cell the extraordinary refractive index of the Liquid crystals are changed. As a result, the polarization of the incident electromagnetic radiation can be changed. The direction of polarization can be continuously or depending on the applied voltage step by step. By applying individual tensions to the individual Cells of the liquid crystal cell arrangement are thus obtained within the overall beam a variety of individual polarization directions. By doing this, one is Phase modulation possible directly. Depending on the amplitude of the applied to a cell  alternating voltage, usually a square wave voltage, can be the refractive indices of the liquid crystals can be set specifically. Through the targeted modulation of the phases of the individual partial beams, these partial beams are achieved in the workpiece plane Interfer to the desired LDV. Is also in the beam path Analyzer, so the radiation can be amplitude modulated. Also a combination of amplitude and phase modulation is feasible, for example in the inside of a single modulator two liquid crystal arrays in optical alignment one after the other to be ordered.

Die modulierende Einheit, bestehend aus einer Anordnung von Flüssigkristallzellen und dem Polarisator, moduliert die Strahlung ortsaufgelöst und wird daher in der Literatur vereinzelt als ortsauflösender Strahlmodulator (spatial light modulator, SLM) bezeichnet. Abweichend hiervon wird in einigen Literaturstellen, und auch im Rahmen dieser Erfin­ dungsbeschreibung, bereits die Anordnung von Flüssigkristallzellen als ortsauflösender Strahlmodulator aufgefasst.The modulating unit, consisting of an arrangement of liquid crystal cells and the polarizer, modulates the radiation in a spatially resolved manner and is therefore used in the literature occasionally referred to as a spatial light modulator (SLM). Deviating from this is in some references, and also in the context of this invention Description of the application, already the arrangement of liquid crystal cells as spatially resolving Beam modulator understood.

Wird amplitudenmoduliert, so kann der Polarisator in Reflexion oder in Transmission po­ larisieren. Ein reflektierender Polarisator ist insbesondere bei hoher LDV günstig, da sich ein in Transmission betriebener Polarisator zu stark erwärmen würde. Es ist zweckmäßig, die ungenutzten Strahlungsanteile in einer Strahlfalle zu absorbieren.If amplitude modulation is used, the polarizer can be reflected in reflection or in transmission po larize. A reflective polarizer is particularly advantageous at high LDV because a polarizer operated in transmission would heat up too much. It is expedient to absorb the unused radiation components in a beam trap.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung geeignet sind antiferroelektrische Flüssigkristalle wie zum Beispiel nematische, smektische und cholestrische Flüssigkristalle. Diese erlauben insbesondere ein kontinuierliches Modulieren der Polarisations- bzw. Phasenlage. Dadurch ist eine besonders feine Einstellung der Polarisations- bzw. Phasenlage und damit besonders feine Abstufungen innerhalb der LDV möglich. Ferner können auch ferroelektrische Flüssigkristalle eingesetzt werden, die den Vorteil sehr kurzer Schaltzeiten mit sich bringen, jedoch nur eine schrittweise bzw. sprunghafte Einstellung der Polarisations- bzw. Phasenlage erlauben. Dies bedingt gröbere Abstufungen in der Einstellung der Polarisations- bzw. Phasenlage und damit gröbere Abstufungen innerhalb der LDV. Durch ferroelektrische Flüssigkristalle ist damit ein geringeres Auflösevermögen der LDV im Vergleich zu anti-ferroelektrischen Flüssigkristallen möglich.Antiferroelectric liquid crystals are suitable for the purposes of the present invention such as nematic, smectic and cholestric liquid crystals. This allow in particular continuous modulation of the polarization or Phase position. This enables a particularly fine adjustment of the polarization or Phase position and thus particularly fine gradations possible within the LDV. Further can also be used ferroelectric liquid crystals, which have the advantage bring about short switching times, but only a gradual or leaping one Allow adjustment of the polarization or phase position. This requires coarser Gradations in the setting of the polarization or phase position and thus coarser  Gradations within the LDV. With ferroelectric liquid crystals, this is a lower resolution of the LDV compared to anti-ferroelectric Liquid crystals possible.

Die bevorzugte Wahl eines eine Anordnung von Flüssigkristallzellen enthaltenden Strahlmodulators macht den Einsatz einer modular aufgebauten Anordnung von Hochlei­ stungsdiodenlaserbarren oder eines Excimerlasers als elektromagnetische Strahlungs­ quelle besonders attraktiv. Flüssigkristallzellenanordnungen sind meist flachen, rechteckigen Zuschnitts, so dass darauf ein homogenes, rechteckiges Strahlprofil einer Anordnung von Hochleistungsdiodenlasern oder eines Excimerlasers mit besonders geringen Abbildungsfehlern abgebildet werden kann. Die einzelnen Zellen können unterschiedliche Formen haben. Bei eindimensionalen Strahlmodulatoren haben die einzelnen Zellen eine rechteckige, zum Beispiel streifenförmige Form. Bei zweidimensionalen Strahlmodulatoren sollte die Form und Anordnung der einzelnen Zellen so gewählt sein, dass die Zellenzwischenräume klein gehalten werden, um die örtliche Auflösung der LDV fein und die undefinierten bzw. unmodulierten Bereiche klein zu halten. Es bieten sich rechteckige, quadratische oder sechseckige Geometrien an. Es sind auch andere Geometrien denkbar, die dann entsprechend der Aufgabenstellung angepasst werden. Bei anderen Lasern liegt zumeist ein rundes Strahlprofil vor, so dass aufwendige Optiken erforderlich sind, welche das runde Strahlprofil auf die rechteckige Flüssigkristallanordnung abbilden. Alternativ müsste bei rundem Strahlprofil entweder ein Teil der Zellen nicht mit Strahlung beaufschlagt werden oder der Strahl entsprechend aufgeweitet werden, was jedoch wenig effizient wäre.The preferred choice of one containing an array of liquid crystal cells Beam modulator makes use of a modular arrangement of Hochlei Stungsdiodelaserbaren or an excimer laser as electromagnetic radiation source particularly attractive. Liquid crystal cell arrangements are usually flat, rectangular cut, so that a homogeneous, rectangular beam profile of a Arrangement of high-power diode lasers or an excimer laser with special low imaging errors can be mapped. The individual cells can have different shapes. With one-dimensional beam modulators they have individual cells have a rectangular, for example strip-like shape. At Two-dimensional beam modulators should match the shape and arrangement of each Cells must be selected so that the cell gaps are kept small to avoid the local resolution of the LDV fine and the undefined or unmodulated areas small to keep. Rectangular, square or hexagonal geometries are available. It other geometries are also conceivable, which then correspond to the task be adjusted. With other lasers there is usually a round beam profile, so that elaborate optics are required, which match the round beam profile to the rectangular one Show liquid crystal arrangement. Alternatively, with a round beam profile, either some of the cells are not exposed to radiation or the beam accordingly be expanded, which would however be less efficient.

Um die Ausgangs-LDV der zur Verfügung stehenden Strahlungsquelle möglichst effektiv auszunutzen, sollte wenig Strahlung durch den Strahlmodulator und die strahlführenden und -formenden optischen Elementen verloren gehen. Eine für den individuellen Bearbeitungsprozess vorgegebene LDV mit möglichst grosser Intensität auf dem Werkstück lässt sich insbesondere dann realisieren, wenn die Zerstörschwelle der einzelnen den Strahlmodulator bildenden optischen Komponenten nicht überschritten wird bzw. wenn Zellen mit möglichst hoher Zerstörschwelle gewählt werden. Zum Zwecke der Materialbe- und Verarbeitung ist es daher günstig, eine Zerstörschwelle von 100 W/cm2 nicht zu unterschreiten, für gewisse Anwendungsgebiete sind noch höhere Werte von mindestens 200 W/cm2 bis 1000 W/cm2 vorteilhaft.In order to utilize the output LDV of the available radiation source as effectively as possible, little radiation should be lost through the beam modulator and the beam guiding and shaping optical elements. An LDV specified for the individual machining process with the greatest possible intensity on the workpiece can be realized in particular if the destruction threshold of the individual optical components forming the beam modulator is not exceeded or if cells with the highest possible destruction threshold are selected. For the purpose of material processing and processing, it is therefore advantageous not to fall below a destruction threshold of 100 W / cm 2 , for certain areas of application even higher values of at least 200 W / cm 2 to 1000 W / cm 2 are advantageous.

Um einen erhöhten Dynamikbereich und eine einfachere Handhabung zu gewährleisten ist eine homogene Ausleuchtung des aktiven Bereiches des Strahlmodulators vorteilhaft. Unter homogener Ausleuchtung ist zu verstehen, dass alle Zellen mit der gleichen Strahlungsintensität beaufschlagt werden.To ensure an increased dynamic range and easier handling homogeneous illumination of the active area of the beam modulator is advantageous. Homogeneous illumination means that all cells have the same Radiation intensity can be applied.

Zur kontrollierten Modulation desjenigen Strahlungsanteiles, welcher durch eine einzelne Modulationszelle hindurchtritt ist es günstig, wenn die einzelnen Modulationszellen einzeln und individuell adressierbar sind. Durch die individuelle Adressierung kann zum Beispiel eine einzelne Flüssigkristallzelle mit einer individuellen Spannung beaufschlagt werden. Bevorzugt erfolgt die Adressierung elektrisch, jedoch ist auch eine optische Adressierung möglich. Die Adressierung erfolgt über eine geeignete externe Steuereinheit, zum Beispiel über einen Computer. Geeignete Mittel sorgen für die Zuführung des Adressierungssignals von der Steuereinheit zur einzelnen Zelle. Diese Mittel können zum Beispiel elektrische Kabel, Controller, Lichtleitfaser und dergleichen sein. Die Steuereinheit sorgt für eine rasche und flexible Anpassung der LDV an die jeweiligen Erfordernisse des Bearbeitungsprozesses und der Werkstoffparameter, um ein optimales Bearbeitungsergebnis zu erzielen.For controlled modulation of the radiation component that is generated by a single It passes through the modulation cell if the individual modulation cells are individually and individually addressable. The individual addressing can lead to Example, an individual voltage is applied to an individual liquid crystal cell become. The addressing is preferably electrical, but is also optical Addressing possible. The addressing takes place via a suitable external Control unit, for example via a computer. Appropriate means ensure that Delivery of the addressing signal from the control unit to the individual cell. This Means can be, for example, electrical cables, controllers, optical fibers and the like his. The control unit ensures quick and flexible adaptation of the LDV to the respective requirements of the machining process and the material parameters in order to achieve an optimal processing result.

Neben der genannten externen Steuereinheit ist es auch möglich, die Steuereinheit mit dem Strahlmodulator zu einer Einheit zusammenzufassen. In einem weiteren Sinne kann dies ebenfalls als ein Strahlmodulator aufgefasst werden. Die Steuereinheit können beispielsweise ein oder mehrere programmierte oder programmierbare Chips wie zum Beispiel Asics oder Eproms sein. Mit einer geeigneten Spannungsversorgung kann dann der Strahlmodulator seine Arbeit autonom verrichten. Voraussetzung ist hierbei, dass die einzelnen Zellen durch die integrierte Steuereinheit individuell adressierbar sind. Von Vorteil ist es dabei, dass dann der Strahlmodulator bzw. die darin enthaltene Steuereinheit auch adressierbar ist. Dann nämlich kann die Funktionsweise der Chips zusätzlich extern beeinflusst werden und zum Beispiel zwischen mehreren in den Speicherbausteinen vorhandenen Arbeitsprogrammen gewechselt werden.In addition to the external control unit mentioned, it is also possible to use the control unit to combine the beam modulator into one unit. In a broader sense this can also be seen as a beam modulator. The control unit can for example one or more programmed or programmable chips such as For example, be Asics or Eproms. Then with a suitable power supply the beam modulator does its work autonomously. The prerequisite here is that the individual cells can be individually addressed by the integrated control unit. Of  The advantage here is that the beam modulator or the one contained therein Control unit is also addressable. Then namely the functioning of the chips can also be influenced externally and for example between several in the Memory modules existing work programs to be changed.

Um eine möglichst homogene Beaufschlagung des Strahlmodulators sicher zu stellen, kann optional eine Optik zur Homogenisierung der beaufschlagenden Strahlung vorge­ sehen sein. Dies ist besonders bei Diodenlasern vorteilhaft, da diese in der Regel große Divergenzwinkel aufweisen. Die aus dem Strahlmodulator austretende Strahlung kann ebenfalls optional über eine weitere Optik auf das Werkstück abgebildet (fokussiert) werden.To ensure that the beam modulator is acted on as homogeneously as possible, can optionally optics for homogenizing the radiation to be seen. This is particularly advantageous with diode lasers, since these are usually large Show divergence angles. The radiation emerging from the beam modulator can also optionally mapped onto the workpiece via another lens (focused) become.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann der Strahlmodulator sowohl eine eindimen­ sionale als auch eine zweidimensionale Strahlmodulation vornehmen. Es können ein- und zweidimensional aufgebaute Modulatoren eingesetzt werden. Die zweidimensionalen Modulatoren erlauben eine Simultanbearbeitung von Werkstücken, während die eindimensionalen Modulatoren dies nicht zulassen. Beide Varianten von Strahlmodulatoren erlauben eine Bearbeitung die von ihrer Art her zwischen den beiden Varianten sequentielle Bearbeitung und Simultanbearbeitung liegt. Wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschweißt, so ist der Schweißprozess ein Mittelding zwischen Konturschweißen und Simultanschweißen.In the sense of the present invention, the beam modulator can dim one sionale as well as a two-dimensional beam modulation. One can and two-dimensional modulators are used. The two-dimensional modulators allow simultaneous machining of workpieces, while the one-dimensional modulators do not allow this. Both variants of Beam modulators allow processing that is of a type between the two Variants sequential processing and simultaneous processing. Will with the Welded device according to the invention, so the welding process is a thing in between between contour welding and simultaneous welding.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.The device according to the invention and the method according to the invention are intended are explained below using exemplary embodiments.

Fig. 1a zeigt das erfindungsgemäße Verfahren der eindimensionalen Strahlmodulation mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Strahlmodulator (1) besteht in diesem Beispiel aus 10 länglichen bzw. streifenförmigen (Modulations-)Zellen (2) mit einem nachgeschalteten Polarisator (3) zur Amplitudenmodulation. Die Zellen sind vorliegend smektische Flüssigkristallzellen. Die Längsrichtung der Zellen sei die y-Richtung. Die Zellen sind in x-Richtung nebeneinander angeordnet. Die Zellen werden vertikal von oben mit polarisierter Strahlung (4) eines Diodenlasers beaufschlagt, was durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet ist. Die aktive Fläche (5) steht für die Strahlmodulation zur Verfügung. Die durch eine einzelne Modulationszelle hindurchtretende elektromagnetische Strahlung erhält eine bestimmte modulierte Polarisation. Benachbarte Zellen modulieren jedoch unterschiedlich, so dass es zu einer eindimensionalen Modulation mit unterschiedlichen Strahlungsintensitäten in x-Richtung kommt. In der Werkstückebene (6) äussert sich dies durch ein streifenförmiges Intensitätsmuster. In y-Richtung wird keine Modulation vorgenommen. Dort ist die Intensität innerhalb eines Streifens konstant bzw. entspricht der Ausgangs-LDV. FIG. 1a shows the method of the one-dimensional beam modulation with the aid of the device according to the invention. The beam modulator ( 1 ) in this example consists of 10 elongated or strip-shaped (modulation) cells ( 2 ) with a downstream polarizer ( 3 ) for amplitude modulation. In the present case, the cells are smectic liquid crystal cells. The longitudinal direction of the cells is the y direction. The cells are arranged next to each other in the x direction. Polarized radiation ( 4 ) from a diode laser is applied to the cells vertically from above, which is indicated by the arrows shown. The active area ( 5 ) is available for beam modulation. The electromagnetic radiation passing through a single modulation cell receives a certain modulated polarization. However, neighboring cells modulate differently, so that one-dimensional modulation with different radiation intensities in the x direction occurs. In the workpiece plane ( 6 ), this is expressed by a stripe-shaped intensity pattern. No modulation is carried out in the y direction. There the intensity is constant within a strip or corresponds to the initial LDV.

Die eindimensionale Strahlmodulation bietet sich an, wenn für den Bearbeitungsprozess ein länglicher Fokus auf das Werkstück abgebildet werden muss, d. h. wenn die Fo­ kuslänge grösser als die Fokusbreite ist. Als Spezialfall ist dabei ein linienförmiger Fokus möglich. In Richtung der Fokuslänge bzw. der langen Achse der Fokuslinie, dies sei nachfolgend die x-Richtung, wird moduliert und darüber die vorgegebene Intensitätsverteilung eingestellt. Senkrecht hierzu, d. h. in y-Richtung, wird nicht moduliert. Die Intensitätsverteilung in y-Richtung stimmt dann bis auf einen konstanten Faktor mit derjenigen Intensitätsverteilung überein, mit der der Strahlmodulator beauf­ schlagt wurde. Bei der Bearbeitung erfolgt eine Relativbewegung von Fokuslinie und Werkstück, wobei zum Beispiel die zu beaufschlagenden Teile der ruhenden Werkstückfläche nacheinander vom Bearbeitungsstrahl abgefahren werden. Dabei wird die jeweils notwendige Intensitätsverteilung auf dem Werkstück dynamisch eingestellt. Die Bearbeitung erfolgt quasi-simultan, d. h. die Vorschubbewegung ist kontinuierlich bei einer Einstellung der Intensitätsverteilung in diskreten Schritten. Für jede Fokusposition wird die benötigte LDV durch einen hierzu korrespondierenden Satz berechneter Spannungswerte eingestellt. Die Anzahl der erforderlichen Bearbeitungsschritte entspricht dem Quotienten aus der Bearbeitungslänge und der gewählten Fokus- bzw. Bearbeitungsschrittbreite. Diese Zahl entspricht auch der Anzahl der erforderlichen Sätze an elektrischen Spannungswerten, welche von der Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden müssen. Das Zusammenspiel der gewählten Vorschubgeschwindigkeit und Fokusbreite bestimmt die Frequenz, mit der die Flüssigkristallanordnung als dynamische Maske die gewünschte LDV auf dem Werkstück einstellt.The one-dimensional beam modulation lends itself when for the machining process an elongated focus on the workpiece must be mapped, d. H. if the Fo kiss length is greater than the focus width. As a special case, there is a linear focus possible. In the direction of the focus length or the long axis of the focus line, that is subsequently the x-direction is modulated and the given one above Intensity distribution set. Perpendicular to this, d. H. in the y direction, won't modulated. The intensity distribution in the y direction is then correct except for a constant one Factor coincides with that intensity distribution with which the beam modulator acts was struck. During processing, there is a relative movement of the focus line and Workpiece, for example the parts to be acted upon the resting Workpiece surface can be scanned one after the other by the machining beam. Doing so dynamically set the required intensity distribution on the workpiece. The processing takes place quasi-simultaneously, i. H. the feed movement is continuous an adjustment of the intensity distribution in discrete steps. For every focus position the required LDV is calculated using a corresponding sentence Voltage values set. The number of processing steps required corresponds to the quotient of the machining length and the selected focus or Machining step width. This number also corresponds to the number of required  Sets of electrical voltage values available from the control unit must be asked. The interaction of the selected feed rate and focus width determines the frequency at which the liquid crystal device as dynamic mask sets the desired LDV on the workpiece.

Die zweidimensionale Strahlmodulation ist in Fig. 1b dargestellt. Der Strahlmodulator (1) besteht in diesem Beispiel aus insgesamt 25 einzelnen cholesterischen Flüssigkristallzellen (2), wobei in x- und y-Richtung jeweils 5 Zellen liegen. Strahlmodulator (1) und Polarisator (3) bilden die modulierende Einheit, mit der es möglich ist, sowohl in x- als auch in y-Richtung eine Modulation der Laserstrahlung (4) vorzunehmen. Damit ist die Intensität weder in x- noch in y-Richtung konstant. Der grosse Vorzug der zweidimensionalen Strahlmodulation besteht darin, dass damit auch eine Simultanbearbeitung des Werkstücks möglich ist. Dies soll nachfolgend anhand der Fig. 2a bis 2c erläutert werden.The two-dimensional beam modulation is shown in Fig. 1b. In this example, the beam modulator ( 1 ) consists of a total of 25 individual cholesteric liquid crystal cells ( 2 ), with 5 cells each in the x and y directions. Beam modulator ( 1 ) and polarizer ( 3 ) form the modulating unit with which it is possible to modulate the laser radiation ( 4 ) in both the x and y directions. The intensity is therefore not constant in either the x or y direction. The great advantage of two-dimensional beam modulation is that it enables simultaneous machining of the workpiece. This will be explained below with reference to FIGS. 2a to 2c.

Soll zum Beispiel die Kontur des Buchstaben "M" auf ein Werkstück graviert werden, so muss gemäß Fig. 2a bei einer seriellen Bearbeitung durch eine Relativbewegung von Werkstück und Strahl der gesamte Weg entlang der Punkte 1 → 2 → 3 → 4 → 5 nacheinander bzw. seriell abgefahren werden. Eine derartige Gravur benötigt eine ge­ wisse Bearbeitungszeit. Es wäre wünschenswert die Prozesszeit zu verkürzen, d. h. alle zu bearbeitenden Bereiche gleichzeitig, d. h. simultan, zu bearbeiten.If, for example, the contour of the letter "M" is to be engraved on a workpiece, the entire path along the points 1 → 2 → 3 → 4 → 5 must be carried out in succession or according to FIG be run serial. Such an engraving requires a certain processing time. It would be desirable to shorten the process time, ie to process all areas to be processed simultaneously, ie simultaneously.

Eine solche Simultanbearbeitung erlaubt die zweidimensionale Strahlmodulation wie in Fig. 2b und Fig. 2c dargestellt. Notwendige Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass der Buchstabe "M" in die auf das Werkstück projezierte aktive Fläche (5) passt. In diesem Fall können die einzelnen Zellen des Strahlmodulators so angesteuert werden, dass in der Werkstückebene nur die Kontur des Buchstabens "M" mit Strahlung beaufschlagt wird. Die Beaufschlagung aller dieser Punkte erfolgt gleichzeitig. Umgekehrt können die Zellen des Strahlmodulators auch so angesteuert werden, dass alle Punkte bis auf die Punkte der Kontur mit Strahlung beaufschlagt werden. Die Ergebnisse dieser beiden Möglichkeiten entsprechen Positiv (Fig. 2b) und Negativ (Fig. 2c) in der Fotografie. Mit der Anzahl der Zellen pro Flächeneinheit steigt sowohl die mögliche Auflösung einer Kontur als auch der Aufwand der Adressierung der einzelnen Zellen.Such simultaneous processing allows two-dimensional beam modulation as shown in Fig. 2b and Fig. 2c. The only prerequisite for this is that the letter "M" fits into the active surface ( 5 ) projected onto the workpiece. In this case, the individual cells of the beam modulator can be controlled so that only the contour of the letter "M" is exposed to radiation in the workpiece plane. All of these points are applied simultaneously. Conversely, the cells of the beam modulator can also be controlled in such a way that all points except for the points on the contour are exposed to radiation. The results of these two options correspond to positive ( Fig. 2b) and negative ( Fig. 2c) in photography. With the number of cells per unit area, both the possible resolution of a contour and the effort of addressing the individual cells increase.

Die eindimensionale Strahlmodulation erlaubt eine Bearbeitung, welche die kurzen Pro­ zesszeiten der Simultanbearbeitung mit der Flexibilität der sequentiellen Bearbeitung verbindet. Diese Werkstückbe- oder Verarbeitung mit eindimensionaler Strahlmodulation soll nachfolgend als quasi-simultane Bearbeitung bezeichnet werden. Sie soll anhand von Fig. 3a und Fig. 3b erläutert werden.The one-dimensional beam modulation allows processing that combines the short process times of simultaneous processing with the flexibility of sequential processing. This workpiece machining or processing with one-dimensional beam modulation is referred to below as quasi-simultaneous machining. You should reference to FIG. 3a and Fig. 3b are explained.

Bei der quasi-simultanen Materialbearbeitung erfolgt die Beaufschlagung des Werk­ stücks derart, dass der längliche Fokus vorbestimmte Teile der zu bearbeitenden Werkstückfläche nacheinander (sequentiell) abfährt, und dabei die Strahlung entlang der langen Fokusachse strahl- bzw. intensitätsmoduliert wird.In the quasi-simultaneous material processing, the work is applied pieces such that the elongated focus predetermined parts of the to be processed The workpiece surface moves sequentially (sequentially), and the radiation along the long focus axis is beam or intensity modulated.

Fig. 3a und Fig. 3b zeigen jeweils eine zu bearbeitende Werkstückfläche (6), die man sich gedanklich in einzelne Teilflächen (7) zerteilt vorstellen kann. Demgemäß erscheint die Werkstückfläche (6) in Fig. 3a bzw. Fig. 3b als ein quadratisches Muster. In Fig. 3a ist der mit seiner langen Achse in x-Richtung ausgerichtete linienförmige Fokus (8) in x- Richtung größer als die Ausdehnung der Bearbeitungsfläche in x-Richtung, d. h. breiter als der Breite des Buchstabens "M". Befindet sich die Fokuslinie in der eingezeichneten Position, so können alle Punkte der Kontur entlang der x-Richtung simultan bearbeitet werden. Dies erfolgt, wie oben beschrieben, dadurch, dass alle Teilflächen (7) des linienförmigen Fokus (8) individuell moduliert werden. Fokus und Werkstück werden bei der Bearbeitung relativ zueinander in y-Richtung verschoben. Dies wird durch die vertikalen Doppelpfeile am linken und rechten Rand von Fig. 3a angedeutet. Auf diese Weise wird die zu bearbeitende Werkstückfläche in y-Richtung nacheinander bearbeitet. Gleiches gilt sinngemäß, wenn die Fokuslinie (8) vertikal bzw. in y-Richtung ausgerichtet ist, wobei dann die Relativbewegung in x-Richtung erfolgt, was durch die horizontalen Doppelpfeile am oberen und unteren Rand der Fig. 3a angedeutet ist. Fig. 3a and Fig. 3b respectively show a workpiece to be machined surface (6), which can be imagined divided conceptually into individual partial surfaces (7). Accordingly, the workpiece surface ( 6 ) appears in Fig. 3a and Fig. 3b as a square pattern. In FIG. 3a, the linear focus ( 8 ) with its long axis in the x direction is larger in the x direction than the extent of the working surface in the x direction, ie wider than the width of the letter "M". If the focus line is in the position shown, all points of the contour can be processed simultaneously along the x-direction. As described above, this is done by individually modulating all partial areas ( 7 ) of the linear focus ( 8 ). During machining, the focus and workpiece are shifted relative to each other in the y direction. This is indicated by the vertical double arrows on the left and right edges of Fig. 3a. In this way, the workpiece surface to be machined is machined in succession in the y direction. The same applies analogously if the focus line ( 8 ) is aligned vertically or in the y direction, the relative movement then taking place in the x direction, which is indicated by the horizontal double arrows at the top and bottom of FIG. 3a.

Im Sinne der vorstehenden Ausführungen reicht es auch aus, dass der linienförmige Fokus (8) in x-Richtung gleich groß ist wie die Ausdehnung der Kontur des Buchstabens "M" in x-Richtung.In the sense of the above, it is also sufficient that the linear focus ( 8 ) in the x direction is the same size as the extent of the contour of the letter "M" in the x direction.

Ist jedoch der linienförmige Fokus (8) mit seiner in x-Richtung ausgerichteten langen Achse kleiner als die Ausdehnung der Kontur des Buchstabens "M" in x-Richtung, so muss der Fokus (8) wie in Fig. 3b nicht nur in y-Richtung, sondern auch in x-Richtung verschoben werden. In Fig. 3b sind mehrere Beispiele für derartige Foki (8) dargestellt. Auf welche Teilflächen der Brennfleck gelenkt wird richtet sich nach den jeweiligen Prozesserfordernissen. So kann es erforderlich sein, die Werkstückoberfläche vollflächig abzufahren und zu bearbeiten. Für diesen Fall sind insbesondere bei eingesetzten Diodenlasern wegen deren rechteckförmigen Ausgangs-LDV rechteckförmige Teilflächen besonders vorteilhaft. Es kann auch ausreichen, dass nur Teile der gesamten Werkstückoberfläche abgefahren werden wie insbesondere bei Fig. 3b. Dadurch, dass nur die vorbestimmten Teilflächen des Werkstücks abgefahren werden und diese jeweils simultan bearbeitet werden, kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit erheblich gesteigert werden.However, if the line-shaped focus (8) with its aligned in the x-direction long axis smaller than the extension of the contour of the letter "M" in the x direction, so must the focus (8) as in Fig. 3b not only in the y- Direction, but can also be moved in the x direction. In Fig. 3b, several examples of such foci (8) are shown. The partial areas to which the focal spot is directed depends on the respective process requirements. It may be necessary to scan and machine the entire surface of the workpiece. In this case, rectangular partial areas are particularly advantageous, particularly in the case of diode lasers used, because of their rectangular output LDV. It may also be sufficient for only parts of the entire workpiece surface to be traversed, as in particular in FIG. 3b. The fact that only the predetermined partial areas of the workpiece are traversed and these are machined simultaneously enables the machining speed to be increased considerably.

Die das modulierende System verlassende elektromagnetische Strahlung kann zum ei­ nen optisch unbehandelt in die Werkstückebene gelangen oder aber mittels einer strahlführenden und/oder strahlformenden Optik in die Werkstückebene abgebildet werden.The electromagnetic radiation leaving the modulating system can ei optically untreated to reach the workpiece level or by means of a beam-guiding and / or beam-shaping optics mapped in the workpiece plane become.

Auf eine weitere optische Beeinflussung der modulierten Strahlung nach Verlassen des modulierenden Systems kann gegebenenfalls verzichtet werden, wenn man die Werk­ stückebene entsprechend nah an das modulierende System bringt, so dass eventuelle Beugungs- oder Streuverluste und damit Auflösungsverluste gering gehalten werden. Es bietet sich dabei an, Mittel bereitzustellen, welche eine Verschmutzung des modulie­ renden Systems durch vom Werkstück abgelöste und/oder verdampfte Partikel verhindern. So kann das modulierende System in einem Gehäuse untergebracht werden, wobei die das Werkstück beaufschlagende Strahlung durch ein für die jeweilige Strahlung transparentes Schutzfenster aus dem Gehäuse ausgekoppelt wird. Auch möglich ist der Einsatz einer Querluftströmung (sogenannter cross-jet), welche vom Bearbeitungsbereich stammende Partikel ablenkt.On further optical influencing of the modulated radiation after leaving the modulating system can optionally be dispensed with if the plant brings the part level close to the modulating system, so that any Diffraction or scattering losses and thus resolution losses are kept low. It it makes sense to provide means that contaminate the module system due to particles detached and / or evaporated from the workpiece prevent. So the modulating system can be accommodated in one housing  be, the radiation acting on the workpiece by a for the respective Radiation transparent protective window is coupled out of the housing. Also It is possible to use a cross-air flow (so-called cross-jet), which from the Machining area distracts particles.

Weiterhin ist es möglich, durch ein der Modulation nachgeschaltetes optisches System die erzeugte Leistungsdichteverteilung in die Werkstückebene abzubilden. Dies erlaubt insbesondere eine exakte Anpassung der Abmessungen der LDV an die Werk­ stückabmessungen als auch eine Variation des Arbeitsabstandes.It is also possible to use an optical system downstream of the modulation map the generated power density distribution into the workpiece plane. This allows especially an exact adaptation of the dimensions of the LDV to the factory piece dimensions as well as a variation of the working distance.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung einer ortsaufgelösten eindimensionalen Strahlmodulation mit dem erfindungsgemäßen Strahlmodulator. Die Strahlung eines Diodenlasers (9) wird mittels einer Optik (10) homogenisiert und beaufschlagt einen Strahlmodulator (1). Der Strahlmodulator besteht aus einer Anordnung mit 640 streifenförmigen nematischen Flüssigkristallzellen (2) die jeweils eine Breite von etwa 97 µm und einen Abstand von 3 µm haben. Der aktive Bereich (5) ist etwa 64 mm breit und 7 mm hoch. Durch eine vorgeschaltete Homogenisierung wird der aktive Bereich homogen ausgeleuchtet, so dass jede Modulationszelle in etwa mit der gleichen Strahlungsintensität beaufschlagt wird. Die ursprünglich emittierte Diodenlasertrahlung ist zu 90% relativ zum pn-Übergang linear polarisiert. FIG. 4 shows a block diagram for realizing a spatially resolved one-dimensional beam modulation with the beam modulator according to the invention. The radiation from a diode laser ( 9 ) is homogenized by means of optics ( 10 ) and acts on a beam modulator ( 1 ). The beam modulator consists of an arrangement with 640 strip-shaped nematic liquid crystal cells ( 2 ), each with a width of approximately 97 µm and a distance of 3 µm. The active area ( 5 ) is about 64 mm wide and 7 mm high. The active area is homogeneously illuminated by an upstream homogenization, so that each modulation cell is exposed to approximately the same radiation intensity. The originally emitted diode laser radiation is 90% linearly polarized relative to the pn junction.

Bei einer optischen Zerstörschwelle der Flüssigkristallanordnung von etwa 150 W/cm2 wird die aktive Fläche mit einer Leistung P0 von maximal 650 W homogen beaufschlagt. Ca. 70% von P0 erreichen die Werkstückoberfläche und bilden einen linienförmigen Brennfleck mit den Abmessungen 30 mm × 1 mm. Dies führt zu einer partiellen Intensität vom 1400 W/cm2. Bei einer zweiten Flüssigkristallanordnung mit einer höheren Zerstörschwelle von 500 W/cm2 ergibt sich eine partielle Intensität von etwa 4600 W/cm2. Für Bearbeitungsverfahren mit hohem Intensitätsbedarf auf der Werkstückoberfläche sind Zerstörschwellen von 500 W/cm2 und mehr wünschenswert. At an optical destruction threshold of the liquid crystal arrangement of approximately 150 W / cm 2 , the active area is subjected to a power P 0 of a maximum of 650 W homogeneously. Approximately 70% of P 0 reach the workpiece surface and form a linear focal spot with the dimensions 30 mm × 1 mm. This leads to a partial intensity of 1400 W / cm 2 . A second liquid crystal arrangement with a higher destruction threshold of 500 W / cm 2 results in a partial intensity of approximately 4600 W / cm 2 . Destruction thresholds of 500 W / cm 2 and more are desirable for machining processes with high intensity requirements on the workpiece surface.

Die obere Bildhälfte von Fig. 4 entspricht der Betrachtung des gesamten Aufbaus in der Vorderansicht, d. h. der Betrachtung in Richtung der fast axis, während die untere Bildhälfte die gleiche Anordnung in Draufsicht bzw. in Richtung der slow axis zeigt. Die slow axis verläuft in x-Richtung und die fast axis in y-Richtung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der unteren Bildhälfte auf die wiederholte Darstellung der Komponenten (11, 12, 13, 14) verzichtet worden.The upper half of FIG. 4 corresponds to the view of the entire structure in the front view, ie the view in the direction of the fast axis, while the lower half of the picture shows the same arrangement in plan view or in the direction of the slow axis. The slow axis runs in the x direction and the fast axis runs in the y direction. For reasons of clarity, the repeated representation of the components ( 11 , 12 , 13 , 14 ) has been omitted in the lower half of the figure.

Als Strahlungsquelle (9) dient eine Diodenlaseranordnung. Die emittierte Strahlung wird zunächst mittels eines optischen Systems (10) homogenisiert, so dass der homogene Bereich des Strahlmodulators (1) homogen ausgeleuchtet wird. Vor und nach dem Strahlmodulator sind die Leistungsdichteverteilungen P(x) und P(y) in x- bzw. y-Richtung plateauartig (top hat). Sie unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der Polarisation in den Teilstrahlbündeln. Der Polarisator (3) nimmt die Selektion und damit die Modulation entsprechend der durch den streifenförmigen Flüssigkristallmodulator (1) aufgeprägten Polarisationslagen vor.A diode laser arrangement serves as the radiation source ( 9 ). The emitted radiation is first homogenized using an optical system ( 10 ) so that the homogeneous area of the beam modulator ( 1 ) is homogeneously illuminated. Before and after the beam modulator, the power density distributions P (x) and P (y) in the x and y directions are plateau-like (top hat). However, they differ with regard to the polarization in the partial beams. The polarizer ( 3 ) carries out the selection and thus the modulation in accordance with the polarization layers impressed by the strip-shaped liquid crystal modulator ( 1 ).

Nach dem Strahlmodulator (1) durchläuft die Strahlung einen Polarisator (3). Strahlmo­ dulator und der in Reflexion betriebende Polarisator bilden zusammen die modulierende Einheit. Die ungenutzte Strahlung wird in einer Strahlfalle (11) absorbiert, welche von einer Kühlung (12) gekühlt wird. Im Falle der eindimensionalen Amplitudenmodulation erfolgt entlang der x-Richtung keine Modulation. Vor oder nach dem Polarisator wird die Strahlung in x-Richtung fokussiert, um eine höhere Intensität entlang des linienförmigen Fokus innerhalb der Werkstückebene (6) zu erzielen. Die durch die Fokussierung bewirkte Verkleinerung des Fokus in x-Richtung führt dazu, dass P(x) nach Austritt aus der Abbildungsoptik (15), wie in Fig. 4 zu sehen, eine kleinere Halbwertsbreite als P(y) aufweist. Bei der Darstellung der unmittelbar vor der Werkstückfläche (6) vorhandenen Leistungsdichte P(x) in Fig. 4 ist P(x) mit der y-Position parametrisiert. After the beam modulator ( 1 ), the radiation passes through a polarizer ( 3 ). The beam modulator and the polarizer operating in reflection together form the modulating unit. The unused radiation is absorbed in a beam trap ( 11 ), which is cooled by cooling ( 12 ). In the case of one-dimensional amplitude modulation, there is no modulation along the x direction. Before or after the polarizer, the radiation is focused in the x direction in order to achieve a higher intensity along the linear focus within the workpiece plane ( 6 ). The reduction in focus caused by the focusing in the x direction leads to the fact that P (x) has a smaller half-value width than P (y) after exiting the imaging optics ( 15 ), as can be seen in FIG. 4. In the representation of the power density P (x) present directly in front of the workpiece surface ( 6 ) in FIG. 4, P (x) is parameterized with the y position.

Die Amplitudenmodulation erfolgt ausschliesslich in y-Richtung (eindimensionale Am­ plitudenmodulation). Nach Austritt der Strahlung aus dem Polarisator (3) variiert P(y) entsprechend und ist an den Bearbeitungsprozess angepasst.The amplitude modulation takes place exclusively in the y direction (one-dimensional amplitude modulation). After the radiation emerges from the polarizer ( 3 ), P (y) varies accordingly and is adapted to the machining process.

Die Steuerung der Amplitudenmodulation erfolgt mittels eines Computers (13) der den Strahlmodulator (1) über die Spannungsversorgung (14) elektrisch ansteuert. Der Com­ puter errechnet prozessangepasst Sätze von Spannungswerten, mit denen die einzel­ nen Zellen unter Zuhilfenahme einer elektrischen Versorgung (14) sowie Mitteln zur Übertragung der elektrischen Adressierungssignale (nicht gezeigt) individuell beauf­ schlagt werden. Da die optische Achse der jeweiligen Flüssigkristallzelle der angelegten Spannung praktisch verzögerungsfrei folgt, erlaubt die Steuereinheit eine dynamische Anpassung der LDV an die jeweiligen Bearbeitungserfordernisse während der Relativbewegung von Werkstück und Strahl. Eine nachgeschaltete Abbildungsoptik (15) bildet die modulierte LDV auf das Werkstückfläche (6) ab. The amplitude modulation is controlled by means of a computer ( 13 ) which electrically controls the beam modulator ( 1 ) via the voltage supply ( 14 ). The computer calculates process-adapted sets of voltage values with which the individual cells are individually acted upon with the aid of an electrical supply ( 14 ) and means for transmitting the electrical addressing signals (not shown). Since the optical axis of the respective liquid crystal cell follows the applied voltage practically without delay, the control unit allows a dynamic adaptation of the LDV to the respective machining requirements during the relative movement of the workpiece and the beam. A downstream imaging optics ( 15 ) images the modulated LDV onto the workpiece surface ( 6 ).

BezugszeichenlisteReference list

11

Strahlmodulator
Beam modulator

22

einzelne (Modulations-)Zelle
single (modulation) cell

33rd

Polarisator
Polarizer

44

elektromagnetische Strahlung
electromagnetic radiation

55

aktive, d. h. mit Strahlung beaufschlagbare Oberfläche des Strahlmodulators
active surface of the beam modulator, ie surface that can be exposed to radiation

66

Werkstückfläche
Workpiece surface

77

Teilfläche
Partial area

88th

Fokus (Brennfleckfläche)
Focus (focal spot area)

99

Laser
laser

1010th

Optik zur Strahlhomogenisierung
Optics for beam homogenization

1111

Strahlfalle
Beam trap

1212th

Kühlung
cooling

1313

Computer
computer

1414

elektrische Versorgung
electrical supply

1515

Abbildungs- und/oder Fokussieroptik
Imaging and / or focusing optics

Claims (17)

1. Vorrichtung für die Materialbearbeitung mit elektromagnetischer Strahlung (4), insbe­ sondere mit Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsauflösender Strahlmodulator (1) zur Generierung einer vorgebbaren Leistungsdichteverteilung vorgesehen ist.1. Device for processing materials with electromagnetic radiation ( 4 ), in particular with laser radiation, characterized in that a spatially resolving beam modulator ( 1 ) is provided for generating a predeterminable power density distribution. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein amplituden- und/oder phasenmodulierender Strahlmodulator vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that an amplitude and / or phase-modulating beam modulator is provided. 3. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeich­ net, dass der Strahlmodulator eine Anordnung einzelner, die vorgegebene Lei­ stungsdichteverteilung steuernder Zellen (2) enthält.3. Device according to at least one of claims 1 to 2, characterized in that the beam modulator contains an arrangement of individual, the predetermined power density distribution controlling cells ( 2 ). 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) einen beweglichen Mikrospiegel oder einen Mikropolarisator enthalten oder Flüssigkristallzellen sind.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cells ( 2 ) contain a movable micromirror or a micropolarizer or are liquid crystal cells. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Flüssigkristallen um antiferroelektrische Flüssigkristalle, dabei insbesondere um nematische, smektische oder cholestrische Flüssigkristalle, oder um ferroelektrische Flüssigkristalle handelt.5. The device according to claim 4, characterized in that it is in the Liquid crystals around antiferroelectric liquid crystals, in particular around nematic, smectic or cholestric liquid crystals, or ferroelectric Liquid crystals. 6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, dass die Zellen (2) individuell adressierbar sind.6. The device according to at least one of claims 3 to 5, characterized in that the cells ( 2 ) are individually addressable. 7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, dass der Strahlmodulator (1) adressierbar ist.7. The device according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the beam modulator ( 1 ) is addressable. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische oder elektrische Adressierbarkeit vorgesehen ist. 8. The device according to claim 6 or 7, characterized in that an optical or electrical addressability is provided.   9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, dass eine ein- oder zweidimensionale Strahlmodulation vorgesehen ist.9. The device according to at least one of claims 1 to 8, characterized in net that a one- or two-dimensional beam modulation is provided. 10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, dass eine Optik (10) zur örtlich homogenen Beaufschlagung des Strahlmodula­ tors (1) mit der elektromagnetischen Strahlung (4) vorgesehen ist.10. The device according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that an optics ( 10 ) for locally homogeneous exposure of the beam modulator ( 1 ) with the electromagnetic radiation ( 4 ) is provided. 11. Verfahren zur Materialbearbeitung mit elektromagnetischer Strahlung (4), insbesondere unter Einsatz einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgebbare Leistungsdichteverteilung mit einem ortsauflösenden Strahlmodulator (1) generiert wird.11. A method for material processing with electromagnetic radiation ( 4 ), in particular using a device according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that a predetermined power density distribution is generated with a spatially resolving beam modulator ( 1 ). 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl, und insbesondere ein Diodenlaser- oder Excimerlaserstrahl, ortsaufgelöst moduliert wird.12. The method according to claim 11, characterized in that a laser beam, and in particular a diode laser or excimer laser beam is modulated in a spatially resolved manner. 13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Strahl ein- oder zweidimensional moduliert wird.13. The method according to at least one of claims 11 to 12, characterized indicates that the beam is modulated in one or two dimensions. 14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Strahl amplituden- und/oder phasenmoduliert wird.14. The method according to at least one of claims 11 to 13, characterized records that the beam is amplitude and / or phase modulated. 15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung dynamisch während der Materialbear­ beitung angepasst wird.15. The method according to at least one of claims 11 to 14, characterized records that the power density distribution is dynamic during the materialbear processing is adjusted. 16. Verfahren zur Materialbearbeitung mit elektromagnetischer Strahlung (4), insbesondere nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein länglicher Fokus (8) vorbestimmte Teile der zu bearbeitenden Werkstückfläche (6) nacheinander abfährt, und dabei die Strahlung (4) entlang der langen Fokusachse strahl- bzw. intensitätsmoduliert wird. 16. A method for material processing with electromagnetic radiation ( 4 ), in particular according to a method according to at least one of claims 11 to 15, characterized in that an elongated focus ( 8 ) moves in predetermined parts of the workpiece surface to be machined ( 6 ) in succession, and thereby Radiation ( 4 ) along the long focus axis is beam or intensity modulated. 17. Verwendung eines ortsauflösenden Strahlmodulators (1) zur Generierung einer vorgebbaren Leistungsdichteverteilung bei der Materialbearbeitung17. Use of a spatially resolving beam modulator ( 1 ) to generate a predeterminable power density distribution during material processing
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