DE10124954C1

DE10124954C1 - Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE10124954C1
Application number: DE10124954A
Authority: DE
Inventors: Gennadij Kusnezow
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: US20030222064A1; JP2004017067A; US6765176B2

Abstract

Bei einer Vorrichtung (1) zur Bearbeitung von Materialien mittels eines Laserstrahls (2) ist eine Linsenanordnung (4) vorgesehen, durch die das von einer Laserquelle emittierte Licht hindurchtritt. Die Linsenanordnung (4) ist hierzu gegenüber der optischen Achse (5) geneigt und exzentrisch angeordnet, wodurch sich eine Veränderung der Querschnittsfläche des Laserstrahls (2) insbesondere von einer elliptischen zu einer kreisförmigen Geometrie und zugleich ein Ausgleich eines Neigungswinkels des durch die Linsenanordnung hindurchtretenden Laserstrahls gegenüber der optischen Achse erreichen lässt. Dabei lässt sich die Qualität der Schnittfläche durch im Wesentlichen übereinstimmende Ein- und Austrittsflächen des Laserstrahls (2) an dem Material erreichen, ohne dass hierzu der Laserstrahl (2) zirkular polarisiert werden muss. Der Aufwand zur Herstellung der Vorrichtung (1) kann dadurch vergleichsweise gering gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Materialien mittels eines Laser strahls, bei dem das von einem Laser emittierte Licht durch mindestens ein sphärisches opti sches Element geführt wird, welches eine in dem Strahlengang des Laserstrahls angeord nete und gegenüber der optischen Achse geneigte Linsenanordnung aufweist, um so eine gewünschte Geometrie eines auf die Oberfläche des Materials auftreffenden Laserstrahles zu erreichen.

Eine solche Vorrichtung ist durch die JP 03-210 990 A bekannt, bei der das Licht durch eine gegenüber der optischen Achse geneigte Linsenanordnung fällt, die zusätzlich mittels eines Antriebes um die optische Achse drehbar angeordnet ist. Durch die geneigte Linsenanord nung entsteht auf der Oberfläche des Materials ein von der optischen Achse abweichender Spot, der durch die Drehbewegung eine kreisringförmige Bearbeitungsfläche ermöglicht.

Als problematisch hat sich dabei in der Praxis erwiesen, dass die Geometrie der Eintrittsflä chen an der Oberfläche des Bauteils von der Geometrie der Austrittsfläche an der Unterseite des Bauteils abweicht. Hierdurch entstehen Abweichungen vom Sollwert der Schnittfläche, welche die Qualität des Bauteils negativ beeinflussen.

Eine wesentliche Ursache für diese Abweichungen liegt in der Polarisation des Laserlichts und dem hiervon abhängigen Absorptionsgrad an der Schnittkante begründet. In der Praxis kann zur Vermeidung dieses Nachteils die Polarisationsebene des Laserstrahls entspre chend der Bewegungsrichtung nachgeführt werden. Hiermit ist jedoch ein erheblicher Steue rungsaufwand verbunden, so dass in der Praxis zumeist zirkular polarisiertes Laserlicht zur Bearbeitung verwendet wird, um so die gewünschte Unabhängigkeit von der Vorschubbewe gung zu erreichen.

Dieses zirkular polarisierte Licht kann beispielsweise durch Umwandlung aus einem linear polarisierten Licht mit Hilfe eines Verzögerungsplättchens (Wave-plate) erzeugt werden. Da bei kann jedoch lediglich ein geringer Anteil der Energie umgesetzt werden, weil hierzu nor malverteiltes, linear polarisiertes Licht mittels einer Blende des Lasers im Kernbereich der optischen Achse verwendet wird. Dabei wird lediglich ein geringer Anteil von 20% der Ener gie genutzt. Durch Verwendung einer Blende mit größerem Öffnungswinkel wird zunächst ein größerer Energieanteil nutzbar, der jedoch bei der Umsetzung für die zirkulare Polarisati on wieder verloren geht.

Ein weiterer bekannter Lösungsvorschlag ermöglicht mittels eines Polarisators eine Auf spaltung der unpolarisierten Multimodestrahlung der P- und S-Polarisation. Durch diese Auf spaltung werden jedoch zugleich auch die homogene Intensitätsverteilung des Laserlichts negativ beeinflusst und Leistungsverluste verursacht, so dass auch dieser Lösungsvorschlag in der Praxis mit Nachteilen verbunden ist.

Ferner sind in der DE 40 08 383 A1 achromatische Linsenanordnungen, insbesondere für UV-Strahlen, und ihre Eigenschaften hinsichtlich Abbildungsfehlern grundsätzlich beschrie ben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, die gewünschte Qualität der Schnittfläche mittels des Laserstrahls zu erreichen, die von der Bewegungsrich tung des Laserstrahls im wesentlichen unbeeinflusst ist. Dabei soll insbesondere eine Nachführung der Polarisation entsprechend der Bewegungsrichtung entbehrlich sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Pa tentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei dem die Linsenanordnung ex zentrisch zu der optischen Achse angeordnet ist. Hierdurch kann ein Neigungswinkel des durch die Linsenanordnung hindurchtretenden Laserstrahls gegenüber der optischen Achse ausgeglichen werden, wodurch sich eine wesentlich vereinfachte Handhabung erreichen lässt. Der zunächst mit einer insbesondere elliptischen Geometrie behaftete Laserstrahl trifft dabei durch die geneigte Linsenanordnung auf der Oberfläche des Bauteils als eine im we sentlichen kreisförmige Fläche auf, welche auf der Oberfläche, wie auch auf der Unterseite, an seiner Austrittsfläche eine annähernd übereinstimmende Geometrie aufweist. Hierzu kann das von dem Laser emittierte Licht verwendet werden, ohne dass hierzu eine Polarisation, insbesondere zirkulare Polarisation, erforderlich ist. Daher kann gegenüber solchen nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen auf zusätzliche Modenblenden, Polarisato ren und Verzögerungsplättchen verzichtet werden, wodurch sich eine wesentliche Reduzie rung der Energieverluste erreichen lässt. Der Wirkungsgrad der Vorrichtung kann daher bei gleichzeitigem Wegfall der Blende und des Verzögerungsplättchens gesteigert werden.

Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Linsenanordnung einen Achromat aufweist. Da durch können die Abbildungsfehler beim Durchgang des Laserstrahls durch die Linsenan ordnung verhindert werden, wodurch sich die Qualität der Schnittfläche wesentlich steigern lässt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die Linsenanordnung zwei einander zugeneigte optische Elemente aufweist. Hierdurch kann eine Abweichung des durch die Linsenanordnung hindurchtretenden Laserlichts von der op tischen Achse korrigiert werden, ohne dass die wesentlichen und erwünschten Eigenschaf ten der Linsenanordnung beeinträchtigt werden. Dabei entfällt insbesondere auch ein ande renfalls erforderlicher Steuerungsaufwand zur Abstimmung der Bewegungsrichtung an die veränderte Laserstrahlachse.

Hierzu eignet sich auch eine besonders einfache Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der die Linsenanordnung in einer Neigungsebene angeordnet ist, die einen azimutari schen Winkel zu der optischen Achse aufweist. Hierdurch wird die gewünschte Exzentrizität der Linsenanordnung zur Vermeidung eines gegenüber der optischen Achse winkligen La serstrahls ohne eine Verschiebung bereits durch die Neigung bewirkt. Dabei wird die Hand habung bei der Einstellung der Linsenanordnung wesentlich vereinfacht, indem lediglich der Neigungswinkel eingestellt werden muss.

Der Neigungswinkel könnte herstellerseitig festgelegt werden, um so die Geometrie des La serstrahls im Fokus oder in der Strahlteilebene zu bestimmen. Eine besonders zweckmäßige Abwandlung wird hingegen dadurch geschaffen, dass die Linsenanordnung beweglich ist. Hierdurch kann in einfacher Weise eine Anpassung an die jeweiligen individuellen Umstände des Schneidprozesses, beispielsweise der Materialstärke, vorgenommen werden, um so das jeweils gewünschte Ergebnis zu erreichen. Der Einsatzbereich der Vorrichtung kann auf die se Weise erheblich erweitert werden.

Hierzu ist es besonders günstig, wenn die Linsenanordnung einen einstellbaren Neigungs winkel aufweist, so daß die Geometrie insbesondere stufenlos veränderlich ist. Die Ausbil dung des Schneidspaltes kann so problemlos auf die gewünschte Abmessung und die Geo metrie abgestimmt werden. Daher ermöglicht diese Einstellmöglichkeit einen vielseitigen Einsatz der Vorrichtung.

Eine hierzu besonders gut geeignete Abwandlung der Erfindung wird dadurch geschaffen, daß der Neigungswinkel in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung des Laserstrahls gegen über dem Material einstellbar ist. Hierdurch kann eine Geometrie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Bauteils eingestellt werden, durch die eine verbesserte Qualität und Be schaffenheit der Schnittfläche erreicht werden kann. Beispielsweise kann dabei eine ellipti sche Form des Laserstrahls eingestellt werden, wobei die Hauptachse in Richtung der Be wegungsrichtung des Laserstrahls auf dem Material ausgerichtet ist, um so den Schneidspalt zu verringern.

Besonders zweckdienlich ist es auch, wenn die Linsenanordnung quer zur optischen Achse beweglich ist. Hierdurch kann eine Abweichung des Laserstrahls beim Durchgang durch die Linsenanordnung von der optischen Achse ausgeglichen und dadurch ein unerwünschter Versatz vermieden werden. Der Einsatz der Vorrichtung wird daher im Hinblick auf eine zu verlässige Steuerung und Genauigkeit des durchzuführenden Schnittes wesentlich erleich tert.

Eine andere besonders funktionsgerechte Weiterbildung der Vorrichtung wird auch dann erreicht, wenn die Linsenanordnung um die optische Achse azimutarisch drehbar ist. Hier durch wird unabhängig von der Neigung der Linsenanordnung, durch welche die Geometrie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Bauteils festgelegt ist, durch die Drehung in einfa cher Weise die Lage der Hauptachsen des gegebenenfalls elliptischen Laserspots bestimmt. Daher kann der Laserstrahl ohne Veränderung der Geometrie problemlos durch die Drehung der Bewegungsrichtung des Laserstrahls auf dem Material nachgeführt werden, wodurch eine einheitliche Beschaffenheit der Schnittfläche erreicht wird.

Eine besonders einfache Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch reali siert, daß die Linsenanordnung zugleich als ein Beam-Expander zur Aufweitung des Laser strahls ausgeführt ist. Hierdurch kann die Linsenanordnung ohne zusätzliche optische Bau elemente lediglich durch die bereits für den Beam-Expander erforderlichen Bauelemente durch eine geringe Modifikation erreicht werden. Ein solcher Beam-Expander wird bereits nach dem Stand der Technik eingesetzt, um den Laserstrahl aufzuweiten, weil dadurch die Divergenz verringert wird. Durch die Kombination des Beam-Expanders mit der Linsenan ordnung wird die Vorrichtung mit einer geringen Baugröße realisierbar, die zudem mit einer geringen Anzahl von optischen Bauelementen vergleichsweise kostengünstig realisierbar ist.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer seitlichen Prinzipskizze;

Fig. 2 eine Linsenanordnung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung in einer Vorderansicht;

Fig. 3 die Linsenanordnung in einer geschnittenen Seitenansicht.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Bearbeiten von nicht dargestellten Materialien. Der von einer ebenfalls nicht dargestellten Laserquelle emittierte Laserstrahl 2, welcher dabei eine elliptische Querschnittsfläche aufweist, trifft dabei zunächst auf eine plankonvexe Linse 3, durch die der Strahlengang aufgeweitet wird. Hierdurch wird die Diver genz des Laserstrahls 2 vermindert. Der Laserstrahl 2 tritt anschließend durch eine Linsen anordnung 4, insbesondere einen Achromat, hindurch. Diese Linsenanordnung 4 ist gegen über einer optischen Achse 5 mit einem Neigungswinkel θ geneigt. Hierdurch erhält der La serstrahl 2 eine im wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche, die beim Durchgang durch das Material im wesentlichen keine Abweichung erfährt, so daß eine gewünschte Schnittflä che erreicht wird. Die Linsenanordnung 4 ist dabei zugleich exzentrisch gegenüber der opti schen Achse 5 verschoben, so daß der austretende Strahl lediglich um einen Betrag Δ ver setzt, nicht aber winklig zu der optischen Achse 5 verläuft. Daher ist der Steuerungsaufwand für die Vorrichtung 1 vergleichsweise gering.

Die genaue Ausgestaltung der Linsenanordnung 4 wird ergänzend auch anhand der Fig. 2 und 3 gezeigt, die eine vergrößerte, teilweise geschnittene Vorderansicht und eine Seiten ansicht der Linsenanordnung 4 zeigen. Zur Einstellung ihrer Winkelstellung zur optischen Achse 5 ist die Linsenanordnung 4 in einem inneren Ring 6 gehalten, der um eine Achse 7 zur optischen Achse 5 verdrehbar ist. Der innere Ring 6 ist mit seiner Achse 7 in einem äu ßeren Ring 8 befestigt. Der äußere Ring 8 ist mittels zweier verstell- bzw. verschiebbarer Justierschrauben 9 und 10 und einer Klemmfeder 11 in der X- und der Y-Richtung azimutal verdrehbar gehalten. Zur Grundjustage ist der äußere Ring 8 mittels der Justierschrauben 9, 10 in der X- und der Y-Richtung verstellbar. Die Linsenanordnung 2 ist dadurch sowohl stu fenlos in ihrer Neigung, als auch in ihrer Position in der X- und der Y-Richtung verstellbar, sowie drehbar angeordnet, um so die für den jeweiligen Verwendungszweck optimale Be schaffenheit des Laserstrahls einstellen zu können.

Claims

1. Vorrichtung (1) zum Bearbeiten von Materialien mittels eines Laserstrahls (2), bei dem das von einem Laser emittierte Licht durch mindestens ein sphärisches optisches Element ge führt wird, welches eine in dem Strahlengang des Laserstrahls (2) angeordnete und gegen über der optischen Achse (5) geneigte Linsenanordnung (4) aufweist, um so eine ge wünschte Geometrie eines auf die Oberfläche des Materials auftreffenden Laserstrahles zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (4) exzentrisch zu der opti schen Achse (5) angeordnet ist.

2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (4) einen Achromat aufweist.

3. Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen anordnung (4) zwei einander zugeneigte optische Elemente aufweist.

4. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Linsenanordnung (4) in einer Neigungsebene angeordnet ist, die einen azimutarischen Winkel (ϕ) zu der optischen Achse (5) aufweist.

5. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Linsenanordnung (4) beweglich ist.

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (4) einen einstellbaren Neigungswinkel (θ) aufweist.

7. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (θ) in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung des Laserstrahls (2) gegenüber dem Material einstell bar ist.

8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (4) quer zur optischen Achse (5) beweglich ist.

9. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung (4) um die optische Achse (5) azimutarisch drehbar ist.

10. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Linsenanordnung zugleich als ein Beam-Expander zur Aufweitung des Laserstrahls (2) ausgeführt ist.