DE10133847A1

DE10133847A1 - Vorrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls

Info

Publication number: DE10133847A1
Application number: DE2001133847
Authority: DE
Inventors: Michael Deyerler
Original assignee: Rodenstock Praez Soptik & GmbH
Current assignee: LINOS PHOTONICS GMBH & CO. KG, 37081 GOETTINGEN, DE
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-02-06
Also published as: WO2003009047A2; WO2003009047A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung verlaufenden Laserstrahls mittels einer ersten Ablenkeinheit, die um eine erste Achse drehbar ist, und einer zweiten Ablenkeinheit, die um eine zweite Achse drehbar ist, wobei der Laserstrahl von der ersten Ablenkeinheit um einen ersten Winkel ablenkt und der abgelenkte Laserstrahl von der zweiten Ablenkeinheit um einen zweiten Winkel abgelenkt wird. Hierbei bilden die erste und die zweite Achse miteinander einen von einem rechten Winkel abweichenden Winkel miteinander. Die erste und die zweite Ablenkeinheit sind gemeinsam im gleichen Drehsinn sowie mit gleicher Drehzahl rotierend antreibbar und eine Phasensteuerung ist zur Einstellung der Relativlage der ersten und der zweiten Ablenkeinheit bei deren Rotation vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, nämlich eine Vorrichtung zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung verlaufenden Laserstrahls mittels einer ersten Ablenkeinheit, die um eine erste Achse drehbar ist, und einer zweiten Ablenkeinheit, die um eine zweite Achse drehbar ist, wobei der Laserstrahl von der ersten Ablenkeinheit um einen ersten Winkel ablenkt und der abgelenkte Laserstrahl von der zweiten Ablenkeinheit um einen zweiten Winkel abgelenkt wird.

Eine Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahls sind als sogenannte orthogonale Scanner mit zwei ebenen Spiegeln als Ablenkeinheiten bekannt. Die Winkelhalbierende des ersten Winkels steht senkrecht auf der ersten Achse wie auch jene des zweiten Winkels mit der zweiten Achse einen rechten Winkel bildet.

Diese bekannte Vorrichtung führt mit beiden Ablenkeinheiten im allgemeinen zwei überlagerte Bewegungen, nämlich eine schnelle Hin- und Herbewegung um die erste und eine langsame Linearbewegung um die zweite Achse aus. Infolgedessen ergibt sich ein in Linearrichtung fortlaufendes Bewegungsmuster, zum Beispiel eine sinusförmige Bewegung. Andere Bewegungsabläufe sind schwer erzeugbar und mit dem Nachteil verbunden, daß die Positionierfrequenz auf einige wenige Kilohertz (kHz) beschränkt ist aufgrund der Trägheit der Ablenkeinheiten.

Nachdem früher die Pulsfolge bei Lasern nach dem Stand der Technik vergleichsweise gering war, genügte zur Ablenkung der Folge von Laserimpulsen eine relativ langsame Ablenkvorrichtung, wie sie als Gattung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs angegeben ist. Dies hat sich mit den extrem schnell gepulsten Femto-Laserstrahlungsquellen geändert. Werden solche eingesetzt, so sind die Vorrichtungen zum Ablenken des Laserstrahls für manche Anwendungen zu langsam. Werden mittels Laser z. B. Operationen am Auge durchgeführt, so wird für eine Folge von Verschmelzpunkten einer "Naht" längs einer geschlossenen Kurve im Abstand von z. B. 5 µm etwa eine Stunde benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so weiterzubilden, daß zum einen schnellere Positionierungen bei geschlossenen Bewegungsabläufen realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale nämlich dadurch gelöst, daß die erste Achse und die zweite Achse miteinander einen kleineren als einen rechten Winkel miteinander bilden, daß die erste Ablenkeinheit und die zweite Ablenkeinheit im gleichen Drehsinn sowie mit gleicher Drehzahl rotierend antreibbar sind und daß eine Phasensteuerung zur Einstellung der Relativlage der ersten zu der zweiten Ablenkeinheit bei deren Rotation vorgesehen sind.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird der Laserstrahl hinter der ersten Ablenkeinheit bezogen auf die erste Achse um einen ersten Winkel entlang eines Kegelmantels und der abgelenkte Strahl um einen zweiten Winkel von der zweiten Ablenkeinheit abgelenkt. Durch die Phasensteuerung kann eine vor- oder nacheilende Phasenverschiebungen der beiden Ablenkeinheiten relativ zueinander so eingestellt werden, daß in überraschend einfacher Weise der Öffnungswinkel des austretenden Strahls den Kegelmantels bei der Strahlablenkung vergrößert oder verkleinert wird.

Mit Vorteil können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschlossene Kurven äußerst schnell durchlaufen und damit hohe Positionierfrequenzen erzielt werden. Bei solchen geschlossenen Bewegungsabläufen, z. B. kreisförmigen Bahnen ist die Positionierfrequenz nur durch die Pulsrate der Lichtquelle für den Laserstrahl begrenzt. Außerdem können Kreise, Ellipsen oder Spiralen oder andere kreisähnliche Bewegungen in einfachster Art und Weise erzielt werden. Werden z. B. Operationen am Auge durchgeführt, so wird für eine Folge von Verschmelzpunkten längs einer geschlossenen Kurve im Abstand von z. B. 5 µm etwa 5 Minuten benötigt.

Sind die erste und die zweite Achse nicht parallel oder kolinear zueinander angeordnet, so können Bewegungsabläufe in einem Kreisring unter Freilassung eines Zentrums erzielt werden, wohingegen bei paralleler Anordnung der Achsen eine Kreislinie überstrichen werden kann.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1a eine erste Ausführungsform der Erfindung in schematischer Seitenansicht in einer ersten Stellung;
Fig. 1b das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, in einer zweiten Stellung;
Fig. 2a ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, in schematischer Seitenansicht in einer ersten Stellung und
Fig. 2b die Ausführungsform gemäß Fig. 2a, in einer zweiten Stellung.
In Fig. 1a ist ein in Strahlungsrichtung 11 verlaufender Laserstrahl 10 schematisch dargestellt, der durch eine erste Ablenkeinheit 12 und von dieser in eine zweite Ablenkeinheit 13 gelangt, die als Prismen ausgebildet sind und die um eine erste Achse 121 bzw. 131, die in Verlängerung zueinander angeordnet sind, drehbar angeordnet sind. Der Laserstrahl 10 wird hinter der ersten Ablenkeinheit 12 zu ersten, bzw. zweiten Achse 121 bzw. 131 unter einem ersten Winkel β abgelenkt und als in die zweite Ablenkeinheit 13 einfallender Strahl wiederum einen zweiten Winkel γ abgelenkt und tritt hinter der insgesamt mit 19 bezeichneten Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahls als austretender Strahl 101 aus. Er ist um ein Maß δ gegenüber der Rotationsachse versetzt.
Wie ersichtlich aus Fig. 1a, sind die beiden Ablenkeinheiten in ihrer Relativlage zueinander bezüglich der ersten Achse 121 bzw. der zweiten Achse 131 um 180°, also phasenverschoben zueiander angeordnet. In dieser Relativlage zueinander sind beide Ablenkeinheiten 12, 13 um ihre (gemeinsame) Achsen 121, 131 drehbar angeordnet.
In Fig. 1b ist eine gegenüber Fig. 1a in einer anderen Phasenlage befindlich gezeigt, in die sie von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Phasensteuerung bringbar ist. Eine solche könnte beispielsweise ein Rad sein, das mit seinem Umfang an je einer der beiden einander zugewandten Stirnflächen der Ablenkeinheiten zur Anlage kommt und das eine senkrecht zu den beiden Achsen 121, 131 verlaufende Drehachse aufweist und bei seiner Verdrehung die Relativlage der beiden Ablenkeinheiten 12, 13 zueinander ändert. In der in Fig. 1b gezeigten Lage ist die Relativlage der rotierenden Ablenkeinheiten 12, 13, zueinander 0°, da sie durch Parallelverschiebung ineinander überführt werden können, so daß der einfallende Laserstrahl 10 als austretender Strahl 102 weiter abgelenkt ist, unter der Voraussetzung, daß sowohl die erste Ablenkeinheit 12 als auch die zweite Ablenkeinheit 13 im gleichen Drehsinn und mit gleicher Drehzahl rotieren. Es wird also in einfacher Weise eine Ablenkung des Laserstrahls durch Einstellung der Relativlage der beiden Ablenkeinheiten 12, 13 zueinander erreicht. Ersichtlich darf aber die Winkelhalbierende β/2 oder γ/2 des ersten bzw. zweiten Winkels nicht rechtwinklig auf der ersten Achse 121 bzw. zweiten Achse 131 stehen oder parallel hierzu verlaufen.
In Fig. 2a und 2b ist eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung 29 zur Ablenkung eines Laserstrahls dargestellt, wobei die beiden Ablenkeinheiten 22, 23 nunmehr als ebene Spiegel ausgebildet sind, so daß also die erste Ablenkeinheit 22 um ihre erste Achse 221 drehbar angetrieben ist und die zweite Ablenkeinheit 23 und die zweite Achse 231, wobei die beiden Rotationsachsen zueinander parallel im Raum angeordnet sind. Der Spiegel der ersten Ablenkeinheit ist hierbei um den Winkel α gegenüber der ersten Achse 221 angestellt. Dasselbe gilt für den Spiegel der zweiten Ablenkeinheit. Wenn, wie in Fig. 2a gezeigt, die Phasensteuerung die beiden Spiegel gleichlaufend, also ohne phasenmäßige Verdrehung bzw. Relativlage zueinander angeordnet, so wird der einfallende Laserstrahl 20 mit der Strahlungsrichtung 21 um einen ersten Winkel β und einem zweiten Winkel γ als Ausgangsstrahlenbündel 201 (mit zueinander parallelem Strahlenverlauf) erzielt.
Wird hingegen eine um 180° gegenläufige bzw. verdrehte Relativlage der beiden Ablenkeinheiten 22, 23, wie in Fig. 2b dargestellt, verwendet, so wird das Ausgangsstrahlenbündel längs eines Kegelmantels 202 abgelenkt, dessen Öffnungswinkel δ an der Spitze dem Vierfachen des Winkels α entspricht, um den der Spiegel bezüglich der Senkrechten zu der Rotationsachse 221 bzw. 231 versetzt ist, wenn auch hier die beiden Ablenkeinheiten 22 und 23 im gleichen Drehsinn und mit gleicher Drehzahl rotieren. Durch Einstellung der Phasenlage läßt sich also auch hier der Winkel der Ablenkung von 0° (Fig. 2a) durch die beiden Ablenkeinheiten 22, 23, des austretenden Strahls 201, da sie bei dieser Lage zueinander durch Parallelverschiebung ineinander überführt werden können, bis zu einem demgegenüber größeren Winkel des Ausgangsstrahlenbündels 202 in Form eines Kegelmantels gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2b erzielen.
Anstelle der ebenen Spiegel können selbstverständlich auch entsprechend geneigte Linsen Einsatz finden. Ebenso ist es möglich, ein Beugungsgitter einzusetzen.

Claims

1. Vorrichtung zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung (11, 21) verlaufenden Laserstrahls (10, 20) mittels einer ersten Ablenkeinheit (12, 22), die um eine erste Achse (121, 221) drehbar ist, und einer zweiten Ablenkeinheit (13, 23), die um eine zweite Achse (131, 231), drehbar ist, wobei der Laserstrahl (10, 20) von der ersten Ablenkeinheit (12, 22) um einen ersten Winkel (β) ablenkt und der abgelenkte Laserstrahl von der zweiten Ablenkeinheit (13, 23) um einen zweiten Winkel (γ) abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Achse (121, 221) und die zweite Achse (131, 231) miteinander einen von einem rechten Winkel abweichenden Winkel miteinander bilden, daß die erste Ablenkeinheit (12, 22) und die zweite Ablenkeinheit (13, 23) im gleichen Drehsinn sowie mit gleicher Drehzahl rotierend antreibbar sind und daß eine Phasensteuerung zur Einstellung der Relativlage der ersten zu der zweiten Ablenkeinheit bei deren Rotation vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelhalbierende des ersten Winkels (β) und die erste Achse (121, 221) miteinander einen von 0° abweichenden Winkel von kleiner als 90° bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelhalbierende des zweiten Winkels (γ) und die zweite Achse (131, 231) miteinander einen von 0° abweichenden Winkel Winkel von kleiner als 90° bilden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die um die erste Achse (121, 221) rotierende erste Ablenkeinheit (12, 22) als den ankommenden Laserstrahl (10) längs eines Kegelmantels mit Bezug auf die erste Achse (121, 221) ablenkend ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Achse (131, 231) und die zweite Achse (131, 231) zueinander parallel verlaufen und daß die um die zweite Achse rotierende zweite Ablenkeinheit (13, 23) als den abgelenkten ersten Laserstrahls längs eines Kegelmantels mit einem Öffnungswinkel (δ) in Bezug auf die zweite Achse (131, 231) als austretenden Strahl (101, 102) ablenkend ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensteuerung zur Einstellung der Relativlage der ersten bezüglich der zweiten Ablenkeinheit (12, 22 bzw. 13, 23) bei deren Rotation von einer Nullage ausgeht, in der die beiden Ablenkeinheiten in ihre entsprechenden Lagen durch Parallelverschiebung gebracht werden können, bis in solche um 180° dazu verdrehte Lagen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheiten (12, 22; 13, 23) reflektierend, zum Beispiel als Spiegel, abbildend, zum Beispiel als Linse und/oder beugend, zum Beispiel als Beugungsgitter ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (12, 22; 13, 23) als Prisma ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (12, 22; 13, 23) als Linse bzw. Linsensystem ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Achsen (121, 131) kolinear zueinander angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit als Spiegel (22, 23) und jeder Spiegel (22, 23) als ebener Spiegel ausgebildet ist und um den Winkel (α) bezüglich der Achse (121, 131) angestellt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spiegel (22, 23) als Wobbelspiegel ausgebildet ist.