DE10133850A1

DE10133850A1 - Vorrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls

Info

Publication number: DE10133850A1
Application number: DE2001133850
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: 2003-05-22
Also published as: WO2003009045A2; WO2003009045A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung verlaufenden Laserstrahls mittels einer Ablenkeinheit, die, ausgehend von einer Neutrallage, um eine erste Achse drehbar gelagert ist, und mittels einer dieser nachgeordneten optischen Einheit, die um eine zweite Achse drehbar ist, wobei der Laserstrahl von der Ablenkeinheit als abgelenkter Laserstrahl um einen ersten Winkel auf die optische Einheit hin abgelenkt wird sowie hinter dieser als abgelenkter Laserstrahl aus der Vorrichtung austritt und wobei der eine Schenkel des ersten Winkels von dem abgelenkten Laserstrahl und der andere neutrale Schenkel von einem bei der Ablenkung in Neutrallage gebildeten Laserstrahl gebildet ist. Hierbei ist die optische Einheit als Bild- oder Strahlrotor ausgebildet und dessen zweite Achse fällt mit dem neutralen Schenkel zusammen. Ferner ist die um die zweite Achse in einer Drehrichtung rotierende optische Einheit als den austretenden Laserstrahl längs eines Kegelmantels mit einem Öffnungswinkel in Bezug auf die zweite Achse ablenkend ausgebildet und zwecks Änderung des Maßes der Ablenkung des aus der Vorrichtung austretenden Laserstrahls die Ablenkeinheit bezüglich der ersten Achse änderbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, nämlich Vorrichtung zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung verlaufenden Laserstrahls mittels einer Ablenkeinheit, die ausgehend von einer Neutrallage um eine erste Achse drehbar gelagert ist, und mittels einer dieser nachgeordneten optischen Einheit, die um eine zweite Achse drehbar ist, wobei der Laserstrahl von der Ablenkeinheit als abgelenkter Laserstrahl um einen ersten Winkel auf die optischene Einheit hin abgelenkt wird sowie hinter dieser als abgelenkter Lasestrahl aus der Vorrichtung austritt und wobei der eine Schenkel des ersten Winkels von dem abgelenkten Laserstrahl und der andere Schenkel von einem bei der Ablenkung in Neutrallage gebildeten Laserstrahl als neutraler Schenkel gebildet ist.

Eine Vorrichtung zum Ablenken eines Laserstrahls sind als sogenannte orthogonale Scanner mit einem ebenen Spiegel als Ablenkeinheit und einem weiteren ebenen Spiegel als optische Einheit bekannt. Die Winkelhalbierende des ersten Winkels steht hierbei senkrecht auf der ersten Achse.

Diese bekannte Vorrichtung führt mit beiden Spiegeln 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 Ablenkeinheit im Betrieb feststehend angeordnet ist oder langsam um die erste Achse gedreht wird, daß die optische Einheit als Bild- oder Stahlrotator ausgebildet ist, daß dessen zweite Achse mit dem neutralen Schenkel zusammenfällt, daß die um die zweite Achse in einer Drehrichtung rotierende zweite Ablenkeinheit als den austretenden Laserstrahl längs eines Kegelmantels mit einem Öffungswinkel in Bezug auf die zweite Achse ablenkend ausgebildet ist und daß zwecks Änderung des Maßes der Ablenkung des aus der Vorrichtung austretenden Laserstrahls die Ablenkeinheit bezüglich der ersten Achse änderbar ist.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird der Laserstrahl hinter der ersten Ablenkeinheit, bezogen auf die erste Achse um den ersten Winkel abgelenkt, so daß der abgelenkte Strahl auf die optische Einheit fällt, die um ihre eigene Achse rotiert, wodurch der Laserstrahl als Kegelmantel mit einem bestimmten Öffnungswinkel, der von dem ersten Winkel abhängig ist, aus der Vorrichtung austritt. In überraschend einfacher Weise kann der Öffnungswinkel des austretenden Laserstrahls in Form des Kegelmantels bei der Strahlablenkung durch Veränderung der Winkellage der fest angeordneten Ablenkeinheit um deren erste Achse vergrößert oder verkleinert werden.

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 Bewegungsabläufe 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.

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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung in schematischer Seitenansicht und
Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform der optischen Einheit
Die in Fig. 1 insgesamt mit 5 bezeichnete Vorrichtung dient zum Ablenken eines Laserstrahls 6, der in Strahlungsrichtung 7 auf eine als ebener Spiegel 8 ausgebildete erste Ablenkeinheit auftrifft, der um eine senkrecht in der Zeichenebene drehbare erste Achse 9 in seiner Winkellage 8' bzw. 8" einstellbar ist. Der Laserstrahl 6 wird von der ersten Ablenkeinheit 8 als abgelenkter Strahl 10, 10', 10" zu der insgesamt mit 11 bezeichneten optischen Einheit um einen ersten Winkel ρ bezüglich der in Fig. 1 gezeichneten Neutrallage 8 auf das Zentrum der optischen Einheit 11 abgelenkt.
Diese optische Einheit 11 ist als Bild- bzw. Strahlrotator ausgebildet. Dessen Rotationsachse z - die zweite Achse - fällt hierbei typischerweise mit dem in Neutrallage der Ablenkeinheit 8 abgelenkten Laserstrahl 10 zusammen. Der Bild- oder Strahlrotator 11 wird hierbei um die Achse 10 in einer Drehrichtung rotierend angetrieben. Dann ergibt sich in einer Bildebene 12 bei Anstellung der Ablenkeinheit 8 in der Stellung 8' oder 8" der erste Winkel ρ, der sich als aus der Vorrichtung 5 austretender Strahl 13 längs eines Kegelmantels darstellt, das heißt bei einem Kegel mit dem Öffnungswinkel ρ erstreckt. Diese Abbildung ergibt in der Bildebene 12 ein Kreis mit aufgrund des ersten Winkels ρ einem Radius R und einem Punkt, der infolge der optischen Einheit 11 um den Winkel φ verdreht ist.
Ein Beispiel eines als Perchan-Prismas ausgebildeten Bild- oder Strahlrotators 11 ist in Fig. 2 im schematischen Querschnitt dargestellt. In einer mittels eines Kugellagers 20 gelagerten Hülse 21 ist ein insgesamt mit 22 bezeichnetes Perchan-Prisma als optische Einheit 11 angeordnet. Der äußere Lagerring 24 des Kugellagers 20 ist vorrichtungsfest gelagert und weist einen Motor 25 mit einer Antriebsscheibe 26 auf, die an einem vorzugsweise außen angeordneten Zahnkranz 27 der Hülse 21 angreift und diese im Betrieb in einer bestimmten Drehrichtung und mit einer vorgebbaren Drehzahl antreibt.
Anstelle des Perchan-Prismas als optische Einheit 11 kann auch jede andere Vorrichtung eingesetzt werden, die als Bild- oder Strahlrotator wirkt.

Claims

1. Vorrichtung (5) zum Ablenken eines in Strahlungsrichtung (7) verlaufenden Laserstrahls (6) mittels einer Ablenkeinheit (8), die ausgehend von einer Neutrallage (8, 10) um eine erste Achse (9) drehbar gelagert ist, und mittels einer dieser nachgeordneten optischen Einheit (11), die um eine zweite Achse (z) drehbar ist, wobei der Laserstrahl (6) von der Ablenkeinheit (8) als abgelenkter Laserstrahl um einen ersten Winkel (ρ) auf die optischene Einheit (11) hin abgelenkt wird sowie hinter dieser als abgelenkter Lasestrahl (13) aus der Vorrichtung (5) austritt und wobei der eine Schenkel des ersten Winkels (ρ) von dem abgelenkten Laserstrahl (10', 10") und der andere neutrale Schenkel (10) von einem bei der Ablenkung in Neutrallage gebildeten Laserstrahl (10) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit (11) als Bild- oder Stahlrotator ausgebildet ist, daß dessen zweite Achse (z) mit dem neutralen Schenkel (10) zusammenfällt, daß die um die zweite Achse (z) in einer Drehrichtung rotierende optische Einheit als den austretenden Laserstrahl (13) längs eines Kegelmantels mit einem Öffungswinkel (ρ) in Bezug auf die zweite Achse (z) ablenkend ausgebildet ist und daß zwecks Änderung des Maßes der Ablenkung des aus der Vorrichtung (5) austretenden Laserstrahls (13) die Ablenkeinheit (8) bezüglich der ersten Achse (9) änderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (8) reflektierend, zum Beispiel als Spiegel, abbildend, zum Beispiel als Linse und/oder beugend, zum Beispiel als Beugungsgitter ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (8) als Prisma ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (8) als Linse bzw. Linsensystem ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bild- oder Stahlrotator (11) als Perchan-Prisma ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlrotator (11) in einer Hülse (21) angeordnet und diese in einem Lager, insbesondere Kugel-, Luft-, Magnet- oder Gleitlager (20) drehbar gelagert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Lagerring (24) des Lagers (20) vorrichtungsfest gelagert ist und einen Motor (25) mit einer Antriebsscheibe (26) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Lagerring (24) des Lagers (20) einen außen angeordneten Zahnkranz 27 aufweist, an dem die Antriebsscheibe (26) angreift und mit einer bestimmten Drehrichtung und mit einer vorgebbaren Drehzahl antreibt.