DE102005034106A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken mit einem Faserlaser - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken mit einem Faserlaser Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken mit einem Faserlaser, dessen Laserfaser mit zumindest einem Diodenlaser optisch gepumpt wird, die mit einem Strompuls betrieben wird, dessen Anstiegsgeschwindigkeit und Pulshöhe angepasst an die Laserfaser derart eingestellt sind, dass der Laserpuls (22) unabhängig von der Pulslänge des Strompulses am Anfang einen primären Relaxationspuls (A) aufweist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken mit einem Faserlaser.
  • Bei der Feinbearbeitung von Werkstücken mit einem Laser, insbesondere beim Feinschneiden von Stents, müssen die Prozessparameter insbesondere bei kritischen Werkstoffen, beispielsweise Nitinol oder Legierungen auf der Basis von Kobalt Co und Chrom Cr, auf den jeweiligen Werkstoff abgestimmt werden, um ein optimales Prozessergebnis zu erzielen. Diese Prozessparameter sind zum einen bestimmt durch die Eigenschaften des Laserstrahls selbst und zum anderen durch zusätzliche vom Laserstrahl unabhängige physikalische Parameter, wie beispielsweise der Art des Schutzgases, des bei der Laserbearbeitung herrschenden Gasdrucks, der Vorschubgeschwindigkeit oder der Bearbeitungsgeometrie, insbesondere der Geometrie der durchgeführten Schnitte. Die auf den Laserstrahl bezogenen maßgeblichen Parameter sind im wesentlichen die Wellenlänge, die Strahlqualität, die Strahlkaustik, die in das Werkstück eingebrachte mittlere Leistung und Energie, die Pulsform und Pulslänge bei im Pulsbetrieb arbeitenden Lasern, sowie die Wiederholrate der Laserpulse.
  • Diese Prozessparameter beeinflussen insbesondere beim Feinschneiden empfindlich die Eigenschaften der Schneidkanten, beispielsweise deren Form, gegebenenfalls vorhandene Grate und deren Entfernbarkeit, oder deren Rauhigkeit und sind bei der Herstellung von Stents von entscheidender Bedeutung für deren problemlosen therapeutischen Einsatz.
  • Zum Feinschneiden von Stents werden bisher in der Regel Nd:YAG-Festkörperlaser eingesetzt, die im Pulsbetrieb arbeiten und mit Blitzlampen optisch gepumpt werden. Mit einem solchen Laser können die vorstehend aufgezählten, auf den Laserstrahl bezogenen Prozessparameter jedoch nicht immer auf den jeweiligen Prozess optimiert werden, da diese nicht unabhängig voneinander einstellbar sind. So ist beispielsweise bei Pulsdauern < 100μs, wie sie insbesondere beim Feinschneiden erforderlich sind, die Pulsenergie eines Laserpulses mit der Pulsspitzenleistung und der Pulsdauer gekoppelt. In 4 ist ein typischer Laserpuls in einem Diagramm dargestellt, in dem die Ausgangsleistung des Lasers gegen die Zeit aufgetragen ist. Der Figur ist nun zu entnehmen, dass sich der Laserpuls aus einer Vielzahl von Einzelpulsen – sogenannten Spikes – zusammensetzt, die ausgehend von einem Anfangspuls annähernd exponentiell auf ein konstantes Leistungsniveau (cw-Leistung) abklingen. Diese Pulsform ist im wesentlichen unabhängig von der von der Blitzlampe in das laseraktive Medium eingebrachten Energie. Auf diese Weise ist beispielsweise eine Erhöhung der Pulsenergie stets mit einer Erhöhung der Pulsspitzenleistung des Anfangspulses und/oder mit einer Verlängerung der Pulsdauer verknüpft. Darüber hinaus ist aus technischen Gründen die Pulsfrequenz auf Werte unterhalb 3kHz begrenzt.
  • Aus der US 2005/0035101 A1 ist eine Laserschneidanlage zum Herstellen von Stents bekannt, bei der zum Vermeiden der vorstehend genannten Probleme als Laserquelle ein diodengepumpter Faserlaser dient. Bei dieser bekannten Laserschneidanlage wird zum Ansteuern des zum Pumpen eingesetzten Diodenlasers ein Funktionsgenerator verwendet, mit dem ein Formen des vom Diodenlaser erzeugten Pumplaserpulses möglich ist. Auf diese Weise werden Pulsformen des vom Faserlaser erzeugten Laserpulses erzeugt, die der Pulsform des zum Betreiben des Diodenlasers verwendeten und vom Funktionsgenerator gesteuerten Strompulses entsprechen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken mit einem Faserlaser anzugeben, das mit technisch einfachen Mitteln die Erzeugung eines Laserpulses ermöglicht, der für die Feinbearbeitung von Werkstücken, insbesondere für das Feinschneiden von Stents, besonders gut geeignet ist.
  • Die genannte Aufgabe wird bezogen auf eine erste Variante des Verfahrens gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei diesem Verfahren wird die Laserfaser eines Faserlasers mit zumindest einem Diodenlaser optisch gepumpt, der mit einem Strompuls betrieben wird, dessen Anstiegsgeschwindigkeit, Pulshöhe und Pulslänge angepasst an die Laserfaser derart eingestellt sind, dass der Laserpuls ausschließlich aus einem primären Relaxationspuls besteht. Auf diese Weise wird vom Faserlaser ein einzelner Laserpuls mit einer hohen Leistungsspitze erzeugt, der für die Feinbearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Bohren oder Schneiden besonders geeignet ist.
  • Bezogen auf eine zweite Variante des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 2. Bei diesem Verfahren wird die Laserfaser eines Faserlasers mit zumindest einem Diodenlaser optisch gepumpt, der mit einem Strompuls betrieben wird, der einen ersten Abschnitt mit einer ersten Pulshöhe aufweist, dessen Anstiegsgeschwindigkeit, Pulshöhe und Pulslänge angepasst an die Laserfaser derart eingestellt sind, dass der Laserpuls einen primären Relaxationspuls aufweist, und bei dem sich an den ersten Abschnitt wenigstens ein zweiter Abschnitt mit einer von der ersten Pulshöhe verschiedenen zweiten Pulshöhe anschließt, in dem der Strom konstant ist und dessen Zeitdauer derart bemessen ist, dass der Faserlaser nach dem primären Relaxationspuls in einen cw-Betrieb mit zumindest annähernd konstanter Ausgangsleistung übergeht. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Spitzenleistung des Relaxationspulses und die Leistung im anschließenden cw-Betrieb unabhängig voneinander einzustellen, so dass die Pulsform des vom Faserlaser erzeugten Laserpulses flexibel auf den jeweiligen Werkstoff und die jeweilige Bearbeitung – Abtragen, Bohren, Schneiden – angepasst werden kann.
  • Die Erfindung beruht dabei auf dem, beispielsweise aus M.N. Zerras et al., „Single and few-moded high power fibre lasers for industrial applications", Vortrag auf der Tagung „Advanced Laser Applications", Nov. 2004, publiziert unter der Internet-Adresse www.spiotics.com/techpapers1.htm, bekannten Betriebsverhalten eines Faserlasers, gemäß dem sich die Laserfaser, wenn sie mit einer hohen und schnell ansteigenden Pumplichtleistung optisch gepumpt wird, wenn also die zum optischen Pumpen verwendete Laserdiode mit einem entsprechend hohen und schnell ansteigenden Strompuls angesteuert wird, aufgrund der hohen Leistungsdichte in der Laserfaser selbst güteschaltet, so dass ein ausgeprägter einzelner, schmaler primärer Relaxationspuls, d.h. eine Pulsspitze am Anfang des Laserpulses entsteht. Diesem Anfangslaserpuls oder primären Relaxati onspuls schließen sich je nach Pulslänge des Strompulses weitere kleinere sekundäre Relaxationspulse an, bevor der Faserlaser in einen cw-Betrieb mit zumindest annähernd konstanter Ausgangsleistung übergeht.
  • Eine solche Pulsform mit einer hohen Pulsspitze am Anfang des Laserpulses und einem sich gegebenenfalls daran anschließenden cw-Bereich hat sich insbesondere für die Herstellung von Stents als besonders günstig erwiesen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
  • 1 einen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung geeignete Laseranlage in einer schematischen Prinzipdarstellung,
  • 2 und 3 jeweils Diagramme, in denen der Strompuls für die Ansteuerung des Diodenlasers bzw. die Ausgangsleistung des auf dieses Weise optisch gepumpten Faserlasers jeweils gegen die Zeit aufgetragen sind,
  • 4 ein Diagramm, in dem die Ausgangsleistung eines konventionellen lampengepumpten Nd:YAG-Festkörperlaser gegen die Zeit aufgetragen ist.
  • Gemäß 1 enthält eine Laseranlage zum Feinbearbeiten von Werkstücken einen Faserlaser 2, dessen Laserfaser 4 von einem Diodenlaser 6 optisch gepumpt wird. Das von dem Diodenlaser 6, in der Regel eine Anordnung aus mehreren Einzelemittern, emittierte Pumplicht P (Pumplaserpuls) wird in den Mantel der Laserfaser 4 eingekoppelt und gelangt von dort aus in den laseraktiven Faserkern. Der von der Laserfaser 4 erzeugte Laserstrahl L wird mit einer symbolisch veranschaulichten Abbildungs- und Strahlführungseinrichtung 8 auf ein zu bearbeitendes Werkstück 10 fokussiert.
  • Zur Pulsformung des Laserstrahls L wird der Diodenlaser 6 von einem Impuls- oder Funktionsgenerator 12 mit einem Strompuls versorgt, der eine steile Anstiegsflanke aufweist, um einen pulsförmigen Laserstrahl L (Laserpuls) zu erzeugen, der zu Beginn einen hohen primären Relaxationspuls aufweist.
  • Der Impulsgenerator 12 wird mit Steuersignalen S1 von einer zentralen Steuereinheit 14 gesteuert. Diese Steuereinheit 14 steuert über weitere Steuersignale S2, S3, die Relativbewegung zwischen Werkstück 10 und Laserstrahl L, die in der Regel durch eine Vorschubbewegung des Werkstückes 10 bewirkt ist, sowie weitere Prozessparameter für den Bearbeitungsvorgang.
  • In der Figur ist auch noch schematisch ein aktiver Güteschalter 16 angedeutet, der über ein entsprechendes Steuersignal S4 ebenfalls von der Steuereinrichtung 14 angesteuert wird, und mit dem die Breite und Höhe des primären Relaxationspulses zusätzlich beeinflusst werden kann.
  • In den Diagrammen gemäß 2 und 3 sind ein typischer zeitlicher Verlauf eines durch den Diodenlaser fließenden Strompulses 20 und der mit einem derart betriebenen Diodenlaser vom Faserlaser erzeugte Laserpuls 22 gegenübergestellt. Der in 2 dargestellte Strompuls 20 hat eine annähernd stufenförmige Gestalt mit einer ausgeprägt steilen Anstiegsflanke und einem ersten Abschnitt a mit einer ersten Pulshöhe I1, an den sich ein zweiter Abschnitt b mit einer zweiten Pulshöhe I2 anschließt, in dem der Strom I konstant ist. Die Pulshöhen P1 und P2 sind voneinander verschieden. 3 ist nun zu entnehmen, dass etwa 1μs nach dem Beginn des Strompulses im ersten Abschnitt a eine Pulsspitze in Form eines isolierten, etwa 300ns breiten primären Anfangslaser- oder Relaxationspulses A auftritt, an dem sich in einem ersten Teilabschnitt b1 des zweiten Abschnittes b kleine, weniger ausgeprägte sekundäre Relaxationspulse B1 anschließen, die in einem darauf folgenden zweiten Teilabschnitt b2 ein Plateau B2 erreichen, in dem der Faserlaser in einen cw-Betrieb mit annähernd konstanter Ausgangsleistung übergegangen ist. Mit anderen Worten: Der Faserlaser geht nach dem primären Relaxationspuls und einigen kleineren sekundären Relaxationspulsen, d.h. nicht zwingend unmittelbar nach dem Relaxationspuls, in den cw-Betrieb über.
  • Die Höhe des primären Relaxationspulses A wird dabei im wesentlichen bestimmt durch die Anstiegsgeschwindigkeit und ersten Pulshöhe I1 im ersten Abschnitt a des Strompulses 20, mit dem der Diodenlaser angesteuert wird. Die Höhe der cw-Leistung des zweiten Teilabschnittes b2 wird durch die Höhe des Stromes I im Plateau des Strompulses 20 bestimmt. Die cw-Leistung kann zusätzlich durch eine aktive Regelung der Laserdiode stabilisiert werden, indem die emittierte Laserleistung erfasst und als Regelgröße für die Pulshöhe I2 des Strompulses 20 im zweiten Abschnitt b verwendet wird.
  • Grundsätzlich ist es möglich, die Pulsdauer des Strompulses 20 so klein zu wählen, dass die Teilabschnitte b1 und b2 nicht auftreten. In 2 ist gestrichelt eine Pulsform für den Strompuls 20 eingezeichnet, bei der ausschließlich ein primärer Relaxationspuls A auftritt.
  • Eine mit Hilfe der Form des Strompulses eingestellte Pulsform des Laserstrahls bleibt auch bei variierender Pulsfrequenz erhalten, so dass die Pulsfrequenz des Faserlasers mit der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes verändert werden kann. Neben einer Variation der Pulsfrequenz kann zusätzlich auch während der Bearbeitung („on the fly") eine Anpassung der Pulsform an die jeweilige Schneidgeometrie, beispielsweise enge Kurvenradien, mechanische kritische Bereiche im Werkstück, erfolgen.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken (10) mit einem Faserlaser (2), dessen Laserfaser (4) mit zumindest einem Diodenlaser (6) optisch gepumpt wird, der mit einem Strompuls (20) betrieben wird, dessen Anstiegsgeschwindigkeit, Pulshöhe und Pulslänge angepasst an die Laserfaser (4) derart eingestellt sind, dass der Laserpuls L ausschließlich aus einem primären Relaxationspuls (A) besteht.
  2. Verfahren zum Erzeugen eines Laserpulses für die Feinbearbeitung von Werkstücken (10) mit einem Faserlaser (2), dessen Laserfaser (4) mit zumindest einem Diodenlaser (6) optisch gepumpt wird, der mit einem Strompuls (20) betrieben wird, der einen ersten Abschnitt (a) mit einer ersten Pulshöhe (I1) aufweist, dessen Anstiegsgeschwindigkeit, Pulshöhe und Pulslänge angepasst an die Laserfaser (4) derart eingestellt sind, dass der Laserpuls (L) einen primären Relaxationspuls (A) aufweist, und bei dem sich an den ersten Abschnitt (a) wenigstens ein zweiter Abschnitt (b) mit einer von der ersten Pulshöhe (I1) verschiedenen zweiten Pulshöhe (I2) anschließt, in dem der Strom (I) konstant ist und dessen Zeitdauer derart bemessen ist, dass der Faserlaser (2) nach dem primären Relaxationspuls (A) in einen cw-Betrieb mit zumindest annähernd konstanter Ausgangsleistung übergeht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Faserlaser (2) zumindest zum Erzeugen des primären Relaxationspulses (A) gütegeschaltet wird.
  4. Verfahren zum Feinbearbeiten von Werkstücken (10), insbesondere zum Schneiden von Stents, bei dem ein mit einem Verfahren nach den vorhergehenden Patentansprüchen betriebener Faserlaser (2) verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der sich eine Bearbeitungsstelle relativ zum Werkstück (10) bewegt, verändert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Pulsform während der Bearbeitung an die jeweils vorliegende Bearbeitungsgeometrie angepasst wird.
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