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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fokussierspiegeloptik für Laserstrahlung,
deren Verwendung in einer Anlage zur Bearbeitung von Werkstücken, sowie
eine mit einer derartigen Fokussierspiegeloptik ausgerüstete Anlage.
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Aus
der
DE 199 36 936
B4 ist eine Vorrichtung zum Fokussieren von Licht auf einen
Ausgangsfokus bekannt, die einen konvexen, asphärischen ersten Spiegel aufweist,
der einfallendes Licht auf einen konkaven, asphärischen zweiten Spiegel richtet, der
wiederum das auf ihn einfallende Licht in den Ausgangsfokus bündelt, wobei
beide Spiegel jeweils genau zwei Brennpunkte aufweisen, der erste
Spiegel eine durch seine beiden Brennpunkte verlaufende erste Achse
und der zweite Spiegel eine durch seine beiden Brennpunkte verlaufende
zweite Achse aufweist, die beiden Spiegel einen gemeinsamen Brennpunkt
aufweisen, in dem sich die beiden Achsen schneiden, und die zweite
Achse winklig zur ersten Achse angeordnet ist. Dieser Winkel zwischen den
beiden Achsen liegt in der Größenordnung
von etwa 32°.
Der konvexe, asphärische
erste Spiegel kann als Hyperboloidspiegel ausgebildet sein, und der
konkave, asphärische
zweite Spiegel als Ellipsoidspiegel.
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Die
bekannte Vorrichtung soll dazu dienen, die Güte von Objektiven mithilfe
einer punktförmigen Lichtquelle
zu untersuchen, die inkohärentes
Licht aussendet. Hierzu wird die punktförmige Lichtquelle im Brennpunkt
des zu untersuchenden Objektivs angeordnet, und durch die auf das
Objektiv auftreffende Strahlung wird nach Passieren des Objektivs
eine Wellenform gebildet, wobei aus Abweichungen der erwarteten
Lichtintensität
von der gemessenen Lichtintensität
der Wellenfront Abbildungsfehler und somit die Güte des Objektivs, bezogen auf
die ausgeleuchteten Bereiche des Objektivs, ableitbar sind. Für die Charakterisierung
von Objektiven mit hoher numerischer Apertur werden stark divergierende Punktlichtquellen
benötigt,
um das Objektiv vollständig
ausleuchten zu können.
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Weiterhin
ist aus der
DE 41 20
684 A1 ein Spiegelobjektiv zur Laserfokussierung bekannt,
das einen konvexen Paraboloidspiegel und einen konkaven Ellipsoidspiegel
aufweist, die derart zueinander angeordnet sind, dass sie einen
gemeinsamen Brennpunkt aufweisen. Ein einfallender Laserstrahl wird
durch den konvexen Paraboloidspiegel senkrecht zur Einfallsrichtung
reflektiert und virtuell auf den gemeinsamen Brennpunkt des konvexen
Paraboloidspiegels und des konkaven Ellipsoidspiegels fokussiert.
Die vom Paraboloidspiegel reflektierten Laserstrahlen werden durch
den Ellipsoidspiegel auf einen weiteren Brennpunkt des Ellipsoidspiegels
fokussiert, wobei der Ellipsoidspiegel um den gemeinsamen Brennpunkt
drehbar gelagert ist. Durch Rotation ist die Brennweite des weiteren
Fokus des Ellipsoidspiegels stufenlos wählbar.
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Aus
der
DE 22 58 923 B2 ist
ein Spiegelsystem zum Bündeln
oder Sammeln von Strahlungsenergie mit mindestens zwei rotationssymmetrischen Spiegeln
bekannt. Die zwei rotationssymmetrischen Spiegel haben ein derartiges
Profil, dass die gegebenenfalls virtuellen Brennpunkte aufeinander
folgend beaufschlagter Spiegel zusammenfallen, wobei die zusammenfallenden
Brennpunkte außerhalb
der Systemachse liegend eine zu dieser Systemachse konzentrische
Brennlinie bilden.
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Aus
der
DE 2 333 181 A ist
ein Spiegelsystem zur Sammlung optischer Strahlungsenergie einer
Mehrzahl von Strahlungsquellen bekannt. Dabei ist ein Spiegelsystem
mit zwei zu einer Achse des Systems ausgerichteten Spiegeln zur
Sammlung optischer Strahlungsenergie einer Mehrzahl von Strahlungsquellen
auf eine im Wesentlichen beliebig nahe der Spiegelsystemachse gelegene
zylindrische Fläche
vorgesehen. Das Spiegelsystem umfasst einen Eingangsspiegel mit
einer Reflektionsfläche,
deren Erzeugende ein Teil einer ersten quadratischen Kegelschnittkurve
bildet, der um die Spiegelsystemachse rotiert, wobei ein Brennpunkt
der Kegelschnittkurve in bestimmten Abstand von der Spiegelsystemachse
einen ersten Brennkreis um diese Achse beschreibt, ferner einen
Ausgangsspiegel mit einer Reflektionsfläche, deren Erzeugende ein Teil
einer weiteren quadratischen Kugelschnittkurve mit einem Brennpunktpaar
bildet, der um die Spiegelsystemachse rotiert, wobei der eine Brennpunkt
dieser Kugelschnittkurve in einem dem Radius des genannten ersten
Brennkreises gleichen Abstand von der Spiegelsystemachse einen zweiten
Brennkreis um diese Achse beschreibt, während der zweite Brennpunkt dieser
Kegelschnittkurve um die Spiegelsystemachse einen Brennkreis mit
einem Radius im Wesentlichen gleich dem Radius der genannten zylindrischen Fläche beschreibt
und schließlich
Halterungsmittel zur Abstützung
der beiden Spiegel gegeneinander derart, dass der erste und der
zweite Brennkreis zusammenfallen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fokussierspiegeloptik
für mit
einem divergenten Strahlkegel von Laserstrahlung auf die Fokussierspiegeloptik
einfallende Laserstrahlung zur Verfügung zu stellen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Fokussierspiegeloptik für Laserstrahlung mit den in
Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung betreffen die Verwendung einer derartigen Fokussierspiegeloptik
in einer Anlage zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung,
sowie eine Anlage zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung,
die eine derartige Fokussierspiegeloptik aufweist, und eine Laserstrahlquelle
zur Erzeugung eines divergenten Strahlkegels der Laserstrahlung.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
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1 eine
schematische Horizontalschnittansicht durch eine Fokussierspiegeloptik
gemäß der Erfindung;
und
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht
der in 1 dargestellten Fokussierspiegeloptik, mit weiteren
Einzelheiten.
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Die 1 und 2 zeigen
jeweils eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete
Fokussierspiegeloptik gemäß der vorliegenden
Erfindung. Bei dieser Fokussierspiegeloptik 10 ist eine Lichtleitfaser 30 vorgesehen,
an deren Ende ein Auskoppelkristall 32 angebracht, vorzugsweise
angeschweißt
ist, der aus einem anisotropen Material besteht, vorzugsweise aus
Quarz. Der Auskoppelkristall 32 weist einen virtuellen
Brennpunkt 14 auf, aus welchem Laserstrahlung in Form eines
divergenten Strahlkegels 31 austritt.
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Beim
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Lichtleitfaser 30 als aktives Medium eines sogenannten
Faserlasers ausgebildet, bei welchem die Lichtleitfaser 30 mit
beispielsweise Ytterbium dotiert ist, wobei weiterhin (nicht dargestellte)
Laserdioden zum Pumpen dieses Ytterbium-Faserlasers vorgesehen sind (Laserwellenlänge: 1070
nm).
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Unter „Laserstrahlung" ist im Zusammenhang
der vorliegenden Erfindung der gesamte Wellenlängenbereich der optischen Strahlung,
also von UV über
sichtbares Licht bis zum IR, zu verstehen. Entsprechendes gilt für „Licht" in Bezug auf die
Lichtleitfaser 30.
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Allerdings
kann bei anderen Ausführungsformen
der Erfindung die Lichtleitfaser auch eine sogenannte Transportfaser
sein, die Laserstrahlung transportiert, ohne selbst einen Teil der
Strahlquelle zu bilden. In einem derartigen Fall ist an dem dem
Auskoppelkristall entgegengesetzten Ende der Lichtleitfaser beispielsweise
ein Scheibenlaser vorgesehen, etwa ein Nd:YAG-Laser (Laserwellenlänge: 1064
nm).
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Weiterhin
weist die Fokussierspiegeloptik 10 gemäß der Erfindung einen ersten
Spiegel 12 auf, der eine Teilfläche eines Rotationshyperboloids
ist, das durch Drehen einer schematisch in 1 mit dem
Bezugszeichen H bezeichneten Hyperbel um eine Rotationsachse (oder
Symmetrieachse) A gebildet wird.
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Der
erste Spiegel 12 weist einen ersten Brennpunkt 14 auf,
der mit dem virtuellen Brennpunkt des Auskoppelkristalls 32 zusammenfällt, sowie
einen zweiten Brennpunkt 16.
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Ein
zweiter Spiegel 22 ist als Teilfläche eines Rotationsellipsoids
ausgebildet, das durch Rotation einer schematisch mit dem Bezugszeichen
E in 1 dargestellten Ellipse um die Rotationsachse
A entsteht. Der zweite Spiegel 22 hat einen ersten Brennpunkt 24,
der mit dem zweiten Brennpunkt 16 des ersten Spiegels 12 zusammenfällt. Ein
zweiter Brennpunkt 26 des zweiten Spiegels 22 bildet
den Fokus der gesamten Fokussierspiegeloptik 10.
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Der
erste Brennpunkt 14 und der zweite Brennpunkt 16 des
ersten Spiegels 12 legen eine erste Spiegelachse 18 fest.
Entsprechend legen der erste Brennpunkt 24 und der zweite
Brennpunkt 26 des zweiten Spiegels 22 eine zweite
Spiegelachse 28 fest. Diese beiden Spiegelachsen 18, 28 fallen
zusammen, und bilden gemeinsam die Rotations- oder Symmetrieachse
A.
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Der
erste Spiegel 12 (Rotationshyperboloidspiegel) bildet eine
Oberfläche
eines Spiegelkörpers 36,
und entsprechend bildet der zweite Spiegel 22 (Rotationsellipsoidspiegel)
eine Oberfläche
eines Spiegelkörpers 38;
diese Spiegelkörper 36, 38 werden
nachstehend noch genauer erläutert.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, wird die Laserstrahlung
in der Fokussierspiegeloptik 10 stark gefaltet, annähernd z-förmig. Der aus dem virtuellen
Brennpunkt 14 des Auskoppelkristalls 32 austretende,
divergente Strahlkegel 31 der Laserstrahlung wird unter
einem spitzen Winkel (α in 2)
auf den ersten Spiegel 12 gerichtet, trifft dort auf einen Auftreffpunkt 70 auf,
wird zum zweiten Spiegel 22 (in einem Winkel β in 2)
reflektiert, trifft dort auf einen Auftreffpunkt 72 auf,
und wird von dort auf den zweiten Brennpunkt 26 des zweiten
Spiegels 22 fokussiert. Hierbei sind die drei für die Faltung
der Laserstrahlung wesentlichen Winkel α, β und γ in 2 dargestellt
und weisen beim vorliegenden Ausführungsbeispiel folgende Werte
auf: α etwa
15°, β etwa 40°, und γ etwa 20°.
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Dieser
starken Faltung der Laserstrahlung mit relativ spitzen Winkeln α, β und γ in der Fokussierspiegeloptik
für Laserstrahlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde.
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In
der Praxis lassen sich die asphärischen Oberflächen des
ersten Spiegels 12 und des zweiten Spiegels 22,
die Teil eines Rotationshyperboloids (erster Spiegel 12)
bzw. eines Rotationsellipsoids (zweiter Spiegel 22) bilden,
nur durch Bearbeitung eines Spiegelkörpers aus Metall mit Schneidwerkzeugen
herstellen, vorzugsweise aus Diamant. Bei derartigen Schneidvorgängen entstehen
unvermeidlich Fräsmarkierungen,
die sich desto negativer auf die Strahlqualität der von der Fokussierspiegeloptik 10 abgegebenen
Laserstrahlung auswirken, je schräger der Einfall der Laserstrahlung
auf den ersten Spiegel 12 bzw. den zweiten Spiegel 22 erfolgt.
Anders ausgedrückt,
wird daher angestrebt, einen Einfall der Laserstrahlung „so senkrecht
wie möglich" zu erreichen, aber
natürlich
von einem senkrechten Einfall verschieden, da sonst die Laserstrahlung
nicht die Fokussierspiegeloptik 10 durchlaufen könnte, was
zu den relativ spitzen Winkeln α, β und γ führt, die
in 2 dargestellt sind.
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Die
relevanten Optikbauteile der Fokussierspiegeloptik 10,
insbesondere der Auskoppelkristall 32 und die beiden Spiegel 12, 22,
befinden sich in einem hermetisch abgedichteten Spiegelgehäuse 54, das
mit einem Inertgas gefüllt
ist, beispielsweise Argon oder Stickstoff. Dies dient insbesondere
zum Schutz der Oberflächen
des ersten Spiegels 12 und des zweiten Spiegels 22,
wobei deren beiden Spiegelkörper 36, 38 aus
Metall, vorzugsweise Kupfer bestehen, und als eigentliche Reflexionsoberfläche jeweils
eine aufgesputterte Goldoberfläche
vorgesehen ist. Hierbei weisen der erste Spiegel 12 und
der zweite Spiegel 22 eine Oberflächengüte (Oberflächenrauhigkeit Ra) von ≤10 Nanometer
(nm) auf.
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Die
Laserstrahlung tritt aus dem Spiegelgehäuse 54 der Fokussierspiegeloptik 10 durch
ein Auskoppelfenster 56 aus, das aus einem anisotropen Material,
wie beispielsweise Quarz oder Saphir besteht.
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Schematisch
in 1 mit dem Bezugszeichen 60 ist ein Scannergehäuse bezeichnet,
in welchem sich eine übliche
Scanneroptik für
die Führung der
austretenden Laserstrahlung (genauer gesagt, des zweiten Brennpunktes 26 oder
Austrittsfokus) des zweiten Spiegels 22 befindet.
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Nachstehend
wird ein konkretes Ausführungsbeispiel
für die
Formen der Oberflächen
des ersten Spiegels 12 (Teilfläche eines Rotationshyperboloids)
und des zweiten Spiegels 22 (Teilfläche eines Rotationsellipsoids)
angegeben.
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Wie
voranstehend erwähnt,
entstehen diese Spiegeloberflächen
durch Rotation um die Rotationsachse (oder Symmetrieachse) A der
in
1 dargestellten Hyperbel H bzw. Ellipse E. In
kartesischen Koordinaten lautet die Hauptachsengleichung für
die
Hyperbel
und für die Ellipse
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In 1 sind
mit aH, bH die Werte für
a bzw. b der Hyperbel bezeichnet und mit aE, bE jene für die Ellipse.
Beim konkreten Ausführungsbeispiel
wurden folgende Werte verwendet: aH: 10,695 mm; bH: 40,446 mm; aE:
344,341 mm; und bE: 226,655 mm. Die halbe Brennweite cH der Hyperbel
betrug 41,827 mm, und die halbe Brennweite cE der Ellipse 259,227 mm
(was einer Brennweite f der Ellipse E von 600 mm entspricht).
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Einzelheiten
des Spiegelkörpers 36 des
ersten Spiegels 12 und des Spiegelkörpers 38 des zweiten
Spiegels 22 werden besonders aus 2 deutlich.
Wie dort dargestellt, weist der Spiegelkörper 36, der aus Kupfer
besteht, des ersten Spiegels 12 eine Planfläche 106 auf.
Entsprechend weist der ebenfalls aus Kupfer bestehende Spiegelkörper 38 des
zweiten Spiegels 22 eine Planfläche 108 auf.
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Die
Planfläche 106 des
Spiegelkörpers 36 dient
zur Festlegung des Spiegelkörpers 36 bezüglich einer
Bezugsebene, in welcher die Rotationsachse A (oder Symmetrieachse)
liegt, wobei sich diese Bezugsebene in 2 senkrecht
zur Zeichenebene erstreckt. Die Planfläche 108 des Spiegelkörpers 38 des
zweiten Spiegels 22 dient entsprechend zur Festlegung an
einer Bezugsebene, in der eine Achse B liegt, die parallel zur Rotationsachse
A verlauft. Die beiden genannten Bezugsebenen verlaufen daher parallel
zueinander. Hierdurch wird eine sehr exakte Montage und Justierung
der beiden Spiegelkörper 36, 38 und
daher des ersten Spiegels 12 und des zweiten Spiegels 22 ermöglicht.
Weiterhin wird die Herstellung der beiden Spiegel 12, 22 erleichtert,
da für
deren Einspannung die gleiche Lehre verwendet werden kann.
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2 verdeutlicht
weiterhin konstruktive Einzelheiten bezüglich der Justierung des Auskoppelkristalls 32.
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Wie
bereits erwähnt,
ist der Auskoppelkristall 32 an dem Ende der Lichtleitfaser 30 angebracht, und
vorzugsweise hiermit durch Schweißen verbunden. Wesentlich ist
eine möglichst
exakte Justierung so, dass der virtuelle Brennpunkt 14 (1)
des Auskoppelkristalls 32 mit dem ersten Brennpunkt 14 (1)
des ersten Spiegels 12 übereinstimmt.
Hierzu ist das Ende in Axialrichtung (jenes Ende, an dem der Auskoppelkristall 32 vorgesehen
ist) der Lichtleitfaser 30 in einem Führungselement 82 geführt. Das eine
Ende (in der Nähe
des Auskoppelkristalls 32) des Führungselements 82 ist
kugelförmig
ausgebildet, und dieser kugelförmige
Abschnitt des Führungselements 82 ist
in einer Kugelkalottenführung 80 geführt. Der
Mittelpunkt der Kugel der Kugelkalottenführung 80 fällt mit
dem virtuellen Brennpunkt 14 zusammen.
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Weiterhin
ist zur Verstellung des Auskoppelkristalls 32 und der Lichtleitfaser 30 in
Axialrichtung ein Verstellelement 84 vorgesehen, das mit
Druckschrauben 86, 88 und mit Zugschrauben 90, 92 versehen
ist, mit welchen die Verstellung in Axialrichtung vorgenommen wird, über einen
Bereich von etwa ±0,3
mm.
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Beim
Einsatz der erfindungsgemäßen Fokussierspiegeloptik 10 zur
Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung ist häufig Laserstrahlung mit sehr hoher
Leistung erforderlich. Dies und die relativ kleinen Divergenzwinkel
der aus den erstem Spiegel 12 und dem zweiten Spiegel 22 auftreffenden Laserstrahlung
führen
dazu, dass der erste Spiegel 12 und der zweite Spiegel 22 thermisch
hoch belastet werden, sodass der Spiegelkörper 36 des ersten
Spiegels 12 durch einen Kühlkörper 40 gekühlt wird,
und entsprechend der Spiegelkörper 38 des
zweiten Spiegels 22 durch einen Kühlkörper 22. Das verwendete
Kühlmittel
ist vorzugsweise Wasser; entsprechende Kühlwasseranschlüsse sind
in 1 mit den Bezugszeichen 44, 46, 48, 50 bezeichnet.
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Bei
geringerer Laserleistung kann eine Kühlung mit einem Gas durchgeführt werden,
beispielsweise Luft oder Stickstoff.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung
der Fokussierspiegeloptik 10, bei welcher sämtliche Brennpunkte 14, 16, 24, 26 des
ersten Spiegels 12 bzw. des zweiten Spiegels 22 auf
einer gemeinsamen Achse liegen, der Rotationsachse oder Symmetrieachse
A, wird erreicht, dass bei der Fokussierspiegeloptik 10 keine
Abbildungsfehler auftreten.
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Daher
ist die erfindungsgemäße Fokussierspiegeloptik 10 besonders
gut zum Einsatz bei der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung
bzw. in entsprechenden Anlagen geeignet. Derartige Verfahren zur
Materialbearbeitung umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, beispielsweise
Laserschneiden oder Laserschweißen.
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Nachstehend
sind die zur Erläuterung
der Erfindung verwendeten Bezugszeichen angegeben:
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- 10
- Fokussierspiegeloptik
- 12
- erster
Spiegel
- 14
- erster
Brennpunkt (von 12)
- 16
- zweiter
Brennpunkt (von 12)
- 18
- erste
Spiegelachse (von 12)
- 22
- zweiter
Spiegel
- 24
- erster
Brennpunkt (von 22)
- 26
- zweiter
Brennpunkt (von 22)
- 28
- zweite
Spiegelachse (von 22)
- 30
- Lichtleitfaser
- 31
- Strahlkegel
- 32
- Auskoppelkristall
- 36
- Spiegelkörper (von 12)
- 38
- Spiegelkörper (von 22)
- 40
- Kühlkörper (von 36)
- 42
- Kühlkörper (von 38)
- 44
- Kühlwasseranschluss
- 46
- Kühlwasseranschluss
- 48
- Kühlwasseranschluss
- 50
- Kühlwasseranschluss
- 54
- Spiegelgehäuse
- 56
- Auskoppelfenster
- 60
- Scannergehäuse
- 70
- Auftreffpunkt
(auf 12)
- 72
- Auftreffpunkt
(auf 22)
- 80
- Kugelkalottenführung
- 82
- Führungselement
- 84
- Verstellelement
- 86
- Druckschraube
- 88
- Druckschraube
- 90
- Zugschraube
- 92
- Zugschraube
- 106
- Planfläche (von 36)
- 108
- Planfläche (von 38)
- A
- Rotations-/Symmetrieachse
- B
- zu
A parallele Achse/Ebene
- H
- Hyperbel
- E
- Ellipse
