DE102006053268B4

DE102006053268B4 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes mit einem um eine Achse rotierenden Intensitätsprofil

Info

Publication number: DE102006053268B4
Application number: DE102006053268.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Michalowski; Dimitrij Walter
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: DE102006053268A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes (30) mit einem um eine Rotationsachse (40) rotierenden Intensitätsprofil IR, umfassend eine um die Rotationsachse (40) rotierend angeordnete optische Einheit (10), welche mit einem eintretenden Laserstrahlungsfeld (20) in Wechselwirkung tritt, wobei durch die optische Einheit (10) eine Abbildung des eintretenden Strahlungsfeldes (20) auf ein austretendes Strahlungsfeld (30) derart erfolgt, dass Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (22) des eintretenden Strahlungsfeldes (20) an einer durch die Rotationsachse (40) verlaufenden und mit der optischen Einheit (10) mitrotierenden geometrischen Ebene (54) eine mathematische Spiegelung erfahren, so dass die Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (22) des eintretenden Strahlungsfeldes (20) und die entsprechenden Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (32) des austretenden Strahlungsfeldes (30) sich mathematisch gespiegelt zur geometrischen Ebene (54) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet , dass das in die Vorrichtung eintretende Strahlungsfeld (20) in der Vorrichtung mit Parallelversatz und in einem Winkel zur Rotationsachse (40) in die optische Einheit (10) geleitet wird, und dass das austretende Strahlungsfeld (30) sich in einem Winkel zur Rotationsachse (40) ausbreitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes mit einem um eine Achse rotierenden Intensitätsprofil, umfassend eine um die Rotationsachse rotierend angeordnete optische Einheit, welche mit einem eintretenden Laserstrahlungsfeld in Wechselwirkung tritt.
Die US 5 912 775 A betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bereitstellen einer sequenziellen zeitlichen und räumlichen Integration eines kollimierten, nicht symmetrischen Laserstrahles, um zeitliche und räumliche Charakteristiken des Laserstrahles zu optimieren. Dabei umfasst ein zeitlicher Integrator ein Paar von zylindrischen Linsen, welche entlang einer Strahlachse in einem Abstand von etwa der Summe der Brennweiten der beiden Linsen entfernt zueinander angeordnet sind, und einen Motormechanismus, um die zwei Linsen um die Strahlachse zu drehen.
Die US 4 393 408 A betrifft eine optoelektronische rotatorisch scannende Einrichtung, welche optische Elemente umfasst, die zusammen von einem afokalen System um eine Achse gedreht werden.
Weitere derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der EP 1 015 166 B1 , der WO 2006/000549 A1 und der US 4 118 109 A bekannt.

A 59 272 k - geänderte Beschreibungsseiten - Reinschrift
9. Januar 2023
x-239/k-374

Bei diesen Vorrichtungen besteht das Problem, dass diese in hohem Maß justierempfindlich sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche möglichst einfach aufgebaut und möglichst justierunempfindlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind beispielsweise in den anhängigen Ansprüchen definiert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch eine einfache mathematisches Spiegeloperation eine Möglichkeit geschaffen ist, das austretende Strahlungsfeld mit einem rotierenden Intensitätsprofil in Bezug auf das eintretende Strahlungsfeld zu versehen.
Die optische Einheit, die eine derartige mathematische Spiegelung bewirkt, kann in unterschiedlichster Art und Weise ausgebildet sein.
Eine vorteilhafte und insbesondere einfach aufgebaute Lösung sieht vor, dass durch die optische Einheit eine Zwischenfokussierung des eintretenden Strahlungsfeldes in nur einer Hauptachsenebene erfolgt.
Eine derartige optische Einheit ist konstruktiv in einfacher Weise realisierbar.
Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht dabei vor, dass die Zwischenfokussierung in der Hauptachsenebene auf die geometrische Ebene erfolgt.
Insbesondere ist bei einer derartigen Zwischenfokussierung vorgesehen, dass diese Zwischenfokussierung des eintretenden Strahlungsfeldes auf eine Zwischenfokuslinie erfolgt, wobei die Zwischenfokuslinie vorzugsweise in der geometrischen Ebene liegt.
Insbesondere sieht eine vorteilhafte Lösung der optischen Einheit vor, dass in allen anderen Hauptachsenebenen eine neutrale Abbildung des eintretenden Strahlungsfeldes auf das austretende Strahlungsfeld erfolgt, das heißt, dass in den anderen Hauptachsenebenen im Wesentlichen keine Variation des Strahlungsfeldquerschnittes zwischen dem eintretenden Strahlungsfeld und dem austretenden Strahlungsfeld erfolgt.
Hinsichtlich der in der optischen Einheit eingesetzten optischen Elemente wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Prinzipiell wäre es denkbar, die optische Einheit komplett durch reflektierende optische Elemente, beispielsweise umfassend mindestens einen Hohlspiegel aufzubauen.
Um jedoch in einfacher Weise die gesamte optische Einheit um die Rotationsachse drehen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die optische Einheit mindestens ein mit dem eintretenden Strahlungsfeld nur in Transmission wechselwirkendes optisches Element aufweist.
In diesem Fall wäre es denkbar, die optische Einheit durch ein derartiges in Transmission wechselwirkendes optisches Element und einen Reflektor aufzubauen.
Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn die optische Einheit ausschließlich mit dem Strahlungsfeld in Transmission wechselwirkende optische Elemente aufweist.
Ein derartiges, lediglich in Transmission mit dem Strahlungsfeld wechselwirkendes optisches Element ist vorzugsweise so aufgebaut, dass dieses ausschließlich aufgrund seiner Brechkraft mit dem Laserstrahlungsfeld wechselwirkt.
Um die erfindungsgemäß erforderliche Spiegelung an der geometrischen Ebene zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das optische Element zwei quer zueinander verlaufende Hauptachsenebenen mit unterschiedlicher Brechkraft aufweist.
Besonders günstig ist es, wenn das optische Element in einer der Hauptachsenebenen im Wesentlichen keine Brechkraft aufweist.
Beim Vorsehen zweier optischer Elemente mit zwei quer zueinander verlaufenden Hauptachsenebenen ist vorzugsweise vorgesehen, dass die mindestens zwei optischen Elemente jeweils parallel zueinander ausgerichtete Hauptachsenebenen aufweisen, wobei die Hauptachsenebenen mit der jeweils größeren Brechkraft und die Hauptachsenebenen mit der jeweils geringeren Brechkraft jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind, vorzugsweise zu einer gemeinsamen Hauptachsenebene zusammenfallen.
Eine besonders günstige Anordnung der optischen Elemente sieht vor, dass diese in einer Hauptachsenebene ein Teleskop bilden, dessen Zwischenfokuslinie in der geometrischen Ebene liegt.
Im einfachsten Fall sind die optischen Elemente als Zylinderoptiken ausgebildet.
Um die Rotationsfrequenz des Intensitätsprofils zu erhöhen, ohne in mechanisch problematische Bereiche der Rotationsfrequenz für das Rotieren einer optischen Einheit zu kommen, ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass in Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfeldes, mehrere rotierende optische Einheiten aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Mit derart aufeinanderfolgend angeordneten rotierenden optischen Einheiten sind mehrere Lösungsvarianten ausführbar. Eine Lösungsvariante sieht vor, dass unmittelbar aufeinanderfolgende optische Einheiten sich hinsichtlich Rotationsfrequenz und/oder Rotationsrichtung unterscheiden, so dass dadurch : jeweils durch die unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten und Rotationsrichtungen die Rotation des Intensitätsprofils gesteigert werden kann.
Besonders günstig ist es bei dieser Lösung, wenn unmittelbar aufeinanderfolgende optische Einheiten eine entgegengesetzte Rotationsrichtung aufweisen, da in diesem Fall mit einfachen mechanischen Mitteln und möglichst geringen Rotationsfrequenzen ein möglichst großer Unterschied zwischen den Rotationsfrequenzen aufeinanderfolgender optischer Einheiten realisierbar ist.
Eine andere Lösung sieht vor, dass auf eine rotierend angeordnete optische Einheit in Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfeldes eine optische Einheit folgt, welche nicht mit der rotierenden optischen Einheit mitrotierend angeordnet ist, jedoch Strahlungsfeldquerschnittsbereiche des eintretenden Strahlungsfeldes durch eine mathematische Symmetrieoperation in Strahlungsfeldquerschnittsbereiche des austretenden Strahlungsfeldes umsetzt.
Die mathematische Symmetrieoperation könnte dabei auch eine Punktspiegelung sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mathematische Symmetrieoperation eine mathematische Spiegelung an einer geometrischen Ebene darstellt.
Die nicht mitrotierende optische Einheit kann dabei eine optische Einheit sein, die in gleicher Weise aufgebaut ist, wie die rotierende optische Einheit.
Die nicht mitrotierende optische Einheit kann jedoch auch einfacher aufgebaut sein, nämlich beispielsweise dadurch, dass die nicht mitrotierende optische Einheit einen das eintretende Strahlungsfeld in das austretende Strahlungsfeld umsetzenden Reflektor aufweist.
Ein derartiger Reflektor könnte auch ein eine Zwischenfokussierung bewirkender Reflektor sein.
Besonders einfach ist die nicht mitrotierende optische Einheit jedoch dann aufgebaut, wenn diese das eintretende Strahlungsfeld zwischenfokussierungsfrei in das austretende Strahlungsfeld umsetzt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in 1;
3 einen schematischen Längsschnitt ähnlich 1 durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 eine schematische Darstellung ähnlich 4 eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
7 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Ein in 1 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rotation eines Intensitätsprofils I eines Strahlungsfeldes S im Raum umfasst eine als Ganzes mit 10 bezeichnete optische Einheit, welche ein Gehäuse 12 aufweist, in welchem beispielsweise zwei optische Elemente 14 und 16 angeordnet sind, die ein eintretendes Strahlungsfeld 20 in ein austretendes Strahlungsfeld 30 umsetzen, wobei in dem austretenden Strahlungsfeld 30 das Intensitätsprofil I^R um eine Rotationsachse 40 rotiert, wenn sich das eintretende Strahlungsfeld 20 in einem nichtrotierenden System ausbreitet.
Hierzu ist das Gehäuse 12 der optischen Einheit in zwei im Abstand voneinander angeordneten Drehlagern 42 und 44 gegenüber einer Vorrichtungsbasis 48 drehbar gelagert, und zwar koaxial zur Rotationsachse 40, so dass durch einen das Gehäuse 12 rotatorisch antreibenden Rotationsantrieb 46 die gesamte optische Einheit 10 sich koaxial zur Rotationsachse 40 rotierend bewegt.
Um das rotierende Intensitätsprofil I^R zu erzeugen, sind die von dem Strahlungsfeld 5 in Transmission durchsetzten optischen Elemente 14 und 16 so ausgebildet, dass diese, wie in 2 dargestellt, in einer mit der Zeichenebene in 1 zusammenfallenden Hauptachsenebene 50 fokussierend wirksam sind und das kollimiert eintretende Strahlungsfeld 20 in eine senkrecht zur Hauptachsenebene 50 verlaufende Zwischenfokuslinie 52 abbilden und dann diese wieder in das kollimierte austretende Strahlungsfeld 30 abbilden. Dadurch werden, wie in 2 dargestellt, einzelne Strahlungsfeldquerschnittsbereiche 22 des einfallenden Strahlungsfeldes 20 an einer durch die Rotationsachse 40 hindurchverlaufenden geometrischen Ebene 54 im mathematischen Sinne gespiegelt, so dass die den Strahlungsfeldquerschnittsbereichen 22 des eintretenden Strahlungsfeldes 20 entsprechenden Strahlungsfeldquerschnittsbereiche 32 des austretenden Strahlungsfeldes 30 bezogen auf die geometrische Ebene 54, welche sich in Richtung der Rotationsachse 40 und quer zu dieser erstreckt, mathematisch gespiegelt angeordnet sind (2).
Dabei liegt die Zwischenfokuslinie 52 unmittelbar in der geometrischen Ebene 54.
Da durch die optischen Eigenschaften der mit dem Strahlungsfeld S in Transmission wechselwirkenden optischen Elemente 14 und 16 die geometrische Ebene 54 und auch die senkrecht zu dieser verlaufende Hauptachsenebene 50 definiert ist, rotieren sowohl die geometrische Ebene 54, mit dieser zwangsläufig auch die Zwischenfokuslinie 52 und außerdem auch die Hauptachsenebene 50 mit der gleichen Rotationsfrequenz RF wie die optischen Elemente 14 und 16 in dem Gehäuse 12 um die Rotationsachse 40 und erzeugen dadurch auch das um die Rotationsachse 40 mit der doppelten Rotationsfrequenz RF rotierende Intensitätsprofil I^R.
Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung sind die optischen Elemente 14 und 16 beispielsweise als Zylinderoptiken ausgebildet, deren Zylinderachsen in der geometrischen Ebene 54 liegen und senkrecht zur Rotationsachse 40 sowie senkrecht zur Hauptachsenebene 50 verlaufen, so dass eine Brechung zur Erzeugung der Zwischenfokuslinie 52 nur in der Hauptachsenebene 50 erfolgt.
Ferner sind die Zylinderoptiken 14 und 16 relativ zur Zwischenfokuslinie 52 so angeordnet, dass die Zwischenfokuslinie 52 jeweils mit einer Brennlinie der Zylinderoptiken 14 und 16 zusammenfällt, so dass das kollimiert eintretende Strahlungsfeld 20 in das kollimiert austretende Strahlungsfeld 30 mit im Wesentlichen identischem Strahlungsfeldquerschnitt, allerdings unter Rotation des Intensitätsprofils I und somit unter Erzeugung des rotierenden Intensitätsprofils I^R abgebildet wird.
In einer zweiten, senkrecht zur Hauptachsenebene 50 verlaufenden Hauptachsenebene 56 der optischen Elemente 14, 16 erfolgt keine Brechung und somit keine Veränderung eines Strahlungsfeldquerschnittes.
Somit bilden bei dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung die optischen Elemente 14 und 16 bezogen auf die Hauptachsenebene 50 eine zylindrische und konfokale Teleskopoptik.
Bei einem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an der Vorrichtungsbasis 48 ebenfalls die optische Einheit 10' drehbar gelagert, und zwar in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel mittels der Drehlager 42 und 44 und durch den zeichnerisch nicht dargestellten Rotationsantrieb 46 rotierend um die Rotationsachse 40 angetrieben.
Allerdings ist anstelle des in Transmission wirksamen optischen Elements 16 ein reflektierendes optisches Element 18 entweder, wie zeichnerischer dargestellt, in dem Gehäuse 12 mitrotierend oder - was auch möglich wärestationär, d.h. nicht mitrotierend, angeordnet, und zwar so, dass die vom optischen Element 14 erzeugte Zwischenfokuslinie 52 in einer Spiegelfläche 19 des reflektierenden optischen Elements 18 liegt, wobei die Spiegelfläche 19 senkrecht zur Rotationsachse 40 verläuft, so dass das austretende Strahlungsfeld 30' mit dem eintretenden Strahlungsfeld 20 zusammenfällt, sich allerdings in entgegengesetzter Richtung ausbreitet.
Ferner sind auf der Vorrichtungsbasis 48 stationär, das heißt nicht mit der optischen Einheit 10' mitdrehend, ein polarisationsselektiver Strahlteiler 60 sowie ein λ/4-Plättchen 62 angeordnet, die das einfallende Strahlungsfeld 20 vom ausfallenden Strahlungsfeld 30' trennen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel durchläuft das einfallende Strahlungsfeld 20 den polarisationsselektiven Strahlteiler 60 und das λ/4-Plättchen 62 und wird durch das optische Element 14, welches in gleicher Weise ausgebildet ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel, auf die Zwischenfokuslinie 52 fokussiert, die ihrerseits in der Spiegelfläche 19 liegt.
Durch Reflexion an der Spiegelfläche 19 breitet sich ausgehend von der Zwischenfokuslinie 52 das austretende Strahlungsfeld 30' aus und wird durch das optische Element 14 kollimiert, wobei bei zweimaligem Durchlaufen des λ/4-Plättchens 62 eine Rotation der Polarisationsrichtung erfolgt, so dass das austretende Strahlungsfeld 30' von dem polarisationsselektiven Strahlteiler 60 reflektiert wird und nicht durch diesen hindurchtreten kann.
Das transmissive optische Element 14 und das reflektierende optische Element 18 wirken in gleicher Weise wie die beiden transmissiven optischen Elemente 14 und 16 des ersten Ausführungsbeispiels zusammen, nämlich dergestalt, dass die einfallenden Strahlungsfeldbereiche 22 in entsprechende ausfallende Strahlungsfeldbereiche 32 umgesetzt werden, wobei die ausfallenden Strahlungsfeldbereiche 32 gegenüber den einfallenden Strahlungsfeldbereichen 22 mathematisch an der geometrischen Ebene 54 gespiegelt sind und die geometrische Ebene 54 bei diesem Ausführungsbeispiel allein durch die optischen Eigenschaften, das heißt die Zylinderachse der Abbildungsoptik 14 definiert ist und in gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Rotationsachse 40 hindurch verläuft und senkrecht zur Hauptachsenebene 50 steht, die ebenfalls durch die zylinderoptischen Eigenschaften des optischen Elements 14 festgelegt ist.
Durch Rotation des Gehäuses 12 und somit der gesamten mindestens das optische Element 14 umfassenden optischen Einheit 10' erfolgt in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel eine Rotation der geometrischen Ebene 54, der in dieser liegenden Zwischenfokuslinie 52 und der Hauptachsenebene 50, so dass das austretende Strahlungsfeld 30' ein rotierendes Intensitätsprofil I^R aufweist.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes mit einem rotierenden Intensitätsprofil I^R sind mehrere Vorrichtungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hintereinander angeordnet, wobei jede der optischen Einheiten O1, O2, O3 und O4 jeweils der optischen Einheit 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht.
Die optischen Einheiten O1 bis O4 sind jedoch in 4 aus Gründen der Einfachheit lediglich schematisiert dargestellt.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind alle optischen Einheiten O1 bis O4 koaxial zur Rotationsachse 40 hintereinander angeordnet, allerdings ist die Rotationsrichtung der optischen Einheiten O1 bis O4 unterschiedlich.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel rotieren jeweils unmittelbar aufeinanderfolgende optische Einheiten in unterschiedlicher Rotationsrichtung, das heißt die optische Einheit O1 rotiert in einer ersten Rotationsrichtung R1, die optische Einheit O2 in einer der ersten Rotationsrichtung R1 entgegengesetzten Rotationsrichtung R2, die optische Einheit O3 wiederum in der ersten Rotationsrichtung R1 und die optische Einheit O4 wieder in der der ersten Rotationsrichtung R1 entgegengesetzten zweiten Rotationsrichtung R2, wobei die Rotationsfrequenz RF in beiden Rotationsrichtungen R1, R2 beispielsweise identisch ist.
Damit lässt sich die Rotationsfrequenz RF um die Rotationsachse 40 vervielfachen, insbesondere da die aufgrund der Notwendigkeit der mechanischen Rotation der optischen Einheit 10 mögliche Rotationsfrequenz begrenzt ist.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel bewirkt die Rotation der optischen Einheit 01 eine Rotation des Intensitätsprofils I^R des Strahlungsfeldes S mit der Rotationsfrequenz 2RF der optischen Einheit 01. Da die optische Einheit O2 in entgegengesetzter Richtung, jedoch mit der gleichen Rotationsfrequenz RF rotiert, hat das Intensitätsprofil I^R des aus der optischen Einheit O2 austretenden Strahlungsfeldes S eine um die Rotationsfrequenz 2RF höhere Rotationsfrequenz als das Intensitätsprofil I^R der aus der optischen Einheit O1 austretenden Strahlungsfeldes S und somit insgesamt die vierfache Rotationsfrequenz.
Da die optische Einheit O3 wiederum entgegengesetzt, jedoch mit der gleichen Rotationsfrequenz RF rotiert, wie die optische Einheit O2 hat das Intensitätsprofil I^R des diese verlassenden Strahlungsfeldes S insgesamt die sechsfache Rotationsfrequenz RF und da die optische Einheit O4 wiederum entgegengesetzt zur optischen Einheit O3, jedoch mit derselben Rotationsfrequenz RF rotiert, hat das Intensitätsprofil I^R des aus der optischen Einheit O4 austretenden Strahlungsfeldes S die achtfache Rotationsfrequenz RF.
Aus Gründen der Vereinfachung sind die optischen Einheiten O1 und O3 und die optischen Einheiten O2 und O4 paarweise parallel, die Paare O1 und O3 und O2 und O4 jedoch in den unterschiedlichen Rotationsrichtungen R1 und R2 mit derselben Rotationsfrequenz RF antreibbar.
Die Rotationsfrequenzen, mit denen die optischen Einheiten 01 bis 04 rotieren können gleich groß sein, müssen aber nicht gleich groß sein, so dass im allgemeinen Fall die insgesamt sich nach der optischen Einheit einstellende Rotationsfrequenz des Intensitätsprofils I^R als Summe aus den jeweils verdoppelten Rotationsfrequenzen der jeweiligen optischen Einheiten 01, 02, 03, 04 ergibt.
Da das rotierende Antreiben der optischen Einheiten O1 bis O4 in entgegengesetzten Rotationsrichtungen R1, R2 mechanisch aufwändig ist, ist bei einer mechanisch einfacher aufgebauten Ausführungsform gemäß 5 vorgesehen, dass die optischen Einheiten O2 und O4 starr angeordnet sind, während die optischen Einheiten O1 und O3 in derselben Richtung R1 und mit derselben Rotationsfrequenz RF rotieren.
Somit hat das die optische Einheit 01 verlassende Intensitätsprofil I^R des Strahlungsfeldes S die Rotationsfrequenz 2 RF der optischen Einheit O1, das Intensitätsprofil I^R des die optische Einheit O2 verlassenden Strahlungsfeldes S, immer noch Rotationsfrequenz 2 RF, das Intensitätsprofil I^R des die optische Einheit O3 verlassenden Strahlungsfeldes S die vierfache Rotationsfrequenz RF und das Intensitätsprofil I^R des die optische Einheit O4 verlassenden Strahlungsfeldes S immer noch die vierfache Rotationsfrequenz RF.
Es besteht daher auch die Möglichkeit, auf die optische Einheit O4 zu verzichten, da diese für die letztendlich erhältliche Rotationsfrequenz 4 RF belanglos ist.
Damit lässt sich bei dem vierten Ausführungsbeispiel insgesamt mit drei optischen Einheiten O1 bis O3 die Rotationsfrequenz RF vervierfachen.
Es besteht aber auch beim vierten Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, unterschiedliche Rotationsfrequenzen RF einzusetzen, so dass die sich insgesamt einstellende Rotationsfrequenz des Intensitätsprofils I^R der verdoppelten Rotationsfrequenz der optischen Einheit 01 plus der verdoppelten Rotationsfrequenz der optischen Einheit 03 entspricht.
Aus Gründen der Vereinfachung besteht auch die Möglichkeit, anstelle der stationär oder starr angeordneten optischen Einheiten O2 und O4 jeweils einen Reflektor vorzusehen, der allerdings dann eine Umlenkung des Strahlungsfeldes S bewirkt.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in 6 ist eine mit O bezeichnete optische Einheit 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einem umlaufend geführten Strahlungsweg 70 des Strahlungsfeldes S angeordnet, welches durch aufeinanderfolgende Reflektoren 72, 74 und 76 beispielsweise in einem Dreieck umlaufend geführt ist und mehrfach die optische Einheit 10 durchsetzt, wobei die optische Einheit O einer optischen Einheit 10 des ersten Ausführungsbeispiels entspricht und wie beim ersten Ausführungsbeispiel um die Rotationsachse 40 rotiert.
Bei jedem Durchgang des Strahlungsfeldes S durch die optische Einheit O erhöht sich die Rotationsfrequenz des Intensitätsprofils I^R um die doppelte Rotationsfrequenz RF der optischen Einheit 10, so dass beispielsweise nach fünf Durchgängen des Strahlungsfeldes 70 das Intensitätsprofil I^R mit der zehnfachen Rotationsfrequenz RF der optischen Einheit 10 rotiert.
Bei dem fünften Ausführungsbeispiel stellt die optische Einheit O aufgrund des auf einem umlaufenden Strahlungsweg 70 geführten Strahlungsfeldes S ebenfalls aufeinanderfolgende optische Einheiten dar, wie dies beim dritten oder vierten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Die optische Einheit O wirkt beim ersten Durchgang des Strahlungsfeldes wie die optische Einheit 01 des vierten Ausführungsbeispiels. Nachfolgend wirken die Reflektoren 72, 74 und 76 wie die optische Einheit O2 des vierten Ausführungsbeispiels. Dann wirkt beim zweiten Durchgang die optische Einheit O wie die optische Einheit O3 des vierten Ausführungsbeispiels und die Reflektoren 72, 74 und 76 wirken wie die optische Einheit O4 des vierten Ausführungsbeispiels. Dies kann je nach Zahl der Umläufe des Strahlungsfeldes auf dem Strahlungsweg 70 beliebig fortgesetzt werden.
Die Reflektoren 72, 74 und 76 bewirken dann, wenn sie ebene Spiegelflächen aufweisen, eine geometrische Spiegeloperation bezogen auf eine geometrische Mittelebene 78 des Strahlungsfeldes, wobei diese geometrische Mittelebene 78 des Strahlungsfeldes in demselben Reflexionswinkel zu den Spiegelflächen verläuft, wie die Reflexion des Strahlungsfeldes erfolgt. Damit erfolgt durch jeden der Reflektoren 72, 74, 76 eine mathematische Spiegelung der Strahlungsfeldquerschnittsbereiche an der geometrischen Mittelebene des Strahlungsfeldes in gleicher Weise wie dies im Zusammenhang mit der Spiegelung an der geometrischen Ebene 54 beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines rotierenden Intensitätsprofils I^R, dargestellt in 7, ist, wie allerdings in 7 nur schematisch dargestellt, eine optische Einheit 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel um eine Rotationsachse 40 rotierend angeordnet.
Die optische Einheit 10 ist im Prinzip identisch aufgebaut wie beim ersten Ausführungsbeispiel, allerdings mit dem Unterschied, dass als zusätzliche Option, um die Polarisationsrichtung P^R ebenfalls zu drehen, noch ein λ/2-Pίättchen 80 in dem Gehäuse 12 vorgesehen ist, und zwar vor dem optischen Element 14, welches dazu führt, dass nicht nur das Intensitätsprofil I^R um die Rotationsachse 40 rotiert, sondern damit auch die Polarisationsrichtung P^R des austretenden Laserstrahlungsfeldes 30.
Ferner ist noch als zusätzliche Option zur optischen Einheit 10 eine kippbare Glasplatte 82 im einfallenden Strahlungsfeld 20 angeordnet, welche zu einem Parallelversatz des Strahlungsfeldes S bezogen auf die Rotationsachse 40 führt. Der Parallelversatz kann aber beispielsweise auch durch Verschieben der optischen Einheit 10 quer zur Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfeldes erreicht werden.
Auf die Glasplatte 82 folgend ist noch als zusätzliche Option eine Keilplatte 84 vorgesehen, welche das letztlich in die optische Einheit 10 eintretende Strahlungsfeld 20 in einem Winkel zur Rotationsachse 40 in die optische Einheit 10 einkoppelt und somit das austretende Strahlungsfeld 30 in einem Winkel zur Rotationsachse 40 aus der optischen Einheit 10 austreten lässt. Ein derartiger Winkel zwischen dem austretenden Strahlungsfeld 30 und der Rotationsachse 40 lässt sich aber auch durch geeignete Spiegelanordnungen erreichen.
Damit besteht die Möglichkeit, beispielsweise durch Fokussieren des austretenden Strahlungsfeldes 30 mit einer Optik 86 auf ein Objekt 88 in dem Objekt 88 eine Bohrung auszuführen, deren Zentrum der Auftreffpunkt der Rotationsachse 40 auf diesem ist und deren Bohrungsradius BR einem Abstand eines Fokus F auf dem Objekt 88 von der Rotationsachse 40 entspricht.
Dieser Bohrungsradius BR lässt sich durch die Keilplatte 84 einstellen, während ein Auftreffwinkel auf das Objekt 88 durch die Glasplatte 82 einstellbar ist.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes (30) mit einem um eine Rotationsachse (40) rotierenden Intensitätsprofil I^R, umfassend eine um die Rotationsachse (40) rotierend angeordnete optische Einheit (10), welche mit einem eintretenden Laserstrahlungsfeld (20) in Wechselwirkung tritt, wobei durch die optische Einheit (10) eine Abbildung des eintretenden Strahlungsfeldes (20) auf ein austretendes Strahlungsfeld (30) derart erfolgt, dass Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (22) des eintretenden Strahlungsfeldes (20) an einer durch die Rotationsachse (40) verlaufenden und mit der optischen Einheit (10) mitrotierenden geometrischen Ebene (54) eine mathematische Spiegelung erfahren, so dass die Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (22) des eintretenden Strahlungsfeldes (20) und die entsprechenden Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (32) des austretenden Strahlungsfeldes (30) sich mathematisch gespiegelt zur geometrischen Ebene (54) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet , dass das in die Vorrichtung eintretende Strahlungsfeld (20) in der Vorrichtung mit Parallelversatz und in einem Winkel zur Rotationsachse (40) in die optische Einheit (10) geleitet wird, und dass das austretende Strahlungsfeld (30) sich in einem Winkel zur Rotationsachse (40) ausbreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die optische Einheit (10) eine Zwischenfokussierung des eintretenden Strahlungsfeldes (20) in nur einer Hauptachsenebene (50) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenfokussierung in der Hauptachsenebene (50) auf die geometrische Ebene (54) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenfokussierung des eintretenden Strahlungsfeldes (20) auf eine Zwischenfokuslinie (52) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenfokuslinie (52) in der geometrischen Ebene (54) liegt.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in allen anderen Hauptachsenebenen (56) eine neutrale Abbildung des eintretenden Strahlungsfeldes (20) auf das austretende Strahlungsfeld erfolgt.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit (10) mindestens ein mit dem eintretenden Strahlungsfeld (20) nur in Transmission wechselwirkendes optisches Element (14) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit (10) ausschließlich mit dem Strahlungsfeld (20) in Transmission wechselwirkende optische Elemente (14, 16) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das in Transmission mit dem Strahlungsfeld (20) wechselwirkende zumindest eine optische Element (14, 16) ausschließlich aufgrund seiner Brechkraft mit dem Strahlungsfeld (20) wechselwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optische Element (14, 16) zwei quer zueinander verlaufende Hauptachsenebenen (50, 56) mit unterschiedlicher Brechkraft aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optische Element (14, 16) in einer der Hauptachsenebenen (56) im Wesentlichen keine Brechkraft aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (14, 16) jeweils parallel zueinander ausgerichtete Hauptachsenebenen (50, 56) aufweisen, wobei die Hauptachsenebenen (50) mit der jeweils größeren Brechkraft und die Hauptachsenebenen (56) mit der jeweils geringeren Brechkraft jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (14, 16) in einer Hauptachsenebene (50) ein Teleskop bilden, dessen Zwischenfokuslinie (52) in der geometrischen Ebene (54) liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (14, 16) als Zylinderoptiken ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfeldes mehrere rotierende optische Einheiten (O1, O2, O3, O4, O) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar aufeinanderfolgende optische Einheiten (O1, O2, O3, O4) sich hinsichtlich der Rotationsfrequenz (RF) und/oder der Rotationsrichtung (R1, R2) unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar aufeinanderfolgende optische Einheiten (O1, O2, O3, O4) eine entgegengesetzte Rotationsrichtung (R1, R2) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine rotierend angeordnete optische Einheit (O1, O3, O) in Ausbreitungsrichtung des Strahlungsfeldes eine optische Einheit (O2, O4, 72, 74, 76) folgt, welche nicht mit der rotierenden optischen Einheit (O1, O3, O) mitrotierend angeordnet ist, jedoch Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (22) des eintretenden Strahlungsfeldes (20) durch eine mathematische Symmetrieoperation in Strahlungsfeldquerschnittsbereiche (32) des austretenden Strahlungsfeldes (30) umsetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Symmetrieoperation eine mathematische Spiegelung an einer geometrischen Ebene (54, 78) darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht mitrotierende optische Einheit (O2, O4) in gleicher Weise aufgebaut ist wie die rotierende optische Einheit (O1, O3).
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht mitrotierende optische Einheit einen das eintretende Strahlungsfeld in das austretende Strahlungsfeld umsetzenden Reflektor (72, 74, 76) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht mitrotierende optische Einheit (72, 74, 76) das eintretende Strahlungsfeld zwischenfokussierungsfrei in das austretende Strahlungsfeld umsetzt.