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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung für die Bearbeitung eines Werkstückes.
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In
einer Vielzahl von Anwendungsfällen
ist es bei der Bearbeitung eines Werkstückes mit Hilfe von Laserstrahlen
erforderlich, einen Laserstrahl zu verwenden, der entweder in seinem
gesamten Strahlquerschnitt oder zumindest in einer Richtung quer
zu seiner Ausbreitungsrichtung (optische Achse) eine möglichst
konstante Strahlintensität,
d. h. in dieser Richtung ein rechteckiges Intensitätsprofil
mit steilen Flanken aufweist. Zusätzlich zu einer solchen Homogenisierung
besteht außerdem
bei der Verwendung gepulster Laserstrahlen ein Bedarf, sowohl Pulslänge als
auch Pulsform mit geringem Aufwand für die jeweils vorliegenden
Anforderungen einzustellen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Laseranordnung für die Bearbeitung
eines Werkstückes
anzugeben, mit der es möglich
ist, einen räumlich
homogenisierten Laserstrahl zu erzeugen, der auf einfache Weise
an unterschiedliche Anforderungen bei der Bearbeitung eines Werkstückes angepasst
werden kann.
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Die
genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einer Laseranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1. Gemäß diesen Merkmalen
umfasst die Laseranordnung eine Mehrzahl von unabhängig voneinander
betreibbaren Laserstrahlquellen, denen eine Strahlformungseinrichtung
zum Überlagern
der von den Laserstrahlquellen emittierten Laserstrahlen und zum
Erzeugen eines homogenisierten Ausgangsstrahles mit über seinem Strahlquerschnitt
in zumindest einer Richtung quer zur optischen Achse wenigstens
annähernd
konstanter Strahlintensität
nachgeordnet ist.
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Die
Erfindung beruht dabei auf der Überlegung,
dass die Flexibilität,
mit der ein für
die Bearbeitung eines Werkstückes
eingesetzter Laserstrahl auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt
werden kann, erheblich erhöht
ist, wenn anstelle einer einzigen Laserstrahlquelle eine Mehrzahl
von unabhängig voneinander
betreibbaren Laserstrahlquellen vorgesehen ist, deren Laserstrahlen
gemäß den jeweils vorliegenden
Anforderungen geometrisch in unterschiedlicher Weise geformt und
homogenisiert werden können.
Durch den Einsatz einer Mehrzahl von Laserstrahlquellen, bei denen
es sich insbesondere um Festkörperlaser
handelt, ist es außerdem
möglich,
auch im sichtbaren Spektralbereich (insbesondere bei 532 nm) Laserlicht
mit sehr hoher Spitzen- und Durchschnittsleistung (> 1 MW, > 500 W) zu erzeugen,
das für
bestimmte Applikationen benötigt wird.
Die heute kommerziell erhältlichen
Festkörperlaser,
die im sichtbaren Spektralbereich emittieren, erzeugen nämlich nur
eine Durchschnittsleistung, die kleiner als 200 W ist. Ursache für diese
Leistungsgrenze ist, dass die Laserstrahlen im sichtbaren Spektralbereich über Frequenzverdopplung
mittels spezieller nichtlinearer Kristalle erzeugt werden, die nur
bis zu dieser Leistungsgrenze belastbar sind.
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Ist
die Applikation nicht auf die Verwendung eines im transversalen
Grundmode vorliegenden Laserstrahls angewiesen, erfordert aber im
sichtbaren Bereich Laserleistungen jenseits der 200 W und eine homogene
räumliche
Strahlverteilung, dann ergibt sich mit der vorliegenden Erfindung
eine effektive, kostengünstige
und langzeitstabile Möglichkeit
der technischen Realisierung, sowohl für Laser, die im cw-Betrieb
arbeiten, als auch für
Laser, die im Pulsbetrieb, insbesondere im Q-Switch-Betrieb arbeiten.
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Wenn
außerdem
zum Steuern der Laserstrahlquellen eine Steuereinrichtung vorgesehen
ist, mit der diese Laserstrahlquellen im Pulsbetrieb betrieben und
untereinander zeitverzögert
angesteuert werden können,
können
durch Variation der Verzögerungszeiten
außerdem
auf einfache Weise Pulsdauer und Pulsform eingestellt werden.
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Durch
diese Maßnahmen
lassen sich insbesondere bei der Verwendung von im Q-switch-Betrieb
betriebenen Nd:YAG-Festkörperlasern
entsprechend der Anzahl der verwendeten Laserstrahlquellen hohe
Pulsdauern im Bereich von mehreren hundert ns erzielen, ohne dass
dies mit einer Verschlechterung der räumlichen Homogenität einhergeht.
Typische Pulsdauern von cw-gepumpten, im Q-switch-Betrieb betriebenen
Nd:YAG-Festkörperlasern
betragen nämlich
etwa zwischen 40 und 100 ns bei einer Wiederholfrequenz von 5–30 kHz.
Dabei gilt, dass die Pulsdauer um so kleiner ist, je niedriger die
Wiederholfrequenz ist. Pulsdauern oberhalb von 100 ns (bis 500 ns)
werden beispielsweise beim Abtragen von Schichten benötigt. Dabei
soll die Pulsenergie möglichst
hoch sein. Dies wiederum setzt niedrige Wiederholfrequenzen voraus,
die jedoch wie vorstehend erwähnt
mit kleinen Pulsdauern einhergehen. Durch die Verwendung einer Mehrzahl
von im Pulsbetrieb betriebenen Laserstrahlquellen und untereinander
zeitverzögert
angesteuerter Laserstrahlquellen ist es möglich, die beiden sich wider sprechenden
Forderungen – hohe
Pulsenergie einerseits und hohe Pulsdauer andererseits – mit geringem
Aufwand zu erfüllen.
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Eine
besonders große
Flexibilität
hinsichtlich Pulsform und Pulsdauer wird erzielt, wenn Pulshöhe und/oder
Pulslänge
der von den Laserstrahlquellen erzeugten Laserstrahlen variabel
einstellbar sind.
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Wenn
die Strahlformungseinrichtung einen Ausgangsstrahl erzeugt, der
ein zumindest annähernd
rechteckiges Strahlprofil mit über
seinem Strahlquerschnitt in Richtung parallel zu seiner Längsseite
wenigsten annähernd
konstanter Strahlintensität
aufweist, können
durch die Verwendung mehrerer Laserstrahlquellen in dieser Längsseite ausgehende
rechteckige Strahlprofile mit hoher und gleichmäßiger Strahlintensität erzeugt
werden, die senkrecht zu dieser Längsseite eine hohe Strahlqualität, d.h.
gute Fokussierbarkeit aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, einen
in einem Linienfokus scharf fokussierten Ausgangslaserstrahl zu
erzeugen, der auf seiner gesamten Länge nahezu konstante Strahlintensität aufweist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Strahlformungseinrichtung
hierzu eine Strahlführungseinrichtung,
die aus den emittierten Laserstrahlen ein Strahlbündel erzeugt,
in dem die Laserstrahlen parallel und eng benachbart nebeneinander
derart verlaufen, dass ihre optischen Achsen in einer gemeinsamen
Ausbreitungsebene liegen.
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Wenn
der Strahlführungseinrichtung
eine Fokussieroptik nachgeordnet ist, die die Laserstrahlen in der
Ausbreitungsebene in einen Homogenisator fokussiert, der jeden der
Laserstrahlen zumindest in einer Richtung parallel zur Ausbreitungsebene, d.h.
in den zur Ausbreitungsebene parallelen Ebenen homogenisiert, ist
es auf besonders einfache Weise möglich, einen Ausgangslaserstrahl
mit einem homogenen und scharf gebündelten Linienfokus zu erzeugen.
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Vorzugsweise
wird als Homogenisator ein flacher quaderförmiger Wellenleiter verwendet,
der mit seinen Stirn- und Flachseiten senkrecht zur Ausbreitungsebene
angeordnet ist, und dessen als Strahleintrittsseite bzw. Strahlenaustrittseite
dienenden Stirnseiten senkrecht zur Ausbreitungsebene eine größere Ausdehnung
aufweisen als parallel zur Ausbreitungsebene. Mit einem solchen
Wellenleiter kann kostengünstig
und auf einfache Weise eine Homogenisierung des Ausgangslaserstrahls
in Ebenen parallel zur Ausbreitungsebene erzielt werden.
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Zur
näheren
Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
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1 und 2 eine
Laseranordnung gemäß der Erfindung
jeweils in einer Seitenansicht in einander senkrechten Richtungen,
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3 den
von der Laseranordnung erzeugten Laserstrahl am Eingang eines zu
seiner Homogenisierung verwendeten Strahlhomogenisators,
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4 den
Laserstrahl am Ausgang des Strahlhomogenisators,
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5 den
Strahlquerschnitt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche,
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6 und 7 jeweils
ein Diagramm, in dem die Strahlintensität des von Laseranordnung emittierten
Laserstrahls für
unterschiedliche Betriebssituationen gegen die Zeit aufgetragen
ist.
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Gemäß 1 und 2 enthält eine
Laseranordnung gemäß der Erfindung
eine Mehrzahl von Laserstrahlquellen 1a-d, im Beispiel
vier Laserstrahlquellen 1a-d, die im Ausführungsbeispiel
nebeneinander in einer Reihe angeordnet sind. Die Laserstrahlquellen 1a-d,
bei denen sich beispielsweise um Festkörperlaser, vorzugsweise Nd:YAG-Festkörperlaser
handelt, erzeugen jeweils einen Laserstrahl LSa-LSd mit einem kreisrunden
Strahlprofil und einer annähernd
gaußförmigen Intensitätsverteilung,
die rotationssymmetrisch zur jeweiligen optischen Achse des Laserstrahls
LSa–LSd
ist.
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Die
Laserstrahlen LSa–LSd
werden in eine Strahlformungseinrichtung 2 eingekoppelt,
in der sie überlagert
und homogenisiert werden. Die Strahlformungseinrichtung 2 umfasst
hierzu eine Strahlführungseinrichtung 3,
mit der die Laserstrahlen LSa–LSd
derart geführt
werden, dass sie am Ausgang dieser Strahlführungseinrichtung 3 parallel
und eng benachbart zueinander verlaufen. Im Ausführungsbeispiel werden die Laserstrahlen
LSa–LSd eng
nebeneinander in einer Reihe zu einem Strahlbündel gruppiert, so dass ihre
optischen Achsen parallel zueinander in einer einzigen Ebene – nachfolgend
als Ausbreitungsebene bezeichnet – verlaufen. Diese Ausbreitungsebene
fällt im
Ausführungsbeispiel
der 1 mit der Zeichenebene zusammen. Grundsätzlich sind
auch andere Anordnungen des Laserstrahlen LSa–LSd im Strahlbündel möglich, beispielsweise
ein Quadrat oder bei einer anderen Anzahl von Laserstrahlquellen
ein Rechteck, eine Kreisfläche
oder ein Kreisring.
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Als
Strahlführungseinrichtung 3 sind
Umlenkspiegel 4 veranschaulicht, zwischen denen sich der
Laserstrahl LS frei im Raum ausbreitet. Alternativ hierzu kann auch
eine aus Lichtleitern aufgebaute Strahlführungseinrichtung 3 vorgesehen sein.
Zur Vereinfachung der Zeichnung sind die Wegstrecken der Laserstrahlen
LSa–d
zwischen den Laserstrahlquellen 1a-d und der Fokussieroptik 6 unterschiedlich
lang eingezeichnet. In der Praxis ist es jedoch von Vorteil, wenn
diese Wegstrecken gleich lang sind, um am Ort der Fokussieroptik 6 Laserstrahlen LSa–d mit gleichen
Strahleigenschaften zu haben.
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Die
aus der Strahlführungseinrichtung 3 austretenden
Laserstrahlen LSa–LSd
werden nun mit Hilfe einer Fokussieroptik, im Beispiel eine Zylinderlinse 6,
deren Zylinderachse 6a senkrecht zur Zeichenebene der 1 bzw.
Ausbreitungsebene orientiert ist, in der Ausbreitungsebene in einen
Homogenisator 8 fokussiert, der die Laserstrahlen LSa–LSd in einer
parallel zur Zeichenebene verlaufenden Richtung homogenisiert, d.
h. an seinem Ausgang einen Ausgangslaserstrahl LSout erzeugt,
der in zumindest einer Richtung quer zur optischen Achse eine wenigstens
annähernd
konstante Strahlintensität
aufweist.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist als Homogenisator 8 ein dünner quaderförmiger Wellenleiter
vorgesehen, der mit seinen Flachseiten 8a senkrecht zur Ausbreitungsebene
angeordnet ist und dessen der Zylinderlinse 6 zugewandte
und von ihr abgewandte Stirnseiten 8b – die Eintrittfläche bzw.
Austrittsfläche – jeweils
durch ein schmales Rechteck gebildet werden, das in Richtung der
zur Zeichenebene der 1 senkrechten Zylinderachse 6a der
Zylinderlinse 6 eine größere Ausdehnung
aufweist als quer dazu. Mit anderen Worten: Die Stirnseiten 8b des
quaderförmigen
Wellenleiters weisen senkrecht zur Ausbreitungsebene eine größere Ausdehnung
auf als parallel zur Ausbreitungsebene. Somit wird die Ausbreitung
der Laserstrahlen LSa–LSd
innerhalb des Wellenleiters nur in der quer zur Zylinderachse 6a (parallel
zur Ausbreitungsebene) verlaufenden Richtung durch Totalreflexion
an den parallel zur Zylinderachse 6a (senkrecht zur Ausbreitungsebene)
verlaufenden Grenzflächen
bestimmt. Diese Reflexion bewirkt eine homogene Durchmischung der
Laserstrahlen LSa–LSd
in dieser Richtung. In dazu senkrechter Richtung (parallel zur Zylinderachse 6a bzw.
senkrecht zur Ausbreitungsebene) breiten sich die Laserstrahlen
LSa–LSd
innerhalb des Wellenleiters ungehindert aus, so dass dort keine
Durchmischung stattfindet. Auf diese Weise bleibt die ursprüngliche Strahlqualität der von
den Laserstrahlquellen 1a-d emittierten Laserstrahlen LSa–LSd in
parallel zur Zylinderachse 6a verlaufender Richtung erhalten. Senkrecht
dazu führt
die Durchmischung und Verbreiterung des Laserstrahls zu einer gewollten
Verschlechterung der Strahlqualität.
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Am
Ausgang des Homogenisators 8 liegt nun ein durchmischter
Ausgangslaserstrahl LSout mit wenigsten
annähernd
rechteckigem Strahlquerschnitt vor. Dieser Ausgangslaserstrahl LSout wird nun in einem Kollimator, im Beispiel
ebenfalls eine Zylinderlinse 10, deren Zylinderachse 10a senkrecht
zur Zeichenebene der 1 verläuft, kollimiert. Aus dem der
auf diese Weise entstehenden kollimierten Ausgangslaserstrahl LSout,koll wird mit Hilfe einer Fokussieroptik 12 ein
fokussierter Laserstrahl LSfoc, der in einer
senkrecht zur Zeichenebene der 1 verlaufenden
Richtung in einen Linienfokus LF auf der Oberfläche eines Werkstückes 14 fokussiert
ist. Im Beispiel ist als Fokussieroptik ebenfalls eine Zylinderlinse 12 vorgesehen,
deren Zylinderachse 12a in der Zeichenebene liegt.
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Wenn
eine Änderung
des Aspektverhältnisses,
d.h. des Quotienten aus Länge
und Breite des Linienfokus LF vorgenommen werden soll, kann als Fokussieroptik
auch eine sphärische
Linse verwendet werden.
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Zwischen
der als Kollimator dienenden Zylinderlinse 10 und der als
Fokussieroptik 12 dienenden Zylinderlinse kann noch eine
fokussierende Zylinderlinse angeordnet werden, deren Zylinderachse
parallel zur Zylinderachse 10a der als Kollimator dienenden
Zylinderlinse 10 angeordnet ist, um die Länge des
Linienfokus LF auf dem Werkstück
zu verringern.
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Die
Laserstrahlquellen 1a-d sind an eine Steuereinrichtung 20 angeschlossen,
mit der die Laserstrahlquellen 1a-d unabhängig voneinander
angesteuert werden können.
Mit anderen Worten: Jede dieser Laserstrahlquellen 1a-d ist
unabhängig
voneinander betreibbar. Im cw-Betrieb ist es deshalb möglich, die
Anzahl der aktiven Laserstrahlquellen 1a-d den jeweiligen
Anforderungen bei der Bearbeitung des Werkstückes 14 anzupassen.
Eine Homogenisierung in der zur Zeichenebene der 1 parallelen
Richtung sowie eine Strahlaufweitung in dieser Richtung findet auch
statt, wenn nur einer der Laserstrahlen LSa–LSd in den Homogenisator 8 eingekoppelt
wird.
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Werden
die Laserstrahlquellen 1a-d im Pulsbetrieb betrieben, ist
es möglich,
die einzelnen Laserstrahlquellen 1a-d zeitverzögert und
auch mit unterschiedlicher Pumpleistung anzusteuern, so dass auf einfache
Weise eine Formung des zeitlichen Verlaufes des Pulses des durchmischten,
homogenisierten Ausgangslaserstrahls LSout möglich ist.
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Wenn
die Laseranordnung aus Festkörperlasern
aufgebaut ist, kann dieser außerdem
eine Frequenzvervielfacheranordnung zugeordnet sein, mit der es
möglich
ist, die Frequenz der von den Festkörperlasern, insbesondere emittierten
Laserstrahlen in den optischen Bereich, beispielsweise bei der Verwendung
von Nd:YAG-Festkörperlasern
durch Frequenzverdopplung in den grünen Spektralbereich (532 nm),
zu konvertieren. Hierzu können
in den Laserstrahlquellen 1a-d oder innerhalb der Strahlführungseinrichtung 3 eine
der Anzahl der Laserstrahlquellen 1a-d entsprechende Anzahl
von Frequenzvervielfachern 16 angeordnet sein, die in 1 und 2 jeweils
gestrichelt angedeutet sind. Grundsätzlich ist es auch möglich, die
Frequenzvervielfacheranordnung in den Homogenisator 8 zu
integrieren oder hinter ihm noch vor der Fokussieroptik 12 anzuordnen.
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3 zeigt
nun die mit Hilfe der Strahlführungseinrichtung 3 nebeneinander
angeordneten Laserstrahlen LSa–LSd,
deren optischen Achsen A parallel zueinander in einer gemeinsamen
Ausbreitungsebene E verlaufen.
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Der
am Ausgang des Kollimators 10 vorliegende kollimierte Ausgangslaserstrahl
LSout hat nun ein rechteckiges Strahlprofil,
das in Richtungen parallel zur Ausbreitungsebene weitgehend homogenisiert
ist und in der dazu senkrechten Richtung noch eine beispielsweise
gaußähnliche
Verteilung aufweist, wie es der 4 zugeordneten
Diagrammen, in denen die Strahlintensität I in zueinander senkrechten
Achsen aufgetragen ist, zu entnehmen ist.
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Der
fokussierte Laserstrahl ist scharf in einen Linienfokus LF fokussiert
und weist eine Länge
auf, die im wesentlichen durch die Kantenlänge der kurzen Seite der stirnseitigen
Rechtecke des Homogenisators 8 und den Kollimator 10 bzw.
die Fokussieroptik 12 bestimmt ist.
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Das
in 4 schematisch dargestellte rechteckige Strahlprofil
ergibt sich auch, wenn nicht alle Laserstrahlquellen gleichzeitig
einen Laserstrahl LS emittieren, da der Strahlhomogenisator 8 auch
einen einzelnen Laserstrahl LS beim Durchgang durch den Strahlhomogenisator
entsprechend der Höhe
des Wellenleiters, d.h. seiner Ausdehnung parallel zur Ausbreitungsebene
formt und homogenisiert.
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In 6 ist
in einem Diagramm die Strahlintensität I eines von einer der Laserstrahlquellen,
beispielsweise die Laserstrahlquelle 1a erzeugten Einzelpulses
Pa gegen die Zeit t aufgetragen. Das Diagramm zeigt einen idealisierten
rechteckförmigen
Laserpuls der Breite T.
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Werden
nun die Laserstrahlquellen 1a-d zeitlich nacheinander derart
angesteuert, dass sich die einzelnen Laserpulse Pa–Pd entweder überlagern oder
aber zumindest zeitlich sehr eng benachbart sind, so ergibt sich
im Beispiel der 5–7 für den Fall,
dass alle Laserstrahlquellen 1a-d einen Laserpuls Pa–Pd mit
gleicher Pulslänge
T erzeugen, ein aus Einzelimpulsen aufgebauter Pa–Pd Laserpuls
P mit der Länge 4T,
dessen zeitliche Pulsform darüber hinaus
durch eine unterschiedliche Pulshöhe der einzelnen Laserstrahlquellen 1a-d beeinflusst
werden kann. Dabei ist es auch nicht notwendig, dass die Pulsdauer
T für alle
verwendeten Laserpulse Pa–Pd gleichgroß ist. Auf
diese Weise ist mit einfachen Mitteln eine hohe Flexibilität bei der
Formung eines Laserpulses P möglich.
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Die
vorstehend erläuterte
Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Nd:YAG-Lasern als Laserstrahlquellen
eingeschränkt.
Grundsätzlich
können auch
andere Lasertypen, beispielsweise andere Festkörperlaser mit anderen laseraktiven
Festkörperma terialien
oder auch Halbleiterlaser oder Gaslaser verwendet werden. Auch hinsichtlich
der Geometrie des aktiven Lasermediums der verwendeten Festkörperlaser
gibt es keine Einschränkungen.
So sind Stablaser ebenso geeignet wie Scheibenlaser oder Faserlaser.
Ebenso können
die Laser in unterschiedlichen Betriebsarten, beispielsweise cw-Betrieb,
gepulster Betrieb mit oder ohne Güteschaltung, modulierter Betrieb
oder modengekoppelt betrieben werden. Auch die Polarisationseigenschaften
der von den Laserstrahlquellen 1a-d erzeugten Laserstrahlen LSa–LSd sowie
die Anzahl der Laserstrahlquellen sind entsprechend der jeweiligen
Bearbeitungsaufgabe frei wählbar.