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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System für einen
Lasermaterialbearbeitungskopf mit, in Propagationsrichtung des Laserstrahls, der
entlang der optischen Achse geführt
ist, gesehen, einer ersten optischen Einheit zur Aufteilung des Strahlungsfelds
senkrecht zur Propagationsrichtung derart, dass eine strahlungsfreie
Zone zwischen zwei Teilstrahlungsfeldern gebildet wird, einer Prozessmittel-Zuführeinrichtung,
die Prozessmittel über
den Bereich der strahlungsfreien Zone abschattungsfrei koaxial zur
optischen Achse zuführt,
und einer Fokussiereinheit.
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Bei
vielen Lasermaterialbearbeitungsverfahren (z. B. Schneiden, Schweißen, Auftragsschweißen, Löten) muss
ein Zusatzstoff in die Bearbeitungsstelle gebracht werden, um entweder
zusätzliches Material
bereitzustellen oder um den Prozess durch Gase zu beeinflussen.
Zu diesen Verfahren gehören u.
a. Laserlöten
(Hart- und Weichlöten),
Kunststoffschweißen,
Schweißen
metallischer Werkstoffe, Aufbringen von Schichten aus Metall, Keramik
oder Kunststoff, Generieren von Strukturen aus Metall, Kunststoff
oder Keramik, Laserstrahlschneiden, Laserstrahlhärten, Laserstrahllegieren,
Laserstrahldispergieren, um die wesentlichen zu nennen.
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Der
Zusatzwerkstoff kann in fester oder flüssiger Form oder als Gas zugeführt werden.
In fester Form liegt der Zusatzwerkstoff meist als Draht oder Pulver
vor.
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Bislang
wird der Zusatzwerkstoff in der Regel von der Seite zugeführt. Die
hierzu benötigte
Anordnung ist jedoch in der Nähe
der Bearbeitungsstelle aufgrund ihrer Baugröße recht störend. Außerdem wird hierdurch die Anordnung
asymmetrisch, so dass bei der Verfolgung einer Kontur eines Werkstücks bei Änderung
der Vorschubrichtung eine Drehung des Bearbeitungskopfes, bestehend
aus einer Zufuhreinheit für
den Zusatzwerkstoff und einer Optik zur Strahlführung und -formung, notwendig
wird.
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Bei
einer anderen Anordnung, wie sie in der
FR 2823688 A1 beschrieben
ist, wird der Zusatzwerkstoff koaxial in das Zentrum der Bearbeitungsstelle
geführt.
Hierbei wird jedoch durch die seitliche Zufuhr des Prozessmittels
ein Teil des Strahls abgeschattet, wodurch zum einen Verluste auftreten
und zum anderen der Zusatzwerkstoff bereits vor der Wechselwirkungszone
erwärmt
wird. Außerdem
ist die Intensitätsverteilung
nicht rotationssymmetrisch durch Abschattung, wodurch die Anordnung
richtungsabhängig
ist.
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Ferner
ist aus der
EP 1020249
A2 eine Anordnung bekannt, bei der der Strahl durch zwei
Dachkantenprismen aufgeteilt wird. Hierdurch wird eine abschattungsfreie,
koaxiale Zufuhr des Prozessmittels erreicht, jedoch erfordern die
beiden Dachkantenprismen einen seitlichen Versatz der Teilstrahlungsfelder,
wodurch die Anordnung relativ groß wird. Darüber hinaus sind zur Aufteilung
der Strahlungsfelder grundsätzlich
zwei Elemente notwendig. Auch wird der unkollimierte, divergente
Strahl aufgeweitet, wodurch in der Bearbeitungsebene (Wechselwirkungszone)
zwangsläufig
ein Doppelspot, also eine asymmetrische Intensitätsverteilung, entsteht. Die asymmetrische
Intensitätsverteilung
bedeutet, dass der Bearbeitungskopf ebenfalls nicht richtungsunabhängig ist
und bei der Konturverfolgung mit Änderung der Vorschubrichtung
eine Drehung des Bearbeitungskopfes notwendig ist.
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Die
DE 4129239 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Schweißen
eines Laserstrahls unter Zugabe pulverförmiger Werkstoffe der eingangs
genannten Art.
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Die
US 2003/0116542 A1 beschreibt
eine entsprechende Laserbearbeitungsvorrichtung, um dreidimensionale
Strukturen herzustellen. Bei dieser Vorrichtung sind Mittel vorhanden,
um ein Materialstrom zu einem Bereich auf einer Oberfläche, die
aufgebaut werden soll, zuzuführen
und Einrichtungen, um einen konvergierenden Laserstrahl auf die
Oberfläche
unter einem Winkel von 20 bis 30° zu
der Oberflächennormalen
aus mehreren Richtungen, die Materialzuführung umgebend, zuzuführen.
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JP 05208258 A ,
Abstract, beschreibt ebenfalls einen derartigen Lasermaterialbearbeitungskopf,
bei dem zusätzlich
vor der ersten optischen Einheit eine Kollimationseinheit und als
optische Einheit ein Axikon vorhanden sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches
System für
einen Lasermaterialbearbeitungskopf zu schaffen, mit dem insbesondere
die vorstehend zum Stand der Technik angesprochene asymmetrische
Intensitätsverteilung
vermieden wird.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch ein optisches System für einen Lasermaterialbearbeitungskopf
mit, in Propagationsrichtung des Laserstrahls, der entlang der optischen
Achse ge führt
ist, gesehen, einer ersten optischen Einheit zur Aufteilung des
Strahlungsfelds senkrecht zur Propagationsrichtung derart, dass
eine strahlungsfreie Zone zwischen zwei Teilstrahlungsfeldern gebildet,
einer Prozessmittel-Zuführeinrichtung,
die Prozessmittel über
den Bereich der strahlungsfreien Zone abschattungsfrei koaxial zur
optischen Achse zuführt,
und einer Fokussiereinheit, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach
der Kollimationseinheit mindestens ein Axikon eingefügt ist,
um ein Ringstrahlungsfeld rotationssymmetrisch zur optischen Achse
zu erzeugen, wobei die erste optische Einheit mindestens ein transmissives
oder reflektives optisches Bauteil umfasst, und dass dieser ersten
optischen Einheit eine zweite optische Einheit in Form mindestens
eines weiteren transmissiven oder reflektiven optischen Bauteils nachgeordnet
ist derart, dass die durch die erste optische Einheit erzeugten
Teilstrahlungsfelder wieder zusammengefügt werden.
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Das
optische System umfasst in seinen Grundkomponenten einen Kollimator,
eine Anordnung zur Aufteilung des Strahlungsfeldes, ein Axikon oder
mehrere Axikon zur Erzeugung des Ringstrahlungsfelds und eine Fokussiereinheit.
Bei dem erfindungsgemäßen System
erfolgt die Aufteilung des Strahlungsfeldes so, dass jedes Teilstrahlungsfeld mit
einer brechenden planparallelen Platte versetzt wird. Hierdurch
wird vermieden, dass sich die Propagationsrichtung nach dem aufteilenden
Element ändert,
so dass ein kompakter Aufbau realisiert werden kann. Da refraktive,
planparallele Optiken eingesetzt werden, muss nur eine optische
Einheit eingesetzt werden, um das Strahlungsfeld in zwei Teilstrahlungsfelder
aufzuteilen. Durch eine weitere optische Einheit, vorzugsweise mit
zwei planparallelen Platten, kann das Strahlungsfeld nach Zuführung des
Zusatzwerkstoffes wieder geschlossen werden. Durch Zusammenführung der
zunächst
geteilten Teilstrahlungsfelder mittels eines weiteren Plattenpaares
wird eine symmetrische Intensitätsverteilung
erreicht, so dass der Bearbeitungskopf bei einer Konturverfolgung
nicht gedreht werden muss.
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Weiterhin
kann durch den Einsatz eines Axikon vor der Fokussiereinheit bzw.
durch eine Kombination von mehreren Axikon erreicht werden, dass der
Strahl auf einen Ring fokussiert wird. Der Ring kann sich auch im
Fokus schließen
(Kreis/Spot). Dadurch kann erreicht werden, dass entlang der Symmetrieachse
der Verteilung die Intensität
bis in die Bearbeitungsebene, oder kurz vor dieser, Null bleibt. Dadurch
wird eine abschattungsfreie seitliche Zuführung des Zusatzwerkstoffes
möglich;
eine solche Zuführung
ist aber auch dann möglich,
wenn der kleinste Querschnitt mit dem Fokus zusammenfällt.
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Der
vollkommen symmetrische Aufbau des optischen Systems ermöglicht auch
eine verzerrungsfreie Beobachtung des Prozesses durch den Strahlengang.
Dazu kann z. B. ein dichroitischer Spiegel vor oder nach dem Axikon
in den Strahlengang eingebracht werden, mit dem dann der Prozess beobachtet
werden kann. Auch eine weitere Lichtquelle zur Ausleuchtung der
Wechselwirkungszone für
die Prozesskontrolle bzw. Nahtverfolgung kann auf diese Art in den
Strahlengang eingebracht werden.
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Bei
dem erfindungemäßen System
kann das kollimierte Strahlungsfeld durch den Einsatz eines negativen
Axikon oder eines Doppel-Axikon oder die Kombination mehrerer Axikon
in einen Ring abgebildet werden. Die Erzeugung des Ringstrahles
durch ein Axikon hat den Vorteil, dass das Strahlungsfeld symmetrisch
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Systems wird als Axikon ein konkav-konvexes Axikon mit gleichen
Kegelwinkeln eingesetzt; dadurch wird die Winkelverteilung des Strahlungsfelds
nicht beeinflusst.
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Das
konkav-konvexe Axikon kann aus mindestens einem konkaven Bauteil
und mindestens einem konvexen Bauteil gebildet werden, wodurch sich der
Vorteil ergibt, dass der Ring bzw. die strahlungsfreie Zone weiter
vergrößert werden
kann und das Strahlungsfeld nach dem Axikon kollimiert verbleibt; außerdem ergibt
sich ein geschlossener Ring in der Bearbeitungsebene.
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Um
zu erreichen, dass eine einfache Fertigung möglich wird, können zwei
Axikon hintereinander eingesetzt werden, die jeweils plan-konvex
mit gleichem Winkel aufgebaut sind.
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Für das mindestens
eine Axikon kann ein plan-konkaves Axikon eingesetzt werden, wodurch ein
reduzierter Bauraum erreicht werden kann.
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Abhängig von
der Art des Axikon, mit dem der Ringstrahl erzeugt wird, kann entweder
ein Ring oder ein Kreis scharf auf die Bearbeitungsebene abgebildet
werden.
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In
einer Ausführungsform
wird die erste optische Einheit durch mindestens zwei planparallele Platten
aufgebaut.
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Die
Aufspaltung des ringförmigen
Strahlungsfelds mittels planparalleler Platten, vorzugsweise mittels
eines Prismas, dient dazu, eine abschattungsfreie Zufuhr des Zusatzstoffes zu
ermöglichen. Dabei
wird die planparallele Platte bzw. das Prisma so angeordnet, dass
sich die Propagationsrichtung der Teilstrahlen nicht verändert. Die
Zufuhr des Zusatzwerkstoffs kann abschattungsfrei seitlich, in die durch
das Prisma erzeugte Öffnung
im Strahlungsfeld, zugeführt
werden. Dies gewährleistet
einen kompakten Aufbau.
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Wenn
die zwei planparallelen Platten verwendet werden, sollten diese
zueinander jeweils zu einer Ebene, in der die optische Achse liegt,
unter gleichen Winkeln derart verkippt sein, dass die Flächennormalen
der für
die Laserstrahlung optisch wirksamen, parallelen Flächen eine
Ebene aufspannen, in der die optische Achse liegt. Dadurch ist gewährleistet,
dass sich ein symmetrischer Aufbau aus zwei gleichen Teilen ergibt.
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Das
zweite optische Element bzw. die zweite optische Einheit kann durch
mindestens zwei planparallele Platten aufgebaut werden.
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Diese
zwei planparallelen Platten sollten zueinander jeweils zu einer
Ebene, in der die optische Achse liegt, unter gleichen Winkeln derart
verkippt sein, dass die Flächennormalen
der für
die Laserstrahlung optisch wirksamen, parallelen Flächen eine Ebene
aufspannen, in der die optische Achse liegt.
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Das
Strahlungsfeld kann mittels des zweiten optischen Elements nach
der Einbringung des Zusatzmittels geschlossen werden und bildet
dann einen Ringstrahl.
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Das
zweite optische Element wird so ausgeführt, dass es eine Spiegelung
des ersten optischen Elements ist. Für eine solche Spiegelung ist
eine Punktspiegelung des ersten optischen Elements zu bevorzugen,
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Der
Laserstrahl kann durch mindestens einen Spiegel gefaltet werden.
Durch eine solche Faltung des Strahlengangs hinter dem aufspaltenden Element
und vor dem zweiten optischen Element kann erreicht werden, dass
der Zusatzwerkstoff durch eine zentrische Bohrung im zweiten Spiegel und
entsprechende Bohrungen in den nachfolgenden optischen Elementen
umlenkungsfrei zugeführt
werden kann.
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Das
erfindungsgemäße optische
System ermöglicht
den Bearbeitungsbereich über
eine Auskoppeleinheit zwischen der Kollimationseinheit und der Fokussiereinheit
mittels eines Bildverarbeitungssystems zu erfassen. Über ein
solches Bildverarbeitungssystem kann eine Prozessbeobachtung, -kontrolle
und/oder -steuerung erfolgen.
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Die
wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen optischen Systems können wie
folgt zusammengefasst werden:
Das erfindungsgemäße optische
System, und damit der entsprechende Bearbeitungskopf, in dem dieses optische
System eingebaut ist, sind aufgrund der Rotationssymmetrie der Leistungsdichteverteilung
in der Bearbeitungsebene vollständig
richtungsunabhängig.
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Eine
verzerrungsfreie Prozessbeobachtung und -beleuchtung wird durch
diese Anordnung der optischen Komponenten ermöglicht.
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Weiterhin
sind eine symmetrische Abbildung und ein kompakter Aufbau des Bearbeitungskopfes möglich. Hieraus
ergibt sich eine verbesserte Zugänglichkeit
aufgrund der vergleichsweise kleinen und symmetrischen Bauweise.
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Die
Programmierung der Robotersteuerung aufgrund häufiger Umorientierungen des
Bearbeitungskopfes bei herkömmlichen
Bearbeitungssystemen, insbesondere bei anspruchsvollen 3D-Geometrien,
wird deutlich vereinfacht.
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Produktivitätseinbußen durch
häufige
Umorientierungen des Bearbeitungskopfes und dadurch geringe Vorschubgeschwindigkeiten
an den Umorientierungspunkten können
vermieden werden.
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Bei
fügenden
Verfahren werden sowohl Schwankungen der Nahtbreite als auch Bindefehler durch
nicht konstante Bearbeitungsgeschwindigkeiten, die bei einer nicht
koaxialen Zufuhr von Zusatzstoffen, bedingt durch häufige Umorientierungen
auftreten, vermieden.
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Teure
Handhabungssysteme können
durch solche mit geringeren Anforderungen an die Dynamik ersetzt
werden.
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Mit
dem optischen System nach der Erfindung wird eine abschattungsfreie
Zufuhr des Zusatzwerkstoffes im Vergleich zur koaxialen Zufuhr von
außen,
die nach dem Stand der Technik eingesetzt wird, möglich.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
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1A ein
optisches System in einer ersten Ausführungsform mit einem einzelnen
Axikon,
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1B das
optische System der 1A aus Sicht des Sichtpfeils
IB in 1A,
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1C die
Strahlungsverteilung der Anordnung in 1A senkrecht
zu der optischen Achse entlang der Ebene, die in 1A angegeben
ist,
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2A ein
optisches System in einer zweiten Ausführungsform, bei der gegenüber der
ersten Ausführungsform
der 1A und 1B zwei
Axikon eingesetzt sind,
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2B das
optische System der 2A aus Sicht des Sichtpfeils
IIB in 2A,
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3A ein
optisches System in einer dritten Ausführungsform, bei der gegenüber der
zweiten Ausführungsform
der 3A und 3B die
eingesetzten Axikon geändert
sind,
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3B das
optische System der 3A aus Sicht des Sichtpfeils
IIIB in 3A,
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4A ein
optisches System in einer vierten Ausführungsform, bei der gegenüber der
dritten Ausführungsform
der 3A und 3B die
eingesetzten Axikon geändert
sind,
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4B das
optische System der 4A aus Sicht des Sichtpfeils
IVB in 4A,
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5A eine
Anordnung der ersten Ausführungsform,
wie sie in 1A dargestellt ist, allerdings
mit einer Faltung des Strahlengangs,
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5B das
optische System der 5A aus Sicht des Sichtpfeils
VB in 5A,
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6 eine
Anordnung mit zwei Faltungsspiegeln, wobei über den einen Faltungsspiegel durch
eine zentrische Bohrung im zweiten Spiegel und eine entspre chende
Bohrung in den nachfolgenden optischen Elementen eine Prozessmittelzufuhr erfolgt,
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7A eine
Anordnung, die mit der Anordnung, ohne die Faltungsspiegel, der 6 vergleichbar
ist, bei der schematisch eine seitliche Prozessmittelzuführung dargestellt
ist,
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7B die
Anordnung der 7A aus Richtung des Sichtpfeils
VIIB in 7A,
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8 ein
Prisma in Form von planparallelen Platten aus Spiegeln, um die Aufteilung
eines Eingangsstrahlungsfelds in zwei Teilstrahlungsfelder schematisch
darzustellen, und
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9 ein
Spiegel-Axikon, um die Aufteilung eines Strahlungsfelds in Teilstrahlungsfeldern
schematisch darzustellen.
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Das
optische System in einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wie
es in den 1A und 1B zu
sehen ist, umfasst eine Laserstrahlquelle, die allgemein mit dem
Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, bei der es sich beispielsweise
um Diodenlaser, Nd:Yag, Faserlaser, und dergleichen, handeln kann, die
ein divergierendes Strahlungsfeld 2 abgibt. Dieses Strahlungsfeld 2 wird
durch eine Kollimationseinheit 3 kollimiert, so dass hinter
der Kollimationseinheit 3 ein Strahlungsfeld 4 mit
parallelen Strahlen entsteht. Dieses Strahlungsfeld 4 trifft
auf ein konkav-konvexes Axikon 5 auf. Mit diesem Axikon 5 wird das
Strahlungsfeld 4 so aufgeweitet, dass es eine zur optischen
Achse rotationsymmetrische ringförmige Intensitätsverteilung
mit einer strahlungsfreien Zone im Zentrum bildet. Dieses aufgeweitete
Strahlungsfeld 4 trifft dann auf eine erste optische Einheit 6 auf, die
aus zwei planparallelen Platten aufgebaut ist. Diese planparallelen
Platten bilden auf der Seite der Eintrittsflächen einen Winkel zueinander,
der geringer als 180° ist.
Durch die planparallelen Platten werden zwei Teilstrahlungsfeldern 8 erzeugt,
so dass zwischen den Teilstrahlungsfeldern 8 eine strahlungsfreie
Zone 9 zentrisch zu der optischen Achse, die mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet
ist, entsteht.
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Die
Strahlungsquerschnitte, wie sie sich entlang der Ebene 11,
die durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist, senkrecht zu
der optischen Achse 10 ergeben, sind in 1C gezeigt.
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Im
Bereich dieser strahlungsfreien Zone 9 kann Prozessmittel,
beispielsweise Draht, Pulver, Gas, zugeführt werden. Nach dem ersten
optischen Element 6 ist ein zweites optisches Element 12,
das wiederum aus zwei planparallelen Platten gebildet ist, angeordnet.
Wie anhand der 1A und 1B, wobei 1B eine
Ansicht in Richtung des Sichtpfeils IB in 1A darstellt,
zu erkennen ist, ist dieses zweite optische Element spiegelbildlich
zu dem ersten optischen Element, mit einer Spiegelungsebene senkrecht
zu der optischen Achse 10, aufgebaut, was bedeutet, dass
die beiden planparallelen Platten 13 unter einem Winkel
auf der Strahlungseintrittsseite > 180° zueinander
ausgerichtet sind. Über
dieses zweite optische Element 12 werden die Teilstrahlungsfelder 8 wieder
in Richtung der optischen Achse 10 zusammengeführt, wobei
Strahlungsanteile der Teilstrahlungsfelder 8 ausgangsseitig
des zweiten optischen Elements 12 parallel zu der optischen
Achse 10 verlaufen. Dieses Feld aus parallelen Strahlen trifft
auf eine weitere Fokussiereinheit 14 auf, durch die das
Strahlungsfeld auf einen Fokussierungspunkt 15, der beispielsweise
in einer Bearbeitungsebene liegt, fokussiert wird.
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Die 2A und 2B zeigen
eine zweite Ausführungsform
eines optischen Systems gemäß der Erfindung,
bei der gegenüber
der Ausführungsform,
wie sie in den 1A und 1B dargestellt ist,
das Axikon 5 der 1A und 1B,
nach der Kollimationseinheit 3, durch zwei Axikon 16 und 17 ersetzt
ist.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass in den 2A und 2B sowie
in den weiteren 3 bis 9 solche
Bauteile, die in ihrem Aufbau und in ihrer Wirkungsweise mit denjenigen
der 1A und 1B, oder
mit entsprechenden anderen Figuren, die noch beschrieben werden,
identisch oder vergleichbar sind, mit den entsprechenden Bezugszeichen
bezeichnet sind, so dass Ausführungen
zu dem entsprechenden Bauteil, die in Bezug auf eine Figur angegeben
sind, entsprechend auf diese Bauteile der anderen Figuren übertragen
werden können.
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Bei
dem Axikon 16 der 2A und 2B handelt
es sich um ein konkav-planes Axikon, während das zweite Axikon 17 ein
plan-konvexes Axikon ist. Bei dem konvex-planen Axikon 16 ist
zunächst,
in Strahlausbreitungsrichtung gesehen, der konkave Bereich auf der
Strahlungseintrittsseite dieses Axikon 16 angeordnet, während sich
der plane Bereich auf der Strahlungsaustrittsseite befindet. Entsprechend
ist bei dem plan-konvexen Axikon 17 der plane Teil auf
der Strahlungseintrittsseite angeordnet, während sich der konvexe Bereich
auf der Strahlungsaustrittsseite befindet. In Strahlungsausbreitungsrichtung
gesehen befinden sich hinter dem zweiten Axikon 17 die
jeweilige erste optische Einheit 6 und die zweite optische
Einheit 12, wie sie auch in der Ausführungsform der 1A und 1B eingesetzt sind,
sowie eine weitere Fokussiereinheit 14, die das Strahlungsfeld
auf dem Fokussierungspunkt 15 bzw. die Arbeitsebene fokussiert.
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In 2 ist eine Darstellung entsprechend der 1C weggelassen,
da das Strahlungsfeld in einer entsprechenden Ebene zwischen der
ersten optischen Einheit 6 und der zweiten optischen Einheit 12 vergleichbar
mit demjenigen ist, wie es in 1C gezeigt
ist.
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Die
Anordnung der zweiten Ausführungsform
der 2A und 2B hat
den Vorteil, dass der Ring und die strahlungsfreie Zone des Strahlungsfeldes
stark vergrößert werden
können,
ohne dass das Axikon in 1A und 1B extrem
vergrößert werden
muss (ein sehr großes
Axikon wird durch zwei kleinere Axikon ersetzt) während die
Anordnung des optischen Systems, insbesondere hinsichtlich des eingesetzten
Axikon 5, den Vorteil hat, dass es aufgrund von weniger
optischen Elementen, kompakt aufgebaut werden kann.
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In
einer dritten Ausführungsform
des optischen Systems, wie sie in den 3A und 3B gezeigt
ist, sind ein erstes Axikon 18 und ein zweites Axikon 19 eingesetzt,
wobei es sich bei dem ersten Axikon 18 um ein konvex-planes
Axikon handelt, während
es sich bei dem zweiten Axikon 19 um ein plan-konvexes
Axikon handelt. Das zweite Axikon 19 besitzt den planen
Abschnitt auf der Strahlungseintrittsseite und den konvexen Abschnitt
auf der Strahlungsaustrittsseite.
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Die
vierte Ausführungsform
des optischen Systems in den 4A und 4B weist
hinter der Kollimationseinheit 3 nur ein einzelnes Axikon 20, und
zwar ein konkav-planes Axikon, auf. Durch dieses Axikon 20 wird
wieder ein Ringstrahl erzeugt, allerdings wird das Strahlungsfeld
nicht kollimiert sondern ist divergent. Dadurch ist die Anordnung
kompakt und kann sehr große
Ringe (Strahlungsquerschnitt) auf kleinem Raum erzeugen.
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In
der Anordnung der 4A und 4B wird
in der Bearbeitungsebene ein Ringstrahl 15 erzeugt.
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Um
einerseits einen kompakten Aufbau zu erhalten und darüber hinaus
eine Zufuhr von Prozessmitteln zu erreichen, kann der Strahlengang
gefaltet werden, wie dies in der Ausführungsform der 5A und 5B dargestellt
ist. In dem Grundaufbau entspricht die Anordnung des optischen Systems der 5A und 5B derjenigen
der ersten Ausführungsform,
wie sie in den 1A und 1B dargestellt
ist. Allerdings sind, für
die Faltung, zwischen der ersten optischen Einheit 6 und
der zweiten optischen Einheit 12 ein erster Faltungsspiegel 21 und ein
zweiter Faltungsspiegel 22 eingefügt, die jeweils unter 45° zu der optischen
Achse 10 parallel zueinander ausgerichtet sind. Durch diese
Faltungsspiegel 21, 22 besteht die Möglichkeit,
die Arbeitsebene bzw. den Fokuspunkt 15 zu beobachten (Prozessbeobachtung
bei dichroitischen Spiegeln) oder aber über den zweiten Faltungsspiegel
Prozessmittel zuzuführen.
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Eine
solche Prozessmittelzuführung
ist als Beispiel in der Anordnung der 6 gezeigt.
Das optische System der 6 ist mit demjenigen der ersten
Ausführungsform
(1A und 1B) vergleichbar,
allerdings ist ein Axikon 20 zwischen der Kollimationseinheit 3 und
der ersten optischen Einheit 6, und nach dem Faltungs-
bzw. Umlenkspiegel 21, eingefügt; das Axikon 20 entspricht
demjenigen der vierten Ausführungsform
(4A und 4B) (ein
konvex-planes Axikon). Der zweite Faltungsspiegel 22 zwischen
der ersten optischen Einheit 6 und der zweiten optischen
Einheit 12 weist eine Bohrung bzw. ein Loch 25 auf,
das sich an einer Stelle auf dem Faltungsspiegel 22 befindet,
an der sich die optischen Achsen 10 schneiden. Entsprechende
Löcher 26 und 27,
entlang der optischen Achse 10, sind in der zweiten optischen
Einheit 12 und der zweiten Fokussiereinheit 14 ausgeführt. Über diese
Löcher 25, 26 und 27 in
dem Spiegel 22, der zweiten optischen Einheit 12 und
der Fokussiereinheit 14 kann Prozessmittel, wie durch die
Linie 28 angedeutet ist, zugeführt werden; auch kann die Arbeitsebene 29 bzw. der
Fokuspunkt 15 über
eine entsprechende Anordnung beobachtet, verfolgt und analysiert
werden, um entsprechende Einstellungen des Systems vorzunehmen.
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Die
Anordnung, wie sie in den 7A und 7B zu
sehen ist, entspricht in dem Aufbau des optischen Systems wiederum
derjenigen, die in den 4A und 4B (vierte
Ausführungsform)
dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Zuführung
des Prozessmittels durch die Linie 30 in der strahlungsfreien
Zone 9 zwischen den beiden optischen Einheiten 6 und 12 schematisch
dargestellt. Wiederum befinden sich in der zweiten optischen Einheit 12 und
der Fokussiereinheit 14 die entsprechenden Löcher 26 und 27,
um die Prozessmittel zu der Bearbeitungsebene 29 zuzuführen.
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In 8 ist
ein Prisma in Form von planparallelen Platten aus Spiegeln, um die
Aufteilung eines Eingangsstrahlungsfelds in zwei Teilstrahlungsfelder schematisch
darzustellen, gezeigt. Bei diesem Prisma handelt es sich beispielsweise
um die erste optische Einheit 6, wie sie in den vorstehend
beschriebenen Figuren gezeigt ist. Das in das Prisma bzw. die planparallelen
Platten eintretende Strahlungsfeld 4 wird durch Mehrfachreflexion
an den Spiegelflächen in
die zwei Teilstrahlungsfelder 8 aufgeteilt, so dass zwischen
diesen Teilstrahlungsfeldern 8 die strahlungsfreie Zone 9 erzeugt
wird.
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9 zeigt
ein schematisches Spiegel-Axikon, wie es beispielsweise in den 3A und 3B gezeigt
ist, in einer perspektivischen Ansicht.