DE102007018400B4 - Optisches System für einen Lasermaterialbearbeitungskopf - Google Patents

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Abstract

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,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor der ersten optischen Einheit (6) eine Kollimationseinheit (3) angeordnet ist,
dass nach der Kollimationseinheit (3) mindestens ein Axikon (5; 16, 17; 18, 19; 20) eingefügt ist, um ein Ringstrahlungsfeld rotationssymmetrisch zur optischen Achse (10) zu erzeugen,
wobei die erste optische Einheit (6) mindestens ein transmissives oder reflektives optisches Bauteil umfasst, und
dass dieser ersten optischen Einheit (6) eine zweite optische Einheit (12) in Form mindestens eines weiteren transmissiven oder reflektiven optischen Bauteils nachgeordnet ist derart, dass die durch die erste...

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die DE 4129239 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schweißen eines Laserstrahls unter Zugabe pulverförmiger Werkstoffe der eingangs genannten Art.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Um zu erreichen, dass eine einfache Fertigung möglich wird, können zwei Axikon hintereinander eingesetzt werden, die jeweils plan-konvex mit gleichem Winkel aufgebaut sind.
  • Für das mindestens eine Axikon kann ein plan-konkaves Axikon eingesetzt werden, wodurch ein reduzierter Bauraum erreicht werden kann.
  • 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.
  • In einer Ausführungsform wird die erste optische Einheit durch mindestens zwei planparallele Platten aufgebaut.
  • 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.
  • 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.
  • Das zweite optische Element bzw. die zweite optische Einheit kann durch mindestens zwei planparallele Platten aufgebaut werden.
  • 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.
  • Das Strahlungsfeld kann mittels des zweiten optischen Elements nach der Einbringung des Zusatzmittels geschlossen werden und bildet dann einen Ringstrahl.
  • 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,
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine verzerrungsfreie Prozessbeobachtung und -beleuchtung wird durch diese Anordnung der optischen Komponenten ermöglicht.
  • 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.
  • Die Programmierung der Robotersteuerung aufgrund häufiger Umorientierungen des Bearbeitungskopfes bei herkömmlichen Bearbeitungssystemen, insbesondere bei anspruchsvollen 3D-Geometrien, wird deutlich vereinfacht.
  • Produktivitätseinbußen durch häufige Umorientierungen des Bearbeitungskopfes und dadurch geringe Vorschubgeschwindigkeiten an den Umorientierungspunkten können vermieden werden.
  • 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.
  • Teure Handhabungssysteme können durch solche mit geringeren Anforderungen an die Dynamik ersetzt werden.
  • 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.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
  • 1A ein optisches System in einer ersten Ausführungsform mit einem einzelnen Axikon,
  • 1B das optische System der 1A aus Sicht des Sichtpfeils IB in 1A,
  • 1C die Strahlungsverteilung der Anordnung in 1A senkrecht zu der optischen Achse entlang der Ebene, die in 1A angegeben ist,
  • 2A ein optisches System in einer zweiten Ausführungsform, bei der gegenüber der ersten Ausführungsform der 1A und 1B zwei Axikon eingesetzt sind,
  • 2B das optische System der 2A aus Sicht des Sichtpfeils IIB in 2A,
  • 3A ein optisches System in einer dritten Ausführungsform, bei der gegenüber der zweiten Ausführungsform der 3A und 3B die eingesetzten Axikon geändert sind,
  • 3B das optische System der 3A aus Sicht des Sichtpfeils IIIB in 3A,
  • 4A ein optisches System in einer vierten Ausführungsform, bei der gegenüber der dritten Ausführungsform der 3A und 3B die eingesetzten Axikon geändert sind,
  • 4B das optische System der 4A aus Sicht des Sichtpfeils IVB in 4A,
  • 5A eine Anordnung der ersten Ausführungsform, wie sie in 1A dargestellt ist, allerdings mit einer Faltung des Strahlengangs,
  • 5B das optische System der 5A aus Sicht des Sichtpfeils VB in 5A,
  • 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,
  • 7A eine Anordnung, die mit der Anordnung, ohne die Faltungsspiegel, der 6 vergleichbar ist, bei der schematisch eine seitliche Prozessmittelzuführung dargestellt ist,
  • 7B die Anordnung der 7A aus Richtung des Sichtpfeils VIIB in 7A,
  • 8 ein Prisma in Form von planparallelen Platten aus Spiegeln, um die Aufteilung eines Eingangsstrahlungsfelds in zwei Teilstrahlungsfelder schematisch darzustellen, und
  • 9 ein Spiegel-Axikon, um die Aufteilung eines Strahlungsfelds in Teilstrahlungsfeldern schematisch darzustellen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der Anordnung der 4A und 4B wird in der Bearbeitungsebene ein Ringstrahl 15 erzeugt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 9 zeigt ein schematisches Spiegel-Axikon, wie es beispielsweise in den 3A und 3B gezeigt ist, in einer perspektivischen Ansicht.

Claims (18)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten optischen Einheit (6) eine Kollimationseinheit (3) angeordnet ist, dass nach der Kollimationseinheit (3) mindestens ein Axikon (5; 16, 17; 18, 19; 20) eingefügt ist, um ein Ringstrahlungsfeld rotationssymmetrisch zur optischen Achse (10) zu erzeugen, wobei die erste optische Einheit (6) mindestens ein transmissives oder reflektives optisches Bauteil umfasst, und dass dieser ersten optischen Einheit (6) eine zweite optische Einheit (12) in Form mindestens eines weiteren transmissiven oder reflektiven optischen Bauteils nachgeordnet ist derart, dass die durch die erste optische Einheit (6) erzeugten Teilstrahlungsfelder (8) wieder zusammengefügt werden.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als das mindestens eine Axikon ein konkav-konvexes Axikon (17) mit gleichen Kegelwinkeln eingesetzt ist, so dass die Winkelverteilung des Strahlungsfelds nicht beeinflusst wird.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das konkav-konvexe Axikon (17) aus mindestens einem konkaven Bauteil und mindestens einem konvexen Bauteil gebildet ist.
  4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Axikon hintereinander eingesetzt sind, die jeweils plan-konvex mit gleichem Winkel aufgebaut sind.
  5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Axikon (18, 19) entgegengesetzt zueinander orientiert sind.
  6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Axikon ein plan-konkaves Axikon ist.
  7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Axikon ein konkav-planes Axikon (20) ist.
  8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Einheit (6) durch mindestens zwei planparallele Platten (7) aufgebaut ist.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei planparallelen Platten (7) zueinander jeweils zu einer Ebene, in der die optische Achse (10) liegt, unter gleichen Winkeln verkippt sind derart, dass die Flächennormalen der für die Laserstrahlung optisch wirksamen, parallelen Flächen eine Ebene aufspannen, in der die optische Achse (10) liegt.
  10. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Einheit (12) durch mindestens zwei planparallele Platten (13) aufgebaut ist.
  11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei planparallelen Platten (13) zueinander jeweils zu einer Ebene, in der die optische Achse (10) liegt, unter gleichen Winkeln verkippt sind derart, dass die Flächennormalen der für die Laserstrahlung optisch wirksamen, parallelen Flächen eine Ebene aufspannen, in der die optische Achse (10) liegt.
  12. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Einheit (12) eine Spiegelung der ersten optischen Einheit (6) ist.
  13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Einheit (12) eine Punktspiegelung der ersten optischen Einheit (6) ist.
  14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) mit mindestens einem Spiegel gefaltet ist, wobei dieser Spiegel vor der zweiten optischen Einheit (12) angeordnet ist.
  15. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) mit mindestens zwei Spiegeln (21, 22) zweifach gefaltet ist, wobei der erste Spiegel (21) zwischen der Kollimationseinheit (3) und der ersten optischen Einheit (6) angeordnet ist und der zweite Spiegel (22) vor der zweiten optischen Einheit (12) angeordnet ist.
  16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Auskoppeleinheit zwischen der Kollimationseinheit (3) und der Fokussiereinheit (14) der Bearbeitungsbereich (29) mittels Bildverarbeitungssystem erfasst wird
  17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Bildverarbeitungssystems eine Prozessbeobachtung, -kontrolle und/oder -steuerung erfolgt.
  18. System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten optischen Einheit (12) und der Fokussiereinheit (14) eine Durchgangsöffnung (26, 27) für Prozessmittel ausgebildet ist.
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