DE102009044751A1

DE102009044751A1 - Spiegel-Objektiv für Laserstrahlung

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Publication number: DE102009044751A1
Application number: DE102009044751A
Authority: DE
Inventors: Roman Dr. Niedrig
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Ii Vi Delaware Inc Wilmington Us
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: DE102009044751B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spiegel-Optik für Laserstrahlung, umfassend einen ersten konkaven Spiegel und einen zweiten konvexen Spiegel, wobei die Spiegel eine sphärische Form aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung, bestehend aus einer Kollimator-Optik und einer Fokussier-Optik, wobei die beiden Optiken mit einem kollimierten Strahl aneinander anschließen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Laser-Bearbeitungsoptik umfassend mindestens ein erstes und ein zweites Objektiv, wobei das erste Objektiv spiegelbildlich oder punktsymmetrisch zu dem zweiten Objektiv angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiegel-Optik für Laserstrahlung, umfassend einen ersten konkaven Spiegel und einen zweiten konvexen Spiegel, wobei die Spiegel eine sphärische Form aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung, bestehend aus einer Kollimator-Optik und einer Fokussier-Optik, wobei die beiden Optiken mit einem kollimierten Strahl aneinander anschließen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Laser-Bearbeitungsoptik umfassend mindestens ein erstes und ein zweites Objektiv, wobei das erste Objektiv spiegelbildlich oder punktsymmetrisch zu dem zweiten Objektiv angeordnet ist.
Zur Abbildung von Laserstrahlen hoher Leistung werden im Stand der Technik Systeme bestehend aus mehreren Linsen verwendet. Mit solchen Systemen kann man eine sehr hohe Abbildungsqualität erzielen. Allerdings verändern Linsen unter dem Einfluss der Laserstrahlen ihre Eigenschaften. Sie werden erwärmt, was zu einer Änderung der Brechzahl und dies wiederum zu einer Änderung der Brechkraft der Linse führt. Dadurch verschiebt sich der Fokuspunkt in Abhängigkeit von der Leistung, mehr oder weniger weit zur Optik hin. Dies ist im Stand der Technik als Fokus-Shift beschrieben.
Die Abbildung von Laserstrahlung ist ebenfalls mit Spiegeln möglich. Da die abbildende Wirkung hier durch Reflexion und nicht durch Brechung in einem optischen Material zustande kommt, gibt es auch keinen durch Veränderung der Brechzahl verursachten Fokus-Shift. Jedoch führt auch die Absorption an der reflektierenden Schicht zu einer Erwärmung des Spiegel-Substrates, wodurch es ebenfalls zu thermischen Effekten und damit zu einem Fokus-Shift kommen kann. Das heißt, der Fokus-Shift kann durch die thermische Ausdehnung des Spiegel-Substrates verursacht werden.
Eine Schwierigkeit bei der Verwendung von Spiegeln besteht darin, dass die Spiegel nicht bei senkrechtem Einfall zum Flächenscheitel verwendet werden können, da so immer eine zentrale Abdeckung des Strahls auftritt, die bei Hochleistungslaserstrahlung zu nicht hinnehmbaren Leistungsverlusten führt. Daher werden solche Spiegel-Systeme zwangsläufig unter einem relativ großen Winkel zur Flächen-Normalen betrieben. Hier treten aber sehr starke asymmetrische Abbildungsfehler auf (Astigmatismus und Koma), weshalb für eine qualitativ hochwertige Abbildung nur asphärische Flächen in Betracht kommen. Bekannt ist beispielsweise die Verwendung eines Parabol-Spiegels (genauer ein dezentrierter Ausschnitt eines Paraboloids) zur Fokussierung eines kollimierten Strahls. Die Fokussierung eines divergenten Strahls, z. B. aus einer Lichtleitkabelspitze austretend, ist in ebenso bekannter Weise durch einen Ellipsoid-Spiegel möglich.
Die benötigten asphärischen Flächen können auf hochpräzisen Drehmaschinen mit einem Diamant-Werkzeug direkt hergestellt werden. Allerdings ist dazu ein spanend bearbeitbares Material zu verwenden, also in der Regel metallische Werkstoffe. Daher bestehen solche asphärischen Spiegelsysteme praktisch ausschließlich aus Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Die außer-axiale Symmetrie der Spiegel erzwingt somit die Verwendung asphärischer Flächen, die wiederum in der erforderlichen Präzision und mit vertretbaren Kosten praktisch nur in Metall gefertigt werden können.
Die Verwendung metallischer Spiegel-Substrate hat aber den entscheidenden Nachteil, dass auch bei zusätzlicher Beschichtung ein nicht zu vernachlässigender Anteil der Laserleistung an der Spiegel-Oberfläche absorbiert wird. Typischerweise beläuft sich die Absorption auf circa 0,5% bei sehr guten Beschichtungen. Diese vergleichsweise hohe Absorption hat thermische Effekte und einen Fokus-Shift zur Folge.
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung außer-axial angeordneter asphärischer Flächen betrifft die Abbildungsqualität. Mittels asphärischer Flächen kann ein Strahlenbündel ideal in einen Punkt abgebildet werden. Jedoch ist diese Abbildung auch nur für genau einen Punkt möglich. Je weiter sich der abzubildende Bereich von diesem idealen Punkt entfernt, desto schlechter wird die Abbildungsqualität. Darüber hinaus ist dadurch auch das nutzbare Bildfeld äußerst klein, was nachteilig ist beispielsweise bei der zusätzlichen Verwendung von strahlformenden Elementen im kollimierten Strahl.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche optische Systeme für Laserstrahlung unter Verwendung von abbildenden Spiegeln beschrieben.
Beispielsweise zeigt die DE 10 2004 007 178 B4 einen Laserbearbeitungskopf mit zwei abbildenden Spiegeln, wobei einer der beiden Spiegel ein Kollimatorspiegel und der andere ein Fokussierspiegel ist. Über die Form der Spiegel wird lediglich ausgeführt, dass die Spiegelfläche rotationssymmetrisch ist. Dem Fachmann ist hierbei bekannt, dass die beschriebene Funktion der Spiegel bei hoher Abbildungsqualität nur mit einem Ausschnitt aus einem Rotationsparaboloiden erzielt werden kann. Die Spiegelfläche wird aus Metall gefräst, insbesondere aus Aluminium, und die Oberfläche ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen. Weiterhin werden Maßnahmen zur Kühlung der Spiegel beschrieben.
Die in der DE 10 2006 047 947 B3 angegebene Fokussierspiegeloptik für Laserstrahlung verwendet ebenfalls zwei abbildende Spiegel; hierbei ist der erste Spiegel als Hyperboloid und der zweite als Ellipsoid ausgebildet. In diesem Fall gibt es keinen kollimierten Strahl zwischen den Spiegeln, die Positionierung der Spiegel zueinander ist daher engen Toleranzen unterworfen. Die Spiegel werden durch Bearbeitung mit einem Diamant-Schneidwerkzeug bevorzugt aus Kupfer hergestellt, um die asphärische Form erzielen zu können, und sind mit einer Gold-Beschichtung als Reflexions-Oberfläche versehen.
Bei der in der DE 10 2007 028 504 B4 beschriebenen Vorrichtung zur Werkstück-Bearbeitung mit einem Laserstrahl ist der optische Strahlengang vergleichbar mit der Vorrichtung in der DE 10 2004 007 178 B4 ; es gibt einen Kollimationsspiegel und einen Fokussierspiegel, die in einem Optikgehäuse untergebracht sind. Explizit erwähnt ist hier die Form der Spiegel als off-axis-Paraboloide. Die bei dieser Spiegelform auftretenden Abbildungsfehler sollen kompensiert werden durch die spiegelbildliche Anordnung von Kollimationsspiegel und Fokussierspiegel. Nachteilig hieran ist, dass diese Kompensation nur erreicht werden kann, wenn die Brennweiten von Kollimationsspiegel und Fokussierspiegel gleich sind und zudem die beiden Spiegel zueinander sehr genau justiert sein müssen. Als Vorteil der Metallspiegel wird hervorgehoben, dass diese einen geringeren Temperaturgang besitzen als Linsen. Trotzdem wird auch hier auf die Notwendigkeit der Kühlung der Spiegel hingewiesen. Ein Zahlenwert zur thermischen Drift oder ein quantitativer Vergleich zu Linsen wird nicht angegeben.
Weiterhin sind im Stand der Technik auch Objektive unter Verwendung von Spiegeln mit sphärischen Flächen offenbart. Mit endlichen Schnittweiten auf der Objektseite sind solche Systeme unter dem Begriff Schwarzschild-Objektiv bekannt.
Ein solches Objektiv zeigt die JP 03039700 A . Hier sind bestimmte Bereiche für geometrische Parameter spezifiziert, nämlich für die Abstände des Objektpunktes zu den Spiegelkrümmungsmittelpunkten, um eine hohe Abbildungsleistung zu erzielen. Nachteilig ist, dass ein zentraler Bereich der abzubildenden Strahlung abgeschattet ist; man spricht hier meist von Pupillen-Obskuration.
In der US 5 144 497 findet sich eine ausführliche Diskussion bekannter Typen von Schwarzschild-Optiken. Eine Verbesserung soll hierbei erzielt werden durch eine Multilager-Beschichtung auf den Spiegeln. Auch hier ist nachteilig, dass der zentrale Bereich der abgebildeten Strahlung durch den kleineren konvexen Spiegel verdeckt wird.
Die DE 11 2006 000 684 T5 beschreibt eine optische Projektionsvorrichtung, die der bekannten Schwarzschild-Anordnung entspricht, mit verbesserter Abbildungsqualität. Die Verbesserung wird erzielt durch Verwendung von asphärischen Reflexionsoberflächen.
Schließlich zeigt die DE 10 2006 059 436 A1 ein optisches System bestehend aus zwei Objektiven, die jeweils als Spiegel-Optik ausgeführt sind. Die Objektive entsprechen jeweils der typischen Schwarzschild-Anordnung und weisen eine Pupillen-Obskuration auf.
Alle beschriebenen Systeme sind als axiale Optiken ausgebildet mit dem bekannten Nachteil der Pupillen-Obskuration, d. h. ein zentraler Bereich der abzubildenden Strahlung ist durch einen der beiden Spiegel verdeckt. Dies ist i. d. R. bei der Abbildung beleuchteter Objekte wie beispielsweise in der Mikroskopie unproblematisch, jedoch führt es bei der Anwendung mit Hochleistungslaserstrahlung zu sehr hohen Verlusten.
Die beschriebenen nicht-axialen (off-axis) Systeme verwenden ausnahmslos asphärische Spiegel, wie z. B. einen außeraxialen Ausschnitt eines Rotations-Paraboloids, was in der Herstellung sehr aufwändig ist. Eine wirtschaftliche Fertigung solcher asphärischer Flächen ist beispielsweise durch eine Verwendung von Metallen als Spiegel-Substrat möglich, die mit speziellen Drehmaschinen mit Diamant-Schneidwerkzeug in optischer Oberflächenqualität bearbeitet werden. Solche Spiegel haben auch mit zusätzlicher Beschichtung immer eine nicht zu vernachlässigende Rest-Absorption, wodurch bei Einsatz mit Lasern hoher Leistung ein thermischer Shift entsteht. Nachteilig ist weiterhin die notwendige exakte Ausrichtung der Spiegel zueinander und zum abzubildenden Objektpunkt, wobei bereits kleine Abweichungen vom idealen Objektpunkt zu hohen Abbildungsfehlern führen, was bei endlichen Objektgrößen bzw. Strahlungsfeldern praktisch unumgänglich ist. Außerdem ist die Fertigung der Spiegel sehr zeit- und kostenaufwendig.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aus sphärischen Spiegeln bestehende Optik für Laserstrahlung bereitzustellen, die nicht die Nachteile und Mängel des Stands der Technik aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, eine Spiegel-Optik für Laserstrahlung bereitzustellen, umfassend einen ersten konkaven Spiegel und einen zweiten konvexen Spiegel, wobei die Spiegel eine sphärische Form aufweisen, und der erste Spiegel und der zweite Spiegel jeweils unter einem Winkel α₁ und α₂ zum Strahl angeordnet sind, und für den halben maximalen Öffnungswinkel des divergenten Strahls β folgende Bedingung gilt: β < (2s2α1)/(s1 – s2(1 – 2α1 2) + f/(1 – 0,5α2 2)),wobei

f:: Brennweite des Objektivs
β:: halber maximaler Öffnungswinkel des divergenten Strahls (in rad)
NA:: numerische Apertur mit NA = sin(β)
R₁:: Krümmungsradius des ersten, konkaven Spiegels (Betragswert)
R₂:: Krümmungsradius des zweiten, konvexen Spiegels (Betragswert)
s₁:: Abstand Fokuspunkt (bzw. Brennfläche) zum ersten Spiegel (Schnittweite)
s₂:: Abstand zwischen den Spiegeln
α₀:: Verkippung der Brennfläche
α₁:: Strahleinfallswinkel Spiegel 1 (in rad)
α₂:: Strahleinfallswinkel Spiegel 2 (in rad),

Von einem Schwarzschild-Objektiv ist bekannt, dass durch Verwendung zweier sphärischer Spiegel eine sehr hohe Abbildungsqualität erzielt werden kann. Bei der bekannten Grundform des Schwarzschild-Objektivs wird jedoch der mittlere Teil des Strahls verdeckt. Durch die erfindungsgemäße Spiegel-Optik für Laserstrahlung können zum Einen sphärische Spiegel verwendet werden und zum Anderen entsteht im Gegensatz zu den bekannten Schwarzschild-Objektiven durch die Verkippung der Spiegel keine zentrale Abschattung, wodurch Verluste in der Strahl-Leistung vermieden werden. Der Verzicht auf asphärische Spiegeln ist besonders vorteilhaft für Optiken, die in der Laserbearbeitung Anwendung finden, da somit keine metallischen Spiegelsubstrate verwendet werden müssen, und es wird eine kostengünstigere Herstellung des Systems ermöglicht. Außerdem kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fokus-Shift bei Spiegeln erheblich verringert werden und es ist kein komplexes Linsensystem nötig, um die Abbildungsfehler zu korrigieren.
Im Sinne der Erfindung umfassen sphärische Spiegel mindestens eine sphärisch geformte Wirk-Oberfläche. Das heißt, die sphärischen Oberflächen sind bevorzugt Oberflächenausschnitte einer Kugel. Vorteilhafterweise können die Spiegel eine konvexe oder konkave Form aufweisen. Eine konvexe Form beschreibt eine nach außen gewölbte Fläche, hingegen beschreibt eine konkave Fläche eine nach innen gewölbte Fläche.
Ein divergenter Strahl ist im Sinne der Erfindung ein Strahlenbündel, das von einem Zentrum weg verläuft, wobei die Divergenz auch als Maßzahl für den Öffnungswinkel eines Strahlengangs bezeichnet werden kann. Jedoch kann es ebenfalls bevorzugt sein, dass ein konvergenter Strahl oder Strahlenbündel auf die Spiegel trifft.
Es ist bevorzugt, dass die sphärischen Flächen der Spiegel aus einem transparenten optischen Material hergestellt und bevorzugt mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen sind. Durch die Verwendung sphärischer Flächen besteht nicht die Notwendigkeit, Metalle als Spiegelsubstrat zu verwenden. Stattdessen können transparente Materialien verwendet werden, wodurch eine sehr kostengünstige Herstellung möglich ist. Optische Materialien sind bevorzugt Materialien, die eine Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen eingehen, in dem sie mindestens deren Ausbreitungsgeschwindigkeit verändern. Bevorzugt sind die Spiegel aus Glas, Glaskeramik, Quarzglas, kristallinem Quarz, Saphir und/oder Zinksulfid hergestellt. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Spiegel aus Kristallen, umfassend oxidische Kristalle, ionische Kristalle, Kristalle mit ausgeprägten Dipolmomenten, Laserkristalle, Molekülkristalle und/oder Nanokristalle herzustellen. Zur Erzielung spezieller Eigenschaften kann es auch vorteilhaft sein, die Spiegel aus Metallen, umfassend Kupfer oder Aluminium, herzustellen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Spiegel sogenannte adaptive Spiegel sein, deren Krümmungsradius in einem gewissen Bereich einstellbar ist, beispielsweise durch Aktoren, die mit der optischen Wirkfläche des Spiegels gekoppelt sind, oder durch Veränderung des Drucks in einer Kammer, die eine flexible Wand aufweist und mit der optischen Wirkfläche des Spiegels gekoppelt ist. Weiterhin kann es bevorzugt sein, die Spiegel mit einer dünnen optischen Schicht zu beschichten, umfassend metallische Schichten, dielektrische Schichten, Vielschichtsysteme oder Schichten aus Halbleitern.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, Gläser umfassend glashaltige Metallkolloide, glasartiges Silizium, Silizium dotiert mit Germanium, Glasskeramiken dotiert mit Halbleitern, Gläser dotiert mit seltenen Erdelementen und/oder Gläser mit hohem Brechungsindex zu verwenden.

Bei der Verwendung besonders bevorzugter Substrat-Materialien wie beispielsweise Quarzglas, Zinksulfid, Saphir und/oder einer Glaskeramik wie beispielsweise Zerodur ist der resultierende Fokus-Shift so gering, dass er bei einer Leistung bis zu 10 kW nur einen Bruchteil der Rayleigh-Länge des abgebildeten Laserstrahls ausmacht und daher praktisch kaum messbar ist. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber der im Stand der Technik beschriebenen Optiken für Laserstrahlung dar. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt beispielhafte Materialeigenschaften von bevorzugten Materialien für Spiegel und deren resultierenden Fokus-Shift im Vergleich zu den Eigenschaften von aus dem Stand der Technik bekannten Spiegeln aus metallischen Substraten. Das internationale Elementsymbol Cu steht für Kupfer, Al für Aluminium und die Summenformel ZnS für Zinksulfid.

Substrat-Material	Cu	Al	Quarz	ZnS
Wärmeleitungskoeffizient, W/(m·K)	400	237	1,4	27,2
Wärmeausdehnungskoeffizient, 10^–6 1/K	16,5	23,1	0,51	6,5
Absorption (mit zus. Reflexionsschicht), %	0,5	0,5	0,005	0,01
Fokus-Shift (für P = 10 kW, NA = 0,07), mm	0,27	0,63	0,02	0,03
Rayleigh-Länge (für Grundmode 1,06 μm), mm	0,07	0,07	0,07	0,07
Fokus-Shift pro Rayleigh-Länge (P = 10 kW)	3,8	8,9	0,3	0,4

Vorteilhafterweise weisen insbesondere Quarz und Zerodur einen geringen Wärmeausdehnungs-Koeffizient auf, wodurch es zu geringen thermischen Effekten der Spiegel kommt. Dahingegen ist der Vorteil von Saphir und Zinksulfid eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die beiden letztgenannten Materialien sind daher besonders bevorzugt für die Verwendung in Bearbeitungsoptiken, da bei diesen Materialien eine Kontamination der Spiegel durch Staub oder Schweißrauch zu einer wesentlich geringeren lokalen Temperaturerhöhung führt.
Die optischen Materialien können vorteilhafterweise mit einer reflektierenden, bevorzugt einer hochreflektierenden Beschichtung beschichtet werden. Insbesondere dielektrische Vielschichtsysteme ermöglichen eine fast vollständige Reflexion der Strahlung, wobei die Absorption durch die Schichtsysteme gleichzeitig sehr gering ist. Hierdurch kommt es zu keiner oder nur zu einer geringen Erwärmung der Materialien und der Fokus-Shift wird wesentlich verringert. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die von der Reflektorschicht nicht reflektierte Strahlung nicht absorbiert wird, wie bei metallischen Substraten, sondern nahezu absorptionsfrei durch den Spiegel hindurchtritt und beispielsweise von einem gekühlten Gehäuse oder sonstigen Vorrichtung aufgenommen wird. Durch die somit drastisch verringerte Absorption des Spiegels werden auch die thermischen Effekte wie der Fokus-Shift reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die hochreflektierende Schicht eine dielektrische Multilager-Beschichtung. Eine dielektrische Schicht ist bevorzugt eine elektrisch schwach- oder nichtleitende, nichtmetallische Substanz, deren Ladungsträger im Allgemeinen nicht frei beweglich sind. Ein Dielektrikum kann beispielsweise ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff, insbesondere Glas oder Kunststoff sein. Die Multilager-Beschichtung besteht vorzugsweise aus mehreren Schichten. Durch die bevorzugte Multilager-Beschichtung, kann eine Erwärmung der Spiegel wesentlich verringert und ein Fokus-Shift nahezu ausgeschlossen werden. Außerdem kann durch die Beschichtung nahezu eine vollständige Reflexion der Laserstrahlung erreicht werden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Größenordnung des Fokus-Shift für einen rückwärtig gekühlten Spiegel mit folgender Gleichung abgeschätzt wird: Shift/Leistung = 2·α·a/(π·λ·NA2)wobei

a:: Absorption
λ:: Wärmeleitungskoeffizient
α:: Wärmeausdehnungskoeffizient bezeichnen. Außerdem ist es bevorzugt, dass das Objektiv durch die folgenden optischen und geometrischen Parameter beschrieben wird:
f:: Brennweite des Objektivs
β:: halber maximaler Öffnungswinkel des div. Strahls (in rad)
NA:: numerische Apertur mit NA = sin(β)
R₁:: Krümmungsradius des ersten, konkaven Spiegels (Betragswert)
R₂:: Krümmungsradius des zweiten, konvexen Spiegels (Betragswert)
s₁:: Abstand Fokuspunkt (bzw. Brennfläche) zum ersten Spiegel (Schnittweite)
s₂:: Abstand zwischen den Spiegeln
α₀:: Verkippung der Brennfläche
α₁:: Strahleinfallswinkel Spiegel 1 (in rad)
α₂:: Strahleinfallswinkel Spiegel 2 (in rad)

Diese Parameter sind nicht voneinander unabhängig und können nicht frei gewählt werden. Die Brennweite f ist bevorzugt ein gewünschter Ziel-Parameter, wobei ebenfalls Beschränkungen der Baulänge (dargestellt durch die Schnittweite s₁) vorteilhaft sind. Weiterhin können die Krümmungsradien der Spiegel, zumindest in paraxialer Näherung, durch die folgenden Gleichungen festgelegt werden: R1 = (2s1s2)/(s1 + s2 – f) R2 = (2s2f)/(s1 – f)
Demnach kann es vorteilhaft sein, nur noch die Winkel α₁ und α₂ frei zu wählen. Um eine optimale Bestrahlung der Spiegel zu erreichen, ist es bevorzugt, dass das Verhältnis vom Einfallswinkel des divergenten Strahls auf den konkaven ersten Spiegel α₁ zum halben maximalen Öffnungswinkel des divergenten Strahls β in folgendem Bereich liegt:
0,8 ≤ (α₁/β) ≤ 4,0
und das Verhältnis vom Einfallswinkel des Strahls auf den konvexen zweiten Spiegel α₂ zum Einfallswinkel auf den konkaven ersten Spiegel α₁ in folgendem Bereich liegt:
1,7 ≤ (α₂/α₁) ≤ 3,0
und das Verhältnis von Krümmungsradius des konvexen zweiten Spiegels R₂ zur Gesamtbrennweite des Objektivs f in folgendem Bereich liegt:
1,0 ≤ (R₂/f) ≤ 1,5.
Durch die bevorzugten Spiegelabstände und Krümmungsradien, die die räumliche Anordnung der beiden Spiegel definieren und teilweise von Paraxial-Werten abweichen, wird eine optimale Kompensation der Abbildungsfehler der einzelnen Spiegel erreicht. Außerdem findet keine Abschattung des Strahlengangs durch beispielsweise den Konvex-Spiegel statt. Weiterhin kann durch diese Wahl der Parameter eine kompakte Bauform realisiert werden. Dies macht die Spiegel-Optik universell einsetzbar, wobei eine Wartung und Montage der Optik durch die kompakte Bauform begünstigt sind.
Um eine bevorzugte Bauform der Spiegel Optik zu erreichen, die eine bei gegebener Brennweite möglichst kurze Bauform mit einem maximalem Arbeitsabstand aufweist, kann es bevorzugt sein, dass optische und geometrische Parameter in folgenden Wertebereichen liegen:
1,5 ≤ (α₁/β) ≤ 2,5
1,8 ≤ (α₂/α₁) ≤ 2,2
2,0 ≤ (s₁/f) ≤ 3,0
0,7 ≤ (s₂/f) ≤ 1,0
1,6 ≤ (R₁/f) ≤ 2,2
1,0 ≤ (R₂/f) ≤ 1,3
2,7 ≤ (s₁/s₂) ≤ 3,5
1,5 ≤ (R₁/R₂) ≤ 2,0.
Die Abbildungsqualität erreicht damit ein sehr hohes Niveau, nahezu das eines Linsen-Dubletts, und das Objektiv ist wesentlich toleranter in Bezug auf die Strahl-Justage als ein Paraboloid.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Spiegel kann weiterhin dazu genutzt werden, ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung bereitzustellen, wobei die erfindungsgemäße Spiegel-Anordnung in einer Kollimator-Optik und einer Fokussier-Optik realisiert ist. Dabei werden die beiden Optiken mit den Seiten aneinandergesetzt, auf der jeweils der kollimierte Strahl die Optik verlässt bzw. in die Optik hineinführt. Hierdurch ist ein optisches System verwirklicht, bei dem trotz einer hohen Energie und/oder Leistung der Laserstrahlung bevorzugt keine oder nur sehr geringe thermischen Effekte, wie beispielsweise der Fokus-Shift, entstehen. Somit kann eine hohe Abbildungsqualität sichergestellt werden, die zum Einen die Qualität der mit der Laserstrahlung bearbeiteten Produkte wesentlich verbessert und zum Anderen die Einsatzmöglichkeiten für Laserstrahlung erweitert. Um weiterhin die Flexibilität und Einsatzmöglichkeiten des optischen Systems zu erhöhen, kann es bevorzugt sein, dass zwischen Kollimator-Optik und Fokussier-Optik der kollimierte Strahl mittels einem Planspiegel umgelenkt wird. Bei dem Planspiegel entspricht dessen reflektierende Fläche näherungsweise einer exakten mathematischen Ebene. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, einen Konvexspiegel oder Hohlspiegel in das optische System zu integrieren und zur Umlenkung zu verwenden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, zur Umlenkung einen sogenannten adaptiven Spiegel zu verwenden, dessen Krümmungsradius in einem gewissen Bereich einstellbar ist, wobei der einstellbare Bereich für den Krümmungsradius auch den Krümmungsradius unendlich, entsprechend einer Planfläche, umfassen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Anordnung der Spiegel dahingehend optimiert werden, um eine gegebenenfalls entstehende Verkippung der Brennfläche zu kompensieren, die durch die nicht-rotationssymmetrische Anordnung der Spiegel generiert werden könnte. Hierbei steht die Brennfläche nicht senkrecht zur Achse des fokussierten Strahls, sondern etwa senkrecht zum kollimierten Strahl. Die Verkippung der Brennfläche kann jedoch kompensiert werden, wenn zwei derartige Objektive zu einem abbildenden System zusammengefügt werden. Dazu muss das zweite Objektiv spiegelbildlich zum ersten angeordnet werden. Alternativ dazu kann das zweite Objektiv auch punktsymmetrisch zum ersten angeordnet werden, wenn der Strahl im kollimierten Bereich durch einen zusätzlichen ebenen Spiegel umgelenkt wird.
Somit kann eine Laser-Bearbeitungsoptik umfassend mindestens ein erstes und ein zweites Objektiv bereitgestellt werden, wobei das erste Objektiv spiegelbildlich oder punktsymmetrisch zu dem zweiten Objektiv angeordnet ist und die Objektive sphärische Spiegel umfassen. Durch das Zusammensetzen des abbildenden optischen Systems aus zwei Objektiven sind auch weitere, für Laser-Bearbeitungsoptiken übliche Ausgestaltungen realisierbar. Vorteilhafterweise können durch die Verwendung zweier Objektive mit verschiedenen Brennweiten auch unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe erzielt werden.
Außerdem kann es bevorzugt sein, in den kollimierten Strahl zwischen den beiden Objektiven weitere Module einzufügen. Hierdurch kann beispielsweise die Strahlformung beeinflusst werden oder eine Ablenkung des Strahls erreicht werden. Die Ablenkung des Strahls ist jedoch nur innerhalb kleiner Winkel sinnvoll. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, in den kollimierten Strahl optische Systeme bestehend aus einem oder mehreren optischen Elementen, wie beispielsweise Linsen, zu integrieren. Ein solches System kann beispielsweise ein Teleskop umfassen, wodurch der Durchmesser des kollimierten Strahls angepasst werden kann oder der Abbildungsmaßstab des Gesamt-Systems verändert werden kann. Außerdem kann es bevorzugt sein, optische Elemente in den kollimierten Strahl einzufügen, die den Strahl in mehrere Teilstrahlen aufteilen, um so beispielsweise mehrere Foki oder Laserbearbeitungspunkte gleichzeitig zu erzeugen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in der Bearbeitungsoptik eine Kamera integriert. Für die Integration der Kamera ist es nicht nötig, einen zusätzlicher Auskoppelspiegel einzubauen, da hierzu auch die bereits vorhandenen Spiegel verwendet werden können, wobei beispielsweise Strahlung in anderen spektralen Bereichen als der Laserstrahlung teilweise durch die Spiegel transmittieren kann und zur Abbildung auf eine Kamera verwendet werden kann. Hierdurch kann eine einfache und effiziente Beobachtung der Bearbeitungsvorgänge erfolgen, ohne dass die Kamera weitere komplexe Vorrichtungen benötigt. Die Kamera oder ein Kamera-Gehäuse kann einfach und reversibel mit der Bearbeitungsoptik verbunden werden. Die Verbindung kann beispielsweise über Steck-, Schnapp- und/oder Schraubverbindungen hergestellt werden. Die Übertragung der Aufzeichnung der Kamera erfolgt bevorzugt simultan auf einen Monitor, der von einem Facharbeiter einsehbar ist. Außerdem kann durch die Kamera eine schnelle Fehlerdiagnose bei auftretenden Fehlern erfolgen.
Um eine hohe Abbildungsqualität des Objektivs sicherzustellen, kann es bevorzugt sein, mindestens einen der Spiegel mit einer Fein-Justage-Vorrichtung zu versehen. Dabei kann es bevorzugt sein, entweder eine Möglichkeit zur Verkippung oder eine Möglichkeit zur Zentrierung zu integrieren. Durch die Fein-Justage-Vorrichtung, die vorteilhafterweise Verkippungen und/oder Zentrierungen der Spiegel korrigiert, können wesentliche oder marginale Fehler schnell und einfach korrigiert werden. Es ist damit möglich, die optischen Elemente (Spiegel) und die mechanischen Halterungen der optischen Elemente mit weniger engen Toleranzen herzustellen, wodurch das Gesamtsystem mit geringeren Kosten herstellbar ist. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, manuell oder mittels Aktoren die Verstellung oder Nachstellung der Justage-Vorrichtung online, d. h. im laufenden Laser-Bearbeitungsprozess zu ermöglichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, weist die Bearbeitungsoptik eine Kühlvorrichtung auf, die bevorzugt in das Gehäuse integriert ist. Die Kühlung bewirkt, dass thermische Effekte wie der Fokus-Shift reduziert werden. Laserstrahlung, die gegebenenfalls durch die Spiegeloberfläche hindurchtritt und das Material der Spiegel erwärmt, kann durch eine Kühlvorrichtung absorbiert werden. Die Kühlung kann beispielsweise mittels einer aktiven oder passiven Kühlung erfolgen. Eine aktive Kühlung kann beispielsweise durch ein Kühlfluid erreicht werden, welches mittels einer Pumpeinrichtung durch die Bearbeitungsoptik umgewälzt wird. Hierbei kann ein Temperatursensor die Temperatur der Optik, beispielsweise der Spiegel bestimmen und eine Kontrolleinheit basierend auf der gemessenen Temperatur den Durchfluss des Kühlfluids regulieren. Bevorzugt ist, dass bei geeigneter Dimensionierung der Kühlvorrichtung, eine nahezu konstante Temperatur der Bearbeitungsoptik gehalten werden kann. Es können auch thermisch leitfähige Beschichtungen vorteilhaft sein, die auf das Gehäuse der Bearbeitungsoptik aufgebracht sind und die entstehende Wärme ableiten und an die Umgebungsluft abgeben.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben; die Erfindung soll im Folgenden anhand von Figuren näher beschrieben werden, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein; es zeigt:
1 Diagramm der Abbildungsqualität eine Paraboloids im Vergleich zu einem Linsen-Dublett
2 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Spiegel-Anordnung
3 Schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Optik mit einer Kollimator- und Fokussier-Optik
4 Schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Optik mit einem Umlenkspiegel
5 Diagramm der Abbildungsqualität des erfindungsgemäßen Spiegel-Objektivs im Vergleich zum Paraboloid und zu einem Linsen-Dublett
6 Schematische Darstellung einer aus zwei Spiegel-Optiken zusammengesetzte Laser-Bearbeitungsoptik
1 zeigt ein Diagramm der Abbildungsqualität eines Paraboloids im Vergleich zu einem Linsen-Dublett. Es ist eine berechnete Fleckgröße eines Grundmode-Laserstrahls für einen Paraboloid-Spiegel dargestellt. Der Vergleich zur in dem Diagramm ebenfalls dargestellten Fleckgröße für ein System aus zwei Linsen zeigt, dass beim Parabol-Spiegel der Laserstrahl zum Spiegel äußerst genau justiert werden muss, um zu einer qualitativ hochwertigen Abbildung zu gelangen. Die in der Abbildung angegebene k-Zahl oder Blendenzahl beschreibt das umgekehrte Öffnungsverhältnis des Systems und ist mit k = 4 für beide Systeme gleich gewählt. Bei der in dem Diagramm dargestellten Abbildungsqualität eines Paraboloid ist zu erkennen, dass eine um lediglich 0,5 mrad (= 0,03°) fehlerhafte Lage des Strahls den Fokus-Durchmesser eines Grundmode-Strahls schon um den Faktor 2 erhöht. Die Winkeltoleranz beträgt lediglich etwa 0,1 mrad (= 0,006°), damit die Strahlqualität erhalten bleibt. In der Praxis ist dies nur mit einem sehr hohen Aufwand möglich.
2 stellt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Spiegel-Anordnung dar. Es wird ein optisches System bestehend aus mindestens zwei Spiegeln 31, 32 gezeigt, wobei der erste Spiegel ein Konkav-Spiegel 31 und der zweite ein Konvex-Spiegel 32 ist. Vorteilhafterweise sind die Spiegel 31, 32 sphärisch gekrümmt und werden unter einem relativ hohen Einfallswinkel verwendet. Die Krümmungen der Spiegel 31, 32 und der Abstand der Spiegel 31, 32 zueinander sowie die Einfallswinkel stehen in bestimmten Verhältnissen. Ein divergenter Laserstrahl 10 wird durch Optik, das heißt durch die spezifische Anordnung der Spiegel 31, 32, deren Form und Beschichtung kollimiert und als kollimierter Laserstrahl 11 ausgegeben. Es kommt vorteilhafterweise zu keiner Abdeckung des Laserstrahls durch die Spiegel 31, 32 und es entsteht kein oder nur ein äußerst geringer Fokus-Shift.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Optik mit einer Kollimator- und Fokussier-Optik. Hierbei besteht die Optik aus mindestens vier Spiegeln, wobei die Spiegel 31 und 32 bevorzugt in einer Kollimator-Optik und die Spiegel 41, 42 bevorzugt in einer Fokussier-Optik angeordnet sind. Ein divergenter Laserstrahl 10 trifft auf einen ersten konkaven Spiegel 31 und einen zweiten konvexen Spiegel 32 und wird kollimiert. Der kollimierte Laserstrahl kann anschließend auf einen konvexen Spiegel 42 und einen konkaven Spiegel 41 geleitet werden, die einen fokussierten Laserstrahl 12 generieren.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Optik mit einem Umlenkspiegel. Hierbei umfasst die Optik ebenfalls mindestens vier Spiegel, wobei die Spiegel 31 und 32 bevorzugt in einer Kollimator-Optik und die Spiegel 41, 42 bevorzugt in einer Fokussier-Optik angeordnet sind. Ein divergenter Laserstrahl 10 trifft auf einen ersten konkaven Spiegel 31 und einen zweiten konvexen Spiegel 32 und wird kollimiert. Der kollimierte Laserstrahl wird anschließend von einem Umlenkspiegel 51, beispielsweise einem Planspiegel, auf einen weiteren konvexen Spiegel 42 umgelenkt. Der konvexe Spiegel 42 lenkt den Laserstrahl wiederum auf einen konkaven Spiegel 41, wodurch ein fokussierter Laserstrahl 12 entsteht.
5 zeigt ein Diagramm der Abbildungsqualität des erfindungsgemäßen Spiegel-Objektivs im Vergleich zum Paraboloid und zu einem Linsen-Dublett. Die Abbildungsqualität des erfindungsgemäßen Spiegel-Objektivs erreicht durch die Anordnung der Spiegel und deren sphärische Form einen sehr guten Wert, der nahezu dem eines Linsen-Dubletts entspricht. Außerdem ist das erfindungsgemäße Objektiv wesentlich toleranter in Bezug auf die Strahl-Justage als das Paraboloid (ca. Faktor 20).
6 zeigt eine schematische Darstellung einer aus zwei erfindungsgemäßen Spiegel-Optiken zusammengesetzte Laser-Bearbeitungsoptik. Eine Lichtleitfaser 20 ist über einen Lichtleitkabel-(LLK)-Stecker 21 mit der Bearbeitungsoptik verbunden. Vorteilhafterweise kann der LLK-Stecker 21 mit einer in das Gehäuse der Bearbeitungsoptik integrierten LLK-Stecker-Aufnahme 22 verbunden sein, die eine einfache und sichere Verbindung herstellt. Der aus einer Lichtleitfaser 20 austretende divergente Laserstrahl 10 wird von der ersten Spiegel-Optik (Kollimations-Optik) kollimiert. Die Kollimations-Optik umfasst bevorzugt einen Konkav-Spiegel 31 und einen Konvex-Spiegel 32. Beide sind vorteilhafterweise in einem Kollimater-Optik-Gehäuse 30 angeordnet. Der kollimierte Strahl 11 kann dann von einem Umlenkspiegel 51, beispielsweise ein Planspiegel umgelenkt werden. Der Umlenkspiegel 51 kann vorteilhafterweise in einem Umlenkspiegel-Gehäuse 50 angeordnet sein. Der kollimierte Strahl 11 kann dann von der zweiten Spiegel-Optik (als Fokussier-Optik) als fokussierter Laserstrahl 12 auf die Bearbeitungsstelle fokussiert werden, wobei der fokussierte Laserstrahl 12 bevorzugt durch ein Schutzglas 70 hindurchtritt, welches die Optik vor Staub und Verschmutzungen schützt. Somit entsteht ein Laserstrahl-Fokus an der Bearbeitungsstelle 13. Die zweite Optik (Fokussier-Optik) umfasst bevorzugt einen Konkav-Spiegel 41 und einen Konvex-Spiegel 42, die vorteilhafterweise in einem Fokussier-Optik-Gehäuse 40 angeordnet sind. Hinter dem Planspiegel 51 kann ein Kamerasystem zur Beobachtung der Bearbeitungsstelle in einem Kamera-Optik-Gehäuse 60 untergebracht sein, welches ein Fokussier-Objektiv 61 für die Kamera und eine Kamera 62 umfasst.

10: divergenter Laserstrahl
11: kollimierter Laserstrahl
12: fokussierter Laserstrahl
13: Laserstrahl-Fokus an der Bearbeitungsstelle
20: Lichtleitfaser
21: Lichtleitkabel-(LLK-)Stecker
22: LLK-Stecker-Aufnahme
30: Kollimator-Optik-Gehäuse
31: Spiegel 1 (Konkav-Spiegel) der Optik (Kollimator-Optik)
32: Spiegel 2 (Konvex-Spiegel) der Optik (Kollimator-Optik)
40: Fokussier-Optik-Gehäuse
41: Spiegel 1 (Konkav-Spiegel) der Optik (Fokussier-Optik)
42: Spiegel 2 (Konvex-Spiegel) der Optik (Fokussier-Optik)
50: Umlenkspiegel-Gehäuse
51: Umlenkspiegel (Planspiegel)
60: Kamera-Optik-Gehäuse
61: Fokussier-Objektiv für Kamera
62: Kamera
70: Schutzglas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004007178 B4 [0009, 0011]
- DE 102006047947 B3 [0010]
- DE 102007028504 B4 [0011]
- JP 03039700 A [0013]
- US 5144497 [0014]
- DE 112006000684 T5 [0015]
- DE 102006059436 A1 [0016]

Claims

Spiegel-Optik für Laserstrahlung, umfassend einen ersten konkaven Spiegel und einen zweiten konvexen Spiegel, wobei die Spiegel eine sphärische Form aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Spiegel und der zweite Spiegel jeweils unter einem Winkel α₁ und α₂ zum Strahl angeordnet sind, wobei für den halben maximalen Öffnungswinkel des divergenten Strahls β folgende Bedingung gilt: β < (2s2α1)/(s1 – s2(1 – 2α1 2) + f/(1 – 0,5α2 2)),wobei f: Brennweite des Objektivs β: halber maximaler Öffnungswinkel des div. Strahls (in rad) NA: numerische Apertur mit NA = sin(β) R₁: Krümmungsradius des ersten, konkaven Spiegels (Betragswert) R₂: Krümmungsradius des zweiten, konvexen Spiegels (Betragswert) s₁: Abstand Fokuspunkt (bzw. Brennfläche) zum ersten Spiegel (Schnittweite) s₂: Abstand zwischen den Spiegeln α₁: Strahleinfallswinkel Spiegel 1 (in rad) α₂: Strahleinfallswinkel Spiegel 2 (in rad), bezeichnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Verhältnis vom Einfallswinkel des divergenten Strahls auf den konkaven ersten Spiegel α₁ zum halben maximalen Öffnungswinkel des divergenten Strahls β in folgendem Bereich liegt: 0,8 ≤ (α₁/β) ≤ 4,0 b. das Verhältnis vom Einfallswinkel des Strahls auf den konvexen zweiten Spiegel α₂ zum Einfallswinkel auf den konkaven ersten Spiegel α₁ in folgendem Bereich liegt: 1,7 ≤ (α₂/α₁) ≤ 3,0 c. und das Verhältnis von Krümmungsradius des konvexen zweiten Spiegels R₂ zur Gesamtbrennweite des Objektivs f in folgendem Bereich liegt: 1,0 ≤ (R₂/f) ≤ 1,5
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel aus einem transparenten optischen Material hergestellt sind und mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel aus Glas, Glaskeramik, Quarzglas, Saphir und/oder Zinksulfid hergestellt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hochreflektierende Beschichtung eine dielektrische Multilager-Beschichtung ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische und geometrische Parameter in folgenden Wertebereichen liegen: 1,5 ≤ (α₁/β) ≤ 2,5 1,8 ≤ (α₂/α₁) ≤ 2,2 2,0 ≤ (s₁/f) ≤ 3,0 0,7 ≤ (s₂/f) ≤ 1,0 1,6 ≤ (R₁/f) ≤ 2,2 1,0 ≤ (R₂/f) ≤ 1,3 2,7 ≤ (s₁/s₂) ≤ 3,5 1,5 ≤ (R₁/R₂) ≤ 2,0
Optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung, bestehend aus einer Kollimator-Optik und einer Fokussier-Optik, dadurch gekennzeichnet, dass Kollimator-Optik und Fokussier-Optik jeweils einer Spiegel-Optik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 entsprechen und die beiden Optiken jeweils mit der Seite des kollimierten Strahls aneinander angesetzt sind.
Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kollimator-Optik und Fokussier-Optik der kollimierte Strahl mittels einem Planspiegel umgelenkt wird.
Laser-Bearbeitungsoptik umfassend mindestens ein erstes und ein zweites Objektiv, wobei das erste Objektiv spiegelbildlich oder punktsymmetrisch zu dem zweiten Objektiv angeordnet ist und die Objektive sphärische Spiegel umfassen.
Bearbeitungsoptik nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektive verschiedene Brennweiten aufweisen.
Bearbeitungsoptik nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Module zwischen die Objektive eingefügt werden.
Bearbeitungsoptik nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kamera integriert ist.
Bearbeitungsoptik nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spiegel eine Fein-Justage Vorrichtung aufweist.
Bearbeitungsoptik nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung in das Gehäuse integriert ist.