DE102009047105B4

DE102009047105B4 - Abbildungsvorrichtung mit reflektiver Fokussieroptik, Laserbearbeitungseinheit und reflektives Fokussierspiegelelement

Info

Publication number: DE102009047105B4
Application number: DE200910047105
Authority: DE
Inventors: Christoph Tillkorn; Dr.-Ing. Huonker Martin; Gerhard Broghammer
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: WO2011063801A1; DE102009047105A1

Abstract

Abbildungsvorrichtung (7), aufweisend: eine Lichtleitfaser (3) mit einer Faseraustrittsfläche (4), aus der ein Laserstrahl (2) divergent austritt, und eine reflektive Fokussieroptik, die den divergenten Laserstrahl (2) in einen Fokuspunkt (6) abbildet, wobei die reflektive Fokussieroptik durch ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement (8) gebildet ist, dessen Spiegeloberfläche (9) für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche (4) auf den Fokuspunkt (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloberfläche (9) durch eine auf ein Spiegelsubstrat (10) aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material aufgebrachte Spiegelbeschichtung (11) gebildet ist und dass die Spiegelbeschichtung (11) und das Spiegelsubstrat (10) zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge unterschiedlichen und zur Beobachtung geeigneten Spektralbereich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung (z. B. eines Laserbearbeitungskopfes) gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine derartige Abbildungsvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2004 007 178 A1 bekannt.
Bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks, z. B. beim Laserschweißen, -schneiden oder -abtragen, wird der eingesetzte Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf die Bearbeitungsstelle gerichtet. Gerade im Bereich von Festkörperlasern werden hierzu transmittive Optiken verwendet. Bei höheren Laserleistungen (> 6 kW), insbesondere in Kombination mit sehr guter Strahlqualität (<= 10 mm·mrad), gerade im Grundmode, führt die Verwendung transmittiver Optiken jedoch zu einer Veränderung der Fokusposition. Grund hierfür ist die Restabsorption transmittiver Optiken, die in einer thermisch bedingten Änderung des Brechungsindexes sowie in einer thermisch bedingten Deformation resultiert.
DE 10 2006 047 947 B3 beschreibt eine reflektive Fokussierspiegeloptik, bei der die divergent aus einer Faser austretende Laserstrahlung über einen Rotationshyperboloidspiegel (erster Spiegel) auf einen Ellipsoidspiegel (zweiter Spiegel) und in einen Fokuspunkt gelenkt wird. Die Brennpunkte des ersten bzw. des zweiten Spiegels liegen auf einer gemeinsamen Achse, wodurch Abbildungsfehler vermieden werden. Die Spiegelkörper der beiden Spiegel bestehen aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, wobei die eigentliche Spiegeloberfläche durch eine aufgesputterte Goldoberfläche gebildet ist. Diese bekannte Spiegelfokussieroptik weist einerseits den Nachteil der Verwendung eines Rotationshyperboloidspiegels auf, der sowohl einen erhöhten Fertigungs- als auch Justageaufwand erfordert. Andererseits wird ein Teil der auf die Spiegeloberfläche auftreffenden Laserstrahlung vom Spiegelkörper absorbiert, so dass thermisch induzierte Deformationen der Spiegeloberfläche und/oder Änderungen des Brechungsindexes auftreten können. Diesen Effekten muss durch eine zusätzliche Kühlung entgegengewirkt werden. Zudem weisen reflektive Optiken aus Metall keinerlei Resttransmissionen, insbesondere im sichtbaren Spektrum, auf, die zur Prozessbeobachtung bzw. -überwachung genutzt werden könnten.
Die aus der eingangs genannten DE 10 2004 007 178 A1 bekannte Abbildungsvorrichtung weist eine Lichtleitfaser mit einer Faseraustrittsfläche, aus der ein Laserstahl divergent austritt, und eine reflektive Fokussieroptik auf, die den divergenten Laserstrahl in einen Fokuspunkt abbildet, Die reflektive Fokussieroptik ist durch ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement in Form eines Metallspiegels mit einer hoch-reflektierenden Beschichtung gebildet, dessen Spiegeloberfläche für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche auf den Fokuspunkt ausgebildet ist.
Aus der US 5479543 A ist ein Lochspiegel bekannt, um das Prozesslicht durch dessen Loch hindurch zu beobachten.
WO 2005/082225 A1 offenbart ein Mikroskop oder Endoskop mit einer Lichtquelle, mit einem flexiblen Lichttransmitter zum Empfangen und Senden von Anregungslicht von der Lichtquelle, mit einem optischen Element mit einem vorderen Ende zum Empfangen des Anregungslichts von dem Lichttransmitter und einer Rückwand, welche eine Innenfläche zum seitlichen Reflektieren des Anregungslichts hat, und mit einer Außenhülse, die das optische Element umgibt und für das Anregungslicht in zumindest einem Hülsenbereich transparent ist, wo das Licht von der Innenfläche gerichtet wird, wobei die Innenfläche eine optische Figur aufweist, die zum Fokussieren des Anregungslichts auf ein Punktbeobachtungsfeld außerhalb der Hülse geeignet ist.
US 2002/0051203 A1 offenbart einen optischen Modifikator, in dem Signale einer oder mehrerer Wellenlängenkanäle an oder von Sende- und/oder Empfangselementen geführt werden, wobei mindestens eine Kopplungseinrichtung mit einer gekrümmten Reflexionsfläche und ein wellenmodifizierendes Element vorhanden sind.
Aus der DE 19852302 A ist schließlich ein System zur Prozessbeobachtung bekannt, bei dem die zu detektierende Strahlung über das Fokussierelement ausgekoppelt wird. Hierzu ist das Fokussierelement als fokussierender Lochspiegel ausgebildet. Alternativ werden dichroitische Spiegel, Scraperspiegel oder Auskoppelprismen vorgeschlagen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Abbildungsvorrichtung der eingangs genannten Art den für die reflektive Fokussieroptik notwendigen Fertigungs- und Justageaufwand zu minimieren und dadurch die Kosten der Laserbearbeitungseinheit zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abbildungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Durch die Verwendung eines für die Laserstrahlung transparenten Spiegelsubstrats, wie z. B. Quarzglas, ZnS, CaF2 oder auch alle anderen Gläser (insbesondere auch so genannte „Low-Tg-Gläser” (Pressgläser)), werden die Erwärmung und damit thermisch induzierte Änderungen des Brechungsindexes sowie thermisch induzierte Deformationen des Substrats bzw. der Spiegeloberfläche vermieden bzw. auf ein Minimum reduziert.
Über die zumindest für die Laserstrahlung hoch reflektierende und für den anderen Spektralbereich zumindest teiltransmittive Spiegelbeschichtung ergibt sich somit die Möglichkeit der Prozessbeobachtung durch das Fokussierspiegelelement hindurch. Hierfür kann hinter dem Fokussierspiegelelement eine z. B. kamerabasierte Prozessbeobachtungseinrichtung angeordnet sein, die vorzugsweise so ausgebildet ist, dass die durch das Fokussierspiegelelement verursachte optische Wirkung auf die Prozessbeobachtung kompensiert wird. Bei Verwendung eines Ellipsoidspiegels kann dies bspw. durch eine Verkippung der Abbildungsoptiken um bevorzugt bis zu 30°, besonders bevorzugt bis zu 10°, gegenüber der optischen Achse, realisiert werden. Durch eine Ellipsoidspiegelfläche bzw. vergleichbare Spiegelfläche ist an der Prozessbeobachtungseinrichtung zudem ein großer Abbildungsbereich realisierbar, was der Prozessbeobachtung, insbesondere auch bei Verwendung von Pyrometern, entgegenkommt. Die Prozessbeobachtungseinrichtung umfasst prinzipiell alle Beobachtungssysteme, die auf Signalen, welche durch das Fokussierspiegelelement transmittiert werden, beruhen. Hierzu zählen u. a. auch Systeme zur Schweißnahtverfolgung, Geometrieerkennung, Strahldiagnose, Parameterkontrolle, etc.
Das Abbildungsverhältnis A berechnet sich dabei aus den Abständen der Brennpunkte: A = d_Fokus/d_Faser. Typische Abbildungsverhältnisse sind z. B.: A = 300 mm:200 mm = 3:2 oder A = 400 mm:200 mm = 2:1. Über die Wahl der Brennweiten bzw. die Auslegung des erfindungsgemäßen Fokussierspiegelelements kann problemlos eine weite Spanne verschiedener Abbildungsverhältnisse erzeugt werden. Die Grenzen hin zu kurzen Brennweiten liegen in der Fertigungstechnik, allerdings sind kurze Brennweiten bei sehr hohen Leistungen nicht unbedingt gefragt bzw. prozesstechnisch sinnvoll einsetzbar.
Vorzugsweise ist die Spiegeloberfläche des Fokussierspiegelelements durch eine Ellipsoidspiegelfläche gebildet ist, in deren einem Brennpunkt die Faseraustrittsfläche angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind auch andere Spiegelgeometrieflächen möglich, die eine zumindest gleiche oder zumindest annähernd gleiche Abbildungsqualität wie eine Ellipsoidspiegelfläche gewährleisten. Über Polynomnäherung oder NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)-Flächen können beispielsweise geometrische Spiegeloberflächen einem Ellipsoid annähernd nachgebildet werden und/oder auch Abweichungen einer Fläche von einer eindeutig definierten Geometrie entweder über die Gesamtheit der reflektiven Fokussiereinheit oder lokal gezielt eingebracht werden. Diese Abweichungen können beispielsweise der Korrektur von Abbildungsfehlern der Optik selbst oder aber auch anderer im Strahlengang befindlicher optischer Komponenten dienen. Bevorzugt erfolgt die Herstellung entsprechender Spiegeloberflächen über einen Freiform-Herstellungsprozess.
Neben dem reflektiven Fokussierspiegelelement können im Strahlengang der Abbildungsvorrichtung auch ein oder mehrere nicht-fokussierende, reflektive optische Elemente zur Strahlformung und -führung vorgesehen sein, die nicht zur Punkt-zu-Punkt-Abbildung auf der Werkstückoberfläche, sondern separaten Strahlformungsaufgaben, wie Strahlteilung, Veränderung der Strahlform (runder Fokus vs. Linienfokus), etc., dienen. Besonders bevorzugt sind nicht-fokussierende, reflektive optische Elemente zur Faltung der Laserstrahlung vorgesehen, um einen möglichst kompakten Bauraum zu realisieren. Die Faltung erfolgt bevorzugt über einen planparallelen Umlenkspiegel. Alternativ ist zur Faltung aber auch ein Fokussierspiegel, insbesondere ein Ellipsoidspiegel, einsetzbar, der sich zudem positiv auf die Abbildungsqualität auswirkt.
Das reflektive Fokussierspiegelelement ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen im Hochleistungsbereich ab etwa 6 kW, insbesondere in Kombination mit sehr guter Strahlqualität (<= 10 mm·mrad), oder aber auch bei Faserlasern, insbesondere im Grund-Mode, bei kleinen Faserdurchmessern.
Das reflektive Fokussierspiegelelement kann nicht nur bevorzugt zur Abbildung eines Laserstrahls auf ein Werkstück im Rahmen einer Laserbearbeitung eingesetzt werden, sondern eignet sich ebenfalls für die Kopplung eines Laserstrahls austretend aus einer Lichtleitfaser in eine andere Lichtleitfaser sowie für weitere Anwendungen, bei denen insbesondere im Hochleistungsbereich, bevorzugt in Kombination mit sehr guter Strahlqualität (<= 10 mm·mrad), oder aber auch bei Faserlasern, insbesondere im Grund-Mode, bei kleinen Faserdurchmessern eine hohe Abbildungsqualität gefordert ist.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein reflektives Fokussierspiegelelement zum Fokussieren eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge insbesondere im Bereich von 1030–1085 nm, 900–999 nm, 500–599 nm oder im UV-Bereich, dessen Spiegeloberfläche für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung ausgebildet ist und durch eine auf ein Spiegelsubstrat aufgebrachte Spiegelbeschichtung gebildet ist, wobei erfindungsgemäß das Spiegelsubstrat aus einem für die Laserwellenlänge transparenten Material gebildet ist und die Spiegelbeschichtung und das Spiegelsubstrat zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge unterschiedlichen und zur Prozessbeobachtung geeigneten Spektralbereich sind.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:
1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem einzigen reflektiven Fokussierspiegelelement in einer Laserbearbeitungseinheit;
2 den Strahlengang des Laserstrahls von der Abbildungsvorrichtung bis zu einem Werkstück;
3 den Strahlengang von vom Werkstück stammendem Prozesslicht durch das reflektive Fokussierspiegelelement hindurch zu einer Prozessbeobachtungseinrichtung der Laserbearbeitungseinheit; und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem einzigen reflektiven Fokussierspiegelelement zum Koppeln von Laserlicht von einer Lichtleitfaser in eine andere Lichtleitfaser.
1 zeigt den Laserbearbeitungskopf 1 einer Laserbearbeitungsanlage zur Laserbearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls 2, und zwar insbesondere für Anwendungen im Hochleistungsbereich mit einer Laserstrahlleistung ab etwa 6 kW in Kombination mit sehr guter Strahlqualität (<= 10 mm·mrad).
Der Laserstrahl 2 wird in einem hier nicht gezeigten Festkörperlaser (z. B. Nd:YAG) mit einer Wellenlänge insbesondere im Bereich von 1030–1085 nm, 900–999 nm, 500–599 nm oder im UV-Bereich, erzeugt und dem Laserbearbeitungskopf 1 über eine Lichtleiterfaser 3 zugeführt. Wie in 2 gezeigt, tritt der Laserstrahl 2 aus der Faseraustrittsfläche 4 der Lichtleitfaser 3 divergent aus, wird an einem planparallelen Umlenkspiegel 5 gefaltet und trifft dann auf eine reflektive Fokussieroptik, die den divergenten Laserstrahl 2 in einen Fokuspunkt 6 abbildet. Die Faseraustrittsfläche 4 und die reflektive Fokussieroptik sind insgesamt als Abbildungsvorrichtung 7 bezeichnet.
Die reflektive Fokussieroptik ist durch ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement 8 gebildet, dessen Spiegeloberfläche 9 für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche 4 auf den Fokuspunkt 6 ausgebildet ist. Die Spiegeloberfläche 9 kann beispielsweise durch eine Ellipsoidspiegelfläche gebildet sein, in deren einem Brennpunkt die Faseraustrittsfläche 4 angeordnet ist. Wie in 2 schematisch gezeigt ist, ist die Spiegeloberfläche 9 durch eine auf ein Spiegelsubstrat 10 aufgebrachte Spiegelbeschichtung 11 (z. B. dielektrische Beschichtung) gebildet. Das Spiegelsubstrat 10 ist aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material, wie z. B. Quarzglas, gebildet, so dass kein Laserlicht vom Spiegelsubstrat 10 absorbiert wird und dadurch die Erwärmung des Fokussierspiegelelements 8 minimiert wird. Folglich werden thermisch induzierte Änderungen des Brechungsindexes sowie thermisch induzierte Deformationen des Spiegelsubstrats 10 bzw. der Spiegeloberfläche 9 vermieden bzw. auf ein Minimum reduziert.
Die Spiegelbeschichtung 11 und das Spiegelsubstrat 10 sind zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge (z. B. im Bereich von 1030 bis 1085 nm) unterschiedlichen und zur Prozessbeobachtung geeigneten Spektralbereich, z. B. für das sichtbare und das NIR-Wellenlängenspektrum. Über die für die Laserstrahlung hoch reflektierende und für den Prozessbeobachtungsspektralbereich zumindest teiltransmittive Spiegelbeschichtung 11 ergibt sich somit die Möglichkeit, die Bearbeitung eines Werkstücks 12 mit dem fokussierten Laserstrahl 4, also den Laserbearbeitungsprozess, durch das Fokussierspiegelelement 8 hindurch zu beobachten. Dazu ist hinter dem Fokussierspiegelelement 8 eine kamerabasierte Prozessbeobachtungs- oder Teach-Einrichtung 13, z. B. eine CCD-Kamera, je nach Einrichtung auch mit Mitteln zur besseren visuellen Orientierung, wie eingeblendete Fadenkreuze und/oder seitliche Linienlaser, insbesondere im Zusammenhang mit Teach-Prozessen, angeordnet, die das von dem Werkstück 12 ausgehende Prozesslicht 14 detektiert. Um die dabei durch das Fokussierspiegelelement 8 verursachte optische Wirkung auf das Prozesslicht 14 zu kompensieren, ist im Strahlengang des Prozesslichts 14 zwischen dem Fokussierspiegelelement 8 und der Prozessbeobachtungseinrichtung 13 eine entsprechende Kompensationsoptik 15 angeordnet. Im Falle einer ellipsoidförmigen Spiegeloberfläche 9 können, wie in 3 gezeigt, die beiden Linsen 16 der Kompensationsoptik 15 um bis zu 30°, bevorzugt bis zu 10°, gegenüber der optischen Achse 17 des Prozesslichts 14 verkippt sein.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Abbildungsvorrichtung 7, bei der der aus der Lichtleitfaser 3 divergent austretende Laserstrahl 2 über das reflektive Fokussierspiegelelement 8 in eine andere Lichtleitfaser 18 eingekoppelt wird. Die Faseraustrittsfläche 4 der Lichtleitfaser 3 ist im einen und die Fasereintrittsfläche 19 der anderen Lichtleitfaser 18 im anderen Fokuspunkt des Fokussierspiegelelement3 8 angeordnet.

Claims

Abbildungsvorrichtung (7), aufweisend: eine Lichtleitfaser (3) mit einer Faseraustrittsfläche (4), aus der ein Laserstrahl (2) divergent austritt, und eine reflektive Fokussieroptik, die den divergenten Laserstrahl (2) in einen Fokuspunkt (6) abbildet, wobei die reflektive Fokussieroptik durch ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement (8) gebildet ist, dessen Spiegeloberfläche (9) für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche (4) auf den Fokuspunkt (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloberfläche (9) durch eine auf ein Spiegelsubstrat (10) aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material aufgebrachte Spiegelbeschichtung (11) gebildet ist und dass die Spiegelbeschichtung (11) und das Spiegelsubstrat (10) zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge unterschiedlichen und zur Beobachtung geeigneten Spektralbereich sind.
Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloberfläche (9) des Fokussierspiegelelements (8) durch eine Ellipsoidspiegelfläche gebildet ist, in deren einem Brennpunkt die Faseraustrittsfläche (4) angeordnet ist.
Abbildungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektive Fokussierspiegelelement (8) für einen Hochleistungsbereich ab etwa 6 kW ausgelegt ist.
Abbildungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Abbildungsvorrichtung (7) ein oder mehrere nicht-fokussierende, reflektive optische Elemente (5) zur Strahlformung und -führung des Laserstrahls (2) angeordnet sind.
Abbildungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fokuspunkt (6) des Fokussierspiegelelementes (8) die Fasereintrittsfläche (19) einer weiteren Lichtleitfaser (18) angeordnet ist.
Laserbearbeitungseinheit mit einer Abbildungsvorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Fokussierspiegelelement (8) eine Prozessbeobachtungseinrichtung (13) angeordnet ist.
Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Fokussierspiegelelement (8) und der Prozessbeobachtungseinrichtung (13) eine Kompensationsoptik (15) angeordnet ist, die eine durch das Fokussierspiegelelement (8) verursachte optische Wirkung auf die Prozessbeobachtung kompensiert.
Reflektives Fokussierspiegelelement (8) zum Fokussieren eines Laserstrahls (2), dessen Spiegeloberfläche (9) für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung ausgebildet und durch eine auf ein Spiegelsubstrat (10) aufgebrachte Spiegelbeschichtung (11) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsubstrat (10) aus einem für die Laserwellenlänge transparenten Material gebildet ist und dass die Spiegelbeschichtung (11) und das Spiegelsubstrat (10) zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge unterschiedlichen und zur Prozessbeobachtung geeigneten Spektralbereich sind.