DE102010045928A1

DE102010045928A1 - Device for laser processing, comprises laser beam generator, which produces optical axis, and adapting device for displacing the focus position along the optical axis and for adapting the numerical aperture of the laser beam generator

Info

Publication number: DE102010045928A1
Application number: DE102010045928A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Berners; Ulrich Petschke
Original assignee: LASER BEARBEITUNGS und BERATUNGSZENTRUM NRW GmbH; LASER BEARBEITUNGS- und BERATUNGSZENTRUM NRW GmbH
Current assignee: LASER BEARBEITUNGS und BERATUNGSZENTRUM NRW GmbH; LASER BEARBEITUNGS- und BERATUNGSZENTRUM NRW GmbH
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2011-09-22

Abstract

The device for laser processing, comprises a laser beam generator (L1), which produces an optical axis (S1), an adapting device (D1) for displacing the focus position along the optical axis and for adapting the numerical aperture of the laser beam generator, a deflection unit (U1) for adjusting the lateral position of the focus (F) relative to the object (O) to be processed, an unit (D2) for imaging the laser beam by the double window on the object, and an other device for varying the distance between optical elements for adapting the numerical aperture. The device for laser processing, comprises a laser beam generator (L1), which produces an optical axis (S1), an adapting device (D1) for displacing the focus position along the optical axis and for adapting the numerical aperture of the laser beam generator, a deflection unit (U1) for adjusting the lateral position of the focus (F) relative to the object (O) to be processed, an unit (D2) for imaging the laser beam by the double window on the object, and an other device for varying the distance between optical elements for adapting the numerical aperture and the optical elements for adjusting the axial focus position, a mirror and lenses with dichroic coating for feeding and imaging a viewable laser beam coaxial to the optical axis, and an optical fiber for transporting light from a laser beam generator output up to the entrance aperture of the device. The adapting device contains an optical element of the numerical aperture of the lasers and for adjusting the focus position in an axial direction. The device possess a piezoactuator for varying the lateral focus position with which an electric signal changes the alignment, where the device possess a linear actuator for varying the lateral focus position with which a numerical control is changed by the electrical signal of the alignment. The laser beam generator provides an additional laser wavelength in a visible spectral region.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung, welche die Energie eines Lasers so bündelt und ausrichtet, dass der Fokus auf grosse Arbeitsentfernungen zwischen Vorrichtung und zu bearbeitendem Objekt zum Schmelzen, Schneiden, Bohren, Heizen, Abtragen und Verbrennen des Objektes eingesetzt werden kann.The invention relates to a laser processing device which concentrates and aligns the energy of a laser so that the focus can be placed on large working distances between the device and the object to be processed for melting, cutting, drilling, heating, ablating and burning the object.

Stand der TechnikState of the art

Herkömmliche Laserbearbeitungsvorrichtungen besitzen in der Regel feste oder nur in geringem Umfang variable Arbeitsabstände die einen typischen Bearbeitungsabstand von unter einem Meter aufweisen. Es existieren spezielle Bearbeitungsvorrichtungen, die unter dem technischen Sammelbegriff „Remote”-Optiken bekannt sind und die typische Arbeitsabstände von wenigen Metern Länge darstellen können. Diese Bauart findet beim Laserschweissen Verwendung und stellt eine Kombination aus Fokussier- und Ablenksystem dar. Der Aufbau muss für das Schweissen geeignete kleine Brennfleckdurchmesser erzeugen können und auf Grund der optischen Gesetze resultiert hieraus eine Begrenzung des maximalen Arbeitsabstandes auf wenige Meter. Typische Arbeitsentfernungen sind z. B. 4 Meter.Conventional laser processing devices usually have fixed or only slightly variable working distances which have a typical processing distance of less than one meter. There are special processing devices that are known under the technical collective term "remote" optics and can represent the typical working distances of a few meters in length. This design is used in laser welding and represents a combination of focusing and deflection system. The structure must be able to produce suitable small focal spot diameter for welding and due to the optical laws results in limiting the maximum working distance to a few meters. Typical working distances are z. 4 meters.

Zur Änderung des Arbeitsabstandes werden bei herkömmlichen Vorrichtungen gewöhnlich Optiken ausgetauscht oder ganze Baugruppen ausgewechselt, dabei muss durch geeignete Massnahmen sicher gestellt werden, dass die Parameter des Laserstrahles möglichst konstant bleiben. Ein Wechsel der Laserstrahlquelle mit Veränderungen der Laserstrahlparameter ist in der Regel unzulässig und führt zu starken funktionellen Einschränkungen oder sogar zur Zerstörung der eingesetzten Optiken.To change the working distance optics are usually replaced in conventional devices or replaced whole assemblies, it must be ensured by appropriate measures that the parameters of the laser beam remain as constant as possible. A change of the laser beam source with changes of the laser beam parameters is usually inadmissible and leads to strong functional restrictions or even to the destruction of the optics used.

Herkömmliche Laserbearbeitungsvorrichtungen besitzen in der Regel Festbrennweiten und können nur typischerweise innerhalb von einigen Zentimetern Einfluss auf den Arbeitsabstand nehmen. Die genaue Ausrichtung des Fokus auf das zu bearbeitende Objekt wird entweder über elektronisch gesteuerte CNC Achsen vorgenommen oder über elektronisch gesteuerte Scanneroptiken. Die Ausrichtung des Fokus per CNC Achsen erfordert mechanische Achsen von der Grösse des Bauteiles und des Arbeitsabstandes und ist daher ungeeignet für Objekte in grosser Entfernung. Die Ausrichtung des Fokus mittels Scanneroptiken besitzt bei den herkömmlichen Vorrichtungen den Nachteil, dass diese entweder nur für geringe Dauerleistungen des Lasers ausgelegt sind, oder zu grosse Einbussen bei der Qualität des Fokus erzeugen. Dazu sind diese Systeme für grosse Ablenkwinkel ausgelegt und besitzen für kleine Ablenkwinkel nicht die ausreichende Stabilität um auf grosse Entfernungen Position und Fokusgüte ausreichend sicher zu erhalten.Conventional laser processing devices usually have fixed focal lengths and can typically only influence the working distance within a few centimeters. The exact alignment of the focus on the object to be machined is done either by electronically controlled CNC axes or electronically controlled scanner optics. The alignment of the focus by CNC axes requires mechanical axes of the size of the component and the working distance and is therefore unsuitable for objects at a great distance. The orientation of the focus by means of scanner optics has the disadvantage in the conventional devices that they are either designed only for low continuous power of the laser, or generate too large losses in the quality of the focus. In addition, these systems are designed for large deflection angles and, for small deflection angles, they do not have the sufficient stability to be able to maintain their position and focus quality sufficiently safely for long distances.

Beim heutigen Stand der Technik sind Hochleistungslasersysteme Geräte mit deutlich abweichenden Strahleigenschaften im Vergleich mit Lasersystemen von sehr hoher Strahlqualität (Brillianz), aber dafür in der Regel geringerer Ausgangsleistung. Eine Laserbearbeitungsvorrichtung kann in der Regel nicht ohne technische Änderungen wahlweise eine hochbrilliante oder hochleistungsfähige Laserstrahlquelle verwenden. Dies schränkt die Wahlmöglichkeiten bei dem Einsatz verschiedener Laserbearbeitungsprozesse ein.In the current state of the art, high-power laser systems are devices with significantly different beam characteristics in comparison with laser systems of very high beam quality (brilliance), but usually lower output power. As a rule, a laser processing device can not use a highly brilliant or high-power laser beam source without technical modifications. This restricts choices in the use of various laser processing processes.

Aufgabenstellungtask

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu entwerfen, die es erlaubt, sowohl mit kleiner, als auch mit grosser Laserleistung, Objekte in grösserer Entfernung als es herkömmliche Vorrichtungen erlauben, bearbeiten zu können. Ziel ist es Arbeitsabstände im Bereich 100 m und höher erreichen zu können. Da diese Entfernungen in der Regel besonders bei Bearbeitungsfällen im Freien auftreten, muss die Vorrichtung gegen Umwelteinflüsse und besonders Verschmutzungen der nach aussen gerichteten optischen Funktionsflächen unempfindlich sein. Auch die feine Ausrichtung und Positionierung des Fokus auf das Objekt in grosser Entfernung ohne äussere Bewegungsmechaniken sowie die Unempfindlichkeit gegenüber wechselnden Laserstrahlparametern sind Ziele. Weiteres Ziel ist eine integrierte Verstellmöglichkeit des Arbeitsabstandes um Objekte in unterschiedlichen Abständen bearbeiten zu können. Wichtiges Ziel hierbei ist eine optimale Auslegung der Fokussierung als beugungsbegrenztes optisches System. Eine Wechselmöglichkeit der Stahlquellen von hochbrilliant zu hochlleistungsfähig soll möglich sein. Diese Ziele werden durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäss den Ansprüchen 1–9 erreicht.It is the object of the present invention to design a laser processing apparatus which allows to process objects with a smaller laser output as well as larger ones at a greater distance than conventional devices allow. The aim is to be able to reach working distances in the range of 100 m and higher. Since these distances usually occur especially in outdoor processing cases, the device must be insensitive to environmental influences and especially soiling of the outwardly directed optical functional surfaces. The fine alignment and positioning of the focus on the object at a great distance without external movement mechanics as well as the insensitivity to changing laser beam parameters are goals. Another goal is an integrated adjustment of the working distance to edit objects at different intervals. An important goal here is an optimal design of the focusing as a diffraction-limited optical system. A possibility of changing the steel sources from highly brilliant to high-performance should be possible. These objects are achieved by a laser processing apparatus according to claims 1-9.

Ausführungsbeispielembodiment

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargstellten Ausführungsbeispieles erläutert. In Zeichnung 1 1 wird die Anordnung einer Ausführungsform der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäss der Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform wird nachfolgend an Hand der Zeichung 1 1 beschrieben und erklärt.In the following the invention will be explained with reference to a dargstellten in the drawing embodiment. In drawing 1 1 the arrangement of an embodiment of the laser processing apparatus according to the invention is shown. This embodiment will be described below with reference to the drawing. 1 1 described and explained.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung V gemäss der vorliegenden Ausführungsform umfasst das folgende: einen Laserstrahlerzeuger L1 zum Erzeugen des Laserstrahles S1, eine Anpasseinheit D1 zum Anpassen an unterschiedliche Laserstrahlparameter und zum Verstellen des Arbeitsabstandes A der Vorrichtung, eine schwenkbare Umlenkeinheit U1 zum freien Verstellen des Umlenkwinkels θ, welcher die Position des Brennfleckes F auf dem Objekt O in zwei senkrecht auf einander stehenden Achsen ermöglicht, so dass die Lage von F sowohl in Richtung des Verschiebeweges d, als auch senkrecht zur Zeichnungsebene veränderbar wird, der Strahl S1 kann somit jeden Punkt der Oberfläche von O erreichen.The laser processing apparatus V according to the present embodiment includes the following: a laser beam generator L1 for generating the laser beam S1, a fitting unit D1 for adapting to different laser beam parameters and for adjusting the working distance A of the apparatus, a pivotable deflection unit U1 for free adjustment of the deflection angle θ, which allows the position of the focal spot F on the object O in two mutually perpendicular axes, so that the position of F is both in the direction of the displacement path d, and perpendicular to the plane is variable, the beam S1 can thus reach every point of the surface of O.

In dieser Ausführungsform ist der Laserstrahlerzeuger L1 ein Faserlaser, dessen Wellenlänge (1040 nm) geeignet ist mittels eines Lichtwellenleiters in den Strahlengang S1 eingespeist zu werden. Alle optischen Komponenten der Elemente D1, U1 und D2 sind mit einer Antireflexbeschichtung passend zur Laserwellenlänge ausgerüstet. Die Beschichtung verhindert Reflektionen in den Laser zurück, und damit dessen Beschädigung, als auch das Auftreten von Verlusten an Laserleistung innerhalb der Vorrichtung.In this embodiment, the laser beam generator L1 is a fiber laser, whose wavelength (1040 nm) is suitable to be fed by means of an optical waveguide in the beam path S1. All optical components of the elements D1, U1 and D2 are equipped with an antireflective coating matching the laser wavelength. The coating prevents reflections back into the laser, and thus its damage, as well as the occurrence of losses of laser power within the device.

Der in den Strahlengang S1 eingespeiste Laserstrahl wird mittels der Anpassung D1 so geformt dass der Laserstrahl im weiteren Verlauf des Strahlenganges hin zu U1 für verschiedene Eingangsstrahlparameter nahezu identische Eigenschaften erhält. Hierdurch werden die Strahleigenschaften verschiedener Laser, beispielsweise von Lasern mit sehr hoher Leistung im Vergleich zu Lasern niedrigerer Lesitung, so angeglichen, dass im anschliessenden Teil des Strahlenganges keine weiteren Anpassungen notwendig werden. Hierzu besitzt die Anpassung D1 ein abbildendes optisches Element in Form einer Linse, die die numerische Ausgangsapertur des Laserstrahlerzeugers L1 in eine virtuelle numerische Apertur konvertiert. Eine weitere Linse weitet den Laserstrahl im Anschluss dann auf. D1 kann entlang der gestrichelt dargestellten optischen Achse S1 in Pfeilrichtung verschoben werden. Zu diesem Zweck enthält D1 eine nicht gezeigte elektrisch angetriebene Linearführung deren Verschiebeweg die Einstellung des Arbeitsabstandes A in Pfeilrichtung auf der optischen Achse S1 ermöglicht.The laser beam fed into the beam path S1 is shaped by means of the adaptation D1 in such a way that the laser beam gets almost identical properties in the further course of the beam path towards U1 for different input beam parameters. As a result, the beam properties of different lasers, for example, lasers with very high performance compared to lasers lower Lesitung, adjusted so that in the subsequent part of the beam path no further adjustments are necessary. For this purpose, the adaptation D1 has an imaging optical element in the form of a lens, which converts the numerical output aperture of the laser beam generator L1 into a virtual numerical aperture. Another lens then expands the laser beam afterwards. D1 can be moved along the dashed lines shown optical axis S1 in the arrow direction. For this purpose, D1 includes an electrically driven linear guide, not shown, whose displacement enables adjustment of the working distance A in the direction of the arrow on the optical axis S1.

Die Einrichtung U1 zum Verstellen der Lage des Fokus F auf dem Objekt O senkrecht zur optischen Achse S1 besteht in dem in Zeichnung 1 1 gezeigten Beispiel aus einem Spiegel, der in kardanischer Aufhängung frei um beide Achsen schwenkbar gelagert ist. Die Verstellung erfolgt elektromechanisch durch eine nicht gezeigte lineare Antriebseinheit mit einem daraus resultierenden frei einstellbaren Ablenkwinkel θ, so dass der Strahlengang S1 dann z. B. der gepunkteten Line statt der gestrichelten Line folgt. Dies resultiert in einem Versatz des Fokus relativ zum Objekt O um den Weg d in Pfeilrichtung senkrecht zur geometrischen optischen Hauptachse S1. Folglich kann diese Einstellung der Lage durch ein elektrisches Signal erfolgen, das auf den elektronischen Antrieb der kardanischen Aufhängung des Spiegels in U1 wirkt. Bei grossen Arbeitsabständen A sind nur kleine Änderungen des Ablenkwinkels θ notwendig um bereits grössere Wege d relativ zum Objekt O zu verschieben.The device U1 for adjusting the position of the focus F on the object O perpendicular to the optical axis S1 consists in that in drawing 1 1 shown example of a mirror which is mounted in gimbal freely pivotable about both axes. The adjustment is carried out electromechanically by a linear drive unit, not shown, with a resulting freely adjustable deflection angle θ, so that the beam path S1 then z. B. the dotted line instead of the dashed line follows. This results in an offset of the focus relative to the object O about the path d in the direction of the arrow perpendicular to the geometric main optical axis S1. Consequently, this adjustment of the position can be effected by an electrical signal which acts on the electronic drive of the gimbal of the mirror in U1. At large working distances A, only small changes in the deflection angle θ are necessary in order to shift already larger distances d relative to the object O.

Die Einrichtung D2 zum Bündeln des durch D1 und U1 vorgeformten Laserstrahles besteht aus einem als Dublett ausgeführten Objektiv und einem doppelt im Strahlengang S1 angeordneten Planfenster. Das Linsendublett verfügt über die Eigenschaft auch unter einem Winkel θ einfallende Strahlen mit guter optischer Qualität auf den Fokus F zu bündeln, ohne dass signifikante Einbussen der optischen Qualität auftreten. Die doppelte Anordnung der Planfenster erlaubt den Austausch des dem Objekt O zugewendeten Fensters im Falle seiner Beschädigung oder Verschmutzung oder Verschleisses, ohne dass die letzte optische Fläche des Dubletts Umwelteinflüssen ausgesetzt werden muss, da das zweite Fenster dessen Schutz Aufrecht erhält.The device D2 for bundling the laser beam preformed by D1 and U1 consists of an objective designed as a doublet and a plane window arranged twice in the beam path S1. The lens doublet has the property of focusing rays of good optical quality incident on the focus F even at an angle θ, without significant loss of optical quality. The double arrangement of the plan windows allows the exchange of the object O facing window in case of damage or soiling or wear, without the last optical surface of the doublet must be exposed to environmental influences, since the second window receives its protection.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel ist der Laser nicht auf einen Faserlaser beschränkt, alle Festkörperlasertypen wie z. B. YAG-Laser oder Er-Laser oder Scheibenlaser sind einsetzbar. Die Einrichtung D1 zur Einstellung der Fokusposition entlang der optischen Achse S1 kann auch durch Spiegel gebildet werden, die Anzahl der optischen Elemente der Anordnung von D1 kann im Grenzfall auch 1 sein. Die Ausführungsform der Anordnung von U1 mittels kardanischer Aufhängung ist nicht beschränkt auf mechanische Verstellantriebe, sondern kann auch durch Piezoaktuatoren oder dergleichen erfolgen. Die Auslegung der Einrichtung D2 zum Bündeln des Laserstrahles kann auch durch mehrlinsigen Aufbau oder Spiegel erfolgen.The invention is not limited to the embodiment described above. For example, the laser is not limited to a fiber laser, all solid state laser types such. As YAG laser or Er laser or disk laser can be used. The means D1 for adjusting the focus position along the optical axis S1 can also be formed by mirrors, the number of optical elements of the arrangement of D1 can also be 1 in the limiting case. The embodiment of the arrangement of U1 by means of cardan suspension is not limited to mechanical adjustment drives, but can also be done by Piezoaktuatoren or the like. The design of the device D2 for bundling the laser beam can also be done by multi-lens construction or mirror.

Die Erfindung weist den Aufbau und die Anordnung und Funktionen wie oben beschrieben auf. Entsprechend kann die Erfindung einen Laserstrahl auf grosse Entfernung bündeln.The invention has the structure and arrangement and functions as described above. Accordingly, the invention can focus a laser beam to a great distance.

Ferner kann die Lage des Fokus relativ zum zu bearbeitenden Objekt, lateral, also senkrecht zur optischen Achse, eingestellt werden um den Strahl genau auf die zu bearbeitende Stelle auf dem Objekt einzustellen.Furthermore, the position of the focus relative to the object to be machined can be adjusted laterally, ie perpendicular to the optical axis, in order to set the beam exactly on the object to be machined on the object.

Ferner kann die Lage des Fokus axial, also entlang der optischen Achse verstellt werden um die Bearbeitung von Objekten in unterschiedlichen Entfernungen zu ermöglichen.Furthermore, the position of the focus can be adjusted axially, ie along the optical axis, in order to enable the processing of objects at different distances.

Ferner akzeptiert die Vorrichtung unterschiedliche Laserstrahlparameter ohne technische Änderungen des Aufbaues beim Wechsel der Strahlquelle und erlaubt mittels der doppelten Schutzfenstereinrichtung den Wechsel verschlissener Fenster ohne riskante Öffnung des Strahlenganges nach aussen.Furthermore, the device accepts different laser beam parameters without technical changes of the structure when changing the beam source and allows by means of the double protective window device the change of worn windows without risky opening of the beam path to the outside.

Claims

A laser processing apparatus comprising a laser beam generator L1 which generates an optical axis S1, an adapter device D1 for shifting the focus position along the optical axis S1 and for adjusting the numerical aperture of L1, a deflection unit U1 for adjusting the lateral position of the focus F relative to the object to be processed O, a unit D2 for imaging the laser beam through the double windows onto the object O.

A laser processing apparatus according to claim 1, wherein the means for adapting the numerical aperture of the laser includes at least one optical element.

Laser processing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the means for adjusting the focal position in the axial direction includes at least one optical element.

A laser processing apparatus according to claim 1, 2 or 3, further comprising further means for varying the distance between the numerical aperture adjusting optical elements and the axial focus position adjusting optical elements.

A laser processing apparatus according to claim 1, 2, 3, or 4, wherein the means for varying the lateral focus position has a piezoactuator in which an electrical signal changes the orientation.

A laser processing apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the means for varying the lateral focus position has a linear drive in which numerical control by means of an electrical signal alters the alignment.

Laser beam processing apparatus according to claim 1, wherein the laser beam generator L1 provides an additional laser wavelength in the visible spectral range.

A laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 7, further comprising mirrors and lenses having a dichroic coating for feeding and imaging a visible laser beam coaxial with the optical axis S1.

A laser beam processing apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising an optical fiber for transporting the light from the laser beam generator output to the entrance aperture of the device D1.