DE102012004312A1

DE102012004312A1 - Verfahren und Vorrichtung zur schnellen konzentrischen Ablenkung mehrerer Lichtstrahlen mit einstellbarem Winkel um die Systemachse

Info

Publication number: DE102012004312A1
Application number: DE201210004312
Authority: DE
Inventors: David Ashkenasi; Norbert Müller
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Novanta Europe GmbH
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen und präzisen kreisförmigen Ablenkung von „N” Lichtstrahlen in einem definierten Winkel zur Strahlungsrichtung beschrieben. Als Lichtstrahlung dient z. B. ein Laserstrahl, der mittels einer Vorrichtung zur Strahlaufteilung und einer Sammellinse auf das Werkstück „N” Brennpunkte, z. B. zur Materialbearbeitungszwecken projiziert. Diese Brennpunkte rotieren fortlaufend mit hoher Geschwindigkeit in einer einstellbaren, konzentrischen Kreisbahn mit einstellbarem Winkel um die Systemachse auf dem genannten Werkstück. Mit der beschriebenen Erfindung können zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung kurze und ultra-kurze Laserimpulse mit sehr hoher Repetitionsrate auf einer definierten Bahn zur Erzeugung von gewinkelten Bearbeitungsrändern auf dem zu bearbeiteten Werkstück verteilt und mit hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung erlaubt, den einfallenden Lichtstrahl ohne wesentliche Leistungsverluste in „N” Teilstrahlen aufzuteilen und mit einstellbarem Abstand zur Systemachse um diese mit hoher Geschwindigkeit rotieren zu lassen. Dabei kann der einzelne Strahl so zur Bearbeitungsfläche ausgerichtet sein, dass eine Bearbeitung in die Tiefe mit einer konisch positiven oder negativen bzw. einer zylindrischen Bohrwand entsteht.
Zur Erzielung einer schonenden Materialbearbeitung werden mit kurzen und ultra-kurzen Laserpulsen und sehr hoher Repetitionsrate die Teilstrahlen auf einer definierten Kreisbahn mit definiertem Anstellwinkel auf das zu bearbeitende Werkstück geführt, damit ein möglichst optimaler Puls-zu Puls-Überlapp realisiert wird.
Durch die Aufteilung des einfallenden Lichtstrahls in „N” Teilstrahlen lässt sich die Bearbeitungszeit deutlich verkürzen. Außerdem lassen sich leistungsstarke Strahlquellen für eine schonende und präzise Bearbeitung nutzen.
Stand der Technik
Aus „Vorrichtungen und Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls, PCT/EP 2008/053042 ” ist bereits eine Vorrichtung bekannt, die einen Lichtstrahl auf einer eingestellten Kreisbahn mit Anstellwinkel auf einem Werkstück bewegt. Hierbei handelt es sich jedoch ausschließlich um einen Strahl der geführt wird. Angesprochen wird hier zwar auch die Verwendung von mehreren Strahlen, jedoch ist eine Aufteilung eines Lichtstrahls in „N” Teilstrahlen nicht vorgesehen.
Ebenso ist aus DE 100 54 853 A1 ein Verfahren zum Einbringen von Mikrobohrungen in vorwiegend metallische Werkstoffe bekannt, bei dem mittels rotierender Keilplatten ein Strahl in taumelnde Bewegung um die optische Achse versetzt wird. Hohe Drehgeschwindigkeiten sind bei diesem Verfahren durch die ungleiche Massenverteilung ausgeschlossen. Außerdem wird auch hier nicht auf eine Strahlaufteilung hingewiesen. Des Weiteren beschränkt sich diese Anwendung auf die Bearbeitung von metallischen Werkstoffen mit Nanosekunden und dem Einbringen von Mikrobohrungen.
Ein weiteres Patent DE 101 05 346 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke, bei der mittels Keilplatten ein Strahl so aus der optischen Achse ausgelenkt wird, dass er beim Drehen der Keilplattenkombination um die optische Achse rotiert. Zusätzlich werden hier λ/2- bzw. λ/4-Plättchen mit in Drehung gebracht, um die Polarisationsrichtung bezüglich der Bearbeitung mitzuführen. Auch dieses System dient der Herstellung von kleinen Bohrungen in überwiegend metallischen Werkstoffen. Eine Strahlaufteilung zur Effizienzsteigerung ist auch hier nicht angedacht oder vorgesehen.
Zur Strahlaufteilung werden üblicherweise Spiegel verwendet, die mit teilreflektierender Beschichtungen oder Teilbeschichtungen versehen die Strahlaufteilung realisieren. Bei großen Strahlabständen ist dieses Verfahren gut anwendbar, scheitert jedoch, wenn die Mittelachsen der Teilstrahlen nur wenige um Abstand von einander aufweisen. Hier werden die Teilstrahlen zum Teil überlagert, was bei verspiegelten Flächen zu einer Begrenzung führen würde.
DOE (diffraktive optische Elemente) oder HOE (holografisch optische Elemente) finden ebenso als Strahlteiler Verwendung. Problematisch hierbei sind die großen Leistungsverluste, die bis zu 50% der eingestrahlten Leistung je nach Anzahl der Aufteilung liegen können. Zusätzlich werden die Teilstrahlen unter einem Winkel zur Einstrahlachse geführt, was zum einen eine Korrektur des Winkels und zum anderen einen von den Brennweiten abhängigen Abstand (D) hervorruft. Daher eignen sich diese Systeme nur bedingt für Anwendungen in der Lasermaterialbearbeitung.
Beschreibung
Die Erfindung nutzt die Eigenschaft doppelbrechender optischer Elemente zur Strahlaufteilung, welche in 1 in einem System integriert dargestellt wird. Der einfallende Strahl, trifft zunächst auf eine λ/4-Platte (1), die zur Einstellung der Polarisationsanteile (s- und p-Polarisation) sowohl vor als auch hinter der Fokussiereinrichtung (2) positioniert werden kann. Mithilfe dieses optischen Elements lassen sich die Leistungsanteile der hinter dem doppelbrechenden Element (3) entstehenden Teilstrahlen steuern, was sowohl manuell als auch automatisiert während der Bearbeitung realisieren werden kann. Außerdem lassen sich hierzu auch andere optische Elemente nutzen, die Auswirkung auf die Polarisation von Licht haben wie z. B. Prismen, Spiegel usw. Die Fokussiereinrichtung besteht in der Regel aus einer Linsenkombination, um den Anteil der sphärischen Aberration gering zu halten. Jedoch kann dies auch mit sogenannten Grin-Gradienten-Index-Linsen oder Asphären oder deren Kombination erreicht werden. Anschließend trifft der eingekoppelte Strahl auf ein optisch doppelbrechendes Element, welches diesen in zwei linear polarisierte Teilstrahlen, die senkrecht zueinander stehen, aufteilt. Diese Anteile lassen sich je nach Ausrichtung der Eingangspolarisation zwischen „0% und 100%” steuern. Der Abstand (D) der Teilstrahlen zueinander lässt sich mit den materialbedingten Brechungsindizes n_e und n_a, der Dicke (d_k) sowie der Ausrichtung der Kristallachse des doppeltbrechenden Elements zum einfallenden Strahl beeinflussen, wobei letzteres variabel ausgeführt werden kann. Nicht für alle Applikationen ist es notwendig, die linear polarisierten Teilstrahlen zu zirkularen oder zu azimutalen Strahlen zu überführen. In der Präzisionsbearbeitung ist es jedoch von großem Vorteil, hierauf zurück greifen zu können, was mit der Anordnung (1a) umgesetzt wird. Das letzte funktional wesentliche Element, das in 1 dargestellt ist, betrifft die Strahlversatzanordnung. Diese wird genutzt, um die beiden Teilstrahlen symmetrisch zur Systemachse auszurichten. Auch diese Anordnung lässt sich aus verschieden optischen Elementen oder Elementen wie planparallele Platte, Keil, Doppelkeil, Prismen, Linsenkombination usw. realisieren. Dargestellt ist eine planparallele Platte, die abhängig von ihrem Kippwinkel (α), der Dicke (d_p) und des Brechungsindex (n) den Strahlversatz beeinflusst. Durch die variable Einstellung des Kippwinkels (α) lässt sich der Versatz stufenlos sowohl manuell als auch im Betrieb (automatisiert) bewerkstelligen. Rotieren die Elemente (3), (1a), und (4) um die Systemachse, beschreibt der Brennpunkt auf dem Werkstück eine Kreisbahn, die je nach Einstellung von Element (3) im Durchmesser variiert oder diese Durchmesser auf unterschiedlichen Kreisbahnen, abhängig vom Strahlversatz des Elements (4), bewegt. Der Antrieb kann sowohl extern als auch über einen Hohlwellenantrieb zentrisch aufgebaut werden. Die Einstellung bzw. das Nachführen der Fokuslage kann durch die lineare Bewegung der Fokussiereinrichtung in Achsrichtung erfolgen.
In 2 wurde unterhalb vom doppeltbrechenden Element (3) ein weiteres doppeltbrechendes Element (3a) hinzugefügt, dessen Funktion in 2a, 2b, und 2c dargestellt ist. Je nach Ausrichtung der Kristallachsen zueinander kann eine Addition, eine Subtraktion oder eine ver-2ⁿ-fachung der Teilstrahlung erreicht werden. Werden zwischen die doppeltbrechenden Elemente polarisationsabhängige Elemente wie (1) oder (1a) hinzugefügt, lassen sich die Leistungsanteile der einzelnen Teilstrahlungen steuern. Erweitert man das System mit weiteren doppelbrechenden Elementen (3b), (3c) usw., lassen sich 2ⁿ Teilstrahlen abhängig von der Kristallachsenanordnung zueinander realisieren. Gekoppelt mit der in 2 dargestellten Strahlversatzeinrichtung ist so eine Anzahl von „N” Teilstrahlen auf gleicher oder unterschiedlichen Kreisbahnen zu realisieren.
In der Darstellung 3 ist unterhalb der Strahlversatzeinrichtung (4) eine optische Einrichtung (6) zur Anwinkelung der einzelnen Teilstrahlen zu erkennen. Die Umsetzung wird ermöglicht durch Verwendung von optischen Keilen, Linsen, Linsenkombinationen, Prismen usw. Auch diese zusätzliche Funktion ist mit der in 2 beschriebenen funktionsweise kombinierbar. Mechanisch lässt sich eine variable Ausführung umsetzen, die sowohl manuell als auch automatisiert während der Bearbeitung einstellt werden kann. Hierdurch lassen sich konisch positive wie negative sowie zylindrische oder eine Kombination aller an Schnitt- oder Bohrwandgeometrien herstellen. Dies wird möglich, da sich die genannten Parameter auch während der Bearbeitung variieren lassen.
4, zeigt ein System, bei dem alle zuvor beschriebenen Funktionen weiterhin realisiert werden können. Bei diesem System wurde die Fokussiereinrichtung (2) als letztes Element eingefügt. Durch diese Anordnung lassen sich Systeme realisieren, die mit sehr kurzbrennweitigen Fokussierungseinrichtungen (2) ausgestattet sind, was für bestimmte Applikationen von großem Interesse ist. Durch die lineare Verschiebung der Fokussiereinrichtung (2) ist es möglich, nicht nur die Fokuslage sondern auch den Anstellwinkel zu beeinflussen.
5 zeigt eine Ausführung die aufbauend auf 2 eine weitere Möglichkeit der Strahlaufteilung liefert. Im Unterschied zu 2 wurden hier das doppelbrechende Element (3a) in zwei doppelbrechende Elemente (3a) und (3b) unterteilt. Jedes dieser Elemente ist für einen Teilstrahl des doppelbrechenden Elements (3) zuständig und erzeugt unter einer Verdrehung von 90° zum doppelbrechenden Element (3) eine Verdopplung der Teilstrahlen im exakten Verdrehungswinkel (in Y-Richtung). Wie rechts von 5 in Kreisen dargestellt ist, wird somit eine genaue Ausrichtung der Teilstrahlen möglich, die auch alle andere Winkelpositionen je nach Ausrichtung einnehmen kann. Dadurch lassen sich vielfältige Muster, aber auch präzise lineare Fokusverteilungen realisieren. Im Nachgang treffen die Strahlen nun auf zwei Strahlversatzeinrichtungen (4) und (4a) die 90° zueinander verdreht sind und jeweils für eine Verschiebung in lineare Richtung (X- und Y-Richtung) sorgen. Die Teilstrahlen werden mit dieser neuen Vorrichtung auf einer Kreisbahn angeordnet, deren Mittelpunkt mit der Systemachse deckungsgleich ist. Ebenso lässt sich diese Anordnung der Teilstrahlen mit einer Strahlversatzeinrichtung (4b) umsetzen, indem – wie auf der rechten Seite von 5 gezeigt – diese Strahlversatzeinrichtung (4b) um 45° zur X-, Y-Ausrichtung gedreht wird. Bei Verkippung der Strahlversatzeinrichtung (4b) werden Teilstrahlen diagonal zur Kreisbahn geführt. Wird die Vorrichtung mit den beschriebenen Elementen nun in Rotation versetzt, bewegen sich die Brennpunkte der Teilstrahlen exakt auf der eingestellten Kreisbahn, dessen Mittelpunkt nicht zwingend mit der Systemachse übereinstimmen muss. Zur Vereinfachung wurde auf die Darstellung der Strahlanstellung (6), wie in 3, und die Verlegung der Fokussiereinheit (2), wie in 4, verzichtet, die jedoch – wie oben beschrieben – eine zusätzliche Umsetzungsmöglichkeit bietet.
6 zeigt eine Anordnung, bei der die Strahlaufteilung mit einem DOE (7) (diffraktives optisches Element) ausgeführt wurde. Zur Effizienzsteigerung wurde sowohl die „0”-Ordnung (Mittenstrahl) als auch die Aufteilung in ein ungradzahliges Vielfaches (N > 4) zugelassen. Ein Fokussiereinrichtung (2) ist nicht zwingend, verbessert jedoch die Abbildung. Wird das DOE (7) in Rotation versetzt, bewegen sich alle Teilstrahlen um ihre Drehachse. Eine Anwinkelung der Teilstrahlen kann entweder mit der in 3 dargestellten Elementen (6) oder mit dem DOE (7) selbst vorgenommen werden. Eine Verstellung des Anstellwinkels lässt sich wie unter 3 beschrieben mit Element (6) oder durch auswechseln des DOE (7) vornehmen.
Anwendungen für dieses System identifizieren sich bei der Lasermaterialbearbeitung. Hier kann durch die Erfindung die Bearbeitungszeit verringert sowie die Präzision der Bearbeitung beim Abtragen, Kontur schneiden sowie beim Bohren von winkeligen Schnittkanten, Formbohrungen und rechtwinkeligen Ausarbeitungen deutlich erhöht werden. Durch die Leistungssteuerung der einzelnen Teilstrahlen lassen sich auch Schweißapplikationen mit integrierter Schweißnaht-Nachbehandlung umsetzen. Ebenso lassen sich so auch Schnittfugen- und Bohrloch-Nachbehandlungen sowie Glättungen in einem Arbeitsgang realisieren. Durch die geometrisch getrennten und zeitlich versetzten Strahlen, die durch die Motordrehzahl sowie die Elemente (3), (3a), (4) und (6) beeinflussbar sind, lassen sich Applikationen mit Doppelpuls Anwendungen umsetzen.
Des weiteren ist es möglich, mit diesem Aufbau eine Prozessgasdüse in den Strahlengang einzufügen, die dafür Sorge trägt, dass das prozessunterstützende Arbeitsgas in Systemachsrichtung direkt zur Bearbeitungsstelle geführt wird und so eine weitere Unterstützung der Applikation und damit eine Prozessgeschwindigkeitserhöhung realisiert werden kann. Außerdem lassen sich über diese Art der Prozessgaseinbringung die Verbrauchskosten und damit die Prozesskosten reduzieren.
Bezugszeichenliste

1, 1a: Polarisationsbeeinflussende optische Elemente
2: Fokussieroptik
3, 3a: doppelbrechendes optisches Element
4, 4a, 4b: Strahlversatzeinrichtung
5: Bearbeitungsbahn
6: variabler Keil
7: DOE (diffraktive optische Elemente)
α: Verkippungswinkel der Strahlversatzeinrichtung (4)
β: Verkippungswinkel des variablen Keils (6)
δ: Winkeleinstellung des Keils (6)
d_k: Dicke des doppelbrechenden optischen Elements (3), (3a)
d_p: Dicke der Strahlversatzeinrichtung (4)
D: Abstand der Teilstrahlen
D₁: Abstand der Teilstrahlen nach erstem doppelbrechenden optischen Element
D₂: Abstand der Teilstrahlen nach zweitem doppelbrechenden optischen Element

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

EP 2008/053042 [0004]
DE 10054853 A1 [0005]
DE 10105346 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Einbringen von Strukturen in beliebige Werkstoffe mit Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mittels eines doppelbrechenden Kristalls in „N” Teilstrahlen aufgeteilt wird und mit einer hohen Rotationsgeschwindigkeit, und damit Umfangsgeschwindigkeit, unter einer taumelnden bzw. rotierenden Bewegung unter einem Winkel um die Systemachse der Fokussieroptik bewegt auf das Werkstück fokussiert wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch für mehrere parallel und nicht parallel geführte Laserstrahlen gleichzeitig genutzt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Puls-zu Puls-Überlapp und/oder die Rotationsgeschwindigkeit, und/oder die Repetitionsrate des Lasers und/oder die Verkippung der planparallelen Platte (4) bzw. deren Dicke (d_p) sowie Brechzahl (n) eingestellt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der einfallende Laserstrahl mittels eines doppelbrechenden Kristalls aufgespalten und über die Dicke (d_k) und den Brechungsindex (n_e) und (n_a) und der Ausrichtung der Kristallachse des doppelbrechenden Kristalls der Abstand (D) eingestellt wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass „N” doppelbrechenden Kristallen mit der Dicke (d_k) so hintereinander angeordnet sind, dass sich eine Vergrößerung bzw. eine Verkleinerung des Abstands (D) und eine ver„N” Fachung der Teilstrahlen in unterschiedliche Muster und lineare Ausrichtungen ergibt.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch Drehung der optischen Komponenten um die Systemachse die gebündelten Strahlen auf dem Werkstück auftreffen und sich auf einer einstellbaren Kreisbahn bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auftreffwinkel der Teilstrahlen auf ein Werkstück durch Einfügen eines optischen Keils eingestellt wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bündelung der Strahlung vorgesehene Optik im Nachgang angeordnet ist.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufteilung in „N” Teilstrahlen anstelle eines doppelbrechenden Kristalls DOE (diffraktive optische Elemente) und oder HOE (holografisch optische Elemente) Verwendung finden.
Vorrichtung nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausrichtung der Polarisation λ/4- und/oder λ/2-Plättchen (1), (1a) in dem Strahlengang vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation des Laserstrahls oder der Teilstrahlen mittels λ/4- und/oder λ/2-Plättchen (1), (1a) ausgerichtet wird
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die taumelnde Bewegung des Laserstrahls um die optische Achse der Fokussieroptik in Kombination mit einer linearen Bewegung eine beliebige vorgewählte Strukturierung auf dem Werkstück entstehen kann durch Erzeugung von Gräben durch Abtrag, Formbohrungen oder Aufschmelzungen bzw. Aufschweißungen im Mikrobereich.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des variablen Keil (6) bezüglich der optischen Achse sowohl während der Rotation als auch im ruhenden Zustand verändert werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch geeignete Auswahl des Materials der optischen Komponenten unabhängig von der Wellenlänge vom ultravioletten bis in den nahen infraroten Bereich genutzt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung unabhängig von der Pulsdauer der Laserstrahlung genutzt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch für Laserstrahlung im Dauerstrichbetrieb genutzt werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Fokus auf dem Werkstück über die Verwendung bzw. über die Lage der Fokussieroptik beeinflusst werden kann.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung die Möglichkeit bietet, eine Gasatmosphäre in der Bearbeitungsebene zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kantenfestigkeit an den hergestellten Bohrungen und Schnitten durch die kombinierte Bewegung sowie die ausgewählten Laserparameter (Pulsdauer zwischen 100 fs und 100 ns, Wellenlänge zwischen 200 und 1600 nm) besonders bei spröden Materialien extrem hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 1–18 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch asynchrone Drehbewegungen ihrer einzelnen Komponenten eine inhomogene Strukturierung im Mikrometerbereich ermöglicht.
Vorrichtung zum Einbringen von Strukturen in beliebige Werkstoffe mit Laserstrahlung, mit einer im Betrieb rotierenden Strahlführungsoptik, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen optischen Strahlteiler zum Aufteilen des Laserstrahls in zwei oder mehr Teilstrahlen aufweist, wobei der optische Strahlteiler wenigstens einen doppelbrechenden Kristall aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Strahlteiler Teil der im Betrieb rotierenden Strahlführungsoptik ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Aufnahme für unterschiedliche optische Keile aufweist, so dass durch Einfügen eines optischen Keils die Teilstrahlen hinsichtlich ihres Auftreffwinkel eingestellt und auch während der Bearbeitung verstellt werden können.