DE102013021151B3

DE102013021151B3 - Verfahren und Anordnung zur passiven Kompensation thermischer Linsen in optischen Systemen

Info

Publication number: DE102013021151B3
Application number: DE102013021151.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Müller; Alexander Gatej
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2033-12-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zumindest teilweisen Kompensation der thermischen Linse in einer optischen Anordnung. Die daraus erhaltene optische Anordnung weist ein oder mehrere optische Elemente auf, in denen sich eine thermische Linse ausbildet. Im Strahlengang des Laserstrahls ist eine optische Kompensationsanordnung mit wenigstens einem optischen Kompensationselement angeordnet, das in einem Durchtrittsbereich der Laserstrahlung eine gegenüber wenigstens einem der optischen Elemente umgekehrte Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur aufweist. Der Durchmesser des Kompensationselementes ist dabei so gewählt, dass seine thermische Zeitkonstante im Durchtrittsbereich der des wenigstens einen optischen Elementes möglichst nahe kommt. Mit dem Verfahren und der daraus resultierenden optischen Anordnung lassen sich auch transiente Effekte bei Ausbildung einer thermischen Linse auf einfache Weise zumindest annähernd kompensieren.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung für Laserstrahlung mit einem oder mehreren optischen Elementen, in denen sich eine thermische Linse ausbildet, wobei im Strahlengang der Laserstrahlung eine optische Kompensationsanordnung mit wenigstens einem optischen Kompensationselement angeordnet ist, das in einem Durchtrittsbereich der Laserstrahlung eine gegenüber wenigstens einem der optischen Elemente umgekehrte Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur wenigstens teilweisen Kompensation einer thermischen Linse in einer optischen Anordnung für Laserstrahlung.
Bei der Laserbearbeitung mit gepulster oder cw-Laserstrahlung stehen aufgrund der ständigen Weiterentwicklung der Laserstrahlquellen immer höhere Laserleistungen bei gleichzeitig besserer Strahlqualität zur Verfügung. Eine verbesserte Strahlqualität ist gleichbedeutend mit geringeren Strahlquerschnitten und damit höheren Lasten auf den abbildenden optischen Linsensystemen zur Strahlführung und Strahlformung. Durch die hohen Laserleistungen bei gleichzeitig geringen Strahlquerschnitten entsteht auch bei Absorption nur eines Bruchteils der transmittierten Laserstrahlung ein inhomogenes Temperaturfeld im optischen Element, das neben mechanischen Änderungen, wie bspw. Dickenvariation, Krümmungsänderung, Verschiebungen und Spannungen, auch zu einer lokalen Änderung der Brecheigenschaften des Elementes und damit zur Ausbildung einer thermischen Linse führt. Als Folge des Erwärmungsprozesses ergibt sich eine zeitliche Änderung der Fokusposition bei der Laserbearbeitung, so dass die Vorteile aktueller Laserstrahlquellen im Bearbeitungsprozess nicht vollständig umgesetzt werden können. Neben dem dominanten Effekt der Fokusverschiebung entstehen auch weitere thermisch induzierte Abbildungsfehler (sog. Aberrationen), welche die Qualität des Fokus beeinflussen und damit Prozessfenster unnötig ausschöpfen.
Stand der Technik
Zur Reduzierung oder Kompensation der thermischen Linse in optischen Anordnungen sind drei unterschiedliche Ansätze bekannt: Eine Reduzierung durch geschicktes Optikdesign, eine aktive Kompensation durch bewegliche Komponenten in Verbindung mit komplexen Regelalgorithmen sowie die Verwendung kombinierter Materialien zur passiven Kompensation. Die aktive Kompensation durch Nutzung aktiver Komponenten, wie bspw. verschiebbaren Linsen oder Linsengruppen, ermöglicht je nach Anwendungsfall theoretisch eine vollständige Kompensation der thermischen Linse, ist gleichzeitig aber an komplexe Regelalgorithmen, Echtzeitmessungen und -auswertungen und kostenintensive Aktorik gebunden. Aufgrund der eingeschränkten Materialwahl für optische Komponenten im Hochleistungslaserbereich ist auch die passive Kompensation kaum verbreitet. Es wird vielmehr in vielen Anwendungen versucht, eine Reduzierung der thermischen Linse durch geschicktes Optikdesign zu erreichen.
Die US 8274743 B2 zeigt eine Möglichkeit zur passiven Kompensation der thermischen Linse in einer optischen Anordnung. Dabei wird ein Hochleistungslaser sowie eine Optik zur Kollimation der Laserstrahlung eingesetzt, die nur Materialien mit einer positiven Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur (dn/dT) aufweist. Die für die Fokussierung der Laserstrahlung eingesetzte Fokussieroptik beinhaltet mindestens ein optisches Element, das ein negatives dn/dT besitzt und damit eine Kompensation der thermischen Linse der anderen optischen Elemente ermöglicht. Dieses Kompensationselement ist jedoch Bestandteil der Fokussieroptik und kann damit nicht in andere Systeme integriert werden, ohne das optische Design zu verändern. Auch zeitliche Aspekte der Entstehung der thermischen Linse werden bei dieser Druckschrift nicht berücksichtigt.
In der EP 1168533 B1 wird ein Verfahren zur Kompensation thermisch optischer Effekte vorgeschlagen, bei dem wenigstens zwei unterschiedliche Materialien im Zusammenspiel verwendet werden. Dabei wird ein Temperaturprofil, das eine Kompensation über ein negatives dn/dT erreichen soll, über mechanischen Kontakt zu einem anderen Material und damit über Wärmeleitung eingeprägt. So erwärmt sich bspw. ein Glas mit positivem dn/dT und überträgt sein Temperaturprofil an eine Flüssigkeit mit negativem dn/dT durch direkten Kontakt. Damit soll sichergestellt werden, dass die Stärke der negativen thermischen Linse als auch das zeitliche Verhalten derselben sich in der gleichen Zeit ausbilden wie im Glasmaterial.
Die DE 19714175 B4 schlägt ein Verfahren zur Kompensation thermischer Linsen in einem Laserresonator vor. Bei dieser Anordnung wird ein Kompensationselement im Pumpstrahl vor einem Festkörper-Laser-Medium im Resonator angeordnet, um die Kompensation einer thermischen Linse im Lasermedium zu kompensieren. Auch bei dieser Anordnung werden jedoch zeitliche Effekte bei der Ausbildung der thermischen Linse nicht berücksichtigt.
In H. Zimmer et al., ”Beam delivery systems and processing heads for 1 μm high brightness laser cutting systems”, Proc. of SPIE, Vol. 8239, 2012, Seiten 82390V-1 bis 82390V-10, wird das Problem des zeitlichen Effektes bei der Ausbildung der thermischen Linse in einer optischen Anordnung angesprochen. Die Autoren kommen hierbei zu dem Schluss, dass ein Versuch der Kompensation dieses transienten zeitlichen Effektes nur Erfolg versprechend sein kann, wenn für das Kompensationselement ein Material gefunden wird, das eine vergleichbare thermische Relaxationszeit wie das zu kompensierende optische Element aufweist. Da dies in der Praxis kaum möglich ist, sehen sie keine Erfolg versprechende Kompensationsmöglichkeit für den zeitlichen Effekt und schlagen vor, das Problem der thermischen Linse durch Wahl optischer Komponenten mit niedriger Absorption und eines geeigneten Optikdesigns mit einer geringen Anzahl optischer Komponenten zu umgehen.
Die ältere Druckschrift DE 2012 108 214 A1 beschreibt eine Optik mit stabilisierter Fokuslage für Hochleistungslaser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Bei dieser Optik wird der Strahldurchmesser des Laserstrahls im Kompensationselement angepasst, um das thermische Einschwingverhalten des Kompensationselementes an das zu kompensierende optische Element anzupassen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur zumindest teilweisen Kompensation einer thermischen Linse in einer optischen Anordnung sowie eine zumindest teilweise entsprechend kompensierte optische Anordnung anzugeben, bei denen auch die zeitliche Komponente der Ausbildung der thermischen Linse zumindest annähernd kompensiert wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der optischen Anordnung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Anordnung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine optische Kompensationsanordnung mit wenigstens einem optischen Kompensationselement in den Strahlengang der Laserstrahlung der zu kompensierenden optischen Anordnung eingebracht, das in einem Durchtrittsbereich der Laserstrahlung eine gegenüber wenigstens einem der optischen Elemente der optischen Anordnung umgekehrte Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur (dn/dT) aufweist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Durchmesser des Kompensationselementes so gewählt wird, dass seine thermische Zeitkonstante im Durchtrittsbereich der des wenigstens einen optischen Elementes möglichst nahe kommt, so dass diese thermischen Zeitkonstanten zumindest annähernd übereinstimmen. Unter dem Durchmesser des Kompensationselementes ist dabei seine laterale Ausdehnung zu verstehen, die im Gegensatz zur Dicke des Kompensationselementes keinen Einfluss auf die Länge des Strahlweges des Lasers in dem Element hat. Die damit erhaltene optische Anordnung weist entsprechend ein oder mehrere optische Elemente auf, in denen sich bei erhöhter Laserleistung eine thermische Linse ausbildet. Im Strahlengang des Laserstrahls ist eine optische Kompensationsanordnung mit wenigstens einem optischen Kompensationselement angeordnet, das in einem Durchtrittsbereich der Laserstrahlung eine gegenüber wenigstens einem der optischen Elemente umgekehrte Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur aufweist. Der Durchmesser des Kompensationselementes ist so gewählt, dass seine thermische Zeitkonstante im Durchtrittsbereich der des wenigstens einen optischen Elementes möglichst nahe kommt.
Der Grundgedanke des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Anordnung besteht somit in der Integration eines Kompensationsmoduls bzw. einer Kompensationsanordnung in ein zu kompensierendes optisches System, die aufgrund der Materialwahl und Dimensionen durch Absorption und Wärmeleitung ein von den anderen optischen Elementen der optischen Anordnung unabhängiges Temperaturprofil erzeugt, das sowohl in seiner Stärke als auch in seinem zeitlichen Verlauf auf das bestehende optische System abgestimmt ist und dessen thermische Linse durch die zusätzlich eingebrachten Materialeigenschaften die thermische Linse des optischen Systems zumindest annähernd kompensiert. Die Anpassung an den zeitlichen Verlauf bei der Entstehung der thermischen Linse erfolgt dabei durch geeignete Wahl des Durchmessers des einen oder der mehreren Kompensationselemente der Kompensationsanordnung, über den die thermische Zeitkonstante jedes Kompensationselementes im Durchtrittsbereich der Laserstrahlung an die thermische Zeitkonstante des jeweils zu kompensierenden optischen Elementes angepasst wird. Hierbei wird ausgenutzt, dass diese thermische Zeitkonstante für die Erwärmung des Kompensationselementes durch dessen Durchmesser beeinflusst werden kann.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung ist es damit über die geeignete Einstellung des Durchmessers des einen oder der mehreren Kompensationselemente in der Kompensationsanordnung möglich, auch das transiente Verhalten bei der Ausbildung der thermischen Linse im Rahmen der Kompensation zu berücksichtigen, ohne hierfür Materialien mit gleichen thermischen Zeitkonstanten bei gleichen geometrischen Bedingungen finden zu müssen. Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen somit auf einfache Weise auch eine zumindest teilweise Kompensation der thermischen Linse bei transientem Verhalten.
Die optische Anordnung weist in der Regel eine Fokussieroptik und/oder eine Kollimationsoptik für den Laserstrahl auf, die durch das eine oder die mehreren optischen Elemente gebildet sind. Vorzugsweise wird die optische Kompensationsanordnung dabei in einem Abschnitt des Strahlenganges des Laserstrahls eingesetzt, in dem der Laserstrahl vor Ausbildung der thermischen Linse, d. h. in noch kaltem Zustand der optischen Elemente oder bei niedriger Laserleistung, zumindest annähernd kollimiert ist. Vorzugsweise wird die Kompensationsanordnung dabei derart gewählt, dass sie das Nominaldesign der optischen Anordnung unverändert lässt, d. h. dass der Laserstrahl auch nach Durchgang durch die Kompensationsanordnung zumindest annähernd kollimiert bleibt. Dies ermöglicht den Einsatz der Kompensationsanordnung bei bereits bestehenden optischen Systemen, ohne das optische Design dieser Systeme verändern zu müssen. Damit wird eine modulare passive Kompensationstechnik für thermische Linsen in optischen Systemen bereitgestellt, die sich bei unterschiedlichsten Systemen mit einem abschnittsweise zumindest annähernd kollimierten Strahlengang einsetzten lässt, ohne das optische Design des jeweiligen Systems zu ändern. Unter einem zumindest annähernd kollimierten Laserstrahl bzw. Strahlengang ist hierbei zu verstehen, dass eine eventuelle leichte Aufweitung oder leichte Konvergenz des Laserstrahls auf dem betrachteten Strahlabschnitt nicht signifikant ist, d. h. eine Abweichung gegenüber einem ideal kollimierten Strahl von ≤ 5° auftritt.
Bei mehreren optischen Komponenten in der optischen Anordnung, bei denen wenigstens zwei der optischen Komponenten aus unterschiedlichem Material bestehen oder unterschiedliche geometrische Dimensionen aufweisen, kann für jedes dieser optischen Elemente ein separates Kompensationselement vorgesehen sein, das auf dieses optische Element abgestimmt ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, lediglich das optische Element zu kompensieren, das den größten Effekt einer thermischen Linse aufweist. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, ein einzelnes gemeinsames Kompensationselement für mehrere optische Elemente einzusetzen, die dann eine gleiche oder möglichst ähnliche thermische Zeitkonstante aufweisen sollten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden als Kompensationselemente eine oder mehrere planparallele Platten eingesetzt, die im nicht aufgeheizten Zustand keinen Einfluss auf die Strahlformung in der optischen Anordnung haben. Diese Platten sind vorzugsweise mit ihrer Flächennormalen gegenüber der Strahlachse des durchtretenden Laserstrahls verkippt, um keine störenden Effekte durch Rückreflexionen in der optischen Anordnung zu erzeugen. Die Kompensationsanordnung kann selbstverständlich auch aus anderen optischen Komponenten gebildet, bspw. als Linsenteleskop ausgeführt sein.
Je nach Materialwahl für das Kompensationselement sowie der thermischen Zeitkonstante des zu kompensierenden optischen Elementes kann der Durchmesser des Kompensationselementes relativ groß ausfallen. Der Durchmesser kann reduziert werden, indem das Kompensationselement aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gebildet wird, von denen das erste Material zumindest den Durchtrittsbereich des Kompensationselementes und das zweite Material den Randbereich bildet. Das zweite Material wird dabei so gewählt, dass es einen geringeren Wärmeleitungskoeffizienten als das erste Material aufweist. Auf diese Weise kann eine bestimmte thermische Zeitkonstante bereits bei geringerem Durchmesser des Kompensationselementes erhalten werden. Die Materialwahl für das zweite Material ist dabei relativ frei, da dieses weder optisch transparent sein noch ein bestimmtes dn/dT aufweisen muss. Lediglich der thermische Ausdehnungskoeffizient der beiden Materialien sollte ähnlich sein, um mechanische Verspannungen oder ein Ablösen an der Kontaktfläche beider Materialien zu vermeiden.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft bei Laserbearbeitungsprozessen, wie bspw. dem Laserstrahllöten, dem Laserstrahlschweißen, dem Laserstrahlauftragsschweißen, dem Laserstrahlpolieren, dem Laserstrahlschneiden oder dem Laserstrahlsintern einsetzen. Es kann auch zur Verbesserung koaxialer Prozessbeobachtung bei Hochleistungslaseranwendungen zum Einsatz kommen. Die entsprechende optische Anordnung ist daher vorzugsweise als Bearbeitungsoptik zur Laserbearbeitung von Werkstoffen ausgebildet. Das Verfahren und die Anordnung ermöglichen dabei sowohl eine stationäre als auch eine transiente passive Kompensation der thermischen Fokusverschiebung in der Bearbeitungsebene dieser Anwendungen. Das Verfahren und die optische Anordnung jedoch nicht auf derartige Anwendungen begrenzt, sondern können auch in anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, in denen eine thermische Linse zumindest teilweise kompensiert werden soll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die optische Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Beispiel für eine vorgeschlagene optische Anordnung mit kompensierter thermischer Linse;
2 ein zweites Beispiel für eine vorgeschlagene optische Anordnung mit kompensierter thermischer Linse;
3 ein drittes Beispiel für eine vorgeschlagene optische Anordnung mit kompensierter thermischer Linse; und
4 ein Diagramm, das die simulierte Fokusverschiebung bei unterschiedlichen Laserleistungen bei der Anordnung der 3 zeigt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt ein erstes Beispiel der vorgeschlagenen Anordnung, bei der als Kompensationselemente 8 der Kompensationsanordnung 4 zwei planparallele Platten eingesetzt werden. Bei dieser Anordnung tritt ein Laserstrahl 3 eines Lasers 6 aus einer Glasfaser 1 aus, wird durch ein Objektiv 2 kollimiert und durch ein weiteres Objektiv 5 auf eine Bearbeitungsebene 7 fokussiert. Der Laserstrahl 3 tritt allerdings aus dem Objektiv 2 real mit einem von der Parallelität minimal abweichenden Winkel aus. Die Winkeländerung wird durch die thermooptischen Eigenschaften der Materialien im Objektiv 2 hervorgerufen. Durch Absorption eines geringen Anteils der Laserleistung und durch Wärmeleitung des Materials bildet sich ein Temperaturfeld aus. Über den materialspezifisch thermooptischen Koeffizienten dn/dT wird die Änderung der Brechzahl mit der Temperatur beschrieben. Mit dem Temperaturfeld verbunden, entsteht somit ein Brechzahlfeld, wodurch der Laserstrahl 3 nicht mehr linear sondern entlang einer gekrümmten Bahn propagiert. Nach Durchlaufen des Objektivs 2 treten damit einige Strahlen unter einem vom nominellen, kalten Zustand abweichenden Winkel aus dem Objektiv 2 aus und induzieren damit sowohl eine Fokusverschiebung aus der Bearbeitungsebene als auch weitere Bildfehler.
Zur Kompensation dieser thermischen Linsen, die sowohl in der Kollimationsoptik, d. h. dem Objektiv 2, als auch in der Fokussieroptik, d. h. dem Objektiv 5, auftreten, wird eine passive Kompensationsanordnung 4 in den Strahlengang integriert. Diese Kompensationsanordnung 4 wird in den Abschnitt des Strahlenganges integriert, der vor Ausbildung der thermischen Linse annähernd kollimiert ist.
Die Stärke der Kompensation wird maßgeblich durch die Dicke der Kompensationselemente 8 beeinflusst, während das zeitliche Verhalten hauptsächlich über den Durchmesser dieser Kompensationselemente 8 definiert wird. Durch Anpassung dieser Freiheitsgrade können damit die thermischen Effekte in der optischen Anordnung sowohl stationär als auch transient kompensiert werden. Die beiden Kompensationselemente können hierbei selbstverständlich sowohl aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein als auch unterschiedliche Dicken und unterschiedliche Durchmesser aufweisen, falls jedes dieser Elemente ein optisches Element aus einem anderen Material bzw. mit einer anderen thermischen Zeitkonstante kompensieren soll.
Der Laserstrahl 3 passiert die passive Kompensationsanordnung 4 und tritt daraus aufgrund der Erwärmungseffekte ebenfalls mit geänderten Winkeln aus. Diese Winkel sind in ihrer Größe so bemessen, dass die Winkelfehler des vorangegangenen Objektivs 2 und des nachfolgenden Objektivs 5 integrativ kompensiert werden. In kaltem Zustand hat die passive Kompensationsanordnung 4 durch die vorliegende Wahl aus planparallelen Platten keinen nominellen Einfluss auf den Strahlengang. Durch Erwärmung der beiden Kompensationselemente 8 mit steigender Laserleistung erzeugen diese eine passive Kompensation auftretender Winkelfehler und beeinflussen damit den Strahlengang. Das Material der beiden planparallelen Platten wird dabei so gewählt, dass ihr dn/dT das umgekehrte Vorzeichen als das der zu kompensierenden optischen Elemente, d. h. der Objektive 2 und 5, aufweist. Bei Hochleistungslaseranwendungen bestehen die optischen Elemente häufig aus Quarzglas, das in der Regel ein positives dn/dT aufweist. Damit muss für die Kompensationselemente 8 ein Material mit einem negativen Koeffizienten dn/dT gewählt werden. Je nach Leistungsklasse lässt sich hierfür eine Vielzahl von Materialen finden. Die Anpassung der thermischen Zeitkonstante der beiden Kompensationselemente 8 an die zu kompensierenden Objektive 2 und 5 erfolgt über geeignete Wahl des Durchmessers der Kompensationselemente 8. Damit lassen sich auch die transienten Effekte beim Aufbau der thermischen Linsen geeignet kompensieren.
Die beiden als planparallele Platten ausgebildeten Kompensationselemente 8 sind im vorliegenden Beispiel zur Minimierung von Reflexionen in die optische Anordnung gegenüber der optischen Achse der Anordnung bzw. der Laserstrahlachse verkippt, wie dies in der Figur dargestellt ist. Dadurch werden Reflexionen von den Planplatten in den Laser zurück minimiert, die insbesondere zu einer Beschädigung des Lasers führen könnten. Durch die Wahl von zwei getrennten Planplatten gleicher Dicke und Brechkraft, die um den gleichen Winkel, aber in entgegengesetzte Richtung gegenüber der Laserstrahlachse verkippt sind, kann der durch die Verkippung erzeugte Strahlversatz wieder kompensiert werden. Bei Planplatten unterschiedlicher Brechkraft und/oder Dicke kann der Strahlversatz über die unterschiedliche Einstellung der beiden Kippwinkel kompensiert werden. Eine derartige Kompensation ist auch bei Verwendung von mehr als zwei gekippt angeordneten Planplatten möglich.
2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der optischen Anordnung zur Kompensation der sich in der optischen Anordnung ausbildenden thermischen Linse. In diesem Beispiel, bei dem die optische Anordnung wiederum einen Laser 6, eine Glasfaser 1 sowie ein kollimierendes Objektiv 2 und ein fokussierendes Objektiv 5 umfasst, wird in der Kompensationsanordnung 4 eine einzelne planparallele Platte als Kompensationselement 8 eingesetzt. Das Kompensationselement 8 besteht in diesem Beispiel aus zwei unterschiedlichen Materialien. Im Durchtrittsbereich der Laserstrahlung, d. h. im zentralen bzw. inneren Bereich 9, besteht das Kompensationselement 8 aus einem ersten Material. Dieser innere kreisförmige Bereich 9 ist von einem ringförmigen äußeren Bereich 10 aus einem zweiten Material umgeben, wie dies in der 2 im Querschnitt schematisch dargestellt ist. Das Material des inneren Bereiches 9 ist dabei so gewählt, dass sein dn/dT ein umgekehrtes Vorzeichen wie das dn/dT der zu kompensierenden Objektive 2, 5 aufweist. Das zweite Material des äußeren Bereiches 10 weist demgegenüber einen deutlich geringeren Wärmeleitungskoeffizienten auf, so dass der Gesamtdurchmesser des Kompensationselementes 8 geringer ausfallen kann als bei Ausbildung aus nur dem inneren Material. Die Wahl des Durchmessers erfolgt dabei jedoch wiederum unter Berücksichtigung der beiden Materialien derart, dass die thermische Zeitkonstante dieses Elementes möglichst nahe an der thermischen Zeitkonstante der zu kompensierenden Objektive 2, 5 liegt. Diese Ausgestaltung bietet sich vor allem in Fällen an, in denen der Durchmesser eines Kompensationselementes aus nur einem Material sehr groß gewählt werden müsste, um die gewünschte thermische Zeitkonstante zu erreichen.
3 zeigt schließlich noch ein Beispiel, bei dem lediglich die thermische Linse einer aus zwei Quarzlinsen 11, 12 gebildeten Fokussieroptik kompensiert werden soll. Hierbei ist vor der Fokussieroptik ein Kompensationselement 8 aus einer planparallelen Platte im kollimierten Strahlengang des Laserstrahls 3 angeordnet. Die beiden Quarzlinsen 11, 12 weisen hierbei einen Durchmesser von 1 Zoll auf und bestehen aus Quarzglas mit einem positiven dn/dT. Das Kompensationselement 8 wird aus CaF₂ gewählt, das ein entsprechend negatives dn/dT aufweist. Die Dicke des Kompensationselementes 8 ist hierbei so angepasst, dass die in den beiden Quarzlinsen 11, 12 entstehende thermische Linse zumindest annähernd durch die planparallele Platte kompensiert wird. Zur Anpassung der thermischen Zeitkonstante wird die Platte in diesem Beispiel mit einem Durchmesser von 3 Zoll gewählt. Dieser große Durchmesser ergibt sich aufgrund der hohen Wärmeleitung von CaF₂ im Vergleich zu Quarzglas. In einer Simulation lässt sich zeigen, dass durch dieses Kompensationselement 8 die in der Fokussieroptik entstehende thermische Linse nahezu perfekt kompensiert werden kann. Bei Laserleistungen von bis zu 8 kW ergibt sich eine Fokusverschiebung von wenigen Mikrometern, die in diesem Fall normiert weniger als einer hundertstel Rayleighlänge entspricht. Zum Vergleich produzieren übliche Quarzsysteme heute bereits bei einigen 100 W eine Fokusverschiebung von 0,5 bis 1,5 Rayleighlängen. 4 zeigt hierzu das Ergebnis der Simulation, aus dem die geringe Fokusverschiebung dieser Anordnung bei unterschiedlichen Laserleistungen ersichtlich ist.
Der geeignete Durchmesser des Kompensationselementes kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen optischen Anordnung basierend auf dem Newtonschen Abkühlungsgesetz
berechnet werden. ΔT_max ist hierbei der maximale Temperaturanstieg, t_x der zu untersuchende Zeitpunkt und τ die thermische Zeitkonstante. Die Zahl 3 im Exponenten resultiert in T(t_x = τ) ≈ 95% T_max. Es werden also zum Zeitpunkt t_x = τ in etwa 95% des maximalen Temperaturanstiegs erreicht, so dass dies als nahezu stationärer Zustand angesehen werden kann. Die Zeitkonstante τ lässt sich mit der folgenden Formel auch analytisch für unterschiedliche Materialien mit gleicher Geometrie abschätzen, sobald für einen Fall eine thermische Simulation durchgeführt wurde und damit der Parameter P[mm²] für die aktuelle Geometrie bestimmt werden kann:
Dabei ist c_p die spezifische Wärmekapazität ρ die Dichte und κ die Wärmeleitung des jeweiligen Materials. Insgesamt ergibt der Quotient die Inverse der Temperaturleitfähigkeit. Dadurch wird ermöglicht, ohne weitere thermische Simulationen abzuschätzen, ob ein anderes Material, unter nahezu gleichen geometrischen Randbedingungen, eine thermische Zeitkonstante aufweist, die dem zu kompensierenden Element nahekommt. Lässt sich kein entsprechendes Material finden, so wird eine geometrische Anpassung notwendig und damit einhergehend auch eine erneute thermische Simulation.
Bezugszeichenliste

1: Glasfaser
2: Objektiv zur Kollimierung
3: Laserstrahl
4: Kompensationsanordnung
5: Objektiv zur Fokussierung
6: Laser
7: Bearbeitungsebene
8: Kompensationselement
9: innerer Bereich bzw. Durchtrittsbereich
10: äußerer Bereich
11: Quarzlinse
12: Quarzlinse

Claims

Optische Anordnung für Laserstrahlung mit einem oder mehreren optischen Elementen (2, 5, 11, 12), in denen sich eine thermische Linse ausbildet, wobei im Strahlengang der Laserstrahlung (3) eine optische Kompensationsanordnung (4) mit wenigstens einem optischen Kompensationselement (8) angeordnet ist, das in einem Durchtrittsbereich der Laserstrahlung (3) eine gegenüber wenigstens einem der optischen Elemente (2, 5, 11, 12) umgekehrte Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kompensationselementes (8) so gewählt ist, dass seine thermische Zeitkonstante im Durchtrittsbereich der des wenigstens einen optischen Elementes (2, 5, 11, 12) möglichst nahe kommt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren optischen Elemente (2, 5, 11, 12) Bestandteil einer Fokussieroptik und/oder einer Kollimationsoptik für die Laserstrahlung (3) sind und die optische Kompensationsanordnung (4) in einem Abschnitt des Strahlenganges der Laserstrahlung (3) angeordnet ist, in dem die Laserstrahlung (3) vor Ausbildung der thermischen Linse zumindest annähernd kollimiert ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsanordnung (4) derart ausgebildet ist, dass die Laserstrahlung (3) nach Durchgang durch die Kompensationsanordnung (4) zumindest annähernd kollimiert bleibt.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der optischen Elemente (2, 5, 11, 12) unterschiedliche thermische Zeitkonstanten aufweisen und die Kompensationsanordnung (4) für jedes der optischen Elemente (2, 5, 11, 12) mit unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten ein separates Kompensationselement (8) aufweist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsanordnung (4) eine oder mehrere planparallele Platten als Kompensationselemente (8) aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren planparallelen Platten zur optischen Achse der optischen Anordnung verkippt sind, um Rückreflexionen auf der optischen Achse zu vermeiden.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (8) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gebildet ist, von denen das erste Material einen inneren Bereich (9) des Kompensationselementes (8) und das zweite Material einen Randbereich (10) bildet, wobei das zweite Material einen geringeren Wärmeleitungskoeffizienten als das erste Material aufweist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die als Bearbeitungsoptik zur Laserbearbeitung von Werkstoffen ausgebildet ist.
Verfahren zur wenigstens teilweisen Kompensation einer thermischen Linse in einer optischen Anordnung für Laserstrahlung, die ein oder mehrere optische Elemente (2, 5, 11, 12) aufweist, in denen sich die thermische Linse ausbildet, wobei in den Strahlengang der Laserstrahlung (3) eine optische Kompensationsanordnung (4) mit wenigstens einem optischen Kompensationselement (8) eingebracht wird, das in einem Durchtrittsbereich der Laserstrahlung (3) eine gegenüber wenigstens einem der optischen Elemente (2, 5, 11, 12) umgekehrte Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kompensationselementes (8) so gewählt wird, dass seine thermische Zeitkonstante im Durchtrittsbereich der des wenigstens einen optischen Elementes (2, 5, 11, 12) möglichst nahe kommt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Kompensationsanordnung (4) in einen Abschnitt des Strahlenganges der Laserstrahlung (3) eingebracht wird, in dem die Laserstrahlung (3) vor Ausbildung der thermischen Linse zumindest annähernd kollimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsanordnung (4) derart gewählt wird, dass die Laserstrahlung (3) nach Durchgang durch die Kompensationsanordnung (4) zumindest annähernd kollimiert bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (8) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gewählt wird, von denen das erste Material einen inneren Bereich (9) des Kompensationselementes (8) und das zweite Material einen äußeren Bereich (10) bildet, wobei das zweite Material einen geringeren Wärmeleitungskoeffizienten als das erste Material aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 zur Kompensation der thermischen Linse in einer Bearbeitungsoptik zur Laserbearbeitung von Werkstoffen.