DE102015108248B4

DE102015108248B4 - System für Lasermaterialbearbeitung und Verfahren zum Einstellen der Größe und Position eines Laserfokus

Info

Publication number: DE102015108248B4
Application number: DE102015108248.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Becker; Sebastian Thunich; Martin Valentin
Original assignee: Scanlab GmbH
Current assignee: Scanlab De GmbH
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN107666981B; DE102015108248A1; WO2016188803A1; JP6644377B2; JP2018516756A; US20180154481A1; US10717152B2; CN107666981A

Abstract

System für Lasermaterialbearbeitung, umfassend:- eine Kollimationsoptik (K) mit einer Gesamtkollimationsbrennweite (fK), bestehend aus- einer Strahlzuführung (Z) für divergente Strahlen (D),- einer ersten optischen Vorrichtung (L1) mit positiver Brennweite (f1), und- einer zweiten optischen Vorrichtung (L2) mit negativer Brennweite (f2),wobei die divergenten Strahlen (D) zuerst die erste optische Vorrichtung (L1) und danach die zweite optische Vorrichtung (L2) durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung (L2) kollimiert verlassen,- eine dritte optische Vorrichtung (O) mit einer positiven Brennweite (fO), wobei die dritte optische Vorrichtung (O) der Kollimationsoptik (K) nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik (K) kollimiert austretenden Strahlen (P) auf einen Fokus (F) bündelt, und- ein Stellelement (A2) zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang einer Strahlausbreitungsrichtung (R),wobei ein mittlerer Strahlweg (d2) zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und einer objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung (O) so gewählt ist, dass eine Größe (g) des Fokus (F) bei Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) mittels des Stellelements (A2) im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung (L2) und die dritte optische Vorrichtung (O) derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden, undwobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer bildseitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (O) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Gesamtkollimationsbrennweite (fK).

Description

Die Erfindung betrifft ein System für Lasermaterialbearbeitung und ein Verfahren zum Einstellen einer Größe und einer Position eines Fokus entlang einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung.
Laser werden für die Materialbearbeitung, z.B. zum Schweißen und Schneiden, in gro-ßem Umfang eingesetzt.
Dafür muss der Laserstrahl über das Werkstück geführt werden. Dies kann erfolgen, indem ein Bearbeitungskopf relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Dabei sind die Bewegungs- und somit auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit durch die Masse des Bearbeitungskopfs oder die Masse des Werkstücks limitiert. Eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht man mit Bearbeitungsköpfen mit beweglichen optischen Ablenkeinheiten, z.B. drehbaren Spiegeln, mittels derer der Laserstrahl über das Werkstück geführt wird. Derartige Systeme werden als Scansysteme bezeichnet.
Ein derartiges Scansystem kann auch von einem Roboter geführt werden. Durch diesen erfolgt dann eine grobe Positionierung. Das Scansystem, das deutlich dynamischer ist als der Roboter, übernimmt die schnelle und präzise Feinpositionierung des Fokus.
Bei derartigen Scansystemen besteht die Anforderung, die Position und die Größe des Fokus während der Bearbeitung vollständig unter Kontrolle zu haben. So kann es beispielsweise erwünscht sein, dass die Größe des Fokus, gegeben zum Beispiel durch seinen Durchmesser, unabhängig von der angesteuerten Fokusposition im gesamten Arbeitsbereich des Scansystems konstant ist. Des Weiteren kann es beispielsweise erwünscht sein, die Fokusgröße gezielt, je nach Anforderungen der Bearbeitung, verändern zu können.
Aus der DE 10 2005 033 605 A1 ist ein Laserscanner für Schweißverfahren bekannt, bei dem ein divergenter Laserstrahl durch eine Sammellinse leicht konvergent gemacht wird. Der leicht konvergente Laserstrahl wird auf eine Konkavlinse gerichtet, die bewirkt, dass der Laserstrahl divergent wird. Anschließend wird der Laserstrahl auf eine zweilinsige Abbildungsoptik gerichtet, die den Laserstrahl auf einen Fokuspunkt auf einem Werkstück fokussiert. Der Arbeitsabstand des Fokuspunktes kann durch Bewegen der Konkavlinse entlang der optischen Achse eingestellt werden.
Aus der DE 10 2011 117 607 A1 ist eine Optik für Laserstrahlen mit einstellbarem Fokusdurchmesser bekannt, bei dem einer Strahlquelle ein Kollimations-Objektiv nachgeordnet ist. Zur Abbildung des kollimierten Strahls in einen Strahlfokus ist dem Kollimations-Objektiv ein Fokussier-Objektiv nachgeordnet. Das Kollimations-Objektiv ist aus drei Linsengruppen zusammengesetzt, wobei eine zweite Linsengruppe mit einer negativen Brennweite axial verschiebbar zwischen einer ersten Linsengruppen mit positiver Brennweite und einer dritten Linsengruppe mit positiver Brennweite angeordnet ist.
Als weiterer Stand der Technik sind z.B. die EP 1 688 209 A2 , die DE 10 2008 048 502 A1 und die DE 20 2010 006 047 U1 zu nennen.
Bei derartigen Scansystemen besteht zudem die Anforderung, möglichst kompakte Au-ßenabmessungen aufzuweisen. Beispielsweise kann es erwünscht sein, mit dem robotergeführten Scansystem in ein komplex geformtes Werkstück einzutauchen, um dort an einer unzugänglichen Stelle eine Laserbearbeitung durchzuführen. Dies ist umso besser möglich, je kompakter die Bauweise des Scansystems ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einheit mit kompakter Bauform anzugeben, die eine unabhängige Einstellung von Fokuslage und Fokusgröße in hochdynamischer Weise ermöglicht.
Die Erfindung stellt ein System für Lasermaterialbearbeitung bereit, aufweisend eine Kollimationsoptik mit einer Gesamtkollimationsbrennweite bestehend aus einer Strahlzuführung für divergente Strahlen, einer ersten optischen Vorrichtung mit positiver Brennweite und einer zweiten optischen Vorrichtung mit negativer Brennweite, wobei die divergenten Strahlen zuerst die erste optische Vorrichtung und danach die zweite optische Vorrichtung durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung kollimiert verlassen, eine dritte optische Vorrichtung mit einer positiven Brennweite, wobei die dritte optische Vorrichtung der Kollimationsoptik nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik austretenden kollimierten Strahlen auf einen Fokus bündelt, und ein Stellelement zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung entlang einer Strahlausbreitungsrichtung, wobei ein mittlerer Strahlweg zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung und einer objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung so gewählt ist, dass eine Größe des Fokus bei Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung mittels des Stellelements im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung und die dritte optische Vorrichtung derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden, und wobei ein Gesamtstrahlweg zwischen der Strahlzuführung und einer bildseitigen Brennebene der dritten optischen Vorrichtung kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung und der Gesamtkollimationsbrennweite.
In einer Weiterbildung erfüllt der mittlere Strahlweg zwischen der bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung und der objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung die Bedingung f2 + 0,75*fO < d2 < f2 + 1 ,25*fO oder ist ungefähr gleich der Summe der negativen Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung und der positiven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung.
In einer Weiterbildung ist die erste optische Vorrichtung in Strahlausbreitungsrichtung unbeweglich.
In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine Strahlablenkeinheit zum Ablenken der Strahlen aus der Strahlausbreitungsrichtung in eine andere Richtung und eine Steuerung zum Ansteuern des Stellelements und der Strahlablenkeinheit, so dass eine Position des Fokus bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann.
In einer Weiterbildung weist das System weiter auf eine vierte optische Vorrichtung mit positiver Brennweite, die ungefähr der positiven Brennweite der ersten optischen Vorrichtung entspricht und eine fünfte optische Vorrichtung mit negativer Brennweite, die ungefähr der negativen Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung entspricht, wobei die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung für das Durchlaufen eines Bearbeitungsstrahls eingerichtet sind, die vierte optische Vorrichtung und die fünfte optische Vorrichtung für das Durchlaufen eines Beobachtungsstrahls eingerichtet sind, die vierte optische Vorrichtung an die erste optische Vorrichtung gekoppelt ist und eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung gekoppelt ist.
Die Erfindung stellt weiter ein System für Lasermaterialbearbeitung bereit, aufweisend: eine Kollimationsoptik mit einer Gesamtkollimationsbrennweite bestehend aus einer Strahlzuführung für divergente Strahlen, einer ersten optischen Vorrichtung mit positiver Brennweite und einer zweiten optischen Vorrichtung mit negativer Brennweite, wobei die divergenten Strahlen zuerst die erste optische Vorrichtung und danach die zweite optische Vorrichtung durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung kollimiert verlassen, eine dritte optische Vorrichtung mit einer positiven Brennweite, wobei die dritte optische Vorrichtung der Kollimationsoptik nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik austretenden kollimierten Strahlen auf einen Fokus bündelt, ein Stellelement zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung, und ein weiteres Stellelement zum Bewegen der ersten optischen Vorrichtung entlang einer Strahlausbreitungsrichtung, wobei das weitere Stellelement und das Stellelement die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung unabhängig voneinander bewegen können, wobei ein Gesamtstrahlweg zwischen der Strahlzuführung und einer bildseitigen Brennebene der dritten optischen Vorrichtung kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung und der Gesamtkollimationsbrennweite.
In einer Weiterbildung ist ein mittlerer Strahlweg zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung und der objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung so gewählt, dass eine Größe des Fokus beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung mittels des Stellelements im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung und die dritte optische Vorrichtung derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden.
In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine Steuerung, die eingerichtet ist, das weitere Stellelement und das Stellelement so anzusteuern, dass durch die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung eine Größe des Fokus und eine Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte, eingestellt werden können, wobei die Größe des Fokus im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung eingestellt wird, die Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung eingestellt wird und wobei mindestens eins von eine Änderung der Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung und eine Änderung der Größe des Fokus aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung berücksichtigt wird, um die vorgegebenen Werte einzustellen.
In einer Weiterbildung wird mindestens eins von der Änderung der Position und der Änderung der Größe des Fokus berücksichtigt durch Hinterlegen von Referenz-Steuerdaten, die auf einer Berechnung oder Messung von Position und Größe des Fokus in Abhängigkeit der Positionen der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung beruhen und Bestimmen von erforderlichen Positionen der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung anhand der hinterlegten Referenz-Steuerdaten, um die vorgegebenen Werte für die Position und die Größe des Fokus einzustellen.
In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine Strahlablenkeinheit zum Ablenken der Strahlen aus der Strahlausbreitungsrichtung in eine andere Richtung, wobei die Steuerung eingerichtet ist, das weitere Stellelement, das Stellelement und die Strahlablenkeinheit so anzusteuern, dass die Größe des Fokus und eine Position des Fokus bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials auf vorgegebene Werte eingestellt werden können.
In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine vierte optische Vorrichtung mit positiver Brennweite, die ungefähr der positiven Brennweite der ersten optischen Vorrichtung entspricht, eine fünfte optische Vorrichtung mit negativer Brennweite, die ungefähr der negativen Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung entspricht, wobei die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung für das Durchlaufen eines Bearbeitungsstrahls eingerichtet sind, die vierte optische Vorrichtung und die fünfte optische Vorrichtung für das Durchlaufen eines Beobachtungsstrahls eingerichtet sind, eine Bewegung der vierten optischen Vorrichtung an eine Bewegung der ersten optischen Vorrichtung gekoppelt ist und eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung gekoppelt ist.
In einer Weiterbildung ist die Strahlzuführung an ein Ende einer Lichtleitfaser gekoppelt aus welcher Laserstrahlung divergent austritt.
In einer Weiterbildung liegt ein Verhältnis der positiven Brennweite der ersten optischen Vorrichtung zu einem Abstand zwischen der Strahlzuführung und einer objektseitigen Hauptebene der ersten optischen Vorrichtung zwischen 0,25 und 0,75.
In einer Weiterbildung ist die erste optische Vorrichtung so angeordnet, dass ein Winkel von einfallenden Strahlen gleich einem Winkel von ausfallenden Strahlen ist.
In einer Weiterbildung liegt ein Sinus einer Halbwinkeldivergenz der divergierenden Strahlen im Bereich von 0,05 bis 0,15, liegt die positive Brennweite der ersten optischen Vorrichtung im Bereich von 55 mm bis 120 mm, liegt die negative Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung im Bereich von -75 mm bis -160 mm, liegt die Gesamtkollimationsbrennweite im Bereich von 60 mm bis 300 mm, liegt ein Durchmesser der Strahlen nach Durchlaufen der Kollimationsoptik im Bereich von 14 mm bis 50 mm und liegt die positive Brennweite der dritten optischen Gruppe im Bereich von 300 mm bis 800 mm.
In einer Weiterbildung weist die dritte optische Vorrichtung bezüglich der Strahlzuführung einen konstanten Abstand auf.
In einer Weiterbildung sind das weitere Stellelement, falls vorhanden, und das Stellelement Linearantriebe, insbesondere Direktantriebe.
In einer Weiterbildung ist die Strahlablenkeinheit in Strahlausbreitungsrichtung nach der dritten optischen Vorrichtung angeordnet oder ist die Strahlablenkeinheit in Strahlausbreitungsrichtung zwischen der zweiten optischen Vorrichtung und der dritten optischen Vorrichtung angeordnet.
Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren zum Einstellen einer Größe und einer Position eines Fokus entlang einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung bereit, aufweisend: Erzeugen von im Wesentlichen kollimierten Strahlen mit einer Gesamtkollimationsbrennweite durch Bereitstellen von divergierenden Strahlen, Zuführen der divergierenden Strahlen an eine erste optische Vorrichtung mit positiver Brennweite, Zuführen von Strahlen, die die erste optische Vorrichtung mit positiver Brennweite durchlaufen haben, an eine zweite optische Vorrichtung mit negativer Brennweite, wobei die divergierenden Strahlen, die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Strahlen, die die zweite optische Vorrichtung durchlaufen haben, im Wesentlichen kollimiert sind, Erzeugen des Fokus durch Zuführen der im Wesentlichen kollimierten Strahlen an eine dritte optische Vorrichtung, wobei ein Gesamtstrahlweg zwischen einer Strahlzuführung der divergierenden Strahlen und einer bildseitigen Brennebene der dritten optischen Vorrichtung kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung und der Gesamtkollimationsbrennweite, Bewegen der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung derart, dass die Größe des Fokus und die Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte eingestellt werden können, wobei die Größe des Fokus im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung eingestellt wird, die Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung eingestellt wird und Berücksichtigen von mindestens eins von eine Änderung der Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung und eine Änderung der Größe des Fokus aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung, um die vorgegebenen Werte einzustellen.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren weiter auf Ablenken der Strahlen aus der Strahlausbreitungsrichtung in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung, wobei die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung, die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung und die Ablenkung der Strahlen koordiniert und gleichzeitig ausgeführt werden, um die Größe des Fokus und die Position des Fokus bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials auf vorgegebene Werte einzustellen.
In einer Weiterbildung sind die dritte optische Vorrichtung und eine Zuführung für die divergenten Strahlen mit einem festen Abstand zueinander angeordnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen

1 ein Ausführungsbeispiel eines Lasermaterialbearbeitungssystems;
2 Beispielsanordnungen zur Illustration von Fokuspositionsverschiebungen;
3 Beispielsanordnungen zur Illustration von Fokusgrößenänderungen;
4 Dimensionierungen von Lasermaterialbearbeitungssystemen;
5 eine Kollimationsoptik mit Beobachtungsoptik; und
6 eine Kollimationsoptik mit reflektiven optischen Elementen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung können die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“, sowie „gekoppelt“ zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung verwendet werden.
In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Der Übersicht halber können nicht alle Elemente der Figuren mit eigenen Bezugszeichen versehen sein. Dies gilt insbesondere für Elemente, die identisch zu anderen Elementen dargestellt sind. Die Beschreibung und Bezugszeichen können so für alle grafisch gleich dargestellten Elemente in gleicher Weise gelten. Die Ziffer (oder Ziffern) eines Bezugszeichens, die von der linken Seite aus an erster Stelle steht (stehen), kann (können) die Figur angeben, in der das Bezugszeichen zum ersten Mal auftaucht.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 für Lasermaterialbearbeitung, mit dem ein Material (oder ein Werkstück) M mit Laserstrahlen, die aus einer Laserquelle L stammen, bearbeitet werden kann. Die Laserstrahlen breiten sich dabei von der Laserquelle L in einer Strahlausbreitungsrichtung R zum Fokus F aus. Die Position des Fokus F bezüglich des Materials M und die Größe (oder Durchmesser) des Fokus F können eingestellt werden.
Die Strahlzuführung Z ist so ausgelegt, dass Laserstrahlung aus ihr divergent mit einem Halbdivergenzwinkel hw austreten kann. An die Strahlzuführung Z kann eine Laserquelle L, die divergente Laserstrahlung bereitstellt, gekoppelt sein. Die Laserquelle L kann zum Beispiel das Ende einer Lichtleitfaser sein, die beispielsweise an einen Scheibenlaser oder einen Faserlaser gekoppelt sein kann.
Das System 100 kann eine Kollimationsoptik K aufweisen, die die aus der Laserquelle L divergent austretenden Strahlen D zu kollimierten Strahlen P formen kann. Kollimierte Strahlen P sind im Wesentlichen parallele Strahlbündel, wobei der Begriff „im Wesentlichen parallel“ im Zusammenhang mit 2 und 3 genauer erklärt wird.
Die Kollimationsoptik K kann aus der Strahlzuführung Z für divergente Strahlen D, einer ersten optischen Vorrichtung L1 mit positiver Brennweite f1 und einer zweiten optischen Vorrichtung L2 mit negativer Brennweite f2 bestehen. Die divergenten Strahlen D durchlaufen dabei zuerst als einfallende Strahlen die erste optische Vorrichtung L1 und danach als ausfallende Strahlen A die zweite optische Vorrichtung L2. Die erste optische Vorrichtung L1 kann so angeordnet sein, dass der Winkel von einfallenden Strahlen D gleich dem Winkel von ausfallenden Strahlen A ist. Das Verhältnis der positiven Brennweite f1 der ersten optischen Vorrichtung L1 zu einem Abstand d1 zwischen der Strahlzuführung Z und einer objektseitigen Hauptebene der ersten optischen Vorrichtung L1 kann zwischen 0,25 und 0,75 liegen, siehe auch 4.
Im Gegensatz zu afokalen Zoom-Systemen zur Anpassung der Laserfokusgröße, die für kollimierte Eingangsstrahlen ausgelegt sind und aus mindestens drei optischen Vorrichtungen bestehen, von denen mindestens zwei bewegt werden, werden hier nur zwei optische Vorrichtungen L1, L2 benötigt. Durch eine unabhängig voneinander steuerbare Bewegung der beiden optischen Vorrichtungen L1, L2 lassen sich, wie in 2 und 3 erläutert, Position und Größe des Fokus F kontrollieren.
Ein Objektiv O, im folgenden dritte optische Vorrichtung O genannt, dient zur Fokussierung des Laserstrahls. Die dritte optische Vorrichtung O kann eine positive Brennweite fO aufweisen. Die dritte optische Vorrichtung O kann der Kollimationsoptik K in Strahlausbreitungsrichtung R nachgeordnet sein. Sie kann die aus der Kollimationsoptik K austretenden kollimierten Strahlen P auf einen Fokus F bündeln. Der Fokus F kann dabei auf oder mit einem Abstand zu einer Oberfläche des Materials M gebildet werden. Die dritte optische Vorrichtung O kann bezüglich der Strahlzuführung Z einen konstanten Abstand aufweisen. Mit anderen Worten, ist es nicht erforderlich, die dritte optische Vorrichtung O zu bewegen, um die Größe oder die Position des Fokus F einzustellen. Anordnungen, bei denen zur Variation der Fokusgröße und -position das Fokussierobjektiv O verschoben werden muss, sind für Scansysteme ungünstig, da aufgrund der Strahlablenkung die optischen Elemente in der Fokussierung groß ausfallen müssen und dementsprechend deren hochdynamische Verstellung nicht möglich ist.
Mindestens eine von der ersten optischen Vorrichtung L1, der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der dritten optischen Vorrichtung O können aus einer einzelnen Linse oder aus mehreren Linsen bestehen. Linsen können Laserstrahlen transmissiv an ihren Oberflächen brechen. Mindestens eine von der ersten optischen Vorrichtung L1, der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der dritten optischen Vorrichtung O können ein oder mehrere asphärische optische Elemente oder reflektive optische Elemente aufweisen. Asphärische optische Elemente können gegenüber sphärischen optischen Elementen geringere Abbildungsfehler aufweisen, wodurch die Anzahl der benötigten optischen Elemente reduziert werden und die Leistungsverträglichkeit des optischen Systems erhöht werden kann. Ein Ausführungsbeispiel einer Kollimationsoptik K mit reflektiven optischen Elementen ist im Zusammenhang mit 6 beschrieben.
Das System 100 kann eine Strahlablenkeinheit AE zum Ablenken der Strahlen P aus der Strahlausbreitungsrichtung R in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung R aufweisen. Die Strahlablenkeinheit AE kann mindestens eine Ablenkachse aufweisen, wobei die Ablenkachsen in der Regel senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung R (Z-Richtung) und senkrecht zueinander angeordnet sind (X-Richtung, Y-Richtung). Die Laserstrahlen können so entlang einer Linie oder über eine Fläche des Materials M abgelenkt werden, z.B. entlang einer zu bearbeitenden Kontur. Die Strahlablenkvorrichtung AE kann beispielsweise einen oder mehrere, insbesondere zwei, beweglich gelagerte Spiegel aufweisen, die von einem Galvanometerantrieb bewegt werden (Galvoscanner). Derartige Galvoscanner können eine sehr hohe Dynamik aufweisen, wodurch hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten möglich sind.
Die Strahlablenkeinheit AE kann in Strahlausbreitungsrichtung R zwischen der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der dritten optischen Vorrichtung O angeordnet sein. Die Strahlablenkeinheit AE kann jedoch auch in Strahlausbreitungsrichtung R nach der dritten optischen Vorrichtung O angeordnet sein. Außerdem können weitere Komponenten, wie Strahlteiler, Strahlformungselemente etc. im Strahlengang enthalten sein.
Das System 100 kann ein erstes Stellelement A1 zum Bewegen der ersten optischen Vorrichtung L1 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R und ein zweites Stellelement A2 zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R aufweisen. Das erste Stellelement A1 und das zweite Stellelement A2 können die erste optische Vorrichtung L1 und die zweite optische Vorrichtung L2 unabhängig voneinander bewegen. Das erste Stellelement A1 und das zweite Stellelement A2 können Linearantriebe, insbesondere Direktantriebe, sein. Durch den Wegfall von Getrieben werden Getriebespiel und Trägheitsmassen reduziert, wodurch genaue und schnelle Bewegungen der ersten optischen Vorrichtung L1 und der zweiten optischen Vorrichtung L2 möglich sind.
Da eine Größe des Fokus F im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 eingestellt werden kann und eine Position des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 eingestellt werden kann, wie in 2 und 3 mit zugehöriger Beschreibung beschrieben ist, können so die Fokusgröße und die Fokusposition der Laserstrahlung präzise und mit hoher Dynamik eingestellt werden.
Das System 100 kann eine Steuerung S aufweisen, die das erste Stellelement A1, das zweite Stellelement A2 und die Strahlablenkeinheit AE ansteuern kann. Die Steuerung S kann auf diese Weise die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1, der zweiten optischen Vorrichtung L2 und die Strahlablenkung in der Strahlablenkeinheit AE so koordinieren, dass die Größe des Fokus F, die Position des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R (Z-Richtung) und die Position des Fokus entlang mindestens einer zur Strahlausbreitungsrichtung R abweichenden Richtung, zum Beispiel senkrechten Richtungen (X-Richtung, Y-Richtung), auf entsprechende vorgegebene Werte eingestellt werden kann. Die Fokusgröße g und die Fokusposition (x, y, z) relativ zu einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials M können so unabhängig voneinander auf vorgegebene Werte eingestellt werden.
2 illustriert mit Hilfe der Beispielsanordnungen 210, 220 und 230 wie eine Position p des Fokus F in Strahlausbreitungsrichtung R verschoben werden kann. Anordnung 210 zeigt eine mittlere Fokusposition p0, Anordnung 220 zeigt eine ferne Fokusposition p2 und Anordnung 230 zeigt eine nahe Fokusposition p1. Die Anordnungen 210, 220 und 230 können eine Strahlzuführung Z, eine erste optische Vorrichtung L1, eine zweite optische Vorrichtung L2 und eine dritte optische Vorrichtung O aufweisen. Die Position p des Fokus F kann beispielsweise von der dritten optischen Vorrichtung O ausgehend gemessen werden. Auf der linken Seite von 3 sind die Größen/Durchmesser der Laserstrahlen an der Strahlzuführung Z in den Anordnungen 210, 220 und 230 entlang einer Richtung, zum Beispiel der X-Richtung, angegeben. Die Größen der Laserstrahlen an der Strahlzuführung Z sind im Wesentlichen konstant. Auf der rechten Seite von 3 sind die Größen g des Fokus F entlang einer Richtung, zum Beispiel der X-Richtung angegeben. Die Größe g des Fokus F ist im Wesentlichen konstant, wenn der Strahlweg zwischen der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der dritten optischen Vorrichtung O passend gewählt ist (siehe unten stehende Erläuterungen zu Gleichung 5). Die Anordnungen 210, 220 und 230 können dem System für Lasermaterialbearbeitung 100 von 1 entsprechen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Steuerung S, das erste Stellelement A1, das zweite Stellelement A2 und die Strahlablenkeinheit AE weggelassen wurden.
Um die Position p des Fokus F in Strahlausbreitungsrichtung R zu verschieben, kann die zweite optische Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R verschoben werden. Die Verschiebung oder Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Die erste optische Vorrichtung L1 wird im Allgemeinen zur Änderung der Position p des Fokus F nicht bewegt.
In der Anordnung 210 hat der Fokus F die Position p0. Die von der zweiten optischen Vorrichtung L2 austretenden kollimierten Strahlen P sind im Wesentlichen parallel, das heißt, sie weisen eine Divergenz nahe Null auf.
In Anordnung 220 wurde die zweite optische Vorrichtung L2 gegenüber Anordnung 210 in Richtung zur ersten optischen Vorrichtung L1 verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 210 eine leichte Divergenz auf. Als Folge dessen verschiebt sich der Fokus F auf eine Position p2, die weiter von der dritten optischen Vorrichtung O entfernt ist als die Position p0 in Anordnung 210.
In Anordnung 230 wurde die zweite optische Vorrichtung L2 gegenüber Anordnung 210 weg von der ersten optischen Vorrichtung L1 verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 210 eine leichte Konvergenz auf. Als Folge dessen verschiebt sich der Fokus F auf eine Position p1, die der dritten optischen Vorrichtung O näher ist, als die Position p0 in Anordnung 210.
Je nach optischem Weg zwischen der Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung O kann sich beim Verschieben der zweiten optischen Vorrichtung L2 die Fokusgröße g ändern. Um diese Fokusgrößenänderung zu korrigieren, kann eine kleine Ausgleichsbewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 vorgenommen werden.
3 illustriert mit Hilfe der Beispielsanordnungen 310, 320 und 330 wie eine Größe g des Fokus F geändert werden kann. Die Anordnungen 310, 320 und 330 können dabei den Anordnungen 210, 220 und 230 der 2 entsprechen und werden nicht erneut beschrieben. Auf der rechten Seite von 3 sind die Größen g0, g1 und g2 des Fokus F entlang einer Richtung, zum Beispiel der X-Richtung angegeben. Anordnung 310 zeigt eine mittlere Fokusgröße g0, Anordnung 320 zeigt eine kleine Fokusgröße g1 und Anordnung 330 zeigt eine große Fokusgröße g2.
Um die Größe g des Fokus F zu ändern, wird die erste optische Vorrichtung L1 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R verschoben. Die Verschiebung oder Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Die zweite optische Vorrichtung L2 wird im Allgemeinen nicht zum Ändern der Größe g des Fokus F bewegt. Die von der zweiten optischen Vorrichtung L2 austretenden kollimierten Strahlen P sind im Wesentlichen parallel, das heißt, sie weisen eine Divergenz nahe Null auf. Eine Verschiebung der ersten optischen Vorrichtung L1 führt im Wesentlichen zu einer Änderung des Abbildungsverhältnisses und so zu einer Änderung der Fokusgröße g.
In Anordnung 310 hat der Fokus F die mittlere Fokusgröße g0.
In Anordnung 320 wurde die erste optische Vorrichtung L1 gegenüber der Anordnung 210 in Richtung zur zweiten optischen Vorrichtung L2 verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 310 einen grö-ßeren Durchmesser d auf. Als Folge dessen kann der Fokus F eine kleinere Größe g1 aufweisen als die Größe g0 des Fokus F in Anordnung 310.
In Anordnung 330 wurde die erste optische Vorrichtung L1 gegenüber der Anordnung 310 weg von der zweiten optischen Vorrichtung L2 verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 310 einen kleineren Durchmesser d auf. Als Folge dessen kann der Fokus F eine größere Größe g2 aufweisen als die Größe g0 des Fokus F in Anordnung 310.
Beim Verschieben der ersten optischen Vorrichtung L1 kann sich die Position p des Fokus F leicht ändern. Um diese Fokuspositionsänderung zu kompensieren, kann eine kleine Ausgleichsbewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 vorgenommen werden.
In 4 wird eine bekannte Anordnung 410 mit einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Anordnung 420 verglichen. Insbesondere wird die Dimensionierung der betrachteten Systeme für Lasermaterialbearbeitung illustriert.
Die Anordnung 410 kann eine beliebige Kollimationsoptik K aufweisen, die divergierende Strahlen D aus der Strahlzuführung Z in kollimierte Strahlen P umformt. Die Kollimationsoptik K ist zur Vereinfachung als Linie gezeichnet. Entscheidendes Merkmal der Anordnung 410 ist, dass die in der Kollimationsoptik K enthaltenen optischen Elemente in ihrer Gesamtheit bezüglich der Strahlzuführung Z bewegt werden können, um eine Verschiebung der Position p des Fokus F in Strahlausbreitungsrichtung R zu erzielen. Hierzu kann die Kollimationsoptik K mit einem Stellelement und einer Steuerung verbunden sein, die in der Figur nicht berücksichtigt sind.
Durch Wahl eines geeigneten mittleren Abstandes d0 zwischen Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung O kann erreicht werden, dass die Fokusgröße g unabhängig von der Fokusverschiebung entlang der Strahlausbreitungsrichtung R konstant ist. In der paraxialen Näherung ergibt sich dieser Fall genau dann, wenn der Abstand d0 zwischen Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung O gleich der Summe der Brennweite fK der Kollimationsoptik K (Kollimationsbrennweite) und der Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O ist: $d 0 = fK + fO$
In einer Anordnung aus Kollimationsoptik K und dritter optischer Vorrichtung O zur Abbildung eines Faserendes auf ein Werkstück ist dann in paraxialer Näherung der Gesamtstrahlweg gs zwischen der Strahlzuführung Z und einer bildseitigen Brennebene B der dritten optischen Vorrichtung O das Zweifache der Summe der Gesamtkollimationsbrennweite fK und der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O: $gs = 2 * (fK + fO)$
Mit einer Kollimationsoptik K, wie sie in 1 - 3 gezeigt und beschreiben wurde, kann der Gesamtstrahlweg gs eines Lasermaterialbearbeitungssystems jedoch deutlich kürzer ausfallen, siehe Anordnung 420. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Anordnung 420 die erste optische Vorrichtung L1 und die zweite optische Vorrichtung L2 als Linien dargestellt. Die erste optische Vorrichtung L1 kann als Abbildungsoptik für das aus der Strahlzuführung Z austretende Lichtbündel D betrachtet werden. Die zweite optische Vorrichtung L2 kann als virtuelle Kollimation für das zum Abbild der Strahlzuführung Z' hin konvergierende Lichtbündel betrachtet werden. Um eine Verschiebung der Position p des Fokus F in Strahlausbreitungsrichtung R zu erzielen, ist in Anordnung 420 eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 ausreichend, es muss nicht wie in Anordnung 410 die Kollimationsoptik K in ihrer Gesamtheit bewegt werden.
Durch Wahl eines geeigneten mittleren Abstandes zwischen Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung O kann, wie bereits oben für Anordnung 410 ausgeführt, auch in Anordnung 420 erreicht werden, dass die Fokusgröße g unabhängig von der Fokusverschiebung entlang der Strahlausbreitungsrichtung R konstant ist. Da in Anordnung 420 jedoch nicht die gesamte Kollimationsoptik K zur Verschiebung des Fokus bewegt wird, sondern nur die zweite optische Vorrichtung L2, ändert sich Gleichung 1 im Falle von Anordnung 420 zu: $d 2 = f 2 + fO$
Die zweite optische Vorrichtung L2 übernimmt in Anordnung 420 hinsichtlich des Abstands zwischen Kollimationsoptik K und dritter optischer Vorrichtung O die Rolle der Gesamtkollimation in Anordnung 410.
Die Ursache für den im Vergleich zu Anordnung 410 deutlich kürzeren Gesamtstrahlweg in Anordnung 420 liegt in der negativen Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 in der Kollimationsoptik K. Durch das negative Vorzeichen der Brennweite f2 ergibt sich der Abstand d2 zwischen Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung O in Anordnung 420 gemäß Gleichung 3 zu deutlich kleiner als fO, während er sich in Anordnung 410 gemäß Gleichung 1 zu deutlich größer als fO ergibt. Der Gesamtstrahlweg gs reduziert sich in Anordnung 420 dementsprechend deutlich gegenüber der Anordnung 410. Der Gesamtstrahlweg gs zwischen der Strahlzuführung Z und einer bildseitigen Brennebene B der dritten optischen Vorrichtung O kann daher kleiner sein als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O und der Gesamtkollimationsbrennweite fK. Dies kann nicht nur paraxial gelten sondern aufgrund der in 420 erzielbaren großen Verminderung des Gesamtstrahlwegs auch dann, wenn reale, nicht paraxiale optische Vorrichtungen betrachtet werden: $gs < 2 * (fK + fO)$
In einer ersten Ausführungsform des Lasermaterialbearbeitungssystems kann die erste optische Vorrichtung L1 in Strahlausbreitungsrichtung R fest (oder unbeweglich) sein. Mit anderen Worten, benötigt die erste optische Vorrichtung L1 kein erstes Stellelement A1. Die Steuerung S braucht nur das zweite Stellelement A2 und die Strahlablenkeinheit AE ansteuern, so dass eine Position (x, y, z) des Fokus F, bezüglich zum Beispiel der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials M, auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann.
Die Größe g des Fokus F beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung L2 mittels des zweiten Stellelements A2 kann durch geschickte Wahl des mittleren Strahlwegs d2 zwischen Kollimationsoptik K und dritter optischer Vorrichtung O im Wesentlichen, wie oben beschrieben, konstant gehalten werden. Dies ist der Fall, wenn die zweite optische Vorrichtung L2 und die dritte optische Vorrichtung O derart angeordnet werden, dass sie im Wesentlichen eine Teleskopanordnung bilden.
Bei realen, nicht paraxialen optischen Vorrichtungen ist d2 als Strahlweg zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung L2 und einer objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung O zu verstehen.
Eine konstante, von der Fokusverschiebung unabhängige Fokusgröße ergibt sich daher zum Beispiel wenn der mittlere Strahlweg d2 zwischen der bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung O ungefähr gleich der Summe der negativen Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O ist: $d 2 \approx f 2 + fO$
Für den mittleren Strahlweg d2 kann auch ein entsprechender Bereich angegeben werden, der die typischen Anforderungen bezüglich der Konstanz der Fokusgröße an ein System zur Lasermaterialbearbeitung abdeckt: $f 2 + 0,75 *fO < d 2 < f 2 + 1,25 *fO$
In einer zweiten Ausführungsform des Lasermaterialbearbeitungssystems können die erste optische Vorrichtung L1 und die zweite optische Vorrichtung L2 in Strahlausbreitungsrichtung R beweglich sein. Die Steuerung S kann das erste Stellelement A1 und das zweite Stellelement A2 koordiniert ansteuern. Eine Änderung der Position p des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 kann dabei durch die Steuerung S berücksichtig werden, um die vorgegebene Position p einzustellen. Ebenso kann eine Änderung der Größe g des Fokus F aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R durch die Steuerung S berücksichtig werden, um die vorgegebene Größe g einzustellen. Die gewünschte Position p und Größe g des Fokus können so unabhängig voneinander eingestellt werden.
Die Änderung der Position p und/oder die Änderung der Größe g des Fokus F können zum Beispiel wie folgt berücksichtigt werden: Die Steuerung S kann auf Referenz-Steuerdaten zugreifen, die die Position p und Größe g des Fokus F in Abhängigkeit der Positionen der ersten optischen Vorrichtung L1 und der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R wiedergeben. Die Referenz-Steuerdaten können durch eine Berechnung, zum Beispiel durch eine optische Simulation des Lasermaterialbearbeitungssystems, oder durch eine Messung, zum Beispiel vor oder während des Betriebs des Lasermaterialbearbeitungssystems, aus der Position p und Größe g des Fokus F bestimmt werden. Die Referenz-Steuerdaten können zum Beispiel in einer Steuerkurve oder einer Tabelle abgespeichert werden. Anhand der Referenz-Steuerdaten können die erforderlichen Positionen der ersten optischen Vorrichtung L1 und der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R bestimmt werden, um die gewünschten oder vorgegebenen Werte für die Position p und die Größe g des Fokus F einzustellen. Gegebenenfalls können die Berechnung, Simulation oder Messungen oder die Referenz-Steuerdaten mit Hilfe von Messwerten an die Einsatzbedingungen angepasst bzw. korrigiert werden (Kalibrierung).
Auch in der zweiten Ausführungsform kann der mittlere Strahlweg d2 zwischen der bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung O so gewählt werden, dass die Größe g des Fokus F beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung L2 mittels des zweiten Stellelements A2 im Wesentlichen konstant ist, indem zum Beispiel die zweite optische Vorrichtung L2 und die dritte optische Vorrichtung O derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden. Man ist jedoch nicht an diese Bedingung gebunden, da eine Änderung der Größe g des Fokus F beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung L2 durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 ausgeglichen werden kann. Man kann daher das System zur Lasermaterialbearbeitung in der zweiten Ausführungsform noch kompakter als in der ersten Ausführungsform bauen: $d 2 < f 2 + 0,75 *fO$
Die Steuerung S kann in der zweiten Ausführungsform die erste optische Vorrichtung L1, die zweite optische Vorrichtung L2 und die Strahlablenkeinheit AE so ansteuern, dass eine Position (x, y, z) des Fokus F, bezüglich zum Beispiel der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials M und eine Größe g des Fokus F, auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann.

Tabelle 1 zeigt verschiedene Werte und Bereiche für den Sinus der Halbwinkeldivergenz hw der divergierenden Strahlen D, die Kollimationsbrennweite fK, den Durchmesser d der Strahlen P nach Durchlaufen der Kollimationsoptik K, die positive Brennweite f1 der ersten optischen Vorrichtung L1, die negative Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 und die positive Brennweite fO der dritten optischen Gruppe O. Tabelle 1

	Bedeutung	Bereich 1	Bereich 2
hw	Sinus der Halbwinkeldivergenz der divergierenden Strahlen D	0,05...0,15	0,03...0,26
fK [mm]	Kollimationsbrennweite	60...300	40...500
d [mm]	Durchmesser der Strahlen P nach Durchlaufen der Kollimationsoptik K	14...50	10...70
f1 [mm]	positive Brennweite der ersten optischen Vorrichtung L1	55...120	40...250
f2 [mm]	negative Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung L2	-75...-160	-55...-360
fO [mm]	positive Brennweite der dritten optischen Gruppe O	300...800	150...2000

5 zeigt eine Anordnung 500, in der optisch parallel zur Kollimationsoptik K eine Beobachtungsoptik C angeordnet sein kann. Die Beobachtungsoptik C kann eine vierte optische Vorrichtung L4 und eine fünfte optische Vorrichtung L5 aufweisen, die von einem Beobachtungsstrahl BE durchlaufen werden können. Der Beobachtungsstrahl BE kann direkt mit dem Auge beobachtet werden oder kann von einem Sensor oder einer Kamera SE erfasst werden. Die Kollimationsoptik K kann eine der vorher beschriebenen Kollimationsoptiken K, zum Beispiel aus Anordnung 420, sein, mit einer Strahlzuführung Z, einer ersten optischen Vorrichtung L1 und einer zweiten optischen Vorrichtung L2. Die Kollimationsoptik K kann von einem Bearbeitungsstrahl BS durchlaufen werden, der aus Laserstrahlen, die zum Bearbeiten von Material geeignet sind, bestehen kann.
Die Anordnung 500 kann einen Strahlteiler ST und einen Umlenkspiegel U aufweisen. Der Strahlteiler ST kann den Bearbeitungsstrahl BS aus der Kollimationsoptik K in Richtung des Materials M reflektieren. Lichtstrahlen LS aus Richtung des Materials M können den Strahlteiler ST durchdringen und auf den Umlenkspiegel U treffen. Der Umlenkspiegel U kann die Lichtstrahlen als Beobachtungsstrahl BE in Richtung der Beobachtungsoptik C reflektieren. Die Beobachtungsoptik C kann so zusammen mit dem Umlenkspiegel U und dem Strahlteiler ST zum Beobachten oder Erfassen der Größe und der Position des Fokus des Bearbeitungsstrahls BS dienen. Weiter kann so das Material M oder Werkstück, das mit dem Bearbeitungsstrahlen PS bearbeitet wird, betrachtet werden, zum Beispiel, um die Größe, Form oder Lage des Werkstücks M oder einen Bearbeitungsfortschritt zu erfassen.
Die vierte optische Vorrichtung L4 kann eine positive Brennweite f4 aufweisen, die ungefähr der positiven Brennweite f1 der ersten optischen Vorrichtung L1 entspricht. Die fünfte optische Vorrichtung L5 kann eine negative Brennweite f5 aufweisen, die ungefähr der negativen Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 entspricht. Auf diese Weise können der Beobachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS auf die gleiche Stelle, zum Beispiel am Material M oder Werkstück, fokussiert werden. Mit anderen Worten, können der Beobachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS den gleichen Fokus aufweisen.
In der ersten Ausführungsform kann die erste optische Vorrichtung L1 fixiert sein, dass heißt, sie bewegt sich in Richtung des Bearbeitungsstrahls BS nicht. Die vierte optische Vorrichtung L4 kann an die erste optische Vorrichtung L1 gekoppelt sein und ebenso fixiert sein. In der ersten Ausführungsform kann die zweite optische Vorrichtung L2 bewegt werden. Eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung L5 kann an die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 gekoppelt sein. Mit anderen Worten, können sich die zweite optische Vorrichtung L2 und die fünfte optische Vorrichtung L5 zusammen bewegen. Eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Kollimationsoptik K durch die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 kann so auf die Beobachtungsoptik C übertragen werden, so dass sich deren Fokus in entsprechender Weise ändert. Der Beobachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS können so den gleichen Fokus - auch bei Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 - beibehalten. Die Kopplung kann durch eine starre mechanische Verbindung zwischen der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der fünften optischen Vorrichtung L5 erfolgen.
In der zweiten Ausführungsform können sowohl die erste optische Vorrichtung L1 als auch die zweite optische Vorrichtung L2 bewegt werden. Die Bewegung der vierten optischen Vorrichtung L4 kann an die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 gekoppelt sein und die Bewegung der fünften optischen Vorrichtung L5 kann an die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 gekoppelt sein. Mit anderen Worten, können sich die erste optische Vorrichtung L1 und die vierte optische Vorrichtung L4 zusammen bewegen und die zweite optische Vorrichtung L2 und die fünfte optische Vorrichtung L5 können sich ebenfalls zusammen bewegen. Eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Kollimationsoptik K durch die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 und gegebenenfalls der zweiten optischen Vorrichtung L2 kann so auf die Beobachtungsoptik C übertragen werden, so dass sich deren Fokus in entsprechender Weise ändert. Der Beobachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS können so beim Einstellen der Fokusposition und der Fokusgröße den gleichen Fokus beibehalten. Die Kopplung kann jeweils durch eine starre mechanische Verbindung der ersten optischen Verbindung L1 mit der vierten optischen Verbindung L4 bzw. der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der fünften optischen Vorrichtung L5 erfolgen.
Die Bewegung der gekoppelten ersten optischen Vorrichtung L1 und der vierten optischen Vorrichtung L4 kann zum Beispiel durch das erste Stellelement A1 erfolgen. Die Bewegung der gekoppelten zweiten optischen Vorrichtung L2 und der fünften optischen Vorrichtung L5 kann zum Beispiel durch das zweite Stellelement A2 erfolgen. Die Bewegungsrichtungen sind durch Doppelpfeile gekennzeichnet.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel 600 einer Kollimationsoptik K mit einer Strahlzuführung Z, einer ersten optischen Vorrichtung L1 und einer zweiten optischen Vorrichtung L2. Die erste optische Vorrichtung L1 und die zweite optische Vorrichtung L2 können reflektive optische Elemente S1, S2, S3 und S4 aufweisen. Reflektive optische Elemente bieten im Vergleich zu transmissiven optischen Elementen den Vorteil, dass sie besser gekühlt werden können. Dies erhöht die Leistungsverträglichkeit des optischen Systems, so dass es mit hohen Laserleistungen kompatibel ist. Die reflektiven optischen Elemente S1, S2, S3, S4 können Spiegel sein, wie zum Beispiel Planspiegel, Konvexspiegel oder Konkavspiegel. Die Spiegel können Metallspiegel, dichroitische dielektrische Spiegel (Interferenzspiegel) oder Prismenspiegel sein.
Die Strahlzuführung Z kann divergente Strahlen D bereitstellen, die auf die erste optische Vorrichtung L1 einfallen können und als ausfallende Strahlen A diese verlassen können. Die ausfallenden Strahlen A können auf die zweite optische Vorrichtung L2 treffen und können diese als kollimierte Strahlen P verlassen.
Die erste optische Vorrichtung L1 kann eine Konvergiervorrichtung sein, das heißt, eine positive Brennweite aufweisen. Mit anderen Worten, können die ausfallenden Strahlen A eine geringere Divergenz als die einfallenden Strahlen D haben. Die erste optische Vorrichtung L1 kann einen ersten Spiegel S1 und ein zweiten Spiegel S2 aufweisen. Der erste Spiegel S1 kann ein Planspiel sein und der zweite Spiegel S2 kann ein Konkavspiegel sein oder umgekehrt. Die erste optische Vorrichtung L1 kann entlang einer Strahlausbreitungsrichtung R bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil angedeutet ist, zum Beispiel durch das erste Stellelement A1.
Die zweite optische Vorrichtung L2 kann eine Divergiervorrichtung sein, das heißt, eine negative Brennweite aufweisen. Mit anderen Worten, können die ausfallenden Strahlen P eine größere Divergenz als die einfallenden Strahlen A haben. Die zweite optische Vorrichtung L2 kann einen dritten Spiegel S3 und ein vierten Spiegel S4 aufweisen. Der dritte Spiegel S3 kann ein Planspiel sein und der vierte Spiegel S4 kann ein Konvexspiegel sein oder umgekehrt. Die zweite optische Vorrichtung L2 kann entlang einer Strahlausbreitungsrichtung R bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil angedeutet ist, zum Beispiel durch das zweite Stellelement A2.
Die in 6 gezeigte Kollimationsoptik K mit reflektiven optischen Elementen kann in den in 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Die dritte optische Vorrichtung L3 kann dabei, ähnlich wie die erste optische Vorrichtung L1, eine Konvergiervorrichtung mit positiver Brennweite sein, die zum Beispiel ebenfalls durch reflektive optische Elemente erzeugt wird.
Die in 1 bis 6 beschriebenen Vorrichtungen können zum Ausführen eines Verfahrens dienen. Das Verfahren dient zum Einstellen einer Größe g und einer Position p eines Fokus F entlang einer Strahlausbreitungsrichtung R eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung. In dem Verfahren können im Wesentlichen kollimierte Strahlen P mit einer Gesamtkollimationsbrennweite fK erzeugt werden.
Dazu können divergierende Strahlen D bereitgestellt werden, die einer ersten optischen Vorrichtung L1 mit positiver Brennweite f1 zugeführt werden. Strahlen A, die die erste optische Vorrichtung L1 mit positiver Brennweite f1 durchlaufen haben, können einer zweiten optischen Vorrichtung L2 mit negativer Brennweite f2 zugeführt werden. Die divergierenden Strahlen D, die erste optische Vorrichtung L1 und die zweite optische Vorrichtung L2 können so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Strahlen P, die die zweite optische Vorrichtung L2 durchlaufen haben, im Wesentlichen kollimiert sind. Auf diese Weise ist es möglich, eine Kollimationsoptik K mit nur den zwei optischen Vorrichtungen L1, L2 herzustellen.
Der Fokus F kann durch Zuführen der im Wesentlichen kollimierten Strahlen P an eine dritte optische Vorrichtung O erzeugt werden. Die dritte optische Vorrichtung O und eine Zuführung Z für die divergenten Strahlen D können mit einem festen Abstand d3 zueinander angeordnet sein. Mit anderen Worten, braucht die dritte optische Vorrichtung O zum Einstellen der Fokusgröße und der Fokusposition nicht bewegt werden, wodurch ein Stellelement und dessen Ansteuerung für die dritte optische Vorrichtung O nicht benötigt werden.
Der Gesamtstrahlweg gs zwischen einer Strahlzuführung Z für die divergierenden Strahlen D und einer bildseitigen Brennebene B der dritten optischen Vorrichtung O kann kleiner als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O und der Gesamtkollimationsbrennweite fK gewählt werden, so dass ein sehr kompaktes System für Lasermaterialbearbeitung entsteht.
Die erste optische Vorrichtung L1 und die zweite optische Vorrichtung L2 können derart bewegt werden, dass die Größe g des Fokus F und die Position p des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte, eingestellt werden können.
Die Größe g des Fokus F kann im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R eingestellt werden. Die Position p des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R kann im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R eingestellt werden.
Eine Änderung der Position p des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1 kann beim Einstellen der vorgegebenen Werte berücksichtigt werden. Ebenso kann eine Änderung der Größe g des Fokus F aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 beim Einstellen der vorgegebenen Werte berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung kann zum Beispiel anhand einer vorhergehenden Simulation oder einer Messung der jeweiligen Änderung und dem Bestimmen von entsprechenden Korrekturwerten erfolgen. Mithilfe der Korrekturwerte ist es möglich, dass die gewünschten Werte direkt eingestellt werden können.
Die Strahlen P aus der Strahlausbreitungsrichtung R können in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung R abgelenkt werden, zum Beispiel durch eine Strahlablenkungseinheit AE, wie zum Beispiel einem Galvoscanner. Die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung L1, die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 und die Ablenkung der Strahlen können koordiniert und gleichzeitig ausgeführt werden, um die Größe g des Fokus F und die Position des Fokus F bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials M auf vorgegebene Werte einzustellen. Auf diese Weise lässt sich eine hochdynamische Lasermaterialbearbeitung realisieren.
Bezugszeichenliste

100: System für Lasermaterialbearbeitung
210: Anordnung mit mittlerer Fokusposition
220: Anordnung mit ferner Fokusposition
230: Anordnung mit naher Fokusposition
310: Anordnung mit mittlerer Fokusgröße
320: Anordnung mit kleiner Fokusgröße
330: Anordnung mit großer Fokusgröße
410: bekanntes Lasermaterialbearbeitungssystem
420: Lasermaterialbearbeitungssystem
500: Lasermaterialbearbeitungssystem mit Beobachtungsoptik
600: Kollimationsoptik mit reflektiven Elementen
A: ausfallende Strahlen
A1: erstes Stellelement
A2: zweites Stellelement
AE: Strahlablenkeinheit
B: bildseitige Brennebene der dritten optischen Vorrichtung
BE: Beobachtungsstrahl
BS: Bearbeitungsstrahl
C: Beobachtungsoptik
D: divergente Strahlen/einfallende Strahlen
F: Fokus
K: Kollimationsoptik
L: Laserquelle
L1: erste optische Vorrichtung
L2: zweite optische Vorrichtung
L4: vierte optische Vorrichtung
L5: fünfte optische Vorrichtung
LS: Lichtstrahlen
M: Material
O: dritte optische Vorrichtung
P: kollimierte Strahlen
R: Strahlausbreitungsrichtung
S: Steuerung
S1: erster Spiegel
S2: zweiter Spiegel
S3: dritter Spiegel
S4: vierter Spiegel
SE: Sensor/Kamera
ST: Strahlteiler
U: Umlenkspiegel
Z: Strahlzuführung/Zuführung
Z': virtuelles Abbild der Strahlzuführung
d0: mittlerer Abstand zwischen Kollimationsoptik und dritter optischer Vorrichtung
d: Durchmesser der kollimierten Strahlen
d1: Abstand zwischen Strahlzuführung und objektseitiger Hauptebene der ersten optischen Vorrichtung
d2: mittlerer Abstand zwischen bildseitiger Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung und objektseitiger Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung
d3: Abstand zwischen Strahlzuführung und dritter optischer Vorrichtung
f1: Brennweite der ersten optischen Vorrichtung
f2: Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung
f4: Brennweite der vierten optischen Vorrichtung
f5: Brennweite der fünften optischen Vorrichtung
fk: Gesamtkollimationsbrennweite
fO: Brennweite der dritten optischen Vorrichtung
g, g1, g2: Größe des Fokus
gs: Gesamtstrahlweg
hw: Halbdivergenzwinkel
p, p1, p2: Position des Fokus entlang Strahlausbreitungsrichtung

Claims

System für Lasermaterialbearbeitung, umfassend: - eine Kollimationsoptik (K) mit einer Gesamtkollimationsbrennweite (fK), bestehend aus - einer Strahlzuführung (Z) für divergente Strahlen (D), - einer ersten optischen Vorrichtung (L1) mit positiver Brennweite (f1), und - einer zweiten optischen Vorrichtung (L2) mit negativer Brennweite (f2), wobei die divergenten Strahlen (D) zuerst die erste optische Vorrichtung (L1) und danach die zweite optische Vorrichtung (L2) durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung (L2) kollimiert verlassen, - eine dritte optische Vorrichtung (O) mit einer positiven Brennweite (fO), wobei die dritte optische Vorrichtung (O) der Kollimationsoptik (K) nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik (K) kollimiert austretenden Strahlen (P) auf einen Fokus (F) bündelt, und - ein Stellelement (A2) zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang einer Strahlausbreitungsrichtung (R), wobei ein mittlerer Strahlweg (d2) zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und einer objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung (O) so gewählt ist, dass eine Größe (g) des Fokus (F) bei Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) mittels des Stellelements (A2) im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung (L2) und die dritte optische Vorrichtung (O) derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden, und wobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer bildseitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (O) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Gesamtkollimationsbrennweite (fK).
System nach Anspruch 1, wobei der mittlere Strahlweg (d2) zwischen der bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung (O) folgende Bedingung erfüllt: $f 2 + 0,75 *fO < d 2 < f 2 + 1,25 *fO$
oder ungefähr gleich der Summe der negativen Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste optische Vorrichtung (L1) in Strahlausbreitungsrichtung (R) unbeweglich ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend: - eine Strahlablenkeinheit (AE) zum Ablenken der Strahlen (P) aus der Strahlausbreitungsrichtung (R) in eine andere Richtung, und - eine Steuerung (S) zum Ansteuern des Stellelements (A2) und der Strahlablenkeinheit (AE), so dass eine Position des Fokus (F) bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials (M) auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend: - eine vierte optische Vorrichtung (L4) mit positiver Brennweite (f4), die ungefähr der positiven Brennweite (f1) der ersten optischen Vorrichtung (L1) entspricht, und - eine fünfte optische Vorrichtung (L5) mit negativer Brennweite (f5), die ungefähr der negativen Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entspricht, wobei - die erste optische Vorrichtung (L1) und die zweite optische Vorrichtung (L2) für das Durchlaufen eines Bearbeitungsstrahls (BS) eingerichtet sind, - die vierte optische Vorrichtung (L4) und die fünfte optische Vorrichtung (L5) für das Durchlaufen eines Beobachtungsstrahls (BE) eingerichtet sind, - die vierte optische Vorrichtung (L4) an die erste optische Vorrichtung (L1) gekoppelt ist, und - eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung (L5) an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) gekoppelt ist.
System für Lasermaterialbearbeitung, umfassend: - eine Kollimationsoptik (K) mit einer Gesamtkollimationsbrennweite (fK), bestehend aus - einer Strahlzuführung (Z) für divergente Strahlen (D), - einer ersten optischen Vorrichtung (L1) mit positiver Brennweite (f1) und - einer zweiten optischen Vorrichtung (L2) mit negativer Brennweite (f2), wobei die divergenten Strahlen (D) zuerst die erste optische Vorrichtung (L1) und danach die zweite optische Vorrichtung (L2) durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung (L2) kollimiert verlassen, - eine dritte optische Vorrichtung (O) mit einer positiven Brennweite (fO), wobei die dritte optische Vorrichtung (O) der Kollimationsoptik (K) nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik (K) kollimiert austretenden Strahlen (P) auf einen Fokus (F) bündelt, - ein Stellelement (A2) zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R), und - ein weiteres Stellelement (A1) zum Bewegen der ersten optischen Vorrichtung (L1) entlang einer Strahlausbreitungsrichtung (R), und wobei das weitere Stellelement (A1) und das Stellelement (A2) die erste optische Vorrichtung (L1) und die zweite optische Vorrichtung (L2) unabhängig voneinander bewegen können, wobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer bildseitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (O) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Gesamtkollimationsbrennweite (fK).
System gemäß Anspruch 6, wobei ein mittlerer Strahlweg (d2) zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung (O) so gewählt ist, dass eine Größe (g) des Fokus (F) beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) mittels des Stellelements (A2) im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung (L2) und die dritte optische Vorrichtung (O) derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden.
System nach Anspruch 6 oder 7, weiter umfassend: - eine Steuerung (S), die eingerichtet ist, das weitere Stellelement (A1) und das Stellelement (A2) so anzusteuern, dass durch die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (L1) und der zweiten optischen Vorrichtung (L2) eine Größe (g) des Fokus (F) und eine Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte, eingestellt werden können, wobei: - die Größe (g) des Fokus (F) im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (L1) eingestellt wird, - die Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) eingestellt wird, und wobei mindestens eins von: - eine Änderung der Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (L1), und - eine Änderung der Größe (g) des Fokus (F) aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) berücksichtigt wird, um die vorgegebenen Werte einzustellen.
System nach Anspruch 8, wobei mindestens eins von der Änderung der Position (p) und der Änderung der Größe (g) des Fokus (F) berücksichtigt wird durch - Hinterlegen von Referenz-Steuerdaten, die auf einer Berechnung oder Messung von Position (p) und Größe (g) des Fokus (F) in Abhängigkeit der Positionen der ersten optischen Vorrichtung (L1) und der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) beruhen, und - Bestimmen von erforderlichen Positionen der ersten optischen Vorrichtung (L1) und der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) anhand der hinterlegten Referenz-Steuerdaten, um die vorgegebenen Werte für die Position (p) und die Größe (g) des Fokus (F) einzustellen.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, weiter umfassend: - eine Strahlablenkeinheit (AE) zum Ablenken der Strahlen (P) aus der Strahlausbreitungsrichtung (R) in eine andere Richtung, wobei die Steuerung (S) eingerichtet ist, das weitere Stellelement (A1), das Stellelement (A2) und die Strahlablenkeinheit (AE) so anzusteuern, dass die Größe (g) des Fokus (F) und eine Position (p) des Fokus (F) bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials (M) auf vorgegebene Werte eingestellt werden können.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 10, weiter umfassend: - eine vierte optische Vorrichtung (L4) mit positiver Brennweite (f4), die ungefähr der positiven Brennweite (f1) der ersten optischen Vorrichtung (L1) entspricht, - eine fünfte optische Vorrichtung (L5) mit negativer Brennweite (f5), die ungefähr der negativen Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entspricht, wobei - die erste optische Vorrichtung (L1) und die zweite optische Vorrichtung (L2) für das Durchlaufen eines Bearbeitungsstrahls (BS) eingerichtet sind, - die vierte optische Vorrichtung (L4) und die fünfte optische Vorrichtung (L5) für das Durchlaufen eines Beobachtungsstrahls (BE) eingerichtet sind, - eine Bewegung der vierten optischen Vorrichtung (L4) an eine Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (L1) gekoppelt ist, und - eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung (L5) an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) gekoppelt ist.
System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Strahlzuführung (Z) an ein Ende einer Lichtleitfaser gekoppelt ist, aus welcher Laserstrahlung divergent austritt.
System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei ein Verhältnis der positiven Brennweite (f1) der ersten optischen Vorrichtung (L1) zu einem Abstand (d1) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer objektseitigen Hauptebene der ersten optischen Vorrichtung (L1) zwischen 0,25 und 0,75 liegt.
System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die erste optische Vorrichtung (L1) so angeordnet ist, dass ein Winkel von einfallenden Strahlen (D) gleich einem Winkel von ausfallenden Strahlen (A) ist.
System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei - ein Sinus einer Halbwinkeldivergenz (hw) der divergierenden Strahlen (D) im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt, - die positive Brennweite (f1) der ersten optischen Vorrichtung (L1) im Bereich von 55 mm bis 120 mm liegt, - die negative Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrichtung (L2) im Bereich von - 75 mm bis -160 mm liegt, - die Gesamtkollimationsbrennweite (fK) im Bereich von 60 mm bis 300 mm liegt, - ein Durchmesser (d) der Strahlen (P) nach Durchlaufen der Kollimationsoptik (K) im Bereich von 14 mm bis 50 mm liegt, und - die positive Brennweite (fO) der dritten optischen Gruppe (O) im Bereich von 300 mm bis 800 mm liegt.
System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die dritte optische Vorrichtung (O) bezüglich der Strahlzuführung (Z) einen konstanten Abstand aufweist.
System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das weitere Stellelement (A1), falls vorhanden, und das Stellelement (A2) Linearantriebe sind.
System nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 10 bis 17, wobei - die Strahlablenkeinheit (AE) in Strahlausbreitungsrichtung (R) nach der dritten optischen Vorrichtung (O) angeordnet ist, oder - die Strahlablenkeinheit (AE) in Strahlausbreitungsrichtung (R) zwischen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der dritten optischen Vorrichtung (O) angeordnet ist.
Verfahren zum Einstellen einer Größe (g) und einer Position (p) eines Fokus (F) entlang einer Strahlausbreitungsrichtung (R) eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung, umfassend: - Erzeugen von im Wesentlichen kollimierten Strahlen (P) mit einer Gesamtkollimationsbrennweite (fK) durch: - Bereitstellen von divergierenden Strahlen (D), - Zuführen der divergierenden Strahlen (D) an eine erste optische Vorrichtung (L1) mit positiver Brennweite (f1), - Zuführen von Strahlen (A), die die erste optische Vorrichtung (L1) mit positiver Brennweite (f1) durchlaufen haben, an eine zweite optische Vorrichtung (L2) mit negativer Brennweite (f2), wobei die divergierenden Strahlen (D), die erste optische Vorrichtung (L1) und die zweite optische Vorrichtung (L2) so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Strahlen (P), die die zweite optische Vorrichtung (L2) durchlaufen haben, im Wesentlichen kollimiert sind, - Erzeugen des Fokus (F) durch Zuführen der im Wesentlichen kollimierten Strahlen (P) an eine dritte optische Vorrichtung (O), wobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen einer Strahlzuführung (Z) der divergierenden Strahlen (D) und einer bildseitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (O) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Gesamtkollimationsbrennweite (fK), - Bewegen der ersten optischen Vorrichtung (L1) und der zweiten optischen Vorrichtung (L2) derart, dass die Größe (g) des Fokus (F) und die Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte eingestellt werden können, wobei: - die Größe (g) des Fokus (F) im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (L1) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) eingestellt wird, - die Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) eingestellt wird, und - Berücksichtigen von mindestens eins von: - eine Änderung der Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (L1), und - eine Änderung der Größe (g) des Fokus (F) aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) um die vorgegebenen Werte einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 19, weiter umfassend: - Ablenken der Strahlen (P) aus der Strahlausbreitungsrichtung (R) in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung (R), wobei die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (L1), die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und die Ablenkung der Strahlen koordiniert und gleichzeitig ausgeführt werden, um die Größe (g) des Fokus (F) und die Position des Fokus (F) bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials (M) auf vorgegebene Werte einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei die dritte optische Vorrichtung (O) und eine Zuführung (Z) für die divergenten Strahlen (D) mit einem festen Abstand (d3) zueinander angeordnet sind.