DE102016107595B4

DE102016107595B4 - Strahlformungsoptik für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls sowie Vorrichtung mit derselben

Info

Publication number: DE102016107595B4
Application number: DE102016107595.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rudolf
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: CN109416419B; DE102016107595A1; EP3449292A1; US11376689B2; JP6619107B2; JP2019515356A; US20200198054A1; CN109416419A; WO2017186681A1

Abstract

Strahlformungsoptik für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, umfassend:
eine zweidimensionale Axikonanordnung (10) mit einer Vielzahl von Mikroaxikons (11) zur Erzeugung eines ringförmigen Intensitätsprofils des Laserstrahls;
wobei die Mikroaxikons (11) gekrümmte Mantelflächen (113) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlformungsoptik zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, vorzugsweise zum Laserschneiden, sowie eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, die mindestens eine solche Strahlformungsoptik enthält.
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Der Durchmesser des Fokus, also der Durchmesser des Bildes der Laserlichtquelle auf dem Werkstück, ergibt sich dann aus den optischen Daten der einzelnen optischen Elemente der Strahlführungs- und Fokussierungsoptik. Wird standardmäßig ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird, so ergibt sich der Fokusdurchmesser aus dem Produkt von Faserkerndurchmesser und Fokussierbrennweite geteilt durch die Kollimationsbrennweite. Zum Laserschneiden werden - je nach Blechdicke - unterschiedliche Fokusdurchmesser, d.h. Laserstrahldurchmesser im Fokus, benötigt. Dabei sollte der Laserstrahldurchmesser umso größer sein, je größer die Dicke des zu schneidenden Materials ist. Beispielsweise wird bis zu einer Blechdicke von 5 mm ein Fokusdurchmesser von ca. 125 µm verwendet, während beim Schneiden von 5 mm bis 10 mm dicken Blechen ein doppelt so großer Fokusdurchmesser, also ein Fokusdurchmesser von ca. 250 µm gewünscht wird. Ab Blechdicken von 10 mm werden Führungs- und Fokussieroptiken eingesetzt, die einen Fokusdurchmesser von ca. 600 µm liefern.
Bei großen Fokusdurchmessern ist es vorteilhaft, ein Ringprofil der Intensitätsverteilung im Fokus auszubilden, da sich hierdurch eine homogenere Temperaturverteilung in der Schnittfuge ergibt. In der Folge kann die Schmelze durch das Schneidgas wirksamer ausgetrieben werden.
Ein üblicher Laserbearbeitungskopf kann in einem festen oder variablen Abbildungsverhältnis zwischen 1:1 und 1:3 abbilden und Fokusdurchmesser zwischen 100 µm und 1500 µm erzeugen. Laserbearbeitungsköpfe, z.B. zum Schneiden von Dünn- und Dickblechen mit hoher Schnittkantenqualität, benötigen eine Möglichkeit zum Einstellen einer jeweils optimal geeigneten Laserleistungsdichteverteilung auf dem Werkstück, z.B. zur Erzeugung einer ringförmigen Intensitätsverteilung in der Fokusebene.
Hierzu werden Strahlformungsoptiken verwendet. Eine Strahlformungsoptik bezeichnet eine Optik oder mehrere Optiken, um eine Intensitätsverteilung bzw. eine Form eines Laserstrahls zu ändern. Beispielsweise können Strahlformungsoptiken abgeflachte und/oder ringförmige Intensitätsprofile in der Fokusebene erzeugen. Eine Strahlformungsoptik kann beispielsweise ein oder mehrere diffraktive oder refraktive optische Elemente enthalten. Refraktive optische Elemente haben die Vorteile einer hohen Transmissionseffizienz, einer Eignung für dauerhaften Einsatz in Hochleistungslasersystemen, und der Wellenlängenunabhängigkeit.
Aus der DE 28 21 883 C2 ist bereits eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung wie Bohren, Stanzen und Schweißen mit Hilfe von Laserstrahlen bekannt, bei der zwischen einer Kollimatoroptik zum Aufweiten des Laserstrahls und einer Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls auf ein Werkstück ein aus durchsichtigem brechendem Material bestehender Konus (Axikon) zur achsensymmetrischen Inversion der achsennahen und achsenfernen Querschnittsbereiche des Laserbearbeitungsstrahls erreicht wird. Die Fokussieroptik fokussiert dann den Laserbearbeitungsstrahl entsprechend seiner geänderten Strahlcharakteristik in einen ringförmigen Bereich auf dem Werkstück. Durch den Einsatz des Axikon ist also die Intensitätsverteilung im Laserbearbeitungsstrahl so geändert, dass sich im Fokusbereich ein Ringprofil ergibt.
US 2007/0177116 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikrostrukturen, wobei Laserstrahlen auf ein Axiconarray gelenkt wird.
DE 10 2005 059 755 B3 betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur spektralaufgelösten Charakterisierung einer Wellenfront ultrakurzer Laserimpulse. Bei extrem kurzen und spektral breitbandigen Impulsen kommt es in einem Laserresonator sowie bei der Ausbreitung in optischen Systemen zu räumlichen Inhomogenitäten, die auf Dispersion, Diffraktion und nichtlineare Wechselwirkungen zurückzuführen sind. Zu deren Charakterisierung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der Laserstrahl mit einem Array aus strahlformenden mikrooptischen Einzelelementen, welche ein integriertes Gitterprofil aufweisen, in ein Feld aus fokussierten, axial ausgedehnten ringfreien, pseudo-nich-tdiffraktiven Teilstrahlen aufgespalten und gleichzeitig spektral aufgelöst wird und die entstehenden Teilspektren auf einem zweidimensionalen Detektor abgebildet werden. Bei einer entsprechenden Anordnung sind im Strahlengang des Laserstrahls ein Array aus strahlformenden mikrooptischen Einzelelementen, welche ein integriertes Gitterprofil aufweisen, und ein die entstehenden Teilspektren abbildender zweidimensionaler Detektor angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlformungsoptik für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls (insbesondere für Laserschneiden), sowie eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls mit derselben bereit zu stellen, wodurch ein ringförmiges Intensitätsprofil mit verbesserter Homogenität und eine erhöhte Rayleigh-Länge erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strahlformungsoptik für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls mit derselben gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß umfasst eine Strahlformungsoptik für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, insbesondere für Laserschneiden, eine Axikonanordnung mit einer Vielzahl von Mikroaxikons zur Erzeugung eines abgeflachten und/oder ringförmigen Intensitätsprofils des Laserstrahls, z.B. in einer Fokusebene einer vor- bzw. nachgelagerten Fokussieroptik. Durch die zweidimensionale Anordnung kann die Homogenität des ringförmigen Intensitätsprofils verbessert und eine hohe laterale Positionierungstoleranz bereitgestellt werden. Die Axikonanordnung kann als refraktives optisches Element ausgebildet sein. Das heißt, die Strukturgrößen der Axikonanordnung können deutlich größer sein als die Wellenlänge des Laserstrahls. In diesem Fall ist die Lichtablenkung aufgrund von Beugung vernachlässigbar.
Abhängig von der Form der Mikroaxikons bzw. Axikoneinheiten in der Axikonanordnung, z.B. Höhe, Axikonwinkel, Durchmesser, Oberflächenkrümmung der Seiten- bzw. Mantelflächen u.Ä., kann eine Dicke des Ringprofils, der Ringdurchmesser, die zentrale Extinktion etc. variiert werden.
Vorzugsweise ist die Seiten- oder Mantelfläche, d.h. die konusartige Oberfläche, jedes Mikroaxikons gekrümmt oder gewölbt, sodass eine kuppelartige Form entsteht. Hierbei bezeichnet „gekrümmt“ eine Krümmung entlang einer optischen Achse der Strahlformungsoptik, bzw. in einer Richtung senkrecht zur Ausdehnungsebene der zweidimensionalen Axikonanordnung, bzw. parallel zu einem Lot von der Spitze des Mikroaxikons auf seine Grundfläche. Die Seiten- bzw. Mantelflächen der Mikroaxikons können asphärisch gekrümmt sein. Durch die gekrümmten Mantelflächen der Mikroaxikons kann eine erreichbare Rayleigh-Länge eines Laserstrahls vergrößert werden. Hierbei bezeichnet Rayleigh-Länge eine Länge entlang der optischen Achse, die ein Laserstrahl benötigt, um seine Maximalintensität ausgehend von der Strahltaille zu halbieren. Somit kann die Fokustiefe verbessert werden. Gleichzeitig kann dadurch die Ringdicke des Intensitätsprofils in der Fokusebene vergrößert und somit die Spitzen- bzw. Maximalintensität gesenkt werden. Dadurch ergibt sich eine axial homogenere Maximalintensität.
Zusätzlich können Spitzen der Mikroaxikons und/oder Täler zwischen den Mikroaxikons abgerundet sein. Dies ermöglicht nicht nur eine vereinfachte Herstellung, sondern auch eine gezielte Lichtverteilung ins Zentrum der Intensitätsverteilung, so dass eine Intensität im Zentrum der Ringverteilung größer Null erreicht werden kann.
Die Mikroaxikons können in der Axikonanordnung gitterartig bzw. regelmäßig angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Mikroaxikons in einem hexagonalen Raster bzw. Gitter angeordnet. Hierdurch kann ein optimaler Füllfaktor erzielt und eine Homogenität der Intensitätsverteilung entlang des Ringprofils maximiert werden.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Axikonanordnung Mikroaxikons enthalten, die sich in ihrer Form unterscheiden. Beispielsweise kann die Axikonanordnung Mikroaxikons mit geraden und gekrümmten Seitenflächen enthalten. Auch können die Mikroaxikons unterschiedliche Axikonwinkel und/oder Krümmungen der Seitenflächen und/oder Höhen und/oder Durchmesser und/oder Formen der Grundflächen und/oder Größen der Grundflächen aufweisen. Hierbei bezeichnet „Höhe“ das Lot von der Spitze des Mikroaxikons auf seine Grundfläche, die in der Ebene der (im Wesentlichen) zweidimensionalen Axikonanordnung liegt. Bei ungleichen Grundflächen bzw. Durchmessern können Abstände zwischen den Mikroaxikons unregelmäßig sein. Die Axikonanordnung kann auch Mikroaxikons enthalten, die in sich asymmetrisch sind, beispielsweise in der Krümmung ihrer Seitenfläche und/oder in der Anordnung der Spitze des Mikroaxikons bezüglich der Grundfläche, z.B. einer dezentralen Anordnung der Spitze über der Grundfläche. Durch unterschiedlich geformte Mikroaxikons in der Axikonanordnung können unterschiedliche Strahlformungen überlagert und/oder homogenere Intensitätsverteilungen erzielt werden. Es lassen sich also Strahlprofile erzeugen, die sich mit einer Axikonanordnung mit gleich geformten Mikroaxikons nicht erzeugen ließe.
Die Axikonanordnung kann aus einer Vielzahl von Mikroaxikons bestehen, die in einer Substratebene der Axikonanordnung senkrecht zur optischen Achse der Strahlformungsoptik angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Mikroaxikons in einem kleineren Abstand zueinander angeordnet als ein Strahldurchmesser eines auf die Axikonanordnung einfallenden, vorzugsweise kollimierten, Laserstrahls. Somit kann der Laserstrahl durch mehrere Mikroaxikons durchtreten. Durch Überlagerung der durch die einzelnen Mikroaxikons hindurchgetretenen Laserstrahlteile (sogenannte Beamlets) in der Fokusebene bzw. auf dem Werkstück kann ein homogenisiertes Strahlprofil ohne Verlust von Strahlenergie erzeugt werden.
Der Laserstrahl kann ein multimodaler Laserstrahl sein, sodass im Vergleich zu einmodigen Lasern Selbst-Interferenz reduziert wird und ein größerer Fokusdurchmesser erreicht werden kann.
Weiterhin umfasst erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls mindestens eine Strahlformungsoptik gemäß einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele und eine Fokussieroptik zur Fokussierung eines Laserstrahls auf einem Werkstück.
Vorzugsweise ist die Strahlformungsoptik vor der Fokussieroptik, wie beispielsweise einer Fokussierlinse, in einem Strahlengang der Vorrichtung angeordnet.
Die Vorrichtung kann zudem eine Kollimatoroptik zur Aufweitung des Laserstrahls umfassen. Die Strahlformungsoptik ist vorzugsweise im kollimierten Laserstrahl angeordnet, obwohl es grundsätzlich möglich ist, die erfindungsgemäße Strahlformungsoptik auch im divergenten oder konvergenten Bereich eines Laserstrahls anzuordnen. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Strahlformungsoptik zwischen einer Kollimatoroptik zur Aufweitung des Laserstrahls und der Fokussieroptik angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann ferner mindestens eine Linse mit variabler Brennweite zur Variierung des Ringdurchmessers des Intensitätsprofils in der Fokusebene umfassen. Die variable Brennweite kann beispielsweise durch Verschiebung einer bzw. mehrerer Linsen entlang der optischen Achse erreicht werden. Alternativ können Flüssiglinsen bzw. Polymerlinsen verwendet werden.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls einen Laserschneidkopf oder Laserbearbeitungskopf.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Draufsicht auf eine Axikonanordnung,
2a eine schematische Seitenansicht einer Axikonanordnung mit Axikoneinheiten ohne gekrümmte Seitenflächen,
2b eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung mit Axikoneinheiten mit gekrümmten Seitenflächen,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung in einem kollimierten Laserstrahl mit einer nachgelagerten Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls,
4a eine schematische Darstellung eines dreidimensionalen Oberflächenprofils einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung,
4b eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Oberflächenprofils einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung,
5 Kaustiken einer Axikonanordnung mit Axikoneinheiten ohne gekrümmte Seitenflächen sowie einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung mit Axikoneinheiten mit gekrümmten Seitenflächen,
6a ein simuliertes Strahlprofil einer Axikonanordnung mit Axikoneinheiten ohne gekrümmte Mantelflächen in der Fokusebene,
6b ein simuliertes Strahlprofil einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung mit Axikoneinheiten mit gekrümmten Mantelflächen in der Fokusebene,
6c eine simulierte Verteilung der Maximalintensität als Funktion der z-Position für eine Axikonanordnung mit Axikoneinheiten ohne gekrümmte Mantelflächen,
6d eine simulierte Verteilung der Maximalintensität als Funktion der z-Position für eine Axikonanordnung mit Axikoneinheiten mit gekrümmten Mantelflächen, und
7 eine Strahlführungs- und Fokussierungsoptik, wie sie zur Laserbearbeitung in einem Laserbearbeitungskopf eingesetzt wird, mit einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung, und
8 eine Tabelle zum Vergleich zwischen einer Axikonanordnung mit Axikoneinheiten ohne gekrümmte Seitenflächen und einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung mit Axikoneinheiten mit gekrümmten Seitenflächen.

In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Axikonanordnung 10 mit einer Vielzahl von Mikroaxikons 11 für eine Strahlformungsoptik zum Ausbilden eines ringförmigen Intensitätsprofils. Die Mikroaxikons 11 sind auf einer Fläche bzw. einer Substratebene 12 der Axikonanordnung 10 vorzugsweise in einer regelmäßigen Struktur angeordnet. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Mikroaxikons 11 in einem hexagonalen Gitter bzw. Raster angeordnet. Durch eine Anordnung der Mikroaxikons 11 auf einem hexagonalen Raster kann ein optimaler Füllfaktor erzielt werden. Selbstverständlich kann der Umfang der Axikonanordnung 10 auch andere Formen als kreisförmig aufweisen, z.B. rechteckig, oval, etc.. Hierbei wird mit Umfang der Axikonanordnung 10 ein Rand der Axikonanordnung 10 in einer Ebene der zweidimensionalen Anordnung von Mikroaxikons 11 bezeichnet. Das heißt, der Umfang der Axikonanordnung 10 bezeichnet einen Rand der Axikonanordnung 10 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Axikonanordnung 10. Vorzugsweise weist die Axikonanordnung 10 eine Substratebene 12 mit einem Durchmesser zwischen 10 bis 50 mm auf, oder bei einer rechteckigen bzw. quadratischen Form der Substratebene 12 z.B. eine Kantenlänge von bis zu 100 mm. Beispielsweise kann die Axikonanordnung 10 aus Quarzglas, Saphir oder ZnSe gefertigt sein.
Jedes Mikroaxikon 11 weist eine konusartige Struktur mit einer Spitze 111 und einer Mantel- bzw. Seitenfläche 113 auf (siehe 2a und 2b). Zwischen benachbarten Mikroaxikons 11 sind Täler 112 in der Axikonanordnung 10 ausgebildet. Die Länge eines Lots von der Spitze 111 auf eine in der Substratebene 12 liegende Grundfläche des Mikroaxikons 11 wird als Höhe bezeichnet. Ein Durchmesser bzw. ein Umfang des Mikroaxikons 11 bezieht sich im Folgenden auf den Durchmesser bzw. den Umfang der Grundfläche des Mikroaxikons 11. Ein von der Seitenfläche 113 an der Spitze 111 des Mikroaxikons 11 gebildeter Öffnungswinkel wird als Axikonwinkel 114 bezeichnet.
In 2a ist eine Seitenansicht einer Axikonanordnung mit einer Vielzahl von Mikroaxikons 11 mit geraden Seiten- bzw. Mantelflächen gezeigt. In diesem Fall entspricht die Seitenansicht eines Mikroaxikons 11 einem gleichschenkligen Dreieck mit gerader Mantel- oder Seitenfläche 113.
In 2b ist eine Axikonanordnung 10 gemäß einer bevorzugtenAusführungsform gezeigt, die eine Vielzahl von Mikroaxikons 11 mit gewölbten Seitenflächen 113 aufweist, sodass in der Seitenansicht eine kuppelartige Struktur entsteht. Hierbei können die Seitenflächen 113 der Mikroaxikons 11 asphärisch geformt sein. Zusätzlich können die Spitzen 111 der Mikroaxikons 11 und/oder die Täler 112 zwischen den Mikroaxikons 11 abgerundet sein, wodurch die Axikonanordnung 10 leichter herstellbar ist und auch eine Lichtverteilung das Zentrum der ringförmigen Intensitätsverteilung möglich wird. Vorzugsweise sind die Mikroaxikons 11 in der Axikonanordnung regelmäßig, d.h. in einer Gitter- oder Rasterstruktur, angeordnet, wie in Bezug auf 1 beschrieben.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Mikroaxikons 11 nicht einheitlich geformt, sondern können sich hinsichtlich zumindest eines Parameters von Höhe, Durchmesser, Axikonwinkel, Krümmung der Seitenfläche, Größe und/oder Form der Grundfläche etc. unterscheiden. Auch kann ein Mikroaxikon 11 in sich asymmetrisch geformt sein. Beispielsweise kann die Spitze 111 nicht mittig über der Grundfläche eines Mikroaxikons 11 angeordnet sein, sodass sich unterschiedliche Abstände von der Spitze 111 zum Umfang des Mikroaxikons 11 ergeben. In einem weiteren Beispiel kann die Krümmung der Seitenfläche 113 eines Mikroaxikons variieren, z.B. in einem Bereich der Seitenfläche 113 stärker gekrümmt sein, als in einem hinsichtlich eines Lots von der Spitze 111 gegenüberliegenden Bereich. Somit kann das Axikonanordnung 10 aus unterschiedlich geformten Mikroaxikons 11 bestehen. Beispielsweise kann die Axikonanordnung 10 Mikroaxikons 11 mit gekrümmten Seitenflächen 113 (siehe 2b) und mit geraden Seitenflächen 113 (siehe 2a) enthalten. Die ungleich geformten Mikroaxikons 11 können unregelmäßig oder regelmäßig angeordnet sein. Hierbei können ungleiche Grundflächen bzw. Durchmesser durch unterschiedlich geformte Täler ausgeglichen werden. Durch ungleich geformte Mikroaxikons 11 in der Axikoneinheit ergibt sich eine Überlagerung unterschiedlicher Strahlformung, so dass sich Strahlprofile erzielen lassen, die bei einer Axikonanordnung 10 mit gleich geformten Mikroaxikons 11 nicht möglich wäre. Auch lässt sich in gewissen Fällen eine noch homogenere Intensitätsverteilung im Ringprofil erreichen.
Die Mikroaxikons 11 können zwischen 0,5 bis 5 mm groß sein. Der Axikonwinkel 114 (auch Öffnungswinkel, bzw. Spitzenwinkel) kann abhängig vom gewünschten Ringdurchmesser gewählt sein und liegt vorzugsweise zwischen 0,1° und 1°. Bei Mikroaxikons 11 mit gekrümmten Seitenflächen 113 definiert sich der Axikonwinkel 114 durch Tangenten an die Seitenflächen113 nahe der Spitze 111. Idealerweise sind die Mikroaxikons 11 in der Axikonanordnung 10 dicht gepackt, d.h. ohne Abstand zwischen benachbarten Mikroaxikons 11. Fertigungstechnisch ist es jedoch vorteilhaft, eine gewisse Rundung der Täler zwischen benachbarten Mikroaxikons 11 zu gestatten, sodass der Abstand effektiv zwar größer 0 mm, aber dennoch deutlich weniger als 1 mm beträgt.
In 3 ist eine beispielhafte Anordnung der Axikonanordnung 10 im Strahlengang eines Lasers, wie beispielsweise eines Faser-, Scheiben-, oder Diodenlasers, mit nachgelagerter Fokussierlinse 15 gezeigt. Ein kollimierter Laserstrahl 14 wird nach Durchtritt durch die Axikonanordnung 10 aufgeweitet und anschließend durch die Fokussierlinse 15 in der Fokusebene F der Fokussierlinse als ringförmiges Strahlprofil abgebildet. Der erzielte Ringdurchmesser kann hierbei zwischen 500 und 1500 µm liegen, mit Ringdicken zwischen 300 und 1000 µm. Der geformte Laserstrahl 14b ist in 3 als gestrichelte Linie eingezeichnet, während der Strahlenverlauf eines normalen kollimierten Laserstrahls 14 (ohne Axikonanordnung) mit durchgezogener Linie eingezeichnet ist. Die Axikonanordnung 10 mit n Mikroaxikons 11 teilt den Laserstrahl 14 in n Strahlteile bzw. Beamlets. Durch die nachgelagerte Fokussierlinse werden die n Beamlets in der Fokusebene F der Fokussierlinse 15 überlagert und ergeben das homogene ringförmige Intensitätsprofil (siehe 6a und 6b).
In 4a ist eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Oberflächenprofils der Axikonanordnung 10 gezeigt (nicht maßstabsgetreu). In 4b ist ein zweidimensionales Oberflächenprofil der Axikonanordnung 10 gezeigt. Die Zahlenangaben beziehen sich auf Konturhöhe in mm.
In 5 sind Kaustiken (Bildausschnitte 1,5 mm x 1,5 mm) einer Axikonanordnung mit Axikoneinheiten, d.h. Mikroaxikons, mit gekrümmten Seitenflächen bzw. ohne gekrümmte Seitenflächen an verschiedenen z-Positionen, d.h. entlang der optischen Achse, gezeigt. Die Skalierung der Graustufen entspricht der Skala von niedriger Intensität (unteres Ende der Skala) zu hoher Intensität (oberes Ende der Skala) in beliebiger Einheit, z.B. W/cm² und kann dieselbe sein wie die in 6a und 6b gezeigt. Durch die gewölbten Seitenflächen 113 der Mikroaxikons 11 wird die Rayleigh-Länge eines durch die Axikonanordnung 10 hindurch getretenen Laserstrahls erhöht. Dabei wird auch die Ringdicke in der Fokusebene des resultierenden ringförmigen Intensitätsprofils erhöht und somit die Spitzenintensität gesenkt. Außerhalb der Fokusebene ist der Einfluss der Krümmung bzw. Wölbung gering (siehe 5). Wie man außerdem erkennen kann, ist das ringförmige Intensitätsprofil hauptsächlich im Fokus (z=0) vorhanden und weist eine hohe Homogenität auf.
In der in 8 dargestellten Tabelle sind diese Effekte exemplarisch anhand von zwei ZEMAX-Simulationen gezeigt. Es werden eine Axikonanordnung ohne gekrümmte Mantelflächen und eine Axikonanordnung mit gekrümmten Mantelflächen gegenüber gestellt. In der ersten Zeile der Tabelle werden simulierte Oberflächenprofile (Seitenansicht) einer Axikonanordnung ohne gekrümmte Seitenflächen (links) und einer erfindungsgemäßen Axikonanordnung mit gekrümmten Seitenflächen (rechts) gegenüber gestellt. Das Höhenprofil z(r) ist gemäß einem Polynom definiert: z(r) = Coeff1 *r + Coeff2*r² + ... Wenn einer der höheren Koeffizienten Coeff2, ... ungleich 0 ist, ergibt sich eine gekrümmte Oberfläche. Die Rayleigh-Länge kann durch die gekrümmten Mantelflächen von 3,4 mm auf 9,4 mm erhöht werden.
Die dazugehörigen simulierten Strahlprofile in der Fokusebene z=0 sind für die Axikonanordnung ohne gekrümmte Seitenflächen und die erfindungsgemäße Axikonanordnung mit gekrümmten Seitenflächen in 6a bzw. 6b dargestellt. Die Maximal-Intensität als Funktion der z-Position (entlang der optischen Achse) ist für die Axikonanordnung ohne gekrümmte Seitenflächen in 6c und für die erfindungsgemäße Axikonanordnung mit gekrümmten Seitenflächen in 6d dargestellt. Wie aus 6a bis 6d ersichtlich ist, ist das Strahlprofil in der Fokusebene für die Axikonanordnung mit Mikroaxikons mit gekrümmter Oberfläche homogener und die Maximalintensität ist in z-Richtung gleichmäßiger verteilt.
In 7 ist eine Strahlformungsoptik mit der Axikonanordnung 10 im Strahlengang einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, beispielsweise eines Laserbearbeitungskopfes, insbesondere für Laserschneiden, gezeigt. In dieser beispielhaften Anordnung ist die Strahlformungsoptik bzw. die Axikonanordnung 10 im kollimierten Laserstrahl 14 zwischen einer Kollimatoroptik 17 und einer Fokussierlinse 15 angeordnet. Ein aus einer Lichtleitfaser 16 austretender divergenter Laserstrahl wird von der Kollimatoroptik 17 in einen parallelen bzw. kollimierten Laserstrahl 14 umgeformt, der von der Fokussierlinse 15 auf ein Werkstück 18 fokussiert wird. Alternativ kann die Strahlformungsoptik bzw. die Axikonanordnung 10 auch im Strahlengang hinter der Fokussierlinse 15 angeordnet sein. Allgemein kann die Strahlformungsoptik bzw. die Axikonanordnung 10 auch im divergenten oder konvergenten Laserstrahl angeordnet werden.
Die Strahlformungsoptik mit der Axikonanordnung 10 kann mit beliebigen Linsensystemen kombiniert werden. Bei einer Kombination mit einer oder mehreren Linsen, deren Brennweite variabel ist, kann der erzeugte Ringdurchmesser des Intensitätsprofils in der Fokusebene variiert werden und somit individuell an Material und Materialstärke eingestellt werden. Somit ist es möglich, dicke und dünne Bleche mit einem Laserbearbeitungskopf, der die Strahlformungsoptik mit der Axikonanordnung 10 und ein Linsensystem mit variabler Brennweite enthält, zu bearbeiten. Beispielsweise kann die Brennweite variiert werden, indem einzelne oder mehrere Linsen entlang der optischen Achse verschoben werden (z-Verschiebung). Alternativ können Linsen mit variabler Brennweite eingesetzt werden, wie beispielsweise Flüssiglinsen oder Polymerlinsen.
Vorzugsweise ist die Strahlformungsoptik bzw. die Axikonanordnung 10 in die Vorrichtung bzw. in den Laserbearbeitungskopf einsetzbar bzw. entfernbar. Dies bedeutet, dass die Strahlformungsoptik bzw. die Axikonanordnung 10 in der Vorrichtung bzw. in dem Laserbearbeitungskopf beweglich gelagert ist, vorzugsweise in einem kollimierten Teil des Strahlengangs, alternativ in einem divergenten oder konvergenten Teil des Strahlengangs. Dadurch kann die Ringformung des Intensitätsprofils in der Fokusebene wahlweise zu- und abgeschaltet werden. Für eine permanente Ringformung kann die Strahlformungsoptik bzw. die Axikonanordnung 10 natürlich auch fest in den Strahlengang eingebaut sein.
Somit kann die erfindungsgemäße Axikonanordnung durch die Krümmung der Mikroaxikonoberflächen die erreichbare Rayleigh-Länge eines Laserstrahls erhöht werden, wodurch in der Fokusebene die Ringdicke erhöht und die Spitzenintensität gesenkt wird. Dies ermöglicht eine homogene ringförmige Intensitätsverteilung auf einem Werkstück und eine daraus resultierende homogenere Temperaturverteilung. Bei Verwendung von Linsen mit variabler Brennweite kann zudem ein Durchmesser des ringförmigen Fokus variiert und an das jeweilige Werkstück angepasst werden. Dadurch wird ein Laserbearbeitungskopf mit der erfindungsgemäßen Axikonanordnung vielseitig einsetzbar.

Claims

Strahlformungsoptik für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, umfassend: eine zweidimensionale Axikonanordnung (10) mit einer Vielzahl von Mikroaxikons (11) zur Erzeugung eines ringförmigen Intensitätsprofils des Laserstrahls; wobei die Mikroaxikons (11) gekrümmte Mantelflächen (113) aufweisen.
Strahlformungsoptik nach Anspruch 1, wobei die Mikroaxikons (11) unterschiedlich oder gleich geformt sind.
Strahlformungsoptik für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, umfassend: eine zweidimensionale Axikonanordnung (10) mit einer Vielzahl von Mikroaxikons (11) zur Erzeugung eines ringförmigen Intensitätsprofils des Laserstrahls; wobei die Axikonanordnung (10) unterschiedlich geformte Mikroaxikons (11) enthält.
Strahlformungsoptik nach Anspruch 2, wobei die Axikonanordnung (10) Mikroaxikons (11) enthält, die eine gekrümmte Mantelfläche (113) aufweisen.
Strahlformungsoptik nach Anspruch 1, 2, oder 4, wobei die Mantelflächen (113) von zumindest einigen Mikroaxikons (11) asphärisch gekrümmt sind.
Strahlformungsoptik nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Spitzen (111) von zumindest einigen Mikroaxikons (11) und/oder Täler (112) zwischen zumindest einigen Mikroaxikons (11) abgerundet sind.
Strahlformungsoptik nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikroaxikons (11) in einem hexagonalen Raster angeordnet sind.
Strahlformungsoptik nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mikroaxikons (111) unregelmäßig angeordnet sind.
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, umfassend: eine Strahlformungsoptik nach einem der vorstehenden Ansprüche; und (18); eine Fokussieroptik (15) zur Fokussierung des Laserstrahls auf einem Werkstück wobei die Strahlformungsoptik dazu eingerichtet ist, das ringförmige Intensitätsprofil des Laserstrahls in einer Fokusebene (F) der Fokussieroptik (15) zu erzeugen.
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls nach Anspruch 9, wobei die Strahlformungsoptik in einem kollimierten Laserstrahl (14) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls nach Anspruch 9 oder 10, ferner umfassend: mindestens eine Linse mit variabler Brennweite zur Variierung eines Ringdurchmessers des Intensitätsprofils in der Fokusebene (F).
Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls nach einem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, wobei die Strahlformungsoptik selektiv in den Strahlengang der Vorrichtung einsetzbar ist.