DE102016124408A1

DE102016124408A1 - Vorrichtung zur Ablenkung und/oder Modulation einer Laserstrahlung, insbesondere einer Mehrzahl von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE102016124408A1
Application number: DE102016124408.2A
Authority: DE
Inventors: Vitalij Lissotschenko; Iouri Mikliaev
Original assignee: LILAS GmbH
Current assignee: LILAS GmbH
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-14
Also published as: WO2018108583A1; EP3555687A1; RU2019121883A; US20190339510A1; CN110073270B; US10921582B2; CN110073270A

Abstract

Vorrichtung zur Ablenkung und/oder Modulation einer Laserstrahlung, insbesondere einer Mehrzahl von Laserstrahlen (2), umfassend eine Mehrzahl von Ablenkmitteln, die beispielsweise als Spiegelelemente (1) oder transparente Bauteile ausgebildet sind, sowie Bewegungsmittel, die die Mehrzahl der Ablenkmittel einzeln oder in Gruppen bewegen können, wobei die Bewegungsmittel eine Mehrzahl von Aktoren, insbesondere Piezoaktoren (5), umfassen, die eine translatorische Bewegung durchführen können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung und/oder Modulation einer Mehrzahl von Laserstrahlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist bekannt. Beispielsweise werden Ablenkspiegel auf Galvanometerbasis verwendet. Nachteilig bei diesen Systemen ist in der Regel, dass nur vergleichsweise kleine Laserleistungen verwendet werden können. Insbesondere bei 3D-Druck-Systemen müssen jedoch hohe Leistungen schnell moduliert werden.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die bei größeren Laserleistungen verwendet werden kann. Es soll weiterhin ein Verfahren zur Smilekompensation eines Laserdiodenbarrens angegeben werden.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 erreicht.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Bewegungsmittel mindestens einen Aktor, vorzugsweise eine Mehrzahl von Aktoren, insbesondere mindestens einen Piezoaktor, umfassen, der oder die eine translatorische Bewegung durchführen können. Dadurch lassen sich schnelle Bewegungen auf die Ablenkmittel übertragen, die dann die Laserstrahlung geeignet modulieren können. Aufgrund des gewählten Antriebsprinzips können die Ablenkmittel geeignet gestaltet werden, um hohe Laserleistungen abzulenken beziehungsweise zu modulieren, wie dies beispielsweise bei 3D-Druck-Vorrichtungen benötigt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass einem jeden der Ablenkmittel ein Aktor zugeordnet ist, der das ihm zugeordnete Ablenkmittel bewegen kann. Insbesondere können die Ablenkmittel verschoben und/oder um eine Achse verschwenkt werden.
Beispielsweise sind die Ablenkmittel als Spiegelelemente ausgebildet. Von einem Piezoaktor verschwenkbare Spiegelelemente können so ausgebildet werden, dass auch Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung abgelenkt werden können, ohne das Spiegelelement zu zerstören.
Zusätzlich oder alternativ können die Ablenkmittel als transparentes Bauteil ausgebildet sein, durch das die abzulenkende Laserstrahlung, insbesondere der abzulenkende Laserstrahl, hindurchtreten kann.
Beispielsweise kann das transparente Bauteil eine planparallele Platte sein. Diese kann verschwenkt werden, so dass sich dadurch ein variabler Strahlversatz ergibt.
Alternativ kann das transparente Bauteil eine Linse oder ein Linsensegment sein. Durch Verschieben einer Linse oder eines Linsensegments kann ebenfalls effektiv eine Strahlablenkung erreicht werden.
Es besteht die Möglichkeit, dass ein jedes der Ablenkmittel zwei einander gegenüberliegende transparente Bauteile umfasst, durch die die abzulenkende Laserstrahlung, insbesondere der abzulenkende Laserstrahl hindurchtreten kann, wobei die beiden Bauteile relativ zueinander bewegt werden können, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere des Laserstrahls. Vorzugsweise können die Bauteile einander entsprechende Konturen aufweisen, die insbesondere auf einander gegenüberliegenden Seiten der Bauteile angeordnet sind. Durch Verschieben der Bauteile gegeneinander kann ebenfalls effektiv eine Strahlablenkung erreicht werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Ablenkmittel nebeneinander angeordnet sind, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere der Laserstrahlen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Laserstrahlung, insbesondere die Laserstrahlen, von einem Laserdiodenbarren ausgehen, wobei insbesondere ein jeder der Emitter des Laserdiodenbarrens einen der Laserstrahlen aussendet. Durch die Anordnung der Ablenkmittel nebeneinander beispielsweise in Slow-Axis-Richtung können die nebeneinander angeordneten Laserstrahlen eines Laserdiodenbarrens gleichzeitig abgelenkt beziehungsweise moduliert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Smilekompensation eines Laserdiodenbarrens verwendet werden kann.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Ablenkmittel zwei Spiegelelemente umfassen, die so angeordnet sind, dass im Betrieb der Vorrichtung an jedem der beiden Spiegelelemente jeweils ein Teil eines Laserstrahls reflektiert wird, wobei ein zweites der Spiegelelemente von einem Aktor relativ zu einem ersten der Spiegelelemente bewegbar ist, so dass bei entsprechender Stellung der Spiegelelemente zueinander die Intensität des Laserstrahls in einer Arbeitsebene durch destruktive Interferenz reduziert wird. Von den Spiegelelementen kann also gezielt die Intensität einzelner Laserstrahlen in einer Arbeitsebene deutlich bis vollständig reduziert werden, so dass insgesamt eine aus mehreren Laserstrahlen bestehende Laserstrahlung geeignet moduliert werden kann. Dadurch eignet sich auch diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise für die Verwendung in einer 3D-Druck-Vorrichtung.
Gemäß Anspruch 14 ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Ablenkmitteln von Bewegungsmitteln einzeln oder in Gruppen in eine derartige Position und/oder Stellung überführt werden, dass dadurch die Smileverzerrung des Laserdiodenbarrens korrigiert wird. Beispielsweise kann für die Durchführung des Verfahrens eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Mehrzahl von Ablenkmitteln nach der Überführung in die smilekompensierende Position und/oder Stellung festgelegt werden, so dass die Bewegungsmittel nicht weiter benötigt werden. Auf diese Weise können mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Mehrzahl von Laserdiodenbarren smile-kompensiert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß 1 mit einer Laservorrichtung;
3 eine 2 entsprechende Ansicht der Ausführungsform gemäß 1, wobei drei Laserstrahlen abgelenkt sind;
4 eine 2 und 3 entsprechende Ansicht der Ausführungsform gemäß 1, wobei zwei Laserstrahlen abgelenkt sind;
5 eine 2 entsprechende Ansicht der Ausführungsform gemäß 1, wobei die Vorrichtung zur Smilekompensation dient;
6 eine 5 entsprechende Ansicht, bei der die Bewegungsmittel nach erfolgter Smilekompensation entfernt wurden;
7 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
8 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 7;
9 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
10 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
11 eine schematische Seitenansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
12 ein Diagramm, in dem die Ablenkung mit der fünften Ausführungsform einer Vorrichtung gegen den Eintrittswinkel aufgetragen ist;
13 ein Diagramm, in dem die Ablenkung mit der fünften Ausführungsform einer Vorrichtung gegen die Veränderung des Eintrittswinkels aufgetragen ist;
14 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß 11 mit einer Laservorrichtung;
15a eine schematische Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Position der Ablenkmittel, bei der ein Laserstrahl nicht abgelenkt wird;
15b eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 15a in einer Position der Ablenkmittel, bei der ein Laserstrahl abgelenkt wird;
16 eine schematische Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
17 eine schematische Draufsicht auf eine achte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
18 eine schematische Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
19 eine schematische Draufsicht auf eine zehnte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
20 eine schematische Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
21 eine perspektivische Ansicht eines Details einer zwölften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
22 eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 21;
23 eine perspektivische Ansicht einer dreizehnten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
24a eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 23 vor der Durchführung der Smile-Kompensation;
24b eine schematische Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 23 nach der Durchführung der Smile-Kompensation;
25 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß 23 nach der Durchführung der Smile-Kompensation und dem Entfernen der Bewegungsmittel
26 eine schematische Draufsicht auf eine vierzehnte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Stellung eines Ablenkmittels;
27 eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 26 in einer zweiten Stellung eines Ablenkmittels.

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Aus 1 ist eine Vorrichtung ersichtlich, die eine Mehrzahl von als Spiegelelementen 1 ausgebildeten Ablenkmitteln aufweist. Ein von links in 1 kommender Laserstrahl 2 trifft unter einem Winkel α auf eine reflektierende Fläche 3 des Spiegelelements 1 auf und wird von dieser reflektiert. Das Spiegelelement 1 ist um eine Achse 4 verschwenkbar.
Ein Piezoaktor 5 greift beabstandet zu der Achse 4 auf einer der reflektierenden Fläche 3 gegenüberliegenden Fläche 6 an. Durch Längenveränderung des Piezoaktors 5, beispielsweise um geringe Strecken im Bereich von 1 µm bis 3 µm, wird das Spiegelelement 1 um die Achse 4 geschwenkt. 1 zeigt, dass dabei eine Änderung des Winkels zwischen dem Laserstrahl 2 und der Fläche 6 um einen Winkel Δα zu einer Ablenkung um einen Winkel 2*Δα führt.
2 verdeutlicht, wie die von den Emittern 7 eines Laserdiodenbarrens 8 ausgehenden Laserstrahlen 2 an einer Mehrzahl von Spiegelelementen 1 reflektiert werden. Dabei ist jedem der Emitter 7 beziehungsweise jedem der von einem der Emitter 7 ausgehenden Laserstrahl 2 genau ein als Ablenkmittel dienendes Spiegelelemente 1 zugeordnet. Bei der Stellung in 2 werden sämtliche Laserstrahlen 2 in die gleiche Richtung reflektiert. In einigen der Figuren sind die Slow-Axis und die Fast-Axis des Laserdiodenbarrens 8 angedeutet.
Bei der Stellung in 3 werden drei Laserstrahlen 2' in eine Richtung reflektiert, die von der Richtung abweicht, in die die anderen Laserstrahlen 2 reflektiert werden. Beispielsweise können diese drei Laserstrahlen 2' in eine Strahlfalle gelenkt werden, so dass sie nicht zu dem durchzuführenden Prozess beitragen. Beispielsweise kann ein mit der Vorrichtung ausgestatteter 3D-Drucker auf diese Weise Orte, an denen keine Verfestigung eines Ausgangsmaterials stattfinden soll, auf diese Weise nicht mit Laserstrahlung beaufschlagen.
In 4 werden zwei Laserstrahlen 2' in eine Richtung reflektiert, die von der Richtung abweicht, in die die anderen Laserstrahlen 2 reflektiert werden. Im Gegensatz zu 3 werden bei 4 die nicht zu dem Prozess beitragenden Laserstrahlen 2' nach rechts abgelenkt, wohingegen sie in 3 nach links abgelenkt werden.
5 zeigt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Kompensation einer Smile-Verzerrung, die bei Laserdiodenbarren 8 häufig auftritt. Die den einzelnen Emittern 7 zugeordneten Spiegelelemente 1 befinden sich in derartigen Winkelpositionen, dass die Smile-Verzerrung optimal kompensiert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die von den Spiegelelementen 1 ausgehenden Laserstrahlen 2 erfasst werden und in Abhängigkeit von der Erfassung die Piezoaktoren 5 gezielt so angesteuert werden, dass sämtliche Laserstrahlen 2 von den Spiegelelementen 1 in die gleiche Richtung reflektiert werden.
In 5 ist ein Befestigungselement 9 in Form eines Stabs angedeutet. Nach dem Einstellen der für die Smile-Kompensation geeigneten Neigungen der Spiegelelemente 1 werden diese durch Verbindung mit dem Befestigungselement 9 festgelegt, beispielsweise durch Verkleben. Danach können die Piezoaktoren 5 entfernt werden (siehe dazu 6).
In 7 ist hinter dem Laserdiodenbarren 8 eine Fast-Axis-Kollimationslinse 10 angeordnet. Dahinter sind als Linsensegmente 11, 12 ausgebildete Ablenkmittel angeordnet. Insbesondere sind eine Mehrzahl von in Slow-Axis-Richtung nebeneinander angeordneten ersten Linsensegmenten 11 und eine Mehrzahl von in Slow-Axis-Richtung nebeneinander angeordneten zweiten Linsensegmenten 12 vorgesehen. Die ersten und die zweiten Linsensegmente 11, 12 sind dabei in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen 2 derart zueinander beabstandet, dass eine Teleskopanordnung entsteht.
Die Form der ersten und der zweiten Linsensegmente 11, 12 entspricht jeweils der Form der Fast-Axis-Kollimationslinse 10. Insbesondere sind sie wie die Fast-Axis-Kollimationslinse 10 als Zylinderlinsen ausgebildet, deren Zylinderachsen sich in Slow-Axis-Richtung erstrecken.
Einer jeden der zweiten Linsensegmente 12 ist ein Piezoaktor 5 zugeordnet, der das entsprechende Linsensegment 12 nach oben und/oder nach unten in 8 beziehungsweise in Fast-Axis-Richtung bewegen kann. Auch hier kann eine sehr kleine Verschiebung aus der nicht ablenkenden Position gemäß der oberen Abbildung der 8 in eine in der unteren Abbildung der 8 angedeuteten ablenkenden Position ausreichen, den Laserstrahl 2' so abzulenken, dass er beispielsweise von den Begrenzungen einer in 8 angedeuteten Apertur 43 abgefangen wird. Eine Verschiebung von beispielsweise 1 µm bis 3 µm kann durchaus ausreichend sein, um die in der unteren Abbildung der 8 angedeutete Ablenkung zu erreichen.
Bei der Ausführungsform gemäß 9 ist die Fast-Axis-Kollimationslinse 10 in einzelne Segmente unterteilt, wobei die einzelnen Segmenten der Fast-Axis-Kollimationslinse 10 ebenfalls von jeweils einem Piezoaktor 5 nach oben und unten in 9 bewegt werden können. Auf diese Weise kann durch gezielte Positionierung der einzelnen Segmente der Fast-Axis-Kollimationslinse 10 eine Smile-Kompensation erreicht werden, wohingegen durch die gezielte Positionierung der zweiten Linsensegmente 12 eine gezielte Ablenkung einzelner Laserstrahlen 2' beziehungsweise eine Modulierung der Laserstrahlung erreicht werden kann.
Bei der Ausführungsform gemäß 10 ist die Fast-Axis-Kollimationslinse 10 nicht in einzelne Segmente unterteilt. Für die Smile-Kompensation dient bei dieser Ausführungsform die Verbindung eines jeden der ersten Linsensegmente 11 mit einem Piezoaktor 5, der ein jedes der ersten Linsensegmente 11 gezielt positionieren kann. Wie bei 9 kann durch die gezielte Positionierung der zweiten Linsensegmente 12 eine gezielte Ablenkung einzelner Laserstrahlen 2' beziehungsweise eine Modulierung der Laserstrahlung erreicht werden kann.
Aus 11 ist eine Vorrichtung ersichtlich, die eine Mehrzahl von als transparenten Bauteilen 13 ausgebildeten Ablenkmitteln aufweist. Die Bauteile 13 sind insbesondere planparallele Platten. Ein von links in 11 kommender Laserstrahl 2 tritt unter einem Winkel α durch eine erste Fläche 14 des Bauteils 13 in dieses ein und aus der gegenüberliegenden zweiten Fläche 15 wieder aus dem Bauteil 13 aus. Dabei erfährt der Laserstrahl 2 einen Strahlversatz ΔX.
Das Bauteil 13 ist um eine Achse 4 verschwenkbar. Ein Piezoaktor 5 greift beabstandet zu der Achse 4 auf der ersten Fläche 14 an. Durch Längenveränderung des Piezoaktors 5, beispielsweise um geringe Strecken im Bereich von 1 µm bis 3 µm, wird das Bauteil 13 um die Achse 4 geschwenkt. 12 zeigt, dass dabei der Strahlversatz ΔX im Wesentlichen linear von dem Winkel α zwischen dem Laserstrahl 2 und der ersten Fläche 14 ist. 13 verdeutlicht, dass eine Änderung Δα des Winkels α zwischen dem Laserstrahl 2 und der ersten Fläche 14 zu einer Änderung des Strahlversatzes ΔX führt.
14 verdeutlicht, wie Laserstrahlen 2 durch eine Mehrzahl von Bauteilen 13 hindurchtreten. Dabei ist jedem Laserstrahl 2 genau ein als Ablenkmittel dienendes Bauteil 13 zugeordnet. Bei der Stellung in 14 werden drei Laserstrahlen 2' anders versetzt als die anderen Laserstrahlen 2. Beispielsweise können diese drei anders versetzten Laserstrahlen 2' in eine Strahlfalle gelenkt werden, so dass sie nicht zu dem durchzuführenden Prozess beitragen. Beispielsweise kann ein mit der Vorrichtung ausgestatteter 3D-Drucker auf diese Weise Orte, an denen keine Verfestigung eines Ausgangsmaterials stattfinden soll, auf diese Weise nicht mit Laserstrahlung beaufschlagen.
Aus 15a und 15b ist eine Vorrichtung ersichtlich, die eine Mehrzahl von als transparenten Bauteilen 16, 17 ausgebildeten Ablenkmitteln aufweist. Dabei umfasst ein jedes der Ablenkmittel zwei einander gegenüberliegende transparente Bauteile 16, 17, durch die der abzulenkende Laserstrahl 2 hindurchtreten kann. Die Bauteile 16, 17 weisen einander entsprechende Konturen 18, 19 auf, die insbesondere auf einander gegenüberliegenden Seiten der Bauteile 16, 17 angeordnet sind. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielsweise um eine sinusförmige Kontur 18, 19.
Die beiden Bauteile 16, 17 können relativ zueinander bewegt werden, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 2. Dies kann jeweils mittels eines Piezoaktors geschehen, der beispielsweise an der in 15a und 15b linken Seite des ersten Bauteils 16 angreift. Die Längenveränderung des Piezoaktors kann beispielsweise ebenfalls zwischen 1 µm bis 10 µm, insbesondere zwischen 1 µm und 3 µm betragen.
15a zeigt eine Stellung, in der die Bauteile 16, 17 nicht gegeneinander verschoben sind. In dieser Stellung liegt ein Wellenberg der Kontur 18 des ersten Bauteils 16 genau einem Wellental der Kontur 19 des zweiten Bauteils gegenüber. Dadurch wird gewährleistet, dass der Laserstrahl 2 unabgelenkt durch die beiden Bauteile 16, 17 hindurchtritt und beispielsweise durch eine nachgeordnete Apertur 43 hindurchverläuft.
15b zeigt eine Stellung, in der die Bauteile 16, 17 gegeneinander verschoben sind. In dieser Stellung liegt ein Wellenberg der Kontur 18 des ersten Bauteils 16 genau einem Wellenberg der Kontur 19 des zweiten Bauteils gegenüber. Dadurch wird erreicht, dass der Laserstrahl 2 abgelenkt durch die beiden Bauteile 16, 17 hindurchtritt und beispielsweise nicht durch eine nachgeordnete Apertur 43 hindurchverläuft.
Insbesondere lässt sich das dadurch erklären, dass die Bauteile 16, 17 als Diffraktionsgitter wirken. Bei nicht gegeneinander verschobenen Bauteilen 16, 17 erfolgt eine Beugung nahezu ausschließlich in die nullte Ordnung, so dass der Laserstrahl 2 ungehindert durch die Anordnung hindurchtritt. Bei gegeneinander verschobenen Bauteilen 16, 17 erfolgt eine Beugung nahezu ausschließlich in höhere Ordnungen, so dass eine Mehrzahl von abgelenkten Laserstrahlen 2' aus der Anordnung austreten.
16 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung gemäß 15a und 15b, bei dem die Bauteile 16, 17 in einem Gehäuse 20 angeordnet sind. Das Gehäuse 20 weist eine Eintrittsöffnung 21 für den Laserstrahl 2 und eine Austrittsöffnung 22 auf, vor der die Apertur 43 angeordnet ist. Das zweite Bauteil 17 ist bei dem in 16 abgebildeten Zustand von einem Piezoaktor 5 derart relativ zu dem ersten Bauteil 16 bewegt worden, dass eine Mehrzahl von abgelenkten Laserstrahlen 2' die Bauteile 16, 17 verlassen gleichzeitig aber kein Laserstrahl 2 durch die Apertur 43 hindurchtritt.
Dabei werden die abgelenkten Laserstrahlen 2' in eine in 16 gestrichelt angedeutete Strahlfalle 23 gelenkt, so dass sie nicht zu dem durchzuführenden Prozess beitragen. Beispielsweise kann ein mit der Vorrichtung ausgestatteter 3D-Drucker auf diese Weise Orte, an denen keine Verfestigung eines Ausgangsmaterials stattfinden soll, auf diese Weise nicht mit Laserstrahlung beaufschlagen.
17 zeigt die versetzte Anordnung von als transparenten Bauteilen 13 ausgebildeten Ablenkmitteln. Dabei sind jeweils die in Slow-Axis-Richtung benachbarten Bauteile 13 in ihrer Längsrichtung um mehr als eine Länge der Bauteile 13 zueinander versetzt, so dass sie versetzt hintereinander angeordnet sind. Dadurch können die von links in 17 eintreffenden Laserstrahlen 2 dichter aneinander angeordnet werden.
Die Bauteile 13 sind auf ihren Längsseiten 24 mit einer hochreflektierenden Beschichtung und auf ihren als Eintritts- und Austrittsflächen dienenden Stirnseiten 14, 15 mit einer reflexionsvermindernden Beschichtung versehen.
18 zeigt die versetzte Anordnung von als Spiegelelementen 25, 26 ausgebildeten Ablenkmitteln. Die Spiegelelemente 25, 26 sind wie das in 1 abgebildete Spiegelelement 1 um eine Achse verschwenkt beziehungsweise verschwenkbar, so dass die von links in 18 einfallenden Laserstrahlen 2 aus der Zeichenebene der 18 heraus abgelenkt werden. Dabei sind jeweils die in Slow-Axis-Richtung benachbarten Spiegelelemente 25, 26 in ihrer Längsrichtung um mehr als eine Länge der Spiegelelementen 25, 26 zueinander versetzt, so dass sie versetzt hintereinander angeordnet sind. Dadurch können die von links in 18 eintreffenden Laserstrahlen 2 dichter aneinander angeordnet werden.
Die in 18 auf der linken Seite angeordneten Spiegelelemente 25 sind auf ihren in 18 oberen und unteren Längsseiten 24 zumindest teilweise mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen. Die in 18 auf der linken Seite angeordneten Spiegelelemente 25 weisen auf ihrer linken Seite eine Eintrittsfläche 27 auf, die mit einer reflexionsvermindernden Beschichtung versehen ist. Auf der in 18 rechten Seite der Spiegelelemente 25 ist eine hochreflektierenden Beschichtung 28 vorgesehen. Von dieser Beschichtung wird der jeweilige Laserstrahl 2 aus der Zeichenebene der 18 heraus reflektiert.
Die in 18 auf der rechten Seite angeordneten Spiegelelemente 26 weisen auf ihrer in 18 linken Seite eine hochreflektierenden Beschichtung 29 auf, von der der jeweilige Laserstrahl 2 aus der Zeichenebene der 18 heraus reflektiert wird. Durch die unterschiedliche Gestaltung der Spiegelelemente 25, 26 wird gewährleistet, dass die von den unterschiedlichen Spiegelelementen 25, 26 aus der Zeichenebene der 18 herausreflektierten Laserstrahlen 2 etwa in dem gleichen Bereich reflektiert werden (siehe die in 18 eingezeichnete strichpunktierte Linie 30).
19 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eingangsseitig nicht eine Mehrzahl von Laserstrahlen, sondern eine Laserstrahlung 31 mit einer linienförmigen Intensitätsverteilung vorliegt, wobei sich die Linie der linienförmigen Intensitätsverteilung in vertikaler Richtung der 19 erstreckt. Die Vorrichtung umfasst ein Linsenarray 32, von dem die Laserstrahlung 31 in einzelne Teilstrahlen 34 aufgespalten und einer entsprechenden Anzahl von Ablenkmitteln 33 zugeführt wird. Diese Ablenkmittel 33 können beispielsweise als Spiegelelemente oder als transparente Bauteile ausgebildet sein.
Von den Ablenkmitteln 33 können also gezielt einzelne der Teilstrahlen 34 anders abgelenkt werden als andere, so dass insgesamt die Laserstrahlung 31 geeignet moduliert werden kann. Dadurch eignet sich auch diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise für die Verwendung in einer 3D-Druck-Vorrichtung.
Auch 20 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eingangsseitig nicht eine Mehrzahl von Laserstrahlen, sondern eine Laserstrahlung 31 mit einer linienförmigen Intensitätsverteilung vorliegt, wobei sich die Linie der linienförmigen Intensitätsverteilung in vertikaler Richtung der 20 erstreckt. Allerdings dient hier nicht ein Linsenarray zur Aufteilung der Laserstrahlung 31. Vielmehr sind die Ablenkmittel 33 wie bei den Ausführungsformen gemäß den 17 und 18 versetzt angeordnet. Durch die in 20 auf der linken Seite angeordneten Ablenkmittel 33 wird die Laserstrahlung 31 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 34 unterteilt. Dies dadurch, dass ein Teil der Laserstrahlung durch die Ablenkmittel 33 hindurchtritt und ein anderer Teil an den Ablenkmitteln 33 vorbeiverläuft.
21 und 22 zeigen eine Ausführungsform bei der teilreflektierende Aufteilmittel 35 vorgesehen sind. Bei den Aufteilmitteln 35 wechseln nebeneinander jeweils spiegelnde Flächen 36, von denen Teilstrahlen 34 der Laserstrahlung 31 nach oben in 21 reflektiert werden kann, mit Lücken 37 ab, durch die Teilstrahlen 34' der Laserstrahlung 31 ungehindert hindurchtreten. Die ungehindert hindurchgetretenen Teilstrahlen 34' können dann durch nur schematisch angedeutete, beispielsweise als transparente Bauteileausgebildete Ablenkmittel 38 geeignet abgelenkt beziehungsweise moduliert werden.
22 zeigt, dass die von den spiegelnden Flächen 36 nach oben abgelenkten Teilstrahlen 34 von gegebenenfalls von als transparenten Bauteilen ausgebildeten weiteren Ablenkmitteln 39 abgelenkt beziehungsweise moduliert und von einem Spiegel 44 nach rechts in 22 abgelenkt werden. Gleichzeitig werden die ungehindert hindurchgetretenen Teilstrahlen 34' von den ebenfalls als transparenten Bauteilen ausgebildeten Ablenkmitteln 38 abgelenkt beziehungsweise moduliert und von einem weiteren Spiegel 45 nach oben in 22 abgelenkt. Von einem dem Aufteilmittel 35 entsprechenden Vereinigungsmittel 40 mit abwechselnd angeordneten spiegelnden Flächen und Lücken (nicht abgebildet) werden sämtliche Teilstrahlen 34, 34' nach rechts abgelenkt oder durchgelassen.
Durch gezielte Bewegungen der einzelnen Ablenkmittel 38, 39 kann die Laserstrahlung 31 insgesamt geeignet moduliert werden. Dadurch eignet sich auch diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise für die Verwendung in einer 3D-Druck-Vorrichtung.
Die 23 bis 25 zeigen eine Ausführungsform, bei der wie in 9 eine Fast-Axis-Kollimationslinse 10 hinter einem Laserdiodenbarren 7 in einzelne Segmente unterteilt ist. In 23 sowie in 24a und 24b sind die einzelnen Segmente der Fast-Axis-Kollimationslinse 10 jeweils mit einem Piezoaktor 5 verbunden, von dem sie nach oben und unten in 23 bis 24b bewegt werden können. Auf diese Weise kann durch gezielte Positionierung der einzelnen Segmente der Fast-Axis-Kollimationslinse 10 eine Smile-Kompensation erreicht werden. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Mehrzahl der Piezoaktoren 5 auf einer gemeinsamen Halterung 41 angeordnet.
24a zeigt den Hindurchtritt eines Laserstrahls 2 durch ein Segment der Fast-Axis-Kollimationslinse 10, wobei der von dem entsprechenden Emitter 7 ausgehende Laserstrahl 2 offensichtlich zu einer Smile-Verzerrung beiträgt. 24b zeigt den Hindurchtritt des Laserstrahls 2 durch das bereits in 24a abgebildete Segment nach einer entsprechenden Korrektur durch eine Bewegung des Piezoaktors 5. In der in 24b abgebildeten korrigierten Stellung kann ein zwischen dem Segment der Fast-Axis-Kollimationslinse 10 und einem beispielsweise als Glasstab ausgebildeten Befestigungselement 9 befindlicher, beispielsweise lichtempfindlicher Klebstoff 42 aufgebracht und/oder aktiviert werden.
Nach dem Einstellen und Festkleben sämtlicher für die Smile-Kompensation geeigneten Positionen der Segmente der Fast-Axis-Kollimationslinse 10 können die Piezoaktoren 5 zusammen mit der Halterung 41 entfernt werden (siehe dazu 25).
Aus 26 ist eine Vorrichtung ersichtlich, die zwei als Spiegelelemente 46, 47 ausgebildete Ablenkmittel aufweist. Zwischen den beiden Spiegelelementen 46, 47 ist lediglich ein sehr schmaler Spalt vorgesehen. Dabei ist das erste, in 26 linke Spiegelelement 46 nicht beweglich beziehungsweise nicht mit einem Piezoaktor 5 versehen, wohingegen das zweite, in 26 rechte Spiegelelement 47 mit einem Piezoaktor 5 versehen und daher beweglich relativ zu dem ersten Spiegelelement 46 ist. Die Spiegelelemente 46, 47 können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein Spiegel in zwei Teile gesägt oder geschnitten wird.
Ein von links in 26 kommender Laserstrahl 2 trifft unter einem Winkel von beispielsweise 45° auf erste und zweite reflektierende Flächen 48, 49 der Spiegelelemente 46, 47 auf und wird von diesen nach oben in 26 reflektiert. Der Laserstrahl 2 weist beispielsweise wie in 26 angedeutet ein Gaußprofil 50 auf. Der nach oben reflektierte Laserstrahl 2 wird von einer Linse 51 fokussiert und weist in der Fokusebene eine gaußförmige Intensitätsverteilung 52 mit einem mittigen Maximum 53 auf.
27 zeigt die gleiche Vorrichtung, bei der jedoch das zweite Spiegelelement 47 um eine Strecke D mit $D = \frac{λ}{\sqrt{2}}$
gegenüber dem ersten Spiegelelement 46 verschoben ist. Dabei ist λ die Wellenlänge des Laserstrahls 2. Auf diese Weise wird die zweite reflektierende Fläche 49 des zweiten Spiegelelements 47 um D gegenüber der ersten Fläche 48 des ersten Spiegelelements 46 zurückversetzt. Der an der zweiten Fläche 49 reflektierte Teil des Laserstrahls 2 erfährt dadurch eine Phasenverschiebung um π relativ zu dem an der ersten Fläche 48 reflektierten Teil des Laserstrahls 2. Das bedeutet, dass der optische Weg, den der an der zweiten Fläche 49 reflektierte Teil des Laserstrahls 2 zurücklegt um λ/2 größer ist als der optische Weg, den der an der ersten Fläche 48 reflektierte Teil des Laserstrahls 2 zurücklegt.
Dies führt bei entsprechender räumlicher Kohärenz des Laserstrahls 2 dazu, dass aufgrund von destruktiver Interferenz in der Intensitätsverteilung 52 ein mittiges Minimum 54 entsteht. Von den als Spiegelelementen 46, 47 ausgebildeten Ablenkmitteln kann also gezielt die Intensität einzelner Laserstrahlen 2 in einer Arbeitsebene deutlich bis vollständig reduziert werden, so dass insgesamt eine aus mehreren Laserstrahlen 2 bestehende Laserstrahlung geeignet moduliert werden kann. Dadurch eignet sich auch diese Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise für die Verwendung in einer 3D-Druck-Vorrichtung.Der Abstand D kann bei von 45° abweichenden Eintrittswinkeln des Laserstrahls 2 geeignet angepasst werden, so dass eine Phasenverschiebung um π beziehungsweise eine optische Wegdifferenz von λ/2 entsteht.

Claims

Vorrichtung zur Ablenkung und/oder Modulation einer Laserstrahlung (31), insbesondere einer Mehrzahl von Laserstrahlen (2), umfassend - eine Mehrzahl von Ablenkmitteln (33, 38, 39), - Bewegungsmittel, die die Mehrzahl der Ablenkmittel (33, 38, 39) einzeln oder in Gruppen bewegen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsmittel mindestens einen Aktor, vorzugsweise eine Mehrzahl von Aktoren, insbesondere mindestens einen Piezoaktor (5), umfassen, der oder die eine translatorische Bewegung durchführen können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einem jeden der Ablenkmittel (33, 38, 39) ein Aktor zugeordnet ist, der das ihm zugeordnete Ablenkmittel (33, 38, 39) bewegen kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel (33, 38, 39) verschoben und/oder um eine Achse (4) verschwenkt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel als Spiegelelemente (1, 25, 26, 46, 47) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel als transparentes Bauteil (13, 16, 17) ausgebildet sind, durch das die abzulenkende Laserstrahlung (31), insbesondere der abzulenkende Laserstrahl (2), hindurchtreten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (13) eine planparallele Platte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Linse (10) oder ein Linsensegment (11, 12) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein jedes der Ablenkmittel zwei einander gegenüberliegende transparente Bauteile (16, 17) umfasst, durch die die abzulenkende Laserstrahlung (31), insbesondere der abzulenkende Laserstrahl (2) hindurchtreten kann, wobei die beiden Bauteile (16, 17) relativ zueinander bewegt werden können, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (31), insbesondere des Laserstrahls (2).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (16, 17) einander entsprechende Konturen (18, 19) aufweisen, die insbesondere auf einander gegenüberliegenden Seiten der Bauteile (16, 17) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel (33, 38, 39) nebeneinander angeordnet sind, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung (31), insbesondere der Laserstrahlen (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (31), insbesondere die Laserstrahlen (2), von einem Laserdiodenbarren (8) ausgehen, wobei insbesondere ein jeder der Emitter (7) des Laserdiodenbarrens (8) einen der Laserstrahlen (7) aussendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Smilekompensation eines Laserdiodenbarrens (8) verwendet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel Spiegelelemente (46, 47) umfassen, die so angeordnet sind, dass im Betrieb der Vorrichtung an jedem der beiden Spiegelelemente (46, 47) jeweils ein Teil eines Laserstrahls (2) reflektiert wird, wobei ein zweites der Spiegelelemente (46, 47) von einem Aktor relativ zu einem ersten der Spiegelelemente (46, 47) bewegbar ist, so dass bei entsprechender Stellung der Spiegelelemente (46, 47) zueinander die Intensität des Laserstrahls (2) in einer Arbeitsebene durch destruktive Interferenz reduziert wird.
Verfahren zur Smilekompensation eines Laserdiodenbarrens (8), dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Ablenkmitteln (33, 38, 39) von Bewegungsmitteln einzeln oder in Gruppen in eine derartige Position und/oder Stellung überführt werden, dass dadurch die Smileverzerrung des Laserdiodenbarrens (8) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Ablenkmitteln (33, 38, 39) nach der Überführung in die smilekompensierende Position und/oder Stellung festgelegt werden, so dass die Bewegungsmittel nicht weiter benötigt werden.