DE102016216151A1

DE102016216151A1 - Device for beam splitting a laser beam

Info

Publication number: DE102016216151A1
Application number: DE102016216151.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wolff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018041477A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufteilung eines Laserstrahls, insbesondere eines Hochleistungslaserstrahls wie eines CO2-Lasers mit einem Wellenlängenbereich von 9 bis 11 µm, insbesondere 10,6µm. Durch die Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung zur Strahlaufteilung eines optischen Strahls und insbesondere eines Laserstrahls vorgeschlagen, die eine variable Strahlteilung eines Laserstrahls hoher Leistung und noch dazu einen simultanen Betrieb der beiden Laserstrahlteile möglich macht. Dazu werden in einem rotierenden Spiegelsystem zumindest zwei Spiegelblöcke vorgeschlagen.The invention relates to a device for splitting a laser beam, in particular a high-power laser beam such as a CO2 laser with a wavelength range of 9 to 11 .mu.m, in particular 10.6 .mu.m. The invention proposes for the first time an apparatus for beam splitting of an optical beam and in particular of a laser beam, which makes a variable beam splitting of a laser beam of high power and, moreover, a simultaneous operation of the two laser beam parts possible. For this purpose, at least two mirror blocks are proposed in a rotating mirror system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufteilung eines Laserstrahls, insbesondere eines Hochleistungslaserstrahls wie eines CO₂-Lasers mit einem Wellenlängenbereich von 9 bis 11 µm, insbesondere 10,6µm. The invention relates to a device for splitting a laser beam, in particular a high-power laser beam such as a CO ₂ laser with a wavelength range of 9 to 11 .mu.m, in particular 10.6 .mu.m.

Oft ist es wünschenswert, teure Hochleistungslaser, wie beispielsweise die CO₂-Leistungslaser im kW Bereich, zeitlich parallel an mehr als einem Bearbeitungsplatz zu verwenden, insbesondere, wenn die Bearbeitungszeiten hoch und genügend Leistungsreserven des Laserstrahls zur Verfügung stehen. Ein Strahlteiler würde hier die Anschaffung eines oder mehrerer weiterer kostspieliger Lasersysteme überflüssig machen. Often, it is desirable to use expensive high power lasers, such as the CO ₂ power lasers in the kW range, parallel in time at more than one processing station, especially when the processing times are high and sufficient power reserves of the laser beam available. A beam splitter would make the purchase of one or more other expensive laser systems superfluous.

Stand der Technik ist es, mit einer Strahlweiche durch einen Klappspiegel den Laserstrahl zwischen verschiedenen Plätzen hin und her zu schalten. Zur Aufspaltung werden Metallspiegel eingesetzt, da bislang keine anderen optischen Materialien, die im Laser-Wellenlängenbereich sowohl transparent als auch für hohe Leistungen geeignet sind, bekannt und verfügbar sind. Auch eine Strahlteilung mittels eines sogenannten Dachkantenspiegels ist zwar prinzipiell möglich, aber mit einigen Nachteilen verbunden. State of the art is to switch with a beam switch through a folding mirror the laser beam between different places back and forth. For splitting, metal mirrors are used since no other optical materials that are both transparent and high-power in the laser wavelength range are known and available. Even a beam splitting by means of a so-called roof edge mirror is indeed possible in principle, but associated with some disadvantages.

Beispielsweise verschlechtert das Aufteilen des Strahlprofils in zwei Hälften die Strahlqualität, da der kreisförmige Strahlquerschnitt verloren geht. Vorzugsweise werden rotierende Kreiskegelspiegel verwendet, um die erwähnten Nachteile zu umgehen. Dabei wird der eintreffende Laserstrahl je nach Verdrehwinkel des Kreiskegelspiegels zeitlich nacheinander in zwei unterschiedliche Richtungen reflektiert. Dies wird durch verschieden geneigte Mantelflächen längs des Umfangs eines Kreiskegelspiegels erreicht. Das Aufteilungsverhältnis der Laserleistung wird hierbei durch die Spiegelgeometrie vorgegeben und ist daher unveränderlich, also nicht einstellbar. For example, splitting the beam profile into two halves degrades the beam quality because the circular beam cross section is lost. Rotary circular cone mirrors are preferably used to overcome the mentioned disadvantages. Depending on the angle of rotation of the circular cone mirror, the incident laser beam is reflected successively in two different directions. This is achieved by differently inclined lateral surfaces along the circumference of a circular cone mirror. The distribution ratio of the laser power is given by the mirror geometry and is therefore invariable, so not adjustable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung für den simultanen Betrieb eines Laserstrahls an mehr als einem Bearbeitungsplatz zu schaffen, insbesondere eine Vorrichtung bei der das Aufteilungsverhältnis der Laserleistung einstellbar, also je nach Bedarf anpassbar, ist. Object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide an apparatus for the simultaneous operation of a laser beam at more than one processing station, in particular a device in which the division ratio of the laser power adjustable, so customizable as needed, is ,

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er durch die Beschreibung, die Figuren und die Ansprüche offenbart wird, gelöst. This object is solved by the subject matter of the present invention as disclosed by the specification, the figures and the claims.

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Aufteilung eines optischen Strahls, insbesondere eines Licht- und/oder Laserstrahls, die den optischen Strahl in zumindest zwei Teilstrahle mit beliebigem Aufteilungsverhältnis zerlegt, wobei zumindest ein rotierendes Spiegelsystem vorgesehen ist, das zumindest zwei Spiegelblöcke umfasst, die gegeneinander verdrehbar sind. Accordingly, the subject of the present invention is an apparatus for splitting an optical beam, in particular a light and / or laser beam, which decomposes the optical beam into at least two partial beams with any division ratio, wherein at least one rotating mirror system is provided which comprises at least two mirror blocks, which are rotatable against each other.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch Einführen zumindest eines weiteren Spiegelblocks in ein rotierendes Spiegelsystem eine Variationsbreite der Strahlaufteilung geschaffen werden kann, die den bekannten Spiegelsystemen zur Strahlaufteilung weit überlegen ist. Dies betrifft nicht nur die Aufteilung der Strahlintensität sondern auch die Flexibilität bei der Aufteilung. General knowledge of the invention is that by introducing at least one further mirror block into a rotating mirror system, a variation of the beam splitting can be created, which is far superior to the known mirror systems for beam splitting. This not only affects the distribution of the beam intensity but also the flexibility in the distribution.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotationsachse des rotierenden Spiegelsystems parallel zur Ausbreitungsrichtung des optischen Strahls angeordnet ist. According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the axis of rotation of the rotating mirror system is arranged parallel to the propagation direction of the optical beam.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zumindest zwei Spiegelblöcke in Form eines äußeren und inneren Spiegelblocks, bezogen auf die Rotationsachse des Spiegelsystems, vorliegen. According to an advantageous embodiment, it is provided that the at least two mirror blocks are in the form of an outer and inner mirror block, relative to the axis of rotation of the mirror system.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Spiegelblock achsensymmetrisch zur Rotationsachse geteilt ist. According to an advantageous embodiment, it is provided that at least one mirror block is divided axially symmetrically to the axis of rotation.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass Teile, insbesondere zumindest zwei Teile von zumindest einem geteilten Spiegelblock entlang der Rotationsachse versetzt angeordnet sind, sich also in unterschiedlicher Entfernung zur Strahlenquelle befinden. According to a further advantageous embodiment, it is provided that parts, in particular at least two parts of at least one divided mirror block are arranged offset along the axis of rotation, ie are at different distances from the radiation source.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Spiegelblock in zwei Hälften geteilt ist. According to a further advantageous embodiment, it is provided that at least one mirror block is divided into two halves.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei Spiegelblöcke, die achsensymmetrisch um eine Rotationsachse des rotierenden Spiegelsystems angeordnet sind, jeweils in zwei Hälften geteilt vorliegen. According to another preferred embodiment, it is provided that two mirror blocks, which are arranged axially symmetrically about an axis of rotation of the rotating mirror system, are each divided into two halves.

Nach dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass es sich bei den beiden Spiegelblöcken um einen äußeren und einen inneren Spiegelblock, jeweils bezogen auf die Rotationsachse des rotierenden Spiegelsystems, handelt. According to this preferred embodiment of the invention, it is advantageously provided that the two mirror blocks are an outer and an inner mirror block, in each case based on the axis of rotation of the rotating mirror system.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der innere Spiegelblock einen Konvexspiegel und der äußere einen Konkavspiegel. According to a preferred embodiment, the inner mirror block comprises a convex mirror and the outer a concave mirror.

Insbesondere vorteilhaft ist dabei, wenn jeweils eine äußere und eine innere Hälfte entlang der Rotationsachse des Spiegelsystems auf einer Höhe liegen. It is particularly advantageous if in each case an outer and an inner half lie along the axis of rotation of the mirror system at a height.

Es ist bevorzugt, dass Teile verschiedener Spiegelblöcke, also beispielsweise zwei Hälften, die sich nicht zu einem achsensymmetrischen Spiegelblock ergänzen, auf der gleichen Höhe der Rotationsachse des Spiegelsystems angeordnet und gegeneinander verdrehbar sind. Diese Teile umschließen bei der Verdrehung den Verdrehwinkel α. It is preferred that parts of different mirror blocks, that is, for example, two halves that do not complement each other to form an axisymmetric mirror block, are arranged at the same height of the rotation axis of the mirror system and can rotate relative to one another. These parts enclose the twist angle α during rotation.

Durch das Versetzen der Spiegelblöcke entlang der Rotationsachse des Spiegelsystems wird ein „Schatten“ des Spiegelblocks vermieden und eine Aufteilung – beispielsweise – eines eintretenden Laserstrahls in zwei oder mehrere stabile Laserteilstrahlen möglich. Durch den Einsatz eines zweiten rotierenden Spiegels ist es mit dem hier erstmals vorgeschlagenen kompakten Spiegelsystem möglich, eine Reihe von Vorteilen zu erzielen:
Es wird eine variable, im laufenden Betrieb steuerbare Aufteilung der Laserleistung auf die Teilstrahlen ermöglicht, weil der Verdrehwinkel α zweier Spiegelblöcke gegeneinander einstellbar ist. By displacing the mirror blocks along the axis of rotation of the mirror system, a "shadow" of the mirror block is avoided and a division - for example - of an incoming laser beam into two or more stable laser partial beams possible. By using a second rotating mirror, it is possible with the compact mirror system proposed here for the first time to achieve a number of advantages:
It is a variable, controllable during operation division of the laser power on the sub-beams allows, because the angle of rotation α of two mirror blocks is adjustable against each other.

Das rotierende Spiegelsystem ermöglicht Umschaltzeiten im Bereich von einigen, also beispielsweise 5 bis 10ms bis ca. 50ms. Damit liegen die Umschaltzeiten deutlich unter den mit Klappspiegeln zu erreichenden Werten von über 100ms. The rotating mirror system allows switching times in the range of a few, for example, 5 to 10ms to about 50ms. Thus, the switching times are well below the levels to be achieved with hinged mirrors of over 100ms.

Vorteilhafterweise rotieren beispielsweise zwei Spiegelblöcke um eine Rotationsachse mit der gleichen Drehzahl. Diese Drehzahl definiert die Umschaltfrequenz zwischen beiden Teilstrahlen. Advantageously, for example, two mirror blocks rotate about an axis of rotation at the same speed. This speed defines the switching frequency between the two partial beams.

Beispielsweise wird die Rotationsachse über ein Differentialgetriebe – beispielsweise ein Planetengetriebe – bewegt. Dabei werden die zumindest zwei Spiegelblöcke des Spiegelsystems mit gleicher Drehzahl in Rotation versetzt. Das Differentialgetriebe ermöglicht – wiederum beispielsweise – eine mittels eines Servomotors einstellbare Verdrehung der beiden rotierenden Spiegelblöcke zueinander. Mit dieser Verdrehung von 0° bis 180° um die Rotationsachse – im Falle einer Aufteilung der mindestens zwei Spiegelblöcke in zwei Hälften – wird das Leistungsverhältnis der beiden Teilstrahlen eingestellt. For example, the axis of rotation via a differential gear - for example, a planetary gear - moves. The at least two mirror blocks of the mirror system are set at the same speed in rotation. The differential gear allows - again for example - an adjustable by means of a servo motor rotation of the two rotating mirror blocks to each other. With this rotation of 0 ° to 180 ° about the axis of rotation - in the case of a division of the at least two mirror blocks in two halves - the power ratio of the two partial beams is set.

Diese Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend noch anhand der Figuren näher erläutert. This embodiment of the invention will be explained below with reference to the figures.

Durch den Einsatz eines Rotationsmotors mit – beispielsweise einer Drehzahlregelung im Bereich von 200 U/min bis 10 000 U/min, insbesondere von 600 bis 6000 U/min ist es möglich, die Aufteilung des optischen Strahls durch Umschaltung in einer Geschwindigkeit von unter 100 ms, insbesondere unter 90 ms und besonders bevorzugt von unter 50ms zur Verfügung zu stellen. By using a rotary motor with - for example, a speed control in the range of 200 U / min to 10,000 rev / min, in particular from 600 to 6000 U / min, it is possible to divide the optical beam by switching at a speed of less than 100 ms , in particular less than 90 ms and more preferably of less than 50ms to provide.

Im Vergleich zu den herkömmlichen Klappspiegeln treten nahezu keine Nachschwingzeiten im Spiegelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf, weil die rotierenden Spiegelblöcke keinen wechselnden Beschleunigungen ausgesetzt sind. Compared to the conventional folding mirrors, almost no reverberation times occur in the mirror system according to the present invention, because the rotating mirror blocks are not exposed to alternating accelerations.

Bei Klappspiegeln muss mit Totzeiten von mindestens 100ms gerechnet werden, die gemäß der hier beschriebenen Vorrichtung auf verschwindend geringe Werte reduziert, da die Strahlteilung instantan mit dem in den Strahlengang geführten Spiegel beginnt und endet. Dabei ist eine definierte Spiegelkante, welche auf Streustrahlung vermeidet, entscheidend. With folding mirrors, dead times of at least 100 ms must be expected, which according to the device described here reduces to vanishingly low values, since the beam splitting starts and ends instantaneously with the mirror guided into the beam path. In this case, a defined mirror edge, which avoids scattered radiation, is crucial.

Vorteilhaft an dem vorgeschlagenen Spiegelsystem gegenüber den bekannten Klappspiegelsystemen ist zudem, dass ein eintretender hochenergetischer Laserstrahl auf eine größere Reflexionsfläche verteilt wird, was die Spiegelkühlung erleichtert oder sogar überflüssig macht. Another advantage of the proposed mirror system over the known folding mirror systems is that an incoming high-energy laser beam is distributed to a larger reflection surface, which makes the mirror cooling easier or even superfluous.

Durch das Spiegelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird erstmals eine Aufteilung in zwei oder mehr stabile Laserteilstrahlen machbar. By the mirror system according to the present invention, a division into two or more stable laser partial beams becomes feasible for the first time.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Aufteilung eines Laserstrahls, insbesondere eines Hochleistungslasers, näher erläutert: In the following, the invention will be explained in more detail with reference to a preferred exemplary embodiment for the division of a laser beam, in particular of a high-power laser:

Die 1 bis 4 zeigen die gleiche Ausführungsform mit gleichen Teilen, wobei bei den 2 bis 4 teilweise die Bezugszeichen weggelassen wurden. Die Figuren zeigen die gleiche Ansicht und die gleiche Ausführungsform jeweils um 90° entlang der Rotationsrichtung verdreht – daher die 4 Figuren um 360° Drehung darzustellen – und einen von oben einfallenden Laserstrahl, der als Pfeil 2 bezeichnet ist, mit jeweils dessen Umlenkung durch die hier gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung zum Aufteilen eines optischen Strahls. The 1 to 4 show the same embodiment with equal parts, wherein the 2 to 4 partially the reference numerals have been omitted. The figures show the same view and the same embodiment in each case rotated by 90 ° along the direction of rotation - therefore represent the 4 figures to 360 ° rotation - and a laser beam incident from above, which is referred to as arrow 2, with its deflection by the here shown embodiment of the device for splitting an optical beam.

5 zeigt eine perspektivische Ansicht der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform mit Darstellung der Rotationsachse und 5 shows a perspective view of the in the 1 to 4 shown embodiment with representation of the axis of rotation and

6 zeigt ein Beispiel für eine Antriebslösung in Form einer phasenstarren Kopplung. 6 shows an example of a drive solution in the form of a phase-locked coupling.

Zu erkennen ist in 1 mittig ein erster Spiegelblock, der hier in Form eines rotierenden Kreiskegelspiegels 1 ausgeführt ist. Der Kreiskegelspiegel umfasst die beiden Hälften 1a und 1b, die entlang der Rotationsachse des hier dargestellten Spiegelsystems, die parallel zum Laserstrahl 2 verläuft, der Höhe nach versetzt angeordnet sind. Bei der hier dargestellten Ausführungsform liegt die Kreiskegelspiegelhälfte 1a näher an der oben angeordneten Laserstrahlquelle (nicht gezeigt) als die Kreiskegelhälfte 1b. It can be seen in 1 in the center a first mirror block, here in the form of a rotating circular cone mirror 1 is executed. The circular cone mirror comprises the two halves 1a and 1b along the axis of rotation of the mirror system shown here, parallel to the laser beam 2 runs, arranged offset in height. In the embodiment shown here, the circular cone half mirror is located 1a closer to the above-arranged laser beam source (not shown) than the circular cone half 1b ,

Die beiden Hälften 1a und 1b des inneren Kreiskegelspiegels 1 rotieren um die Rotationsachse des Spiegelsystems mit der Drehzahl ν beziehungsweise ν‘. Die Drehzahl der beiden Spiegelblöcke und der jeweiligen Teile der Spiegelblöcke ist die gleiche, deshalb rotieren die hier dargestellten Teile alle mit der gleichen Drehzahl ν = ν‘. The two halves 1a and 1b of the inner circular cone mirror 1 rotate about the axis of rotation of the mirror system with the speed ν or ν '. The speed of the two mirror blocks and the respective parts of the mirror blocks is the same, therefore the parts shown here all rotate at the same speed ν = ν '.

Die Teile des zweiten und äußeren Spiegelblocks 3, hier dargestellt als ein Konkavspiegel, sind halbiert in eine Hälfte 3a und eine zweite Hälfte 3b und rotieren um die gleiche Rotationsachse mit der gleichen Drehzahl wie die Hälften 1a und 1b des inneren Spiegelblocks 1. The parts of the second and outer mirror block 3 , shown here as a concave mirror, are cut in half in one half 3a and a second half 3b and rotate about the same axis of rotation at the same speed as the halves 1a and 1b of the inner mirror block 1 ,

Die beiden Spiegelblöcke 1 und 3 sind bei der hier gezeigten Ausführungsform zur Zweiteilung des Hochleistungslaserstrahls 2, der sich von oben nach unten ausbreitet jeweils in zwei gleichgroße Teile, also Hälften geteilt. Jede der Hälften schließt mit einer Hälfte des anderen Spiegelblocks, die auf der gleichen Höhe der Rotationsachse angeordnet ist, einen Verdrehwinkel α ein, durch den das Aufteilungsverhältnis des Laserstrahls 2 festgelegt wird. The two mirror blocks 1 and 3 are in the embodiment shown here for the division of the high-power laser beam 2 , which spreads from top to bottom in each case in two equal parts, so halves divided. Each of the halves encloses with one half of the other mirror block, which is arranged at the same height of the axis of rotation, a twist angle α, by which the distribution ratio of the laser beam 2 is determined.

Die Hälften eines jeden Spiegelblocks befinden sich jeweils versetzt entlang der Rotationsachse (indirekt gezeigt), die über die Rotationsdrehrichtung, die die beiden Vektorpfeile v₁ und v₂ zeigen, der Übersichtlichkeit halber nur indirekt dargestellt ist. The halves of each mirror block are each offset along the axis of rotation (shown indirectly), which is only indirectly shown over the rotational direction of rotation, showing the two vector arrows v ₁ and v ₂ , for the sake of clarity.

Die Rotationsachse liegt bei der hier dargestellten und bevorzugten Ausführungsform parallel zur Ausbreitungsrichtung des zu teilenden optischen Strahls, also vorliegend zur Teilung des Laserstrahls 2. The axis of rotation is in the preferred embodiment shown here and parallel to the propagation direction of the optical beam to be divided, so in this case the division of the laser beam 2 ,

Im Betrieb fällt der Laserstrahl 2 von oben auf die Hälfte 1b des inneren konvexen Spiegelblocks 1 der mit der Drehzahl ν‘ um die Rotationsachse (nicht gezeigt) dreht. Von dort wird er auf die Spiegelfläche des äußeren konkaven Spiegelblocks 3b gelenkt, der den Laserstrahl 2 wieder in seine ursprüngliche Richtung, allerdings leicht parallel verschoben, reflektiert. In dieser ersten Phase der Rotation von 0° bis 90° um die Rotationsachse tritt der von oben eintretende Laserstrahl aus dem Strahlteiler nach unten wieder aus. During operation, the laser beam falls 2 from the top to the half 1b of the inner convex mirror block 1 which rotates at the speed ν 'about the rotation axis (not shown). From there it is placed on the mirror surface of the outer concave mirror block 3b steered the laser beam 2 again in its original direction, but slightly shifted in parallel, reflected. In this first phase of the rotation from 0 ° to 90 ° about the rotation axis, the laser beam entering from above from the beam splitter exits downward again.

In 2 ist die zweite Phase der Rotation, also der Rotationswinkelbereich von 90° bis 180° gezeigt. Der von oben eintretende Laserstrahl 2 tritt aus dem Strahlteiler seitlich wieder aus, weil er von der inneren Spiegelblockhälfte 1b (in 2 nicht zu sehen) reflektiert wird und die äußere Spiegelblockhälfte 3b, die auf der gleichen Höhe entlang der Rotationsachse und auch entlang des Laserstrahl-Ausbreitungsrichtung angeordnet ist, jetzt auf der anderen Seite der Spiegelblockhälfte 1b liegt. Die beiden Spiegelblockhälften 1b und 3b sind zwar auf gleicher Höhe, jedoch durch einen Verdrehwinkel α versetzt um die Rotationsachse herum angeordnet sind. Dieser Verdrehwinkel α beträgt im hier gezeigten Ausführungsbeispiel 90°. In 2 is the second phase of the rotation, so the rotation angle range of 90 ° to 180 ° shown. The laser beam entering from above 2 exits the beam splitter laterally because it is from the inner mirror block half 1b (in 2 not visible) and the outer mirror block half 3b which is located at the same height along the axis of rotation and also along the direction of laser beam propagation, now on the other side of the mirror block half 1b lies. The two mirror block halves 1b and 3b are at the same height, but offset by a twist angle α are arranged around the rotation axis around. This angle of rotation α is 90 ° in the embodiment shown here.

In 3 ist die dritte Phase der Rotation, also der Rotationswinkelbereich von 180° bis 270° gezeigt, wobei klar zu erkennen ist, dass der von oben eintretende Laserstrahl 2 aus dem Strahlteiler doppelt umgelenkt und nach unten wieder austritt. Die erste Umlenkung erfolgt durch die Hälfte 1a des inneren Spiegelblocks 1 und die zweite Umlenkung durch die Hälfte 3a des äußeren Spiegelblocks 3. In 3 is the third phase of the rotation, ie the rotation angle range of 180 ° to 270 ° shown, it being clear that the laser beam entering from above 2 from the beam splitter twice deflected and exit down again. The first diversion is done by half 1a of the inner mirror block 1 and the second redirection by half 3a of the outer mirror block 3 ,

In 4 ist die vierte Phase der Rotation, also der Rotationswinkelbereich von 270° bis 360° des Spiegelsystems gezeigt. Der auch hier wieder von oben eintretende Laserstrahl 2 tritt im Rotationswinkelbereich von 270° bis 360° des Spiegelsystems aus dem Strahlteile seitlich wieder aus. In 4 ist zusätzlich noch der Verdrehwinkel α eingezeichnet, der in den hier gezeigten 1 bis 4 zwar konstant ist, aber gemäß der Erfindung leicht zu verstellen ist. In 4 is the fourth phase of the rotation, so the rotation angle range of 270 ° to 360 ° of the mirror system shown. The laser beam entering from above again 2 Occurs in the rotation angle range of 270 ° to 360 ° of the mirror system from the beam parts laterally again. In 4 In addition, the twist angle α is additionally drawn, which in the here shown 1 to 4 Although constant, but easy to adjust according to the invention.

Der Verdrehwinkel α bestimmt das Aufteilungsverhältnis der Strahlteilung. Bei dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Verdrehwinkel α von 90°. Das ist hier die Verdrehung des inneren Konvexspiegels 1 gegen den äußeren Konkavspiegel 3. Dadurch ergibt sich im zeitlichen Mittel eine Leistungsaufteilung des von oben eintretenden Laserstrahls der Leistung P_e zu P_u/P_e = 50% in den nach unten und zu P_s/P_e = 50% in den seitlich austretenden Laserstrahl. Also ergibt sich hier eine 1:1 Leistungsverteilung des aufgeteilten Laserstrahls für die beiden Teilstrahlen. The twist angle α determines the distribution ratio of the beam splitting. In the in the 1 to 4 shown embodiment is an angle of rotation α of 90 °. This is the twist of the inner convex mirror 1 against the outer concave mirror 3 , This results in averaged over time, a power distribution of the top of the incoming laser beam power P _e to P _u / P _e = 50% in the down and P _s / P _e = 50% in the laterally exiting laser beam. So this results in a 1: 1 power distribution of the split laser beam for the two partial beams.

Für andere Verdrehungen ist die Leistungsaufteilung von 100% zu 0% und umgekehrt stufenlos einstellbar. For other rotations the power distribution is infinitely adjustable from 100% to 0% and vice versa.

Hierbei ergibt sich folgender linearer Zusammenhang zwischen dem einstellbaren Verdrehwinkel α (0° ≤ α ≤ 180°) und den aufgeteilten Laserstrahlen wie folgt: Die Laserleistung P_u, des Teilstrahls der nach unten geht und die Laserleistung P_s, des Teilstrahls, der zur Seite hin abgelenkt wird, gegenüber der ungeteilten Laserleistung P_e, der aufgeteilten Laserstrahlen verhalten sich wie: P_u/P_e = 1 – α/180° P_s/P_e = α/180° The result is the following linear relationship between the adjustable angle of rotation α (0 ° ≤ α ≤ 180 °) and the divided laser beams as follows: The laser power P _u , of the partial beam goes down and the laser power P _s , the partial beam to the side towards the undivided laser power P _e , the split laser beams behave like: P _u / P _e = 1 - α / 180 ° P _s / P _e = α / 180 °

5 zeigt eine Darstellung Vorrichtung, die aus den 1 bis 4 bereits bekannt ist. Zu erkennen ist hier deutlich die perspektivische Ansicht der Rotationsachse 4 auch Drehachse des inneren Spiegelblocks 1. Dieser Spiegelblock hat ein Achslager 5. Der äußere Spiegelblock 3 hat das Achslager 6. Die beiden Achslager sind hier verdrehfest verbunden durch die Achslagerbefestigung 7. 5 shows a representation device that made the 1 to 4 already known. To recognize here is clearly the perspective view of the axis of rotation 4 also rotation axis of the inner mirror block 1 , This mirror block has an axle box 5 , The outer mirror block 3 has the axlebox 6 , The two axle bearings are here rotationally connected by the Achslagerbefestigung 7 ,

Wie bereits erwähnt ist es vorteilhaft, wenn die Spiegelblöcke, die zusammen das Spiegelsystem bilden, mit der exakt gleichen Drehzahl rotieren. Dazu werden beispielsweise als Antriebslösungen eine phasenstarre Kopplung zweier Antriebswellen einerseits und/oder eine phasenstarre elektronische Ansteuerung zweier Motoren andererseits vorgeschlagen. Nur so kann der Verdrehwinkel α der beiden Spiegelblöcke gegeneinander zeitlich konstant gehalten werden. As already mentioned, it is advantageous if the mirror blocks, which together form the mirror system, rotate at exactly the same speed. For this purpose, for example, as a drive solutions a phase-locked coupling of two drive shafts on the one hand and / or a phase-locked electronic control of two motors proposed on the other. Only in this way can the angle of rotation α of the two mirror blocks be kept constant with respect to one another over time.

Als phasenstarre Kopplung zweier Antriebswellen wird beispielsweise die Ausführungsform aus 6 vorgeschlagen. In 6 ist ein so genanntes Planetengetriebe zu sehen. Fest montiert auf einer starren Verbindungsplatte 11 befinden sich zwei Antriebsachsen, eine Antriebsachse 9 für den äußeren Spiegelblock 3 und eine zweite Antriebsachse 13 für den inneren Spiegelblock 1. Beide Antriebsachsen 9 und 13 werden durch den in ihrer Mitte angeordneten Drehmotor 12 zur phasenstarren Rotation beider Spiegelblöcke angetrieben. Die Planetengetriebe 8 sind entsprechend angeordnet. Ein Servomotor 10, der hier beispielhaft auf der Seite der Antriebsachse 9 des äußeren Spiegelblocks 3 dargestellt ist, wird zur Verdrehung der beiden Spiegelblöcke gegeneinander eingesetzt. As a phase-locked coupling of two drive shafts, for example, the embodiment of 6 proposed. In 6 is a so-called planetary gear to see. Fixed on a rigid connection plate 11 There are two drive axles, a drive axle 9 for the outer mirror block 3 and a second drive axle 13 for the inner mirror block 1 , Both drive axles 9 and 13 be through the center located in the rotary motor 12 driven to the phase-locked rotation of both mirror blocks. The planetary gear 8th are arranged accordingly. A servomotor 10 , the example here on the side of the drive axle 9 of the outer mirror block 3 is shown, is used to rotate the two mirror blocks against each other.

Dadurch ist der Verdrehwinkel α verstellbar und/oder einstellbar, damit das Aufteilungsverhältnis der Leistung der zumindest zwei resultierenden Strahlen, insbesondere hochleistungs-Laserstrahlen vorgebbar ist. As a result, the angle of rotation α is adjustable and / or adjustable so that the distribution ratio of the power of the at least two resulting beams, in particular high-power laser beams, can be predetermined.

Zur anderen Antriebsvariante wird jeder der beiden Spiegelblöcke mit je einem Drehmotor in Rotation versetzt. Beide Drehmotoren sind mit je einem Drehwinkel-Encoder ausgestattet, deren Signale einer Auswerte- und Steuerelektronik zugeführt werden. Diese Auswerte- und Steuerelektronik regelt die Drehzahl und den vorgegebenen Verdrehwinkel der beiden durch die Motoren angetriebenen Spiegelblöcke. For the other drive variant, each of the two mirror blocks is set in rotation, each with a rotary motor. Both rotary motors are each equipped with a rotary encoder whose signals are fed to an evaluation and control electronics. This evaluation and control electronics regulates the speed and the predetermined angle of rotation of the two mirror blocks driven by the motors.

Das hier vorgeschlagene Spiegelsystem ist nicht auf die Aufteilung von Laserstrahlen begrenzt, sondern ebenso für gewöhnliche Lichtstrahlen geeignet. The mirror system proposed here is not limited to the division of laser beams, but also suitable for ordinary light beams.

Darüber hinaus ist es auf andere Lichtwellenlängen, für die Spiegelmaterialien existieren, anwendbar. Moreover, it is applicable to other wavelengths of light for which mirror materials exist.

Weiterhin sind auch nicht koaxiale Anordnungen der Spiegelblöcke denkbar. Durch Verwendung anderer Spiegelwinkelgeometrien ist die Strahlablenkung nicht auf 0° in der einen und 90° in der anderen Richtung beschränkt. Hierbei können andere Ablenkwinkel durch Verkippung der Rotationsachsen gegen den eintretenden Laserstrahl und/oder durch andere Kreiskegelwinkel realisiert werden. Furthermore, non-coaxial arrangements of the mirror blocks are also conceivable. By using different mirror angle geometries, the beam deflection is not limited to 0 ° in one direction and 90 ° in the other direction. In this case, other deflection angles can be realized by tilting the axes of rotation against the entering laser beam and / or by other circular cone angles.

Schließlich ist noch anzumerken, dass das Funktionsprinzip natürlich nicht auf die Aufspaltung in 2 Teilstrahlen beschränkt ist, sondern vielmehr ein Fachmann anhand der hier offengelegten Lehre mit zumutbarem Aufwand viele verschiedene Spiegelsysteme für die Aufspaltung eines oder mehrere optischer Strahlen konstruieren kann. Finally, it should also be noted that the principle of operation is of course not limited to the splitting in 2 partial beams, but rather a person skilled in the art can construct many different mirror systems for the splitting of one or more optical beams with reasonable effort on the basis of the teaching disclosed herein.

Durch die Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung zur Strahlaufteilung eines optischen Strahls und insbesondere eines Laserstrahls vorgeschlagen, die eine variable Strahlteilung eines Laserstrahls hoher Leistung und noch dazu einen simultanen Betrieb der beiden Laserstrahlteile möglich macht. Dazu werden in einem rotierenden Spiegelsystem zumindest zwei Spiegelblöcke vorgeschlagen. The invention proposes for the first time an apparatus for beam splitting of an optical beam and in particular of a laser beam, which makes a variable beam splitting of a laser beam of high power and, moreover, a simultaneous operation of the two laser beam parts possible. For this purpose, at least two mirror blocks are proposed in a rotating mirror system.

Claims

Device for splitting an optical beam, in particular a light and / or laser beam, which decomposes the optical beam into at least two partial beams with an adjustable distribution ratio of the power, wherein at least one rotating mirror system is provided which comprises at least two mirror blocks which are rotatable relative to one another.

The device of claim 1, wherein the rotating mirror system has an axis of rotation that is parallel to the propagation direction of the optical beam.

Device according to one of claims 1 or 2, wherein the at least two mirror blocks are realized in the form of an outer and inner mirror block, with respect to the axis of rotation of the mirror system.

Device according to one of the preceding claims, wherein at least one mirror block of the mirror system is divided axially symmetrical to the axis of rotation.

Apparatus according to claim 4, wherein the parts are at least partially offset along the axis of rotation.

Device according to one of the preceding claims 4 or 5, wherein at least one mirror block of the mirror system is divided into two halves.

Device according to one of the preceding claims, wherein the at least two mirror blocks in the form of an outer and an inner mirror block, with respect to the axis of rotation of the rotating mirror system, divided into staggered sections.

The device of any one of claims 3 to 7, wherein the inner mirror block comprises a convex mirror.

The device of any one of claims 3 to 8, wherein the outer mirror block comprises a concave mirror.

Apparatus according to claim 6, wherein it is provided that in each case both halves of a mirror block are arranged at unequal height along the axis of rotation of the rotating mirror system with respect to the propagation direction of the optical beam.

Apparatus according to claim 10, wherein it is provided that each one half of the inner mirror block and a half of the outer mirror block are arranged at the same height, along the axis of rotation of the rotating mirror system.

Device according to one of the preceding claims 4 to 11, wherein it is provided that in each case sections of different mirror blocks are arranged at the same height along the axis of rotation of the rotating mirror system.

Device according to one of claims 11 or 12, wherein the portions of the mirror blocks, which are arranged at the same height along the axis of rotation of the rotating mirror system, an adjustable angle of rotation α with each other.

Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the rotary mirror system is operable at a speed in the range of 200 rpm to 10,000 rpm.

Device according to one of the preceding claims, wherein the at least two mirror blocks of the rotating mirror system rotate at exactly the same speed.

Device according to one of claims 11 or 12, wherein a linear relationship between the adjustable angle of rotation α and the power of the partial optical beam P _u and P _s according to the formula:

P _u / P _e = 1 - α / 180 °

P _s / P _e = α / 180 °

is present.

Device according to one of the preceding claims, wherein for the realization of the exact same speed of the individual mirror blocks drive solutions are provided which are based either on the principle of phase-locked coupling of two drive shafts and / or on the principle of phase-locked electronic control of two motors.