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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von überlagerter Laserstrahlung.
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Kurzpulslaser haben sich in den letzten Jahren als vielfältig einsetzbares Werkzeug in der hochpräzisen Materialbearbeitung etabliert. Dabei zeigen ultrakurze Laserpulse (mit einer Pulsdauer < 10 ps) Vorteile gegenüber längeren Laserpulsen (mit einer Pulsdauer im Bereich ns) aufgrund eines geringeren Wärmeeintrages in das Werkstück (so genannte kalte Ablation). Die Geschwindigkeit der Bearbeitung ist bestimmt durch die Pulsrepetitionsrate des Kurzpulslasers. Um eine kosteneffiziente Bearbeitung zu erlauben, wurden in den letzten Jahren hochrepetierende Lasersysteme entwickelt. Bei gegebener Pulsenergie bedeutet dies eine ebenso gesteigerte mittlere Leistung. Es konnte gezeigt werden, dass bei steigender mittlerer Leistung ein Wärmeeintrag in das Werkstück auch bei kürzesten Pulsdauern (Femtosekundenpulse) und damit verbunden eine Schädigung des Werkstücks und eine Reduktion der Bearbeitungsqualität nicht zu vermeiden sind, da sich die eingetragene Wärme akkumuliert.
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Um einen solchen Schädigungseffekt bei hoher mittlerer Leistung des Laserpulszuges zu reduzieren, wurde vorgeschlagen, anstatt eines äquidistanten Pulsabstandes (mit einer typischen Pulsrepetitionsrate im Bereich von 10 kHz bis 10 MHz, entsprechend einem zeitlichen Pulsabstand von 10ms bis 10µs) einen sog. Burstbetrieb zu verwenden. Das bedeutet, dass eine Sequenz aus einer gewissen Anzahl von Laserpulsen mit geringem zeitlichen Abstand (sog. Mikropulsrepetitionsrate) < 10 ns, idealerweise < 200 ps ein Pulspaket (Burst) bilden und weitere Pulspakete in einem größeren zeitlichen Abstand (sog. Makropulsrate) folgen (wiederum im Bereich ms bis µs).
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Begründet ist dieser Ansatz durch die begrenzte Ausbreitungsgeschwindigkeit der eingebrachten Wärme in das Werkstück. Ist der Pulsabstand derart gering, dass erwärmtes Material durch den schnell nachfolgenden Puls abgetragen wird, kann der Wärmeeintrag in das Werkstück signifikant reduziert werden, wodurch auch bei höchsten mittleren Leistung exzellente Bearbeitungsergebnisse erwartet werden (siehe
US 6,552,301 ). Weiterhin können bei der Volumenbearbeitung von transparenten Werkstücken gezielt metastabile Zustände im ps bis µs - Bereich ausgenutzt werden, um eine effizientere Ankopplung bzw. Energieübertragung zu erzielen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen aus Pulsbursts bestehenden Laserpulszug durch Pulsaufteilung und -kombination zu erzeugen. Diese Methode beruht auf der Aufteilung eines gepulsten Laserstrahls auf separate Strahlwege unterschiedlicher Länge und der Ausnutzung verschiedener Laufzeiten entlang dieser Strahlwege. Eine Sequenz von Strahlwegen verschiedener Länge ermöglicht die Aufspaltung eines Einzelpulses des ursprünglichen Laserpulszuges in eine Vielzahl von Pulsen. Die Einzelstrahlen werden nach Durchlaufen der verschiedenen Strahlwege zu einem einzelnen Ausgangsstrahl überlagert, d.h. kombiniert. Mit diesem Ansatz lässt sich ein Pulsburst mit sehr kurzem Pulsabstand und damit einer hohen Mikropulsrepetitionsrate erzeugen.
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Die zuvor beschriebene Methode verwendet einen volumenoptischen Aufbau mit Freistrahlpropagation. Dabei stellt die präzise Überlagerung der Teilstrahlen an der Wechselwirkungsstelle im zu bearbeitenden Material eine technologische Herausforderung dar. Geringste Abweichungen der Strahllage, Divergenz oder Winkelfehler eines Teilstrahles zu einem anderen Teilstrahl führen zu einer Bearbeitung an unterschiedlichen Positionen im Materialvolumen. Dadurch wird die gewünschte zeitliche Energieanpassung nicht mehr gewährleistet und die Energie räumlich ungleichmäßig eingebracht.
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Weiterhin kann eine Bearbeitung mit zeitlich zueinander versetzen Laserpulsen mittels zweier oder mehrerer zueinander synchronisierter aber verschiedener Laser erfolgen. Hierbei können z.B. verschiedene Wellenlängen oder unterschiedliche Pulsdauern der einzelnen Laserstrahlen zum maßgeschneiderten Anpassen der Wechselwirkungsdynamik mit dem zu bearbeitenden Material eingesetzt werden. Jedoch führt auch dieser Ansatz bei der Bearbeitung zu Problemen bzgl. der exakten Überlagerung der Teilstrahlen. Bedingt durch die ggf. langen Wechselwirkungsstrecken und hohen Aspektverhältnisse bewirken selbst kleinste Änderungen der Strahleigenschaften (z.B. Wellenfront, Divergenz, Strahldurchmesser etc.) Positionsabweichungen der Teilstrahlen, was wiederum der kontrollierten und kumulativ wirkenden Wechselwirkung der Mehrfachpulse zuwider läuft.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Erzeugung von Laserpulsen zur Materialbearbeitung im Burstbetrieb mit hoher Qualität und möglichst perfekter Überlagerung der jeweiligen Teilstrahlen im Werkstückvolumen basierend auf dem Prinzip der Strahlkombination aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von überlagerter Laserstrahlung, mit
- - wenigstens einem Laser, der Laserstrahlung erzeugt,
- - einem Kombinationselement, das die dem Kombinationselement über wenigstens zwei räumlich separate Eingangsstrahlwege zugeführte Laserstrahlung in einem Ausgangsstrahlweg überlagert,
- - einer im Ausgangsstrahlweg angeordneten Einkoppeloptik,
- - einem Lichtwellenleiter, wobei die Einkoppeloptik die in dem Ausgangsstrahlweg überlagerte Laserstrahlung in den Lichtwellenleiter an dessen Eingangsseite einkoppelt und wobei der Lichtwellenleiter die Laserstrahlung hauptsächlich in einer Grundmode führt, und
- - einer Auskoppeloptik, die die Laserstrahlung aus dem Lichtwellenleiter an dessen Ausgangsseite auskoppelt.
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Weiter löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von überlagerter Laserstrahlung, mit den folgenden Verfahrensschritten:
- - Erzeugen von Laserstrahlung,
- - Überlagern der entlang wenigstens zweier räumlich separater Eingangsstrahlwege propagierenden Laserstrahlung in einem Ausgangsstrahlweg,
- - Einkoppeln der entlang des Ausgangsstrahlweges propagierenden, überlagerten Laserstrahlung in einen Lichtwellenleiter, wobei der Lichtwellenleiter die Laserstrahlung hauptsächlich in einer Grundmode führt, und
- - Auskoppeln der Laserstrahlung aus dem Lichtwellenleiter.
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Die erfindungsgemäße Methode erreicht eine inhärent sehr gute Überlagerung der Teilstrahlen, d.h. der über die räumlich separaten Eingangsstrahlwege dem Kombinationselement zugeführten Laserstrahlung nach der Auskopplung aus dem Lichtwellenleiter, d.h. entsprechend am Ort der Wechselwirkung mit dem Material eines zu bearbeitenden Werkstücks. Es kann dabei, wie bei der herkömmlichen Technik der Pulsaufteilung und -kombination, eine zeitliche Aufteilung eines Einzelpulses in Mehrfachpulse mit variabel einstellbaren Zeitabständen sowie Pulsenergien realisiert werden.
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Kern der der Erfindung ist die Einkopplung der überlagerten Teilstrahlen, d.h. der über die separaten Eingangsstrahlwege zugeführten Laserstrahlung, in den Lichtwellenleiter, bei dem es sich vorzugsweise um eine optische Faser handelt. Dabei ist der Lichtwellenleiter so ausgelegt, dass er der Leistung der Laserstrahlung standhält und im Wesentlichen nur die Grundmoden der Teilstrahlen führt. Als Lichtwellenleiter mit diesen Eigenschaften eignet sich z.B. eine Hohlkernfaser, eine Kagome-Faser, eine photonische Kristallfaser oder eine Large-mode-area (LMA)-Faser. Höhere Moden der Laserstrahlung erfahren in dem Lichtwellenleiter höhere Verluste als die Grundmode und werden entsprechend nicht geführt. Bereits bei der Einkopplung kann durch entsprechende Anpassung der Einkoppeloptik mit den Teilstrahlen überwiegend die Grundmode in dem Lichtwellenleiter angeregt werden. Abweichungen hinsichtlich der Strahllage oder -richtung führen für den jeweiligen Teilstrahl vermehrt zur Anregung höherer Moden im Lichtwellenleiter. Diese Strahlungsanteile werden daher gedämpft. Die so bereinigte Laserstrahlung als Kombination der ursprünglich über die separaten Eingangsstrahlwege zugeführten Teilstrahlen, nun jedoch nach Durchlaufen des Lichtwellenleiters mit identischer Strahllage und -richtung, verlässt den Lichtwellenleiter und wird mittels einer Auskoppeloptik kollimiert und steht für die Materialbearbeitung zur Verfügung.
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Die Nutzung einer optischen Faser als Lichtwellenleiter zur Laserstrahlbereinigung (siehe R. L. Abrams, IEEE Journal of Quantum Electronics 8, 838-843, 1972) ist als solche aus dem Stand der Technik bekannt, nicht aber die erfindungsgemäße Nutzung zur Strahlkombination und -formung. Durch das Abbilden der Teilstrahlen, welche durch den Lichtwellenleiter geformt wurden, mittels der Auskoppeloptik liegen die Teilstrahlen in allen Raumrichtungen und über lange Wechselwirkungsstrecken exakt übereinander.
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Für die Materialbearbeitung wird, wie eingangs beschrieben, vorzugsweise gepulste Laserstrahlung verwendet. Die Eingangsstrahlwege vorder Einkopplung in den Lichtleiter können zweckmäßig unterschiedlich lang sein, um den gewünschten Zeitversatz der Laserpulse durch die Strahlkombination und so eine für praktische Anwendungen hinreichende Mikropulsrepetitionsrate zu erzielen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Der Aufbau der Vorrichtung gemäß 1 ähnelt demjenigen eines Michelson-Interferometers. Die Vorrichtung dient dazu, gepulste Laserstrahlung in Form einer Folge aus Doppelpulsen aus einer Folge von zeitlich äquidistanten Einzelpulsen zu erzeugen. Mittels eines herkömmlichen Kurzpulslasers 1 wird ein Eingangslaserstrahl 2 bestehend aus gepulster Laserstrahlung, d.h. ein Laserpulszug aus zeitlich äquidistanten Laserpulsen, erzeugt. Die einfallenden Laserpulse werden durch eine λ/2-Wellenplatte 3 entsprechend der gewünschten Pulsenergieverteilung polarisiert. Mittels eines Polarisationsstrahlteilers 4 wird der Eingangslaserstrahl 2 auf zwei Eingangsstrahlwege aufgeteilt. Entlang eines ersten Eingangsstrahlwegs passiert ein erster Teilstrahl entsprechend der Polarisation des Eingangslaserstrahls 2 den Polarisationsstrahlteiler 4 ungehindert. Der orthogonal polarisierte Anteil des Eingangslaserstrahls 2, d.h. der zweite Teilstrahl, wird abgelenkt, passiert eine λ/4-Wellenplatte 5 und wird danach an einem Spiegel 6 reflektiert. Danach passiert der Laserstrahl ein weiteres Mal die λ/4-Wellenplatte 5 und erhält dadurch eine um 90° gedrehte Polarisation, wodurch der Laserstrahl den Polarisationsstrahlteiler 4 ungehindert passieren kann. Durch eine weitere Polarisationsrotation durch Passieren einer weiteren λ/4-Wellenplatte 7, Reflexion an einem weiteren Spiegel 8, einer weiteren Polarisationsdrehung beim Passieren der λ/4-Wellenplatte 7 in Rückrichtung und schließlich Reflexion am Polarisationsstrahlteiler 4 wird der zweite Teilstrahl in die gleiche Richtung gelenkt wie der erste Teilstrahl. Das Durchlaufen der beiden Arme vom Polarisationsstrahlteiler 4 zum Spiegel 6, von dort zum Spiegel 8 und von dort zurück zum Polarisationsstrahlteiler 4 beschreibt einen zweiten Eingangsstrahlweg im Sinne der Erfindung. Durch die frei einstellbare Weglänge zwischen den Spiegeln 6 und 8 wird eine variable Zeitseparation der Laserpulse ermöglicht. Der Polarisationsstrahlteiler 4 dient als Kombinationselement, das die über die beiden Eingangsstrahlwege zugeführte Laserstrahlung in einem Ausgangsstrahlweg 9 überlagert. Die überlagerte Laserstrahlung passiert eine Einkoppeloptik 10 und wird in einen Lichtwellenleiter 11 in Form einer Faser eingekoppelt. Dabei ist die Faser so ausgelegt, dass sie der Leistung der Laserstrahlung standhält und nur die Grundmode der beiden überlagerten Teilstrahlen führt. Höhere Moden erfahren in dem Lichtwellenleiter 11 höhere Verluste und werden nicht geführt. Abweichungen der überlagerten Teilstrahlen hinsichtlich der Strahllage oder -richtung führen vermehrt zur Anregung höherer Moden in dem Lichtwellenleiter. Diese Anteile werden daher gedämpft. Die so bereinigte und mittels einer Auskoppeloptik 12 aus dem Lichtwellenleiter 11 ausgekoppelte Laserstrahlung verlässt die Vorrichtung mit identischer Strahllage und -richtung der überlagerten Teilstrahlen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist zusätzlich die Möglichkeit einer zeitlichen Strahlformung innerhalb des reflektierten Teilstrahls (zweiter Eingangsstrahlweg) vorgesehen. Durch die Integration eines zeitlichen Strahlformers 13 (z.B. dispersives optisches Element, Gitterstrecker, Kompressor, Spatial Light Modulator etc.) ist es möglich, die zeitliche Pulsform zu beeinflussen. Somit können kürzere oder längere Pulse als im transmittierten Teilstrahl realisiert werden, wodurch die zeitliche Form der Laserpulse an die Prozessdynamik bei der Materialbearbeitung angepasst werden kann, z.B. um thermische oder andere Relaxationsprozesse in dem bearbeiteten Material gezielt zu unterstützen bzw. auszulösen.
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Für die Erzeugung von Pulsbursts aus mehr als zwei Laserpulsen können die in den 1 und 2 dargestellten Anordnungen aus Polarisationsstrahlteiler 4, Spiegeln 6, 8, λ/4-Wellenplatten 7, 8 und ggf. Strahlformer 13 entsprechend mehrfach hintereinander in Serie verwendet werden, wobei der Ausgang einer Anordnung jeweils den Eingang der nächsten Anordnung bildet. Eine Hintereinanderschaltung einer Anzahl N solcher Anordnungen ergibt 2N Laserpulse pro Burst.
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Um eine Bearbeitung mit zwei verschiedenen Lasersystemen zu ermöglichen, kann ein System entsprechend 3 verwendet werden. Die emittierte Laserstrahlung von zwei Lasern 14, 15, die z.B. Laserstrahlung bei jeweils einer anderen Wellenlänge emittieren, propagiert entlang zweier separater Eingangsstrahlwege zu dem Polarisationsstrahlteiler 4. Dort wird die Laserstrahlung nach Polarisationsanpassung mittels zweier λ/2-Wellenplatten 16, 17 kombiniert. Beide Teilstrahlen passieren anschließend die Einkoppeloptik 10 und werden in den Lichtwellenleiter 11 eingekoppelt. Dabei werden die Strahleigenschaften (Durchmesser, Wellenfront, Divergenz etc.) wiederum an die Grundmode angepasst (analog zu den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen). Im Falle verschiedener Wellenlängen der Laser 14, 15 kann als Kombinationselement 4 beispielsweise auch ein wellenlängenselektiver Spiegel, der bei der Wellenlänge von Laser 14 transmittiert und bei der Wellenlänge von Laser 15 reflektiert, verwendet werden. In diesem Fall kann auf die λ/2-Wellenplatten 16, 17 verzichtet werden. Bei unterschiedlichen Wellenlängen ist jedoch darauf zu achten, dass der Lichtwellenleiter 11 beide Wellenlängen nur in der Grundmode führt und nicht mehrmodig ist. Die so bereinigte und kombinierte Laserstrahlung verlässt den Lichtwellenleiter 11 und wird mittels der Auskoppeloptik 12 kollimiert, so dass sie dann für die Materialbearbeitung zur Verfügung steht. Im Falle verschiedener Wellenlängen kommt zudem eine chromatisch angepasste Optik 18 bzw. eine achromatische Optik zum Einsatz, um eine identische Strahllage beider Teilstrahlen zu gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- R. L. Abrams, IEEE Journal of Quantum Electronics 8, 838-843, 1972 [0013]
