DE102018210698A1

DE102018210698A1 - Verfahren, Vorrichtung und System zur Erzeugung einer hoch-dynamischen Leistungsdichtverteilung eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102018210698A1
Application number: DE102018210698.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Westphalen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-02
Also published as: EP3814827A1; WO2020002492A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Erzeugung einer hoch-dynamischen Leistungsdichtverteilung eines Laserstrahls, beispielsweise eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsvorrichtung. In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer Laserstrahlung wird die Laserstrahlung über eine Faser geführt und tritt an einem Faserende aus. Im Objektraum, d.h. dem Raum, in dem sich das Faserende befindet, wird der Laserstrahl mittels einer mikrooptischen Systemkomponente in einer Ebene abgelenkt. Ein erfindungsgemäßer Mikroscanner zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer über eine Faser geführten und an einem Faserende austretenden Laserstrahlung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroscanner eine mikrooptische Systemkomponente zur Ablenkung des Laserstrahls im Objektraum in einer Ebene aufweist. Ein erfindungsgemäßes System zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer über eine Faser geführten und an einem Faserende austretenden Laserstrahlung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System eine vorbeschriebene Vorrichtung und einen Makroscanner aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Erzeugung einer hoch-dynamischen Leistungsdichtverteilung eines Laserstrahls, beispielsweise eines Laserstrahls in einer Laserbearbeitungsvorrichtung.
Laser werden bereits seit geraumer Zeit zur Bearbeitung von Werkstücken beispielsweise aus Metall eingesetzt. Solche Bearbeitungsprozesse umfassen beispielsweise Bohren, Fräsen, Polieren, Gravieren, etc.. Derartige Laserbearbeitungsprozesse erfordern in den meisten Fällen eine sehr spezifische Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls auf dem zu bearbeitenden Werkstück. Beispielsweise erfordert das Laserpolieren eine eingekerbte homogene Rechteckverteilung, während das Laserbohren eine kreisrunde, homogene Verteilung erfordert. Die geforderten Verteilungen werden typischerweise durch eine statische, d.h. Strahlformung des Laser-Rohstrahls realisiert. Das statische Strahlprofil führt allerdings zu Limitierungen im Laserprozess. Beispielsweise kann der Laserpolierprozess mit dem statischen, asymmetrischen Strahlprofil nur in einer Richtung, z.B. von links nach rechts durchgeführt werden. Auch der Durchmesser eines homogenen Strahlprofils ist in der Regel auf ein festes Maß limitiert. Dies führt dazu, dass für verschiedene industrielle Laserprozesse entweder Umrüstzeiten einer Anlage in Kauf genommen oder sogar verschiedene Anlagen genutzt werden müssen. Im Bereich F&E ist ebenfalls ein größeres Maß an Flexibilität der Laserparameter wie beispielsweise ein variabler Spotradius von Vorteil.
Der übliche Ansatz in der Lasermaterialbearbeitung besteht darin, das Faserende eines Lichtwellenleiters vergrößert auf das Werkstück abzubilden. Dabei wird die Strahlung zunächst durch eine Kollimationslinse kollimiert und anschließend über eine Ablenkeinheit und ein F-Theta-Objektiv auf das Werkstück fokussiert.
Das F-Theta-Objektiv ist dabei ein Linsensystem, das nach dem Scan-Kopf in den Strahlengang eingebracht wird. Das Objektiv fokussiert den Laserstrahl auf den Brennpunkt und sorgt beim Scannen dafür, dass dieser Brennpunkt immer in der Arbeitsebene senkrecht zur optischen Achse des Objektivs liegt.
Die Größe des Bildes des Faserkerns wird durch den Faserkerndurchmesser sowie die Vergrößerung bestimmt, die sich aus den Brennweiten des Kollimators und des F-Theta-Objektivs ergeben. In der Regel sind die Brennweiten fest, womit auch der Durchmesser des Strahlprofils fest ist. Soll der Strahldurchmesser verändert werden, so muss das Abbildungssystem umgebaut werden. Es ist üblich, dabei das F-Theta-Objektiv zu wechseln.
Die Form und Homogenität des Strahlprofils werden durch die Ortsverteilung der Leistungsdichte am Ausgang des Faserkerns definiert. Bei Grund-Mode-Fasern ist das Strahlprofil gaußförmig, bei Multimode-Fasern nahezu rechteckförmig (Top-Hat-Profil). In den meisten Fällen liegt entweder eine gaußförmige oder eine homogene, kreisrunde Verteilung vor. Für die Umwandlung eines Gauß-Profils in ein rundes, homogenes Top-Hat-Profil sind im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann der gaußförmige Strahl in ein homogenisierendes Element wie eine Multimode-Faser eingekoppelt werden. Am Ausgang der Multimode-Faser liegt dann eine nahezu homogene Leistungsdichteverteilung vor. Dieses Verfahren ermöglicht jedoch keinen dynamischen Wechsel zwischen verschiedenen Strahlprofilen bzw. Durchmessern im laufenden Prozess. Die Homogenität des Strahlprofils kann auch durch Einsetzen einer Blende mit gradueller Transmission modelliert werden. Dies führt allerdings zu Leistungsverlusten und der Wechselvorgang kann nicht im laufenden Prozess erfolgen.
Spezielle Anwendungen erfordern Leistungsdichteverteilungen, die nicht über die Abbildung des Faserendes hergestellt werden können. So kann beispielsweise die beim Laserpolieren von metallischen Oberflächen üblicherweise eingesetzte eingekerbte Rechteck-Verteilung nicht über die Abbildung des Faserendes hergestellt werden. Diese Verteilung kann über das Abbilden einer Blende realisiert werden. Die Blende wird an der Stelle eines Zwischenbildes mit einem homogenen Rechteck-Profil beleuchtet. Ein keilförmiges Teil blendet die Strahlung definiert aus, so dass das gewünschte, eingekerbte Profil auf dem Werkstück entsteht. Durch Austausch der Blenden können nahezu beliebige Strahlprofile realisiert werden. Allerdings kann der Blendenwechsel nicht im Betrieb erfolgen und die ausgeblendeten Teile der Strahlung stehen nicht mehr für den Laserprozess zur Verfügung.
Die statisch umgeformten homogenen Leistungsdichteverteilungen werden in der Regel mittels Multi-Mode-Laserstrahlung erzeugt. Die Vorteile von Grund-Mode-Laserstrahlung wie beispielsweise hohe Strahlqualität und damit verbundener geringerer Divergenzwinkel der Strahlkaustik, d.h. geringere Konizität von Bohrungen und größerer Arbeitsabstand können bei der oben genannten, statischen Strahlformung nicht genutzt werden.
In neueren technischen Anwendungen wird die räumlich-zeitliche Variation des Laserspots genutzt, wobei durch schnelle Bewegungen der Galvanometer-Scanner-Spiegel, das sogenannte Wobbeln, der Laserspot ausgelenkt wird. Der Faserausgang bleibt hierbei jedoch statisch. Das Wobbeln wird beispielsweise zur gleichmäßigen Erwärmung von Löt- oder Fügestellen eingesetzt. Durch die im Verhältnis zum Objektraum großen Abmessungen und Massen der Galvo-Spiegel können allerdings nur Frequenzen von einigen 100 Hz bis ca. 1 kHz erreicht werden. Wird der gleichförmigen Bewegung eines Galvo-Spiegels eine Wobbelfunktion überlagert, so reduziert dies die maximale Performance des Galvo-Antriebs.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Strahlprofil von Laserstrahlung in Materialbearbeitungsprozessen, insbesondere in vergleichsweise trägen, z.B. thermischen Materialbearbeitungsprozessen, flexibel anpassbar ist, wobei die oben beschriebenen Nachteile bezüglich dynamischem Wechsel zwischen verschiedenen Strahlprofilen bzw. Durchmessern im laufenden Prozess, Homogenität des Strahlprofils und Leistungsverlusten vermieden werden sollen. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Vorrichtung anzugeben. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes System zur Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahl anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5. Die Aufgabe wird ferner durch einen Mirkoscanner nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Mikroscanners ergeben sich aus den Unteransprüchen 7 bis 14. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein System nach Anspruch 15 gelöst.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer Laserstrahlung wird die Laserstrahlung über eine Faser geführt und tritt an einem Faserende aus. Im Objektraum, d.h. dem Raum, in dem sich das Faserende befindet, wird der Laserstrahl mittels einer mikrooptischen Systemkomponente in einer Ebene abgelenkt. Unter mikrooptischen Systemkomponenten werden dabei hier und im Folgenden Bauteile der klassischen Optik wie beispielsweise Linsen, Spiegel, Prismen, etc., verstanden, deren Abmessungen 10 mm oder weniger betragen.
Ein erfindungsgemäßer Mikroscanner zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer über eine Faser geführten und an einem Faserende austretenden Laserstrahlung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroscanner eine mikrooptische Systemkomponente zur Ablenkung des Laserstrahls im Objektraum in einer Ebene aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Laserstrahl im Objektraum in einer Mehrzahl von Ebenen abgelenkt. Wird der Laserstrahl im Objektraum beispielsweise in zwei Ebenen abgelenkt, kann das Strahlprofil in zwei Dimensionen eingestellt werden. So kann beispielsweise das eingekerbte Rechteckprofil für die Laserpolier-Bearbeitung erzeugt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Faserende mikromechanisch ausgelenkt. Dadurch verlässt der Laserstrahl die Faser im selben Winkel, in dem das Faserende ausgelenkt ist. Ein Mikroscanner weist ein im Objektraum angeordnetes mikromechanisches Element zur Auslenkung des Faserendes auf. Unter Mikroscanner wird hier und im Folgenden eine Vorrichtung zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer über eine Faser geführten und an einem Faserende austretenden Laserstrahlung verstanden, wobei die Vorrichtung eine mikrooptische Systemkomponente zur Ablenkung des Laserstrahls im Objektraum in einer Ebene aufweist.
Beispielsweise beträgt das Gewicht eines ca. 5 mm langen, freistehenden Singlemode Faserendes (mit einem Faserkerndurchmesser von ca. 5 µm) ca. 0,5 g. Wird der Faserkern vergrößert auf das Werkstück abgebildet, so entsteht ein gaußförmiger Laserspot mit 100 µm Breite auf dem Werkstück. Eine hochdynamische Auslenkung s_x des Faserendes um +/- 10 µm führt in vergleichsweise trägen, thermischen Laserbearbeitungsprozessen zu einer nahezu homogenen Linienverteilung mit einem mittleren Strahldurchmesser von dx = 500 µm. Das Faserende kann beispielsweise durch einen Piezoantrieb oder elektromagnetische Aktoren ähnlich den Spulen in Lautsprechern ausgelenkt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das mikrooptische Element den Werkstoff Diamant auf. Damit sind noch kleinere Abmessungen der Optiken zu realisieren. Möglich wird das vor allem durch die hohe Wärmeleitung von Diamant. Dadurch werden Wärmeverluste in der Antireflexbeschichtung auf den Ein- und Austrittsfacetten deutlich besser abgeführt, wodurch die Zerstörschwelle für die zulässige Leistungsdichte deutlich ansteigt. Dies ist vor allem für Hochleistungsanwendungen wie beispielsweise die Materialbearbeitung von Vorteil.
In einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen vorteilhaften Ausführungsform wird der Laserstrahl mittels eines im Objektraum angeordneten mikrooptischen Systems abgelenkt. Das mikrooptische System enthält mindestens zwei mikrooptische Elemente, beispielsweise drehbare Platten oder bewegliche Spiegel. Anstelle der direkten Manipulation des Faserendes kann eine Verschiebung der optischen Achse im Bildraum auch beispielsweise durch die Drehung von zwei planparallelen Platten direkt hinter der Faser oder hinter einem Zwischenbild erfolgen. Die Drehung kann beispielsweise durch Galvometer-Antriebe erfolgen.
In bestimmten Geometrien ist das Faserende durch andere Komponenten wie beispielsweise einen angespleißten Quarzblock nicht direkt zugänglich. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann diesem Fall das Faserende mittels eines Abbildungssystems als erstes Zwischenbild zwischen die drehbaren Platten abgebildet werden. Das mikrooptische System weist damit zwei um sich selbst drehbare planparallele Platten auf. Die Zuordnung zwischen Drehung der Platten und Verschiebung der optischen Achse ist analog zu der oben genannten Anordnung direkt nach dem Faserende. Da das Zwischenbild jedoch sehr nah zugänglich ist, können hier deutlich kleinere plan-parallele Platten verbaut werden, was die Dynamik erhöht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden in Strahlrichtung verschiebbare Mikrolinsen hinter dem Faserende oder einem Zwischenbild angeordnet. Das mikrooptische System weist damit zwei in Strahlrichtung verschiebbare Mikrolinsen auf. Eine Linse kollimiert den Strahl und erzeugt ein Zwischenbild, welches über den Kollimator und eine F-Theta-Linse in den Bildraum beziehungsweise auf das Werkstück abgebildet wird. Dies kann in mehreren Ebenen erfolgen. Falls das Faserende nicht nah genug zugänglich ist, kann dieses mittels eines Abbildungssystems auf ein Zwischenbild abgebildet werden. Eine Verschiebung der Linsen führt ebenfalls zu einer Verschiebung des Zwischenbildes. Auch hier gilt, dass das Zwischenbild deutlich näher zugänglich ist. Daher können bei dieser Anordnung deutlich kleinere Mikrolinsen verbaut werden.
Die verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann das Faserende direkt mit einem Piezoantrieb in eine Richtung ausgelenkt werden. Die Strahlablenkung in eine andere Richtung kann beispielsweise durch Drehung einer planparallelen Platte oder Verschiebung einer Mikrolinse erfolgen.
Ein erfindungsgemäßes System zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer über eine Faser geführten und an einem Faserende austretenden Laserstrahlung ist dadurch gekennzeichnet, dass das System eine vorbeschriebene Vorrichtung und einen Makroscanner aufweist. Dabei wird unter Makroscanner ein konventionelles Strahlablenksystem wie beispielsweise ein Galvanometer- oder Polygon-Scanner verstanden. Die Ursprungskoordinaten des Mikroscanners können über den Makroscanner angefahren werden. Von dort aus kann der Laserspot eine zeitlich hochdynamische mäanderförmige Ablenkung in verschiedenen Ebenen durch die Vorrichtung erfahren.
Die Strahlablenkung des Mikroscanners kann ohne Performanceverluste des Makroscanners in den Strahlengang hinzugeschaltet und verändert werden.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:

1 Schematische Darstellung der durch den Mikroscanner homogenisierten Leistungsverteilung
2 Schematische Darstellung a) der eingekerbten Rechteckverteilung und b) der mittels Mikroscanner abgerasterten Verteilung
3 Schematische Darstellung der direkten Auslenkung des Faserendes
4 Schematische Darstellung der direkten Auslenkung des Faserendes in x-Richtung durch einen Piezoantrieb
5 Schematische Darstellung der direkten Auslenkung des Faserendes in z-Richtung durch einen Piezoantrieb
6 Schematische Darstellung der Wirkung der direkten Auslenkung des Faserendes in z-Richtung durch einen Piezoantrieb
7 Schematische Darstellung eines 2D-Mikroskanners mittels drehbarer planparalleler Platten
8 Schematische Darstellung der Manipulation der optischen Achse im Objektraum durch zwei drehbare plan-parallele Platten vor dem Faserende
9 Schematische Darstellung der Manipulation der optischen Achse im Objektraum durch zwei um den Zwischenfokus herum angeordnete drehbare plan-parallele Platten
10 Schematische Darstellung eines 2D-Mikroscanners mittels verschiebbarer Mikrolinsen in zwei Ausführungsformen
11 Schematische Darstellung eines 2-D-Mikroscanners mit zwei, vor dem Faserende angeordneten Mikrolinsen
12 schematische Detail-Darstellung eines 2D-Mikroscanners, bei dem zwei Mikrolinsen L2 und L3 vor dem Zwischenbild L7 angeordnet sind.
13 eine schematische Detail-Darstellung eines 2D-Mikroscanners, bei dem zwei Mikrolinsen L2 und L3 vor dem Zwischenbild L7 angeordnet sind.
14 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbohrprozesses

1 zeigt eine schematische Darstellung der durch den Mikroscanner (1) homogenisierten Leistungsverteilung. Beispielhaft ist eine Gauß-to-Tophat-Transformation dargestellt. In 1 a) ist dargestellt, dass der Mittelpunkt eines Gauß-förmigen Laserspots eines Faserlasers durch einen konventionellen Makroscanner, wie beispielsweise einen 2D-Galvoscanner, auf die Werkstückkoordinaten (x₀ ; y₀ ) abgebildet wird. Der Strahldurchmesser beträgt d_x . In 1 b) ist dargestellt, wie der Mikroscanner (1) den Mittelpunkt in x-Richtung zusätzlich um den Betrag s'_x(t) ablenkt. Die Strahlablenkung erfolgt dabei so schnell, dass für vergleichsweise langsame, wie beispielsweise thermische Materialbearbeitungsprozesse nur der zeitlich gemittelte Strahldurchmesser dx wirksam ist (siehe 1c). Mit anderen Worten wird im zeitlichen Mittel der Laserspot in x-Richtung zu einem näherungsweise Top-Hat-förmigen Profil mit der Breite dx verbreitert beziehungsweise verschmiert. Die Homogenität des zeitlich gemittelten Strahlprofils kann durch die Funktion s'_x(t) gesteuert werden. Bemerkenswert ist dabei, dass der Strahl zu jederzeit seine (Grund-Mode-) Strahlqualität beibehält.
2 zeigt eine schematische Darstellung a) der eingekerbten Rechteckverteilung und b) der mittels Mikroscanner (1) abgerasterten Leistungsverteilung. Die Ursprungskoordinaten des Mikroscanners (1) (x₀ ; y₀ ) werden über den Makroscanner angefahren. Von dort aus erfährt der Laserspot eine zeitlich hochdynamische mäanderförmige Ablenkung in x- und y-Richtung. Die eingekerbte Rechteckverteilung wird „ausgemalt“. Die Ablenkung in y-Richtung s'_y(t) erfolgt dabei analog zu der in x-Richtung, so dass das Strahlprofil in zwei Dimensionen eingestellt werden kann. So kann beispielsweise das eingekerbte Rechteckprofil für die Laserpolier-Bearbeitung erzeugt werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung der direkten Auslenkung des Faserendes F1. Das Faserende F1 wird hier beispielsweise durch einen Piezoantrieb F2 (3 a)) oder einen ersten elektromagnetischen Aktor F4 und einen zweiten elektromagnetischen Aktor F5 (3b)) ähnlich den Spulen in Lautsprechern ausgelenkt
4 ist die schematische Darstellung der direkten Auslenkung des Faserendes F1 in x-Richtung durch einen Piezoantrieb F2. Dabei zeigt 4 a) eine Ausführungsform, in der das Faserende F1 auf einem Piezoelement F2 angebracht ist. In der in 4 b) gezeigten Situation ist gezeigt, wie das Piezoelement um den Betrag a_x ausgelenkt ist. Dadurch hebt sich die optische Achse um Strecke s_x = a_x . Über die beispielsweise durch die Brennweiten des Kollimators und des F-Theta-Objektivs definierte Vergrößerung wird die mikroskopische Ablenkung s_x(t) in eine makroskopische Ablenkung s'_x(t) des Strahls im Bildraum, beispielsweise auf dem Werkstück, bewirkt.
5 ist die schematische Darstellung der direkten Auslenkung des Faserendes F1 in z-Richtung durch einen Piezoantrieb F2. Dabei zeigt 5 a) eine Ausführungsform, in der das Faserende F1 auf einem Piezoelement F2 angebracht ist. In der in 5 b) gezeigten Situation ist gezeigt, wie das Piezoelement um den Betrag a_z ausgelenkt ist. Dadurch hebt sich die optische Achse um Strecke s_z = a_z . Wie zuvor wird beispielsweise über die durch die Brennweiten des Kollimators und des F-Theta-Objektivs definierte Vergrößerung die mikroskopische Ablenkung s_z(t) in eine makroskopische Ablenkung s'_z(t) des Strahls im Bildraum, beispielsweise auf dem Werkstück, bewirkt.
6 ist die schematische Darstellung der Wirkung der direkten Auslenkung des Faserendes F1 in z-Richtung durch einen Piezoantrieb F2. In 6 a) ist dargestellt, wie die Strahlung ohne Piezoelement F2 durch die Fokussierlinse F6, beispielsweise eine F-Theta-Linse, auf den Fokus F7 abgebildet wird. In 6 b) ist dargestellt, wie die Strahlung mit Piezoelement F2 durch die Fokussierlinse F6 auf den Fokus F7 abgebildet wird. In 6 c) schließlich ist dargestellt, wie sich die Bildebene um den Betrag s'_z verschiebt, wenn das Faserende F1 durch den Piezoantrieb F2 um die Strecke s_z ausgelenkt wird.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines 2D-Mikroskanners (1) mittels einer ersten drehbaren plan-parallelen Platte P2 und einer zweiten drehbaren planparallelen Platte P3. Anstelle der direkten Manipulation des Faserendes F1 wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen kann eine Verschiebung der optischen Achse im Bildraum auch durch die Drehung von zwei planparallelen Platten P2 und P3 direkt hinter dem Faserende F1 (7 a)) oder hinter einem ersten Zwischenbild P6 (7 b)) erfolgen. Ist das Faserende F1 durch andere Komponenten wie beispielsweise einen angespleißten Quarzblock nicht direkt zugänglich, kann das Faserende F1 mittels eines Abbildungssystems P5 als erstes Zwischenbild P6 zwischen die drehbaren Platten P2 und P3 abgebildet werden. Die Drehung der beiden plan-parallelen Platten P2 und P3 kann beispielsweise ähnlich wie bei einem konventionellen Makroscanner durch Galvometer-Antriebe erfolgen.
8 a) zeigt schematisch die Manipulation der optischen Achse im Objektraum durch zwei drehbare plan-parallele Platten P2, P3 vor dem Faserende F1. In 8b) ist zu erkennen, wie die optische Achse in x-Richtung um den Betrag s_x verschoben wird. In 8 c) ist dargestellt, wie die optische Achse in y-Richtung um den Betrag s_y verschoben wird, wenn die zweite planparallele Platte P3 um den Winkel α_y gedreht wird. s_x und s_y werden über den Kollimator P4 und eine F-Theta-Linse F6 in die Ablenkungen s'_x und s'_y im Bildraum auf dem Werkstück transformiert.
9 a) zeigt eine schematische Darstellung der Manipulation der optischen Achse im Objektraum durch zwei um den ersten Zwischenfokus P6 herum angeordnete drehbare plan-parallele Platten P2, P3. In 9 b) ist zu sehen, wie die optische Achse in x-Richtung um den Betrag s_x verschoben wird, wenn die erste planparallele Platte P2 um den Winkel α_x gedreht wird. Wird die zweite planparallele Platte P3 um den Winkel α_y gedreht, wird die optische Achse in y-Richtung um den Betrag s_y verschoben. Die Zuordnung zwischen Drehung α_x , α_y der ersten und zweiten planparallelen Platte P2, P3 und die resultierende Verschiebung der optischen Achse ist analog zu der oben genannten Anordnung direkt nach dem Faserende F1. Da das erste Zwischenbild P6 jedoch sehr nah zugänglich ist, können hier deutlich kleinere plan-parallele Platten P2, P3 verbaut werden, was die Dynamik erhöht. 9c) zeigt, wie die optische Achse in y-Richtung um den Betrag s_y verschoben wird, wenn die Platte P3 um den Winkel α_y ausgelenkt wird.
10 ist die schematische Darstellung eines 2D-Mikroskanners (1) mit verschiebbarer Mikrolinsen L2, L3 in zwei Ausführungsformen. In der in 10 a) gezeigten Ausführungsform sind die verschiebbaren Mikrolinsen L2, L3 vor dem Faserende F1 angeordnet. Die verschiebbaren Mikrolinsen L2, L3 erzeugen einen Zwischenfokus L4, der durch den Kollimator P4 in den Bildraum oder auf das Werkstück abgebildet wird. Die in 10 b) gezeigte Ausführungsform weist ein Abbildungssystem P5 auf, das einen ersten Zwischenfokus P6 erzeugt. Die Mikrolinsen L2 und L3 bilden den Zwischenfokus auf den zweiten Zwischenfokus L4 ab. Der Strahl wird anschließend mittels des Kollimators P4 kollimiert. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Faserende F1 nicht nah genug zugänglich ist. Eine Verschiebung der Mikrolinsen L2, L3 führt ebenfalls zu einer Verschiebung des zweiten Zwischenbildes L4. Auch hier gilt, dass das erste Zwischenbild P6 deutlich näher zugänglich ist. Daher können bei dieser Anordnung deutlich kleinere Mikrolinsen L2, L3 verbaut werden.
11 a) ist eine schematische Darstellung eines 2-D-Mikroscanners (1) mit zwei, vor dem Faserende F1 angeordneten Mikrolinsen L2, L3. In 11 b) ist dargestellt, wie das zweite Zwischenbild L4 in x-Richtung um den Betrag s_x verschoben wird, wenn die erste Mikrolinse L2 um die Strecke I_x ausgelenkt wird. In 11 c) ist dargestellt, wie das zweite Zwischenbild L4 in y-Richtung um den Betrag s_y verschoben wird, wenn die zweite Mikrolinse L3 um die Strecke I_y ausgelenkt wird.
12 zeigt in Abbildung 12a) eine schematische Detail-Darstellung eines 2D-Mikroscanners, bei dem zwei Mikrolinsen L2 und L3 vor dem Zwischenbild L7 angeordnet sind. In 12b) ist zu sehen, wie das Zwischenbild L4 in x-Richtung um den Betrag s_x verschoben wird, wenn die Linse L2 um die Strecke I_x ausgelenkt wird. In 12c) ist gezeigt, wie das Zwischenbild L4 in y-Richtung um den Betrag s_y verschoben wird, wenn die Linse L3 um die Strecke I_y ausgelenkt wird.
13 zeigt in Abbildung 13a) eine schematische Detail-Darstellung eines 2D-Mikroscanners, bei dem zwei Mikrolinsen L2 und L3 vor dem Zwischenbild L7 angeordnet sind. In 13b) ist gezeigt, wie das Zwischenbild L4 in z-Richtung um den Betrag s_z verschoben wird, wenn die Linse L3 um die Strecke I_z ausgelenkt wird.
14 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbohrprozesses. In 14 a) ist das Ergebnis der Bohrung mit einem homogenen Strahlprofil eines Multi-Mode-Laserstrahls zu sehen. In 14b) ist das Ergebnis einer Bohrung mit einem durch hochdynamische Ablenkung homogenisierten Strahlprofil eines Grund-Mode-Laserstrahls dargestellt. Der Divergenzwinkel θ'_x gibt die Konizität der Bohrung vor. Im Fall des homogenisierten Grund-Mode-Strahlprofils bleibt die hohe Strahlqualität des Lasers erhalten. Hierbei ist der Divergenzwinkel θ'_x und somit die Konizität der Bohrung deutlich geringer.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

1: Mikroscanner
F1: Faserende
F2: Piezoelement, Piezoantrieb
F4: erster elektromagnetischer Aktor
F5: zweiter elektromagnetischer Aktor
F6: Fokussierlinse, F-Theta-Linse
F7: Fokus
L2: erste verschiebbare Mikrolinse
L3: zweite verschiebbare Mikrolinse
L4: zweites Zwischenbild, zweiter Zwischenfokus
P2: erste planparallele Platte
P3: zweite planparallele Platte
P4: Kollimator
P5: Abbildungssysstem
P6: erstes Zwischenbild, erster Zwischenfokus
a_x: Auslenkung des Faserendes in x-Richtung
I_x: Auslenkung der ersten Mikrolinse in x-Richtung
I_y: Auslenkung der zweiten Mikrolinse in y-Richtung
s_x: mikroskopische Strahlablenkung in x-Richtung
s'_x: makroskopische Strahlablenkung in x-Richtung
s_y: mikroskopische Strahlablenkung in y-Richtung
s'_y: makroskopische Strahlablenkung in y-Richtung
a_x: Drehung der ersten planparallelen Platte
α_y: Drehung der zweiten planparallelen Platte
θ'_x: Divergenzwinkel

Claims

Verfahren zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung über eine Faser geführt wird und an einem Faserende (F1) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsdichteverteilung über eine Ablenkung des Laserstrahls im Objektraum in einer Ebene mittels einer mikrooptischen Systemkomponente (F2, F3, F4, F5, L2, L3, P2, P3) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl im Objektraum in einer Mehrzahl von Ebenen abgelenkt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserende (F1) mikromechanisch ausgelenkt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mittels eines im Objektraum angeordneten mikrooptischen Elements (L2, L3, P2, P3) abgelenkt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserende mittels eines Abbildungssystems (P5) zunächst als erstes Zwischenbild (P6) abgebildet wird.
Mikroscanner (1) zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer über eine Faser geführten und an einem Faserende (F1) austretenden Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroscanner (1) eine mikrooptische Systemkomponente (F2, F3, F4, F5, L2, L3, P2, P3) zur Ablenkung des Laserstrahls im Objektraum in einer Ebene aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroscanner (1) eine Mehrzahl mikrooptischer Systemkomponenten (F2, F3, F4, F5, L2, L3, P2, P3) zur Ablenkung des Laserstrahls im Objektraum in einer Mehrzahl von Ebenen aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroscanner (1) ein im Objektraum angeordnetes mikromechanisches Element zur Auslenkung des Faserendes (F1) aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Element einen Piezoantrieb (F2) aufweist.
Mikroscanner gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Element einen elektromagnetischen Aktor (F4, F5) aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrooptische Element den Werkstoff Diamant aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroscanner (1) ein im Objektraum angeordnetes mikrooptisches System zur Ablenkung des Laserstrahls aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrooptische System zwei um sich selbst drehbare planparallelen Platten (P2, P3) aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrooptische System zwei in Strahlrichtung verschiebbare Mikrolinsen (L2, L3) aufweist.
Mikroscanner (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroscanner (1) ein Abbildungssystem (P5) zur Abbildung des Faserendes als erstes Zwischenbild (P6) aufweist.
System zur Anpassung der Leistungsdichteverteilung einer über eine Faser geführten und an einem Faserende (F1) austretenden Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Mikroscanner (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14 und einen Makroscanner aufweist.