DE102019127979A1 - Device for deflecting a laser beam - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Ablenkung eines zugeführten Laserstrahls (2). Hierzu hat die Vorrichtung (1) einen Laserkopf (3) mit zumindest einem optischen Element (5) zur radialen Strahlablenkung des Laserstrahls (2), um so zyklisch die zugeführte Laserstrahlung auf mehrere Einkoppelflächen (9) verteilen zu können. Dadurch können beispielsweise verschiedene Laserbearbeitungsköpfe mit der Laserstrahlung aus derselben Strahlquelle versorgt werden, die hierzu lediglich an einen der Anschlüsse I bis V angeschlossen werden.The invention relates to a device (1) for deflecting a supplied laser beam (2). For this purpose, the device (1) has a laser head (3) with at least one optical element (5) for radial deflection of the laser beam (2) in order to be able to cyclically distribute the supplied laser radiation to several coupling surfaces (9). In this way, for example, different laser processing heads can be supplied with the laser radiation from the same beam source, which are only connected to one of the connections I to V for this purpose.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls mit einem Laserkopf zur wahlweisen oder zyklischen Ablenkung des Laserstrahls auf unterschiedliche Einkoppelflächen.The invention relates to a device for deflecting a laser beam with a laser head for the selective or cyclical deflection of the laser beam onto different coupling surfaces.
Aus dem Stand der Technik sind bereits elektro-optische Ablenkeinheiten bekannt, die beispielsweise einen Lichtleiter aufweisen, in welchem die Lichtstrahlen durch Totalreflexion an Grenzflächen geführt werden.Electro-optical deflection units are already known from the prior art, which have, for example, a light guide in which the light beams are guided by total reflection at interfaces.
Zudem sind Elemente vorgesehen, mit denen ein Eintrittswinkel, unter welchem der Lichtstrahl in den Lichtleiter eingekoppelt wird, oder ein Austrittswinkel, unter welchem der Lichtstrahl aus dem Lichtleiter austritt, beeinflusst werden können.In addition, elements are provided with which an entry angle at which the light beam is coupled into the light guide or an exit angle at which the light beam emerges from the light guide can be influenced.
Diese Elemente können beispielsweise Flüssigkristalle umfassen, deren Brechungsindex unter Einfluss eines elektrischen Felds verändert werden kann. Eine solche Ablenkeinheit ist beispielsweise in der
Darüber hinaus beschreibt die
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls auf verschiedene Einkoppelflächen zur bedarfsweisen Zuführung von Laserstrahlung zu schaffen.The invention is based on the object of creating a device for deflecting a laser beam onto different coupling surfaces for supplying laser radiation as required.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention with a device according to the features of
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Laserstrahls mit einem Laserkopf zur wahlweisen oder zyklischen Ablenkung des Laserstrahls auf unterschiedliche Einkoppelflächen eines Verteilerkopfs und mit zumindest einem optischen Element zur Strahlablenkung auf die Einkoppelflächen ausgestattet, wobei das optische Element und der Verteilerkopf zur zyklischen Ablenkung des Laserstrahls auf zumindest einen der Einkoppelflächen relativ zueinander rotationsbeweglich antreibbar sind.According to the invention, a device for deflecting a laser beam is equipped with a laser head for the optional or cyclical deflection of the laser beam onto different coupling surfaces of a distributor head and with at least one optical element for deflecting the beam onto the coupling surfaces, the optical element and the distributor head for cyclical deflection of the laser beam at least one of the coupling surfaces can be driven in a rotationally movable manner relative to one another.
Hierdurch wird die beispielsweise kontinuierlich zugeführte Laserstrahlung aufgeteilt und zyklisch einzelnen Einkoppelflächen zugeführt. Diese könnten beispielsweise mit einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks gekoppelt sein, um so die zugeführte Laserenergie zu nutzen. Weiterhin kann die Laserenergie aber auch durch die Einkoppelfläche einer Einrichtung zur Modifikation der Laserstrahlung oder aber einem Verteiler bzw. Leitungssystem zugeführt werden, sodass ein Versorgungsnetz vergleichbar anderen Energieträgern entsteht. Hierzu kann die Einkoppelfläche auch Bestandteil einer Steckverbindung sein, um so eine standardisierte Anschlussmöglichkeit zu schaffen.As a result, the laser radiation that is continuously supplied, for example, is split up and supplied cyclically to individual coupling-in surfaces. These could, for example, be coupled to a device for laser machining a workpiece in order to use the supplied laser energy. Furthermore, the laser energy can also be fed through the coupling surface of a device for modifying the laser radiation or a distributor or line system, so that a supply network comparable to other energy carriers is created. For this purpose, the coupling surface can also be part of a plug connection in order to create a standardized connection option.
Im Ergebnis wird durch die zyklische Einkopplung der Laserstrahlung in unterschiedliche Einkoppelflächen eine quasi gepulste Laserstrahlung erzeugt, wobei durch die kontinuierliche Umlaufbewegung des optischen Elements veränderliche Überlappungsbereiche mit an die jeweilige Einkoppelfläche angrenzenden Bereichen des Verteilerkopfs entstehen.As a result, a quasi-pulsed laser radiation is generated by the cyclic coupling of the laser radiation into different coupling surfaces, whereby variable overlapping areas with areas of the distributor head adjoining the respective coupling surface are created by the continuous circular movement of the optical element.
Erfindungsgemäß können mehrere Anwendungen zugleich von einer einzigen Strahlquelle versorgt werden. Hierzu ist das optische Element mit konstanter oder variabler Drehzahl umlaufend antreibbar, sodass der Laserstrahl zyklisch auf jeweils eine Vielzahl von Einkoppelflächen trifft, die insbesondere gleichverteilt angeordnet sind.According to the invention, several applications can be supplied from a single beam source at the same time. For this purpose, the optical element can be driven in a revolving manner at constant or variable speed, so that the laser beam cyclically strikes a plurality of coupling surfaces in each case, which are, in particular, evenly distributed.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Laserstrahlung auf mehrere quasisimultane Bearbeitungsstellen aufgeteilt und gleichzeitig aus dem Dauerlicht des Lasers kurze Pulse sehr hoher Frequenz erzeugt. Die hohe Pulswiederholungsrate resultiert in entsprechend hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten.By means of the device according to the invention, the laser radiation is divided into several quasi-simultaneous processing points and, at the same time, short pulses of very high frequency are generated from the continuous light of the laser. The high pulse repetition rate results in correspondingly high processing speeds.
In der Praxis sind die Einkoppelflächen bevorzugt stationär oder ortsfest angeordnet, während das optische Element zur Strahlablenkung rotationsbeweglich ist.In practice, the coupling surfaces are preferably arranged in a stationary or stationary manner, while the optical element for deflecting the beam can be rotated.
Besonders bevorzugt ist das optische Element um die optische Achse des zugeführten Laserstrahls als Drehachse rotationsbeweglich angetrieben, wobei die Drehzahl je nach Anwendungszweck einstellbar ist. Auf diese Weise wird zugleich die Pulsdauer der eingekoppelten Laserstrahlung bestimmt.Particularly preferably, the optical element is driven to be rotationally movable about the optical axis of the supplied laser beam as the axis of rotation, the speed of rotation being adjustable depending on the application. In this way, the pulse duration of the injected laser radiation is determined at the same time.
Eine besonders einfache Variante der Vorrichtung wird auch dann erreicht, wenn die Ablenkung zur Einkopplung in die jeweilige Einkoppelfläche in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse erfolgt. Hierbei schließt der Verteilerkopf das optische Element umfangsseitig ein, sodass die Laserstrahlung radial in die Einkoppelflächen eintritt.A particularly simple variant of the device is also achieved when the deflection for coupling into the respective coupling surface takes place in the radial direction with respect to the axis of rotation. Here, the distributor head encloses the optical element on the circumferential side, so that the laser radiation enters the coupling surfaces radially.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Laserstrahl gegenüber der optischen Achse des einfallenden Laserstrahls mittels des optischen Elements mehrfach ablenkbar und entlang einer Strahlachse auf die Einkoppelfläche ablenkbar, wobei die Strahlachse eine Orientierung gegenüber der optischen Achse mit einem parallelen Abstand aufweist. Hierdurch lässt sich die Vorrichtung zur Strahlverteilung beispielsweise auch bei bestehenden Anlagen problemlos nachrüsten, wobei die Orientierung der Strahlführung des zugeführten Laserstrahls gegenüber der Strahlführung nach der Einkopplung in die jeweilige Einkoppelfläche erhalten bleibt. Zudem können dabei alle Einkoppelflächen in parallelen Ebenen oder in einer gemeinsamen Ebene angeordnet werden, wodurch der konstruktive Aufwand reduziert wird. Ferner wird so eine besonders kompakte Bauform realisiert.In another, likewise particularly advantageous embodiment of the invention, the laser beam can be deflected several times with respect to the optical axis of the incident laser beam by means of the optical element and can be deflected along a beam axis onto the coupling surface, the beam axis being oriented parallel to the optical axis. In this way, the device for beam distribution can also be retrofitted, for example, in existing systems without any problems, with the orientation of the beam guidance of the supplied laser beam relative to the beam guidance being retained after coupling into the respective coupling surface. In addition, all coupling surfaces can be arranged in parallel planes or in a common plane, which reduces the design effort. Furthermore, a particularly compact design is realized in this way.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das optische Element zumindest zwei Reflektorflächen auf, um so beispielsweise zunächst eine Ablenkung des Laserstrahls in radialer Richtung und anschließend durch eine weitere Ablenkung mit einer Orientierung parallel zu der optischen Achse einen parallelen Versatz der Strahlachse gegenüber der optischen Achse zu erreichen. Die Reflektorflächen können hierzu durch das optische Element einteilig verbunden sein.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the optical element has at least two reflector surfaces, for example to initially deflect the laser beam in the radial direction and then to offset the beam axis parallel to the optical axis through a further deflection with an orientation parallel to the optical axis to reach. For this purpose, the reflector surfaces can be connected in one piece by the optical element.
Gemäß einer weiteren, besonders Erfolg versprechenden Abwandlung hat das optische Element zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Reflektoren mit jeweils einer Reflektorfläche, um so den parallelen Versatz, also den radialen Abstand der Strahlachse gegenüber der optischen Achse des zugeführten Laserstrahls bedarfsweise einstellen zu können. Der Abstand kann dadurch angepasst werden, um so insbesondere eine Anpassung an unterschiedlich große Verteilerköpfe oder verschiedene Einkoppelflächen vornehmen zu können.According to a further, particularly promising modification, the optical element has at least two reflectors movable relative to one another, each with a reflector surface, in order to be able to adjust the parallel offset, i.e. the radial distance between the beam axis and the optical axis of the supplied laser beam, as required. The distance can thereby be adapted in order to be able to adapt in particular to differently sized distributor heads or different coupling surfaces.
Hierbei kann ergänzend auch eine sensorische Überwachung der Einkoppelflächen vorgesehen sein, um so mittels einer Steuereinheit den Abstand anpassen zu können. Dieser könnte gegebenenfalls auch während eines vollen Umlaufs des Bearbeitungskopfs um die optische Achse zyklisch variiert werden, wenn beispielsweise mehrere Einkoppelflächen auf verschiedenen konzentrischen Kreisbahnen angeordnet sind.In addition, a sensor-based monitoring of the coupling surfaces can also be provided in order to be able to adjust the distance by means of a control unit. This could possibly also be varied cyclically during a full revolution of the machining head around the optical axis if, for example, several coupling surfaces are arranged on different concentric circular paths.
Durch eine zusätzliche, ebenfalls zweifache Strahlablenkung wird der Laserstrahl nach seiner lateralen Ablenkung zunächst radial nach innen und dann als Strahlachse parallel zu der optischen Achse des zugeführten Laserstrahls abgelenkt. Hierdurch lassen sich bedarfsweise auch sehr geringe Abstände der Strahlachse von der optischen Achse einstellen, sodass eine besonders kleine Bauform des Verteilerkopfs realisiert werden kann. Insbesondere ist so der minimale radiale Abstand der Strahlachse nicht durch die Größe oder Bauform der Reflektoren beschränkt.By means of an additional, also double beam deflection, the laser beam, after its lateral deflection, is first deflected radially inward and then as a beam axis parallel to the optical axis of the supplied laser beam. In this way, if necessary, very small distances between the beam axis and the optical axis can also be set, so that a particularly small design of the distributor head can be implemented. In particular, the minimum radial distance between the beam axis is not restricted by the size or design of the reflectors.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
-
1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verteilung des Laserstrahls; -
2 einen Querschnitt durch die in1 gezeigte Vorrichtung.
-
1 a perspective view of a device according to the invention for distributing the laser beam; -
2 a cross section through the in1 shown device.
Eine erste erfindungsgemäße Variante einer Vorrichtung
Mittels der Vorrichtung
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Laserstrahllaser beam
- 33
- LaserkopfLaser head
- 44th
- KühlmitteleinlassCoolant inlet
- 55
- optisches Element optical element
- 66th
- optische Achseoptical axis
- 77th
- UmlenkelementDeflection element
- 88th
- StrahlachseBeam axis
- 99
- Einkoppelfläche Coupling surface
- I - VI - V
- Anschlussconnection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 8995038 B1 [0004]US 8995038 B1 [0004]
- WO 2014/200581 A2 [0005]WO 2014/200581 A2 [0005]
- DE 19622413 A1 [0006]DE 19622413 A1 [0006]
- DE 4317384 A1 [0007]DE 4317384 A1 [0007]
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2019
- 2019-10-16 DE DE102019127979.8A patent/DE102019127979A1/en not_active Ceased
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Legal Events
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