DE102020000741A1 - Device for the rapid modulation or switching of laser radiation from a laser with high power - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung eines Lasers mit hoher Leistung. Die Vorrichtungen zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung eines Lasers mit hoher Leistung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass durch große Modulationsfrequenzen oder kurze Schaltzeiten eine hohe Ortsauflösung während der Relativbewegung zwischen Laserstrahlung und Werkstückoberfläche gegeben ist. Dazu sind im Strahlengang der Laserstrahlung wenigstens zwei Doppel-AOMs und eine Strahlfalle zur Absorption von Laserstrahlung höherer als der 0. Ordnung angeordnet, wobei AOM für akustooptischer Modulator steht. Jeder der Doppel-AOMs weist jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgende und um 90° verdreht zueinander angeordnete akustooptisch aktive Kristalle auf. Weiterhin sind die Ultraschallsender der Doppel-AOMs mit einer Steuereinrichtung zum Modulieren oder zum Schalten der Laserstrahlung verbunden.The invention relates to devices for rapidly modulating or switching laser radiation from a laser with high power. The devices for rapid modulation or switching of laser radiation from a laser with high power are particularly distinguished by the fact that high modulation frequencies or short switching times provide high spatial resolution during the relative movement between the laser radiation and the workpiece surface. For this purpose, at least two double AOMs and a beam trap for absorbing laser radiation higher than the 0th order are arranged in the beam path of the laser radiation, AOM standing for acousto-optical modulator. Each of the double AOMs has two acousto-optically active crystals arranged directly one after the other and rotated by 90 ° to one another. Furthermore, the ultrasonic transmitters of the double AOMs are connected to a control device for modulating or switching the laser radiation.
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung eines Lasers mit hoher Leistung.The invention relates to devices for rapidly modulating or switching laser radiation from a laser with high power.
Die externe Leistungsmodulation von Laserstrahlung mittels eines akustooptischen Modulators (AOM) ist für viele Lasereinrichtungen, insbesondere im Ultrakurzpulsbereich, allgemein bekannt. Zur Strahlschaltung oder Strahlmodulation wird dabei die erste Beugungsordnung eines AOMs genutzt, was allerdings voraussetzt, dass die emittierte Laserstrahlung linear polarisiert sein muss. Für zufällig polarisierte oder unpolarisierte Laserstrahlung ist das nicht praktikabel. Daher wird die Ausgangsleistung von zufällig polarisierten oder unpolarisierten Laserquellen, insbesondere im Hochleistungsbereich, über die Modulation des Pumpdiodenstroms geregelt. Dabei ist die Modulationsfrequenz in der Regel auf etwa 5 kHz begrenzt.The external power modulation of laser radiation by means of an acousto-optical modulator (AOM) is generally known for many laser devices, in particular in the ultra-short pulse range. The first diffraction order of an AOM is used for beam switching or beam modulation, which, however, presupposes that the emitted laser radiation must be linearly polarized. This is not practical for randomly polarized or unpolarized laser radiation. Therefore, the output power of randomly polarized or unpolarized laser sources, especially in the high-power range, is regulated by modulating the pump diode current. The modulation frequency is usually limited to about 5 kHz.
Durch die Druckschrift
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Laserstrahlung eines Lasers hoher Leistung schnell zu modulieren oder zu schalten.The invention specified in claim 1 is based on the object of rapidly modulating or switching laser radiation from a high-power laser.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in claim 1.
Die Vorrichtungen zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung eines Lasers mit hoher Leistung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass durch große Modulationsfrequenzen oder kurze Schaltzeiten eine hohe Ortsauflösung während der Relativbewegung zwischen Laserstrahlung und Werkstückoberfläche gegeben ist.The devices for rapid modulation or switching of laser radiation from a laser with high power are particularly distinguished by the fact that high modulation frequencies or short switching times provide high spatial resolution during the relative movement between the laser radiation and the workpiece surface.
Dazu sind im Strahlengang der Laserstrahlung wenigstens zwei Doppel-AOMs und eine Strahlfalle zur Absorption von Laserstrahlung höherer als der 0. Ordnung angeordnet, wobei AOM für akustooptischer Modulator steht. Jeder der Doppel-AOMs weist jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgende und um 90° verdreht zueinander angeordnete akustooptisch aktive Kristalle auf. Weiterhin sind die Ultraschallsender der Doppel-AOMs mit einer Steuereinrichtung zum Modulieren oder zum Schalten der Laserstrahlung verbunden.For this purpose, at least two double AOMs and a beam trap for absorbing laser radiation higher than the 0th order are arranged in the beam path of the laser radiation, AOM standing for acousto-optical modulator. Each of the double AOMs has two acousto-optically active crystals arranged directly one after the other and rotated by 90 ° to one another. Furthermore, the ultrasonic transmitters of the double AOMs are connected to a control device for modulating or switching the laser radiation.
Zum Erzeugen von Strukturen und Mikrostrukturen wird bei der Hochrate-Laserbearbeitung Laserstrahlung hoher Leistung mit großer Geschwindigkeit größer 10 m/s bis mehrere 100 m/s über die Werkstückoberfläche gescannt. Dort wo die Laserstrahlung mit ausreichender Intensität (Leistung pro Fläche) auf die Oberfläche trifft, wird das Material, beispielsweise durch Verdampfen, definiert abgetragen. Um eine hohe Ortsauflösung zu erreichen, ist die Laserstrahlung während der kontinuierlichen Bewegung sehr schnell zu modulieren oder zu schalten. Dabei gilt, je höher die Modulationsfrequenz oder je kürzer die Schaltzeit desto besser ist die mögliche Ortsauflösung. Um die Laserstrahlung schnell und bei hoher Leistung modulieren oder schalten zu können, wird vorteilhafterweise die Vorrichtung zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung eines Lasers mit hoher Leistung zwischen dem Laserausgang der Laserquelle und einem Bearbeitungskopf integriert. Diese Vorrichtung besteht aus mindestens zwei unmittelbar aufeinander folgenden Doppel-AOMs. Ein Doppel-AOM besteht jeweils aus zwei unmittelbar aufeinander folgenden, um 90° verdreht zueinander angeordneten akustooptisch aktiven Kristallen. Wird an den AOMs ein hochfrequentes Signal angelegt, werden durch die Anregung von Piezokristallen Dichtewellen in den einzelnen AOM-Kristallen induziert. Die Laserstrahlung durchläuft diese Kristalle und wird durch die induzierten Dichtewellen in höhere Ordnungen gebeugt. Wird das Hochfrequenzsignal abgeschaltet erfolgt keine Beugung und die Laserstrahlung kann die AOM-Kristalle ohne Störung durchlaufen (0. Ordnung). Mit Hilfe der nachgeordneten Strahlfalle werden die 0. Ordnung und die höheren Ordnungen der Laserstrahlung nach den AOMs getrennt. Dabei durchläuft die 0. Ordnung der Laserstrahlung die Strahlfalle ohne Verluste, während die höheren Ordnungen von der Strahlfalle absorbiert werden. Das Verhältnis von Laserstrahlung in der 0. Ordnung zu den höheren Ordnungen ist durch die Anpassung der Amplitude des angelegten Hochfrequenzsignals stufenlos und vor allem sehr schnell einstellbar.To create structures and microstructures, high-power laser radiation is scanned over the workpiece surface at high speeds of more than 10 m / s to several 100 m / s in high-rate laser processing. Where the laser radiation hits the surface with sufficient intensity (power per area), the material is ablated in a defined manner, for example by evaporation. In order to achieve a high spatial resolution, the laser radiation has to be modulated or switched very quickly during the continuous movement. The higher the modulation frequency or the shorter the switching time, the better the possible spatial resolution. In order to be able to modulate or switch the laser radiation quickly and at high power, the device for rapid modulation or switching of laser radiation from a laser with high power is advantageously integrated between the laser output of the laser source and a processing head. This device consists of at least two immediately consecutive double AOMs. A double AOM consists of two acousto-optically active crystals that follow one another and are rotated by 90 °. If a high-frequency signal is applied to the AOMs, the excitation of piezo crystals induces density waves in the individual AOM crystals. The laser radiation passes through these crystals and is bent into higher orders by the induced density waves. If the high-frequency signal is switched off, there is no diffraction and the laser radiation can pass through the AOM crystals without interference (0th order). With the help of the downstream beam trap, the 0th order and the higher orders of the laser radiation are separated according to the AOMs. The 0th order of the laser radiation passes through the beam trap without losses, while the higher orders are absorbed by the beam trap. The ratio of laser radiation in the 0th order to the higher orders can be adjusted continuously and, above all, very quickly by adjusting the amplitude of the applied high-frequency signal.
Die Ultraschallsender der Doppel-AOMs können beispielsweise Piezokristalle sein.The ultrasonic transmitters of the double AOMs can be piezo crystals, for example.
Die Öffnung am Ausgang der Strahlfalle ist in ihren Abmessungen begrenzt, so dass Rückreflexionen vom Bearbeitungsprozess in die Laserquelle reduziert sind. Damit ist eine hohe Prozessstabilität bei der Bearbeitung eines Werkstücks gegeben.The opening at the exit of the beam trap is limited in its dimensions, so that back reflections from the machining process into the laser source are reduced. This ensures a high level of process stability when machining a workpiece.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in
Die Doppel-AOMs sind in einer Ausführungsform mit einem Winkel von 45° verdreht zueinander angeordnet. Damit ist die Effizienz der Strahlschaltung insbesondere für unpolarisierte oder zufällig polarisierte Laserstrahlung erhöht.In one embodiment, the double AOMs are arranged rotated to one another at an angle of 45 °. So that the efficiency of the Beam switching increased in particular for unpolarized or randomly polarized laser radiation.
Die Strahlfalle besitzt in einer Ausführungsform einen optischen Kanal, dessen hyperbolischer Verlauf der Laserstrahlung 0. Ordnung gleich ist oder ähnelt. Dadurch erfolgt die Absorption der höheren Ordnungen kontinuierlich entlang der inneren Wandung der Strahlfalle. Darüber hinaus ist durch den hyperbolischen Verlauf des optischen Kanals der Strahlfalle die Rückstreuung der Laserstrahlung in die Umgebung und insbesondere in Richtung der Laserquelle minimiert oder vollständig verhindert. Damit ist vorteilhafterweise die Prozesssicherheit und die Maschinensicherheit gewährleistet.In one embodiment, the beam trap has an optical channel whose hyperbolic course is the same or similar to the 0th order laser radiation. As a result, the higher orders are absorbed continuously along the inner wall of the beam trap. In addition, the backscattering of the laser radiation into the surroundings and in particular in the direction of the laser source is minimized or completely prevented by the hyperbolic course of the optical channel of the beam trap. This advantageously ensures process reliability and machine safety.
Die Strahlfalle besitzt optional einen optischen Kanal mit einer Metallwand. Weiterhin ist der optische Kanal von einem Kühlkanal für ein fließfähiges Medium umgeben. Mit einer derartigen Anordnung ist eine effektive Kühlung der Strahlfalle gegeben. Die Absorption der großen Laserleistung ist über einen dauerhaften Zeitbereich gewährleistet.The beam trap optionally has an optical channel with a metal wall. Furthermore, the optical channel is surrounded by a cooling channel for a flowable medium. Such an arrangement provides effective cooling of the jet trap. The absorption of the large laser power is guaranteed over a long period of time.
Im Strahlengang der Laserstrahlung ist optional zwischen den Doppel-AOMs und der Strahlfalle eine Fourieroptik angeordnet. Mit der Fourieroptik erfolgt eine Fourier-Filterung der entstandenen Beugungsordnungen. Diese optische Fourier-Transformation verkürzt den Weg, der zur geometrischen Auftrennung der einzelnen Ordnungen notwendig ist. Insbesondere für relativ große Laserstrahldurchmesser im Bereich einiger Millimeter, welche bei großen Laserleistungen im kW-Bereich notwendig sind, beträgt der Weg ohne Fourier-Transformation mehrere Meter. Mit einer Fourier-Transformation ist dieser Weg auf deutlich unter einem Meter reduzierbar.In the beam path of the laser radiation, Fourier optics are optionally arranged between the double AOMs and the beam trap. The Fourier optics are used to Fourier filter the diffraction orders that have arisen. This optical Fourier transformation shortens the path that is necessary for the geometric separation of the individual orders. In particular for relatively large laser beam diameters in the range of a few millimeters, which are necessary for large laser powers in the kW range, the path without Fourier transformation is several meters. With a Fourier transformation, this distance can be reduced to well under one meter.
Im Strahlengang der Laserstrahlung ist optional nach der Strahlfalle eine Fourieroptik angeordnet. Durch den Einsatz einer Fourieroptik hinter der Strahlfalle wird die divergente Laserstrahlung kollimiert.Fourier optics are optionally arranged in the beam path of the laser radiation after the beam trap. The use of Fourier optics behind the beam trap collimates the divergent laser radiation.
Im Strahlengang der Laserstrahlung sind optinal zwischen den Doppel-AOMs und zwischen den Doppel-AOMs und der Strahlfalle jeweils eine Fourieroptik angeordnet. Mit den Fourieroptiken zwischen den Doppel-AOMs erfolgt eine Fourier-Filterung der entstandenen Beugungsordnungen. Diese optische Fourier-Transformation verkürzt den Weg, der zur geometrischen Auftrennung der einzelnen Ordnungen notwendig ist. Insbesondere für relativ große Laserstrahldurchmesser im Bereich einiger Millimeter, welche bei großen Laserleistungen im kW-Bereich notwendig sind, beträgt der Weg ohne Fourier-Transformation mehrere Meter. Mit einer Fourier-Transformation ist dieser Weg auf unter einem Meter reduzierbar. Durch den Einsatz einer weiteren Fourieroptik hinter der Strahlfalle wird die divergente Laserstrahlung wieder kollimiert.Fourier optics are optionally arranged in the beam path of the laser radiation between the double AOMs and between the double AOMs and the beam trap. With the Fourier optics between the double AOMs, Fourier filtering of the diffraction orders is carried out. This optical Fourier transformation shortens the path that is necessary for the geometric separation of the individual orders. In particular for relatively large laser beam diameters in the range of a few millimeters, which are necessary for large laser powers in the kW range, the path without Fourier transformation is several meters. With a Fourier transformation, this distance can be reduced to less than one meter. By using another Fourier optics behind the beam trap, the divergent laser radiation is collimated again.
Eine Fourieroptik kann eine Einzellinse oder eine Einrichtung mit mehreren Linsen sein.Fourier optics can be a single lens or a device with multiple lenses.
Die Fourieroptik nach der Strahlfalle ist in einer Ausführungsform so ausgebildet, dass die Brennweite und/oder die Position in Bezug zur Strahlfalle zur Einstellung des Durchmessers der Laserstrahlung einstellbar ist.In one embodiment, the Fourier optics after the beam trap are designed in such a way that the focal length and / or the position in relation to the beam trap can be adjusted in order to adjust the diameter of the laser radiation.
Die Vorrichtung zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung hoher Leistung ist in einer Ausführung im Strahlengang einer Lasereinrichtung zur Hochrate-Laserbearbeitung von Werkstücken angeordnet, wobei sich diese zwischen dem Laser und einem Bearbeitungskopf befindet.In one embodiment, the device for rapidly modulating or switching high-power laser radiation is arranged in the beam path of a laser device for high-rate laser machining of workpieces, this being located between the laser and a machining head.
Der Bearbeitungskopf kann eine Fokussieroptik und/oder eine Scanvorrichtung aufweisen.The processing head can have focusing optics and / or a scanning device.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is shown in principle in the drawings and is described in more detail below.
Es zeigen:
-
1 eine Vorrichtung zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung eines Lasers mit hoher Leistung und -
2 eine Strahlfalle.
-
1 a device for rapidly modulating or switching laser radiation from a laser with high power and -
2 a ray trap.
Eine Vorrichtung zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung
Die
Der Laser
Die Doppel-AOMs
Die
Zur Absorption von Laserstrahlung
Im Strahlengang der Laserstrahlung
Die Vorrichtung zum schnellen Modulieren oder Schalten von Laserstrahlung
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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