DE102020112403B4

DE102020112403B4 - Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102020112403B4
Application number: DE102020112403.1A
Authority: DE
Inventors: David Blázquez Sánchez
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2040-05-08
Also published as: DE102020112403A1; CN115867408A; WO2021224367A1

Abstract

Laserbearbeitungsvorrichtung (1) zum Bearbeiten von Werkstücken (2) mittels eines Laserstrahls (3), umfassend:- einen Laserbearbeitungskopf (20) mit einem Gehäuse (201) und einem darin angeordneten Strahlengang (31) für den Laserstrahl (3),- mindestens ein erstes im Strahlengang (31) angeordnetes optisches Element (10a), wobei das erste optische Element (10a) als ein bewegliches optisches Element und/oder ein optisches Element mit negativer Brennweite und/oder ein abdichtendes optisches Element ausgebildet ist, und- mindestens ein dem ersten optischen Element (10a) im Strahlengang (31) nachgeordnetes transmissives zweites optisches Element (10b),dadurch gekennzeichnet, dassdas erste optische Element (10a) und/oder das zweite optische Element (10b) mindestens eine Oberfläche (101a) mit antireflektiver Struktur (102) zur Reduktion von Rückreflexen (104a, 104b) aufweist,wobei das optische Element (10, 10a, 10b, 10c) mit der antireflektiven Struktur (102) ein Substrat (101) aufweist, das aus Quarzglas, Saphir, Zinksulfid oder Kalziumfluorid besteht oder zumindest eines dieser Materialien umfasst, undwobei die antireflektive Struktur (102) aus demselben Material wie das Substrat (101) besteht und direkt auf dem Substrat (101) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, und insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit mindestens einem optischen Element, das mindestens eine Oberfläche mit antireflektiver Struktur aufweist.
Hintergrund und Stand der Technik
In einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere metallischen Werkstücken, mittels eines Laserstrahls, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl, auch „Bearbeitungslaserstrahl“ genannt, mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik, die beispielsweise in einem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein können, auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt, welches das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur erhitzt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, Laserschweißen, Laserlöten und/oder Laserauftragsschweißen umfassen. Der Laserbearbeitungskopf, auch kurz „Bearbeitungskopf“ genannt, kann weitere optische Elemente, beispielsweise Schutzgläser, Spiegel, Strahlteiler, Kollimationsoptiken usw. zur Strahlführung bzw. -formung umfassen.
Eine wesentliche Herausforderung bei Laserbearbeitungsvorrichtungen ist die Erwärmung bzw. Temperaturerhöhung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon durch optische Verluste. Der Laserstrahl, der auf ein optisches Element der Laserbearbeitungsvorrichtung trifft, wird entweder reflektiert, transmittiert, d.h. durchgelassen, absorbiert oder gestreut. Absorption und Streuung stellen bei allen optischen Elementen optische Verluste dar, weil die absorbierten und gestreuten Teile der Strahlungsleistung des auftreffenden Laserstrahls nicht mehr für den Laserprozess zur Verfügung steht. Die genannten optischen Verluste werden sowohl durch Substrate als auch durch optische Beschichtungen der optischen Elemente hervorgerufen. Abhängig von der Art des optischen Elements ist zudem entweder der reflektierte Teil oder der transmittierte Teil der auftreffenden Strahlungsleistung ein optischer Verlust. Beispielsweise ist für eine Linse der reflektierte Teil der Strahlungsleistung eines auftreffenden Laserstrahls ein optischer Verlust, während für einen Spiegel der transmittierte Teil der Strahlungsleistung eines auftreffenden Laserstrahls ein optischer Verlust ist.
Der vom jeweiligen optischen Element absorbierte Teil der Strahlungsleistung wird vom optischen Element in Wärmeleistung umgewandelt, d.h. das optische Element erwärmt sich. Ebenso führen unerwünschte Rückreflexionen von dem optischen Element in einen Bereich außerhalb eines vorgesehenen Strahlengangs des Laserstrahls, auch als „unkontrollierte Rückreflexe“ oder „unkontrollierte Strahlung“ bezeichnet, zu einer Erwärmung des optischen Elements selbst oder von anderen Teilen der Laserbearbeitungsvorrichtung, auf die diese Rückreflexe treffen. Aufgrund von Wärmeübertragung durch Konduktion, Strahlung und Konvektion können die optischen Verluste bzw. die Erwärmung zudem auf andere Teil der Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere andere optische Elemente, ein Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes, einschließlich darin befindlichen Steuereinheiten, beispielsweise Steuerplatinen, und weitere Elemente, beispielsweise sogenannte „mechanische Komponenten“, wie Dichtungselemente und Haltevorrichtungen für optische Elemente, insbesondere Linsenhalter, übertragen werden, sodass sich auch diese Elemente erwärmen. Aus diesem Grund ist es oft notwendig, Laserbearbeitungsvorrichtungen, insbesondere Laserbearbeitungsköpfe, während eines Laserbearbeitungsprozesses aktiv zu kühlen, um die jeweilige Funktionalität sowie die Prozessstabilität zu gewährleisten und eine Beschädigung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon zu verhindern. Darüber hinaus müssen die optischen Elemente mit Bezug auf die Fokusposition des Laserstrahls eine hohe Stabilität aufweisen. Die Erwärmung der optischen Elemente führt zu einer Veränderung deren Brennweite. Zudem führt die Restabsorption der Substrate und der Beschichtungen der optischen Elemente zu einer ungleichmäßigen Erwärmung der optischen Elemente und zum Auftreten von thermischen Spannungen, insbesondere bei refraktiven optischen Komponenten wie Linsen. Dadurch wird eine sogenannte „thermische Drift“ der Fokusposition des Laserstrahls, auch „Fokusshift“ genannt, hervorgerufen, die sich negativ auf den Bearbeitungsprozess auswirken kann. Um dies auszugleichen muss der Laserbearbeitungsprozess entsprechend nachgeregelt werden. Beispielsweise kann sich der Fokusshift bei einem Laserschneidprozess negativ auf eine maximal mögliche Schnittgeschwindigkeit, eine Schnittqualität sowie Toleranzen bei Betriebsparametern des Laserschneidprozess auswirken.
Diese Probleme werden durch die immer weiter steigende Laserleistung, die für die Lasermaterialbearbeitung eingesetzt wird, verstärkt. Insbesondere steigen dadurch auch die Anforderungen an fasergeführte Systeme, um die hohe Laserleistung zu erhalten.
Um die vorstehend genannten Probleme, d.h. die optischen Verluste und die dadurch bedingte Erwärmung zu vermeiden, werden typischerweise optische Beschichtungen auf den bei der Lasermaterialbearbeitung verwendeten optischen Elementen aufgebracht. Der Zweck optischer Beschichtungen ist es, die Reflexionseigenschaften von optischen Elementen bzw. deren Oberflächen zu beeinflussen bzw. zu verändern. Abhängig von den für die optischen Beschichtungen verwendeten Materialien kann man zwischen metallischen und dielektrischen optischen Beschichtungen unterscheiden. Dielektrische Beschichtungen, auch „Dünnfilmschichten“ oder „Interferenzschichten“ genannt, bestehen aus einer oder mehreren dünnen Schichten von transparenten dielektrischen Materialien, die auf ein Substrat des optischen Elements aufgebracht werden. Durch Interferenz zwischen an verschiedenen Schichten reflektierten Strahlen kann die Reflexionseigenschaft der Oberfläche des optischen Elements modifiziert werden.
Aufgrund der immer weiter steigenden Laserleistungen sind optische Beschichtungen mit immer kleineren optischen Verlusten erforderlich. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der für die Lasermaterialbearbeitung verwendeten Lasertypen zu. Neben den aufgrund ihrer Prozesstreue für die Lasermaterialbearbeitung dominierenden Faserlasern (Wellenlänge zwischen 1070 nm und 1090 nm) und Scheibenlasern (Wellenlänge ca. 1030 nm) ist der (Direkt)-Diodenlaser (Wellenlänge zwischen 900 nm und 1100 nm) eine der jüngsten Entwicklungen, welcher insbesondere beim Laserschweißen von eisenhaltigen Materialien, beispielsweise Stahl, breite Anwendung findet. Ein weiterer Trend sind Laseranwendungen mit grünen oder blauen Lasern für die massiv wachsende Nachfrage für das Laserschweißen von Kupfer und Aluminium, da blaues (400nm bis 500 nm) und grünes (500 nm bis ca. 550 nm, insbesondere 515 nm) Laserlicht von Kupfer und Aluminium effizienter absorbiert wird als Infrarotstrahlung von ca. 1 µm, die von den oben genannten Faserlasern und Scheibenlaser erzeugt wird. Für eine Vielzahl von Anwendungen bei der Nichtmetallbearbeitung werden zunehmend sogenannte Mid-IR Laser, d.h. Laser mit einer Wellenlänge von ungefähr 1 µm bis ungefähr 5 µm, verwendet.
Aufgrund der zunehmenden Anzahl von verwendeten Lasertypen besteht zudem die Notwendigkeit, die optischen Beschichtungen an mehrere Wellenlängen bzw. an breite Wellenlängenbereiche anzupassen bzw. dahingehend zu optimieren. Die optischen Beschichtungen werden dadurch immer dicker und komplexer, insbesondere mit Bezug auf Fertigungstoleranzen, was sich negativ auf die Herstellungskosten (insbesondere Lagerkosten, Beschaffungspreise, etc.), -zeiten, und -komplexität von Laserbearbeitungsvorrichtungen, insbesondere von Laserbearbeitungsköpfen und auf die durch die optischen Beschichtungen hervorgerufenen optischen Verluste, auswirkt.
US 8,187,481 B1 offenbart ein Verfahren zum Unterdrücken von Reflexionen von optischen Elementen. Dabei werden Dünnschicht-Antireflexions-Beschichtungen durch vorgegebene Oberflächenstrukturen ersetzt, um eine Amplitude, Phase und/oder Polarisation von auftreffender Strahlung zu beeinflussen.
DE 10 2016 211 811 A1 offenbart eine Scannervorrichtung zum Laserschweißen oder Laserschneiden mit einem F-Theta-Objektiv. Das F-Theta-Objektiv weist entlang der optischen Achse vier aufeinanderfolgende Linsen auf. Die erste Linse hat eine negative Brennweite. Die vier Linsen sind jeweils aus synthetischem Quarzglas gebildet. Auf die vierte Linse folgt ein planparalleles Schutzglas. Auf den Linsenflächen der vier Linsen sowie auf den beiden Seiten des planparallelen Schutzglases ist jeweils eine Antireflex-Beschichtung aufgebracht.
DE 10 2009 046 485 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Laserschweißen. Eine Laserschweißanordnung weist eine Kollimatorlinsenanordnung und eine Fokussierlinsenanordnung auf, die jeweils aus einer Linse bestehen können. Die Linsen können eine Antireflexbeschichtung aufweisen.
US 2011 / 0 248 005 A1 offenbart eine Laserschneidvorrichtung. Ein optisches Element ist in einem Laserschneidkopf angeordnet. Das optische Element ist ein transmissives optisches Element und kann beispielsweise aus Silizium, ZnS, ZnSe oder Quarz gebildet sein. Die zwei Oberflächen den optischen Elements können mit einer AntireflexionsSchicht beschichtet sein.
US 2016 / 0 368 091 A1 offenbart einen Laserschweißkopf umfassend eine Kollimierlinse und eine Fokussierlinse, die beide als plankonvexe Linse aus synthetischem Quarzglas hergestellt sind, welche mit einer Antireflexionsschicht beschichtet ist.
US 2010 / 0 302 642 A1 offenbart ein optisches Element mit einem transparenten Substrat und einer antireflektiven Struktur auf einer Oberfläche des Substrats.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, die optische Verluste von optischen Elementen der Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere optische Verluste aufgrund von Absorption und Reflexion, verringert. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, bei der die optischen Verluste von optischen Elementen für mindestens eine vorgegebene Wellenlänge und/oder für mindestens einen vorgegebenen Wellenlängenbereich von auftreffender Strahlung minimiert sind. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, die eine quasi verlustfreie Laserbearbeitung in einem großen Wellenlängenbereich bzw. mit einer großen Anzahl von Lasertypen ermöglicht.
Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, die eine Erwärmung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon verhindert. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, bei der eine Verschiebung der Fokusposition eines Laserstrahls aufgrund der Erwärmung verhindert wird. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, die Prozessstörungen aufgrund der Erwärmung vermeidet und eine Prozessstabilität verbessert.
Diese und weitere Aufgaben werden durch den Gegenstand des abhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung beruht auf dem Gedanken, optische Elemente einer Laserbearbeitungsvorrichtung so anzupassen, dass die optischen Elemente, die für optische Verluste in der Laserbearbeitungsvorrichtung besonders relevant sind, mit einer antireflektiven Oberflächenstruktur versehen sind.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls angegeben, insbesondere zum Laserschneiden, Laserschweißen, Laserlöten und/oder Laserauftragsschweißen, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst: einen Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse und einem darin angeordneten Strahlengang für den Laserstrahl, mindestens ein erstes im Strahlengang angeordnetes optisches Element, wobei das erste optische Element ein bewegliches optisches Element und/oder ein optisches Element mit negativer Brennweite und/oder ein abdichtendes optisches Element ist, und mindestens ein dem ersten optischen Element im Strahlengang nachgeordnetes transmissives zweites optisches Element, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element und/oder das zweite optische Element mindestens eine Oberfläche mit antireflektiver Struktur zur Reduktion von Rückreflexen aufweist.
„Im Strahlengang nachgeordnet“ bzw. „im Strahlengang nach“ bedeutet in dieser Offenbarung, dass ein optisches Element im Strahlengang des Laserstrahls in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls hinter bzw. nachfolgend einem anderen optischen Element angeordnet ist. Entsprechend bedeutet „im Strahlengang vor“, dass ein optisches Element im Strahlengang des Laserstrahls in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, d.h. in Laserstrahlpropagationsrichtung, vor einem anderen optischen Element angeordnet ist.
Als „Rückreflex“ ist in dieser Offenbarung der von einem optischen Element, insbesondere von einem transmissiven optischen Element, reflektierte Teil bzw. Teilstrahl eines auftreffenden Strahls bezeichnet. Der Strahl kann insbesondere der in der Laserbearbeitungsvorrichtung zur Materialbearbeitung eingesetzte Laserstrahl sein.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst also einen Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse. Ein Strahlengang des Laserstrahls kann durch in dem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes angeordnete optische Elemente bestimmt bzw. festgelegt sein. Das Gehäuse umfasst also den Strahlengang für den zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahl. Der Laserstrahl verläuft also kontrolliert entlang des im Gehäuse festgelegten Strahlengangs. Die Rückreflexe des Laserstrahls hingegen verlaufen nicht entlang des Strahlengangs des Laserstrahls. Mit anderen Worten treffen die Rückreflexe unkontrolliert bzw. unvorhersehbar auf Bereiche des Laserbearbeitungskopfs innerhalb des Gehäuses. Diese unkontrollierten Rückreflexe können aufgrund von Absorption zu einer Erwärmung bzw. Zerstörung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon, insbesondere des Gehäuses selbst, von Dichtungselementen und/oder von optischen Elementen führen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst ferner mindestens ein erstes optisches Element, welches im Strahlengang angeordnet ist und mindestens ein zweites optisches Element, welches in Laserstrahlpropagationsrichtung nach dem ersten optischen Element angeordnet ist. Das mindestens zweite optische Element ist ein transmissives optisches Element. Mit anderen Worten durchläuft der Laserstrahl zunächst das erste optische Element und anschließend das zweite optische Element, d.h. der Laserstrahl trifft zunächst auf das erste optische Element und dann das zweite optische Element auf.
Das erste optische Element und/oder das zweite optische Element weisen mindestens eine Oberfläche mit antireflektiver Struktur zur Reduktion bzw. zur Verhinderung von Rückreflexen auf. Bei der mindestens einen Oberfläche kann es sich um die Oberfläche des optischen Elements handeln, auf der der Laserstrahl auftrifft bzw. durch die der Laserstrahl in das optische Element eintritt, im Folgenden auch Oberfläche des optischen Elements auf der Laserstrahleinfallsseite genannt, oder um die Oberfläche handeln, durch die der Laserstrahl austritt bzw. das jeweilige optische Element beim Durchtritt verlässt, im Folgenden auch Oberfläche des optischen Elements auf der Laserstrahlaustrittsseite genannt. Das erste optische Element und/oder das zweite optische Element kann vorzugsweise zwei Oberflächen mit antireflektiver Struktur aufweisen, die sich entlang der optischen Achse gegenüberliegen. Insbesondere kann eine Oberfläche des zweiten optischen Elements mit der antireflektiven Struktur dem ersten optischen Element gegenüberliegen oder zugewendet sein. Abhängig von einem Strahleinfallswinkel des Laserstrahls auf die optischen Elemente und von einer Geometrie der optischen Elemente, insbesondere von einem Krümmungsradius, können eine oder beide der Oberflächen der optischen Elemente mit der antireflektiven Struktur versehen sein.
Im Fall, dass das erste optische Element ein relativ zum Gehäuse bewegliches optisches Element ist, ist üblicherweise eine Wärmeleitfähigkeit zwischen dem optischen Element und einem Gehäuse der Laserbearbeitungsvorrichtung niedriger als bei bezüglich des Gehäuses stationären bzw. fest montierten optischen Elementen. Insbesondere kann eine Wärmeleitfähigkeit einer Haltevorrichtung des ersten optischen Elements niedrig sein, da die Haltevorrichtung so ausgebildet sein muss, dass sie eine Bewegung des ersten optischen Elements bezüglich des Gehäuses ermöglicht. Ferner ist die Haltevorrichtung üblicherweise so ausgelegt, dass eine Reibung bei der Bewegung des optischen Elements minimiert ist. Dies bedingt üblicherweise, dass Kontaktflächen bzw. -punkte zwischen dem Gehäuse und der Haltevorrichtung bzw. zwischen stationären Teilen der Haltevorrichtung und beweglichen Teilen der Haltevorrichtung minimiert werden, was gleichzeitig dazu führt, dass eine Wärmeleitung bzw. eine Wärmeleitfähigkeit der Haltevorrichtung abnimmt. Dadurch kann es zu einem Wärmestau beim optischen Element kommen, da die Wärme nicht abfließen kann. In diesem Fall kann durch eine antireflektive Struktur auf dem zweiten optischen Element beispielsweise erreicht werden, dass Rückreflexe am zweiten optischen Element, die auf das erste optische Element und/oder auf eine Haltevorrichtung des ersten optischen Elements treffen können, verringert werden. Vorzugsweise weist hierfür das zweite optische Element auf der dem ersten optischen Element zugewendeten Oberfläche eine antireflektive Struktur auf. Andererseits kann durch eine antireflektive Struktur auf dem ersten optischen Element erreicht werden, dass Rückreflexe am ersten optischen Element, die auf das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs und/oder auf eine Haltevorrichtung des ersten optischen Elements treffen können, verringert werden. Vorzugsweise weist hierfür das erste optische Element auf seiner Oberfläche auf der Laserstrahleinfallsseite bzw. auf seiner vom zweiten optischen Element abgewandten Oberfläche eine antireflektive Struktur auf. Dadurch kann eine unerwünschte Erwärmung von Teilen der Laserbearbeitungsvorrichtung durch Rückreflexe und optische Verluste verringert werden.
Im Fall, dass das erste optische Element ein optisches Element mit negativer Brennweite ist, können Rückreflexe des Laserstrahls vom ersten optischen Element divergent verlaufen und/oder Rückreflexe des Laserstrahls vom zweiten optischen Element können bei Durchtritt (entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls) durch das erste optische Element gestreut werden bzw. divergent verlaufen. Die Rückreflexe können dann beispielsweise auf das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes und/oder eine Haltevorrichtung des ersten optischen Elements treffen und zu einer ungewollten bzw. übermäßigen Erwärmung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon, insbesondere des Laserbearbeitungskopfes, dem Gehäuse oder anderen optischen Elementen, führen. Durch die mindestens eine Oberfläche mit der antireflektiven Struktur des ersten optischen Elements können unerwünschte Rückreflexe am ersten optischen Element reduziert bzw. verhindert werden. Vorzugsweise weist hierfür das erste optische Element auf seiner Oberfläche auf der Laserstrahleintrittsseite bzw. auf seiner vom zweiten optischen Element abgewandten Oberfläche eine antireflektive Struktur auf. Ferner können durch die mindestens eine Oberfläche mit der antireflektiven Struktur des zweiten optischen Elements unerwünschte Rückreflexe, die dann vom ersten optischen Element gestreut werden können, reduziert bzw. verhindert werden. Vorzugsweise weist hierfür das zweite optische Element auf der dem ersten optischen Element zugewendeten Oberfläche eine antireflektive Struktur auf.
Das optische Element mit negativer Brennweite kann eine Streuungslinse, auch „Streulinse“ oder „Zerstreuungslinse“ genannt, sein oder umfassen.
In manchen Fällen haben optische Elemente einer Laserbearbeitungsvorrichtung nicht nur eine optische Funktion, insbesondere eine Strahlführungs- und/oder Strahlformungsfunktion. Optische Elemente können ferner eine Dichtungsfunktion aufweisen. Beispielsweise können die optischen Elemente mit Dichtungsfunktion ein Inneres des Laserbearbeitungskopfes, insbesondere einen Innenraum des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes, gegenüber der Umgebung des Laserbearbeitungskopfes abdichten. Hierdurch können Bereiche innerhalb des Laserbearbeitungskopfes oder des Gehäuses luftdicht, hermetisch, bzw. druckfest abgedichtet werden. Ein Beispiel hierfür sind im Fall von Laserschneidköpfen optische Elemente, insbesondere Schutzgläser oder Fenster, die Bereiche unterschiedlichen Drucks voneinander trennen. Die Ausbildung der Schnittfuge geschieht beim Laserstrahlschmelzschneiden durch Aufschmelzen des Werkstücks und Ausblasen der Schmelze mit einem inerten Gas. Typische Gasdrücke sind hierbei bis zu 20 bar. Dies macht druckfeste Schutzgläser oder Fenster bzw. Schutzgläser oder Fenster mit einer solchen Dichtungsfunktion notwendig. Optische Elemente mit Dichtfunktion werden im Folgenden als abdichtende optische Elemente bezeichnet.
Abdichtende optische Elemente können ferner dazu verwendet werden, um eine Reinheit innerhalb des Laserbearbeitungskopfes aufrechtzuerhalten. Mit Hilfe der abdichtenden optischen Elemente kann verhindert werden, dass Verschmutzungen wie Staub und Rauch in ein Inneres des Laserbearbeitungskopfes und insbesondere in einen Innenraum des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes eindringen und dort zu Beschädigungen von optischen Elementen führen.
Für abdichtende optische Elemente werden typischerweise Dichtungselemente, auch kurz „Dichtungen“ genannt, verwendet. In der Regel sind Dichtungen, insbesondere hermetische Dichtungen, aus weichen Materialien, z.B. Kunststoff, ausgebildet. Diese sind typischerweise sehr empfindlich gegenüber hohen Temperaturen und Strahlung, insbesondere Laserstrahlung. Unerwünschte bzw. unkontrollierte Rückreflexe der Laserstrahlung auf die Dichtungen können diese erhitzen und zum Schmelzen bringen. Eine Folge davon kann sein, dass die Dichtungsfunktion nicht mehr ausgeübt werden kann.
Das erste optische Element kann als ein derartiges abdichtendes optisches Element ausgebildet sein. Das Gehäuse kann zumindest eine Öffnung aufweisen, beispielsweise zum Eintritt und/oder zum Austritt des Laserstrahls und/oder von Prozessgas in bzw. aus dem Innenraum des Gehäuses. Die Öffnung kann auch eine Modulschnittstelle sein, an der zwei Module des Laserbearbeitungskopfs miteinander verbunden werden. Das Gehäuse kann ferner zumindest ein Dichtungselement aufweisen, wobei das abdichtende optische Element ausgebildet ist, um die Öffnung zusammen mit dem Dichtungselement luftdicht und/oder gegenüber Staub und/oder Rauch abzudichten. Insbesondere kann das Dichtungselement zwischen der Öffnung und dem ersten optischen Element angeordnet sein.
Das optische Element mit zumindest einer Oberfläche mit der antireflektiven Struktur weist ein Substrat auf, das aus Quarzglas, Saphir, Zinksulfid oder Kalziumfluorid besteht oder zumindest eines dieser Materialien umfasst, und kann insbesondere ein optisches Substrat aufweisen. Die antireflektive Struktur ist direkt auf dem Substrat des optischen Elements ausgebildet. Die antireflektive Struktur besteht aus demselben Material wie das Substrat. Die antireflektive Struktur kann insbesondere einstückig mit dem Substrat ausgebildet sein. Die antireflektive Struktur kann auch als „antireflektive Textur‟ bezeichnet werden. Die antireflektive Struktur kann so ausgebildet sein, um den reflektierten Teil der auftreffenden Strahlungsleistung zu reduzieren. Beispielsweise ist die antireflektive Struktur auf der Oberfläche des optischen Elements so ausgebildet, um Amplitude, Phase und/oder Polarisation des einfallenden Laserstrahls so zu ändern, dass Rückreflexe durch reduziert bzw. verhindert werden.
Besteht das Substrat aus Quarzglas, ist die Absorption bei optischen Beschichtungen durch die optische Beschichtung für gewöhnlich höher als die Absorption durch das Substrat. Im Vergleich zu optischen Beschichtungen kann daher der von der antireflektiven Struktur selbst absorbierte Teil der auftreffenden Strahlungsleistung reduziert werden, vorzugsweise sogar bis auf das Niveau der Absorption durch das Material des Substrats. Im Vergleich zu optischen Beschichtungen werden somit optische Verluste aufgrund von Absorption reduziert. Dadurch unterliegt das jeweilige optische Element selbst ebenfalls einer geringeren Erwärmung.
Das erste optische Element kann ein bewegliches optisches Element sein, das parallel und/oder senkrecht zu einer optischen Achse des ersten optischen Elements relativ zum Gehäuse verschiebbar ist. Mit anderen Worten kann das erste optische Element in einer Richtung parallel und/oder senkrecht zum Strahlengang und/oder zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beweglich sein. Das erste optische Element kann alternativ oder zusätzlich um eine optische Achse des ersten optischen Elements und/oder um eine Achse senkrecht zur optischen Achse des ersten optischen Elements drehbar bzw. schwenkbar oder kippbar sein. Das Bewegen des ersten optischen Elements senkrecht zur Ausbreitungsrichtung kann zum Zentrieren des optischen Elements in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und/oder zum Einstellen eines Auftreffpunkts des Laserstrahls auf einer Werkstückoberfläche dienen. Das Bewegen des ersten optischen Elements parallel zur Ausbreitungsrichtung kann zum Einstellen einer Fokuslage des Laserstrahls in Ausbreitungsrichtung dienen. Das erste optische Element kann insbesondere eine Kollimationsoptik, -linsengruppe oder -linse und/oder eine Fokussieroptik, -linsengruppe oder -linse umfassen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine Haltevorrichtung aufweisen, die das erste optische Element hält. Die Haltevorrichtung kann einen ersten Teil aufweisen, der das erste optische Element zumindest teilweise entlang eines Umfangs des ersten optischen Elements umgibt. Der erste Teil kann fest mit dem ersten optischen Element verbunden sein. Der erste Teil kann zusammen mit dem ersten optischen Element beweglich sein.
Die Haltevorrichtung kann einen zweiten Teil umfassen, der den ersten Teil, insbesondere einen Bereich des ersten Teils, mit dem Gehäuse verbindet. Der zweite Teil kann fest mit dem Gehäuse verbunden sein. Der zweite Teil kann unbeweglich relativ zum Gehäuse sein. Beispielsweise kann der erste Teil eine Linsenhalterung sein und der zweite Teil kann eine Führungsschiene sein. Der zweite Teil kann weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, oder weniger als 5%, eines Umfangs des ersten Teils in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des ersten optischen Elements ausmachen. Daher können eine Wärmeleitung zwischen dem ersten optischen Element zum Gehäuse relativ niedrig sein, was zu einem Wärmestau im Bereich des optischen Elements bzw. im Bereich des ersten Teils der Haltevorrichtung führen kann. Durch die Reduzierung von Rückreflexen mittels der antireflektiven Struktur kann der Wärmestau verringert bzw. vermieden werden.
Das erste optische Element kann zumindest eines von den folgenden Elementen umfassen: einen Spiegel, einen Umlenkspiegel, einen Galvanospiegel, ein transmissives optisches Element, ein Schutzglas, ein optisches Element mit zumindest einer Planfläche, ein optisches Element mit Brechkraft, eine Linse, eine plankonkave Linse, eine plankonvexe Linse, eine Linsengruppe, eine Fokussierlinse, eine Fokussieroptik, eine Fokussierlinsengruppe, eine Kollimationslinse, eine Kollimationsoptik, eine Kollimationslinsengruppe, eine Strahlformungsoptik, ein Zoom-Optik, ein afokales Teleskop, ein F-Theta-Objektiv, und ein telezentrisches Objektiv.
Das zweite optische Element kann zumindest eines von den folgenden Elementen umfassen: ein in einem divergenten und/oder konvergenten Bereich des Strahlengangs angeordnetes optisches Element, ein Schutzglas, ein optisches Element mit zumindest einer Planfläche, ein optisches Element mit Brechkraft, eine Linse, eine plankonkave Linse, eine plankonvexe Linse, eine Linsengruppe, eine Fokussierlinse, eine Fokussieroptik, eine Fokussierlinsengruppe, eine Kollimationslinse, eine Kollimationsoptik, eine Kollimationslinsengruppe, eine Strahlformungsoptik, ein Zoom-Optik, ein afokales Teleskop, ein F-Theta-Objektiv, und ein telezentrisches Objektiv.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann zumindest ein drittes optisches Element mit mindestens einer Oberfläche mit antireflektiver Struktur zur Reduktion von Rückreflexen umfassen. Das zumindest eine dritte optische Element kann ein Schutzglas umfassen oder sein.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann eine Lichtleitfaser zum Einführen des Laserstrahls in den Laserbearbeitungskopf bzw. in den Strahlengang des Gehäuses umfassen. Das dritte optische Element kann im Strahlengang in Laserstrahlpropagationsrichtung unmittelbar nach einem Faserende der Lichtleitfaser angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das dritte optische Element das der Lichtleitfaser am nächsten liegende optische Element bzw. das erste optische Element im Strahlengang sein.
Das dritte optische Element kann als letztes optisches Element im Strahlengang und/oder in einem Bereich einer Austrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes oder daran angrenzend angeordnet sein. Die Austrittsöffnung kann eine Öffnung zum Austreten des Laserstrahls und/oder von Prozessgas aus dem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes sein. Die Austrittsöffnung kann beispielsweise eine Düsenöffnung sein oder diese umfassen.
Das dritte optische Element kann in einem divergenten und/oder in einem konvergenten Bereich des Strahlengangs angeordnet sein. Das dritte optische Element kann also in einem nicht-kollimierten Bereich des Strahlengangs des Laserstrahls angeordnet sein.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann ferner eine Laserquelle zum Erzeugen des Laserstrahls umfassen. Die Laserquelle kann einen Scheibenlaser, Faserlaser und/oder Diodenlaser umfassen. Beispielsweise kann die Laserquelle einen Faserlaser mit einer Wellenlänge von ca. 1 µm und/oder einem Faserdurchmesser von ca. 100 µm umfassen. Die Laserquelle kann eingerichtet sein, den Laserstrahl mit einer Leistung von 1 kW oder größer zu erzeugen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den Laserstrahl mit einer Energiedichte von 1 mJ/cm² oder größer, gemessen auf der Werkstückoberfläche, auf das Werkstück zu richten.
Die antireflektive Struktur kann Merkmale aufweisen, die gleich groß oder kleiner als 1 µm und/oder als eine Wellenlänge des Laserstrahls sind. Die Merkmale können Erhöhungen und/oder Vorsprünge von der Oberfläche des optischen Elements und/oder Vertiefungen und/oder Einbuchtungen in der Oberfläche des optischen Elements umfassen. Eine Größe, Höhe, Tiefe, Ausdehnung, Breite, Länge, Form und/oder Abstände der Merkmale und/oder ein Profil der antireflektiven Struktur können gleich groß oder kleiner als 1 µm und/oder als eine Wellenlänge des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls sein. Die antireflektive Struktur kann periodisch bzw. regelmäßig oder aperiodisch oder zufällig ausgebildet sein.
Das zweite und/oder dritte optische Element kann aus mindestens einem von einem kristallinen Material, Quarzglas, Saphir, Zinksulfid (ZnS) oder Kalziumfluorid (CaF₂) bestehen oder mindestens eines dieser Materialien umfassen. Mit anderen Worten kann das Substrat des optischen Elements aus diesen Materialien bestehen oder diese Materialien umfassen.
Die Oberfläche des optischen Elements mit der antireflektiven Struktur kann einen Reflexionsgrad bzw. eine Restreflexion von 0,1 % oder weniger für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich aufweisen. Der vorgegebene Wellenlängenbereich kann eine Wellenlänge des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls umfassen. Insbesondere kann die Oberfläche mit der antireflektiven Struktur des optischen Elements mit einem Substrat aus Quarzglas für eine Wellenlänge von ungefähr 1 µm eine Absorption von 1 ppm oder weniger und eine Restreflexion von 0,1% oder weniger aufweisen. Ein Reflexionsgrad der Oberfläche des optischen Elements mit der antireflektiven Struktur kann für einen Einfallswinkel zwischen 0 Grad und 35 Grad, oder zwischen 35 Grad und 55 Grad oder für einen Einfallswinkel von 40 Grad oder mehr minimal sein. Die Oberfläche des optischen Elements mit der antireflektiven Struktur kann eingerichtet sein, um Rückreflexe zu reduzieren.
Das optische Element mit der mindestens einen Oberfläche mit der antireflektiven Struktur kann insbesondere frei von jeglicher optischen Beschichtung sein, und insbesondere keine dielektrische Beschichtung und/oder keine metallische Beschichtung aufweisen.
Ein Reflexionsgrad der Oberfläche des optischen Elements mit der antireflektiven Struktur kann für eine Wellenlänge von 1 µm, 1030 nm, 400 nm und/oder 515 nm und/oder für Wellenlängen in mindestens einem der folgenden Bereiche minimal sein: 350 nm oder größer, 5 µm oder kleiner, von 350 nm bis 1100 nm, von 350 nm bis 1600 nm, von 400 nm bis 500 nm, von 400 nm bis 1100 nm, von 400 nm bis 1500 nm, von 400 nm bis 1600 nm, von 1030 nm bis 1090 nm, von 1070 nm bis 1090 nm, von 900 nm bis 1000 nm, von 900 nm bis 1100 nm, von 1 µm bis 5 µm, und von 350 nm bis 5 µm. Mit anderen Worten kann die Morphologie der antireflektiven Struktur, insbesondere eine Form, Gestalt, ein Aussehen, eine Größe, Höhe, Tiefe, Ausdehnung, Breite, Länge, Form und/oder Abstände der Merkmale und/oder ein Profil der antireflektiven Struktur, derart ausgebildet sein, dass der Reflexionsgrad für die aufgezählten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche minimal ist.
Das optische Element mit der zumindest einen Oberfläche mit der antireflektiven Struktur kann also für eine Vielzahl von Anwendungen bzw. eine Vielzahl von verschiedenen Laserquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen optimiert sein. Dies bedeutet, dass ein Reflexionsgrad des optischen Elements bzw. einer Oberfläche davon für eine Vielzahl von Wellenlängen bzw. für breite Wellenlängenbereiche minimiert ist. Dies bietet den Vorteil, dass dieselben optischen Elemente für verschiedene Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung verwendet werden können, beispielsweise für die Laserbearbeitung von Kupfer oder Aluminium und die Laserbearbeitung von Stahl. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung sowohl für die Laserbearbeitung und als auch die Überwachung bzw. Kontrolle des Laserbearbeitungsprozesses verwendet und optimiert werden kann. In der Regel beinhalten fasergeführte Laser mit ca. 1 µm Wellenlänge einen sogenannten Pilot-Laser, meistens rot. Zusätzlich wird bei manchen Anwendungen der Laserbearbeitungsprozess mittels einer Kamera im sichtbaren Spektrum beobachtet. Mithilfe der antireflektiven Strukturen kann für alle Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche eine Reduzierung von Rückreflexen erreicht werden.
Dieses führt zu einer größeren Flexibilität und dadurch zu einer Steigerung der Funktionalität sowie der Produktivität der Laserbearbeitungsvorrichtung. Beispielsweise kann der Anwender dieselbe Laserbearbeitungsvorrichtung für die Bearbeitung, beispielsweiße Schweißen, von eisenhaltigen Werkstücken, beispielsweise aus Stahl, und von nicht-eisenhaltigen Werkstücken, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, mit zwei unterschiedlichen Lasertypen bzw. Laserquellen verwenden. Im Vergleich zu optischen Elementen mit antireflektiver Beschichtung können Kosten gespart werden, weil ein optisches Element für zwei oder mehr Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann. Dadurch muss anstelle von mehreren optischen Elementen lediglich ein optisches Element gekauft, gelagert, verwaltet und gepflegt werden.
Optische Elemente mit Oberflächen mit derartigen antireflektiven Strukturen bieten also die Möglichkeit, optische Flächen, d.h. Oberflächen von optischen Elementen, zu funktionalisieren. Wie vorstehend beschrieben, kann unkontrollierte Strahlung in einer Laserbearbeitungsvorrichtung reduziert werden. Zudem ist es möglich, zusätzliche Funktionen für die optischen Flächen bzw. die optischen Elemente vorzusehen, beispielsweise die Optimierung der optischen Flächen zur Schmutz- und Flüssigkeitsabweisung.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 schematisch das Funktionsprinzip optischer Beschichtungen des Stands der Technik;
2 schematisch ein optisches Element für eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Oberfläche mit antireflektiver Struktur gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3A schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 3B zeigt ein erstes optisches Element der in 3A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung;
4A schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 4B zeigt ein erstes optisches Element der in 4A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung;
5A schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 5B zeigt ein erstes optisches Element der in 5A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung;
6A und 6B schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7 schematisch ein geschlossenes Optikmodul für eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
8 schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 und 10 schematisch Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
11 schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Strahlformungsoptik gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12A, 12B und 12C Laserbearbeitungsvorrichtungen mit einer Auslenkungsoptik gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt das Funktionsprinzip optischer Beschichtungen des Stands der Technik, insbesondere dielektrischer Beschichtungen zur Reduktion von Rückreflexen. Ein einfallender Strahl 3' trifft auf ein transparentes optisches Element 10' mit einem Substrat 101' mit dem Brechungsindex n_s und einer optischen Beschichtung 102' aus einem transparenten dielektrischen Material mit dem Brechungsindex n_L und der Dicke d. Ein Teilstrahl 31' wird transmittiert bzw. durchgelassen. Ein Teilstrahl 32a', auch „Rückreflex“ genannt, wird von der optischen Beschichtung 102' und ein weiterer Teilstrahl 32b' wird vom Substrat 101' reflektiert. Beide reflektierten Teilstrahlen 32a' und 32b' überlagern sich und führen zur konstruktiven oder destruktiven Interferenz. Bei einer durch die Wellenlänge λ charakterisierten Strahlung kann beispielsweise eine Antireflex- („AR“-) Beschichtung, also eine Beschichtung zur Reduktion von Rückreflexen, für senkrecht einfallende Strahlen erreicht werden, wenn die Dicke d der optischen Beschichtung 102' λ/4 entspricht (d = λ/4) und der Brechungsindex der optischen Beschichtung 102' kleiner als der Brechungsindex des Substrats 101' ist (n_L < n_s), d.h. zwischen den reflektierten Teilstrahlen 32a' und 32b' erfolgt eine destruktive Interferenz. Durch ein optimiertes Schichtdesign der Beschichtung können Antireflexbeschichtungen für unterschiedliche Winkel und Wellenlängen hergestellt werden.
Die Funktion der optischen Beschichtung besteht also im Wesentlichen darin, die Reflexionseigenschaften einer Oberfläche eines Substrats zu modifizieren, indem sie die Interferenz von Reflexionen von mehreren Schichten bzw. Flächen der optischen Beschichtung bzw. des Substrats nutzen. Dadurch kann beispielsweise der reflektierte Teil der auf ein transmissives optisches Element auftreffenden Strahlungsleistung verringert und so unerwünschte Rückreflexe reduziert bzw. verhindert werden. Eine solche optische Beschichtung wird als „Antireflex-Beschichtung“ oder kurz „AR-Beschichtung“ bezeichnet.
Verluste aufgrund von Streuung hängen von der Mikrostruktur der optischen Beschichtung ab und sind zudem stark abhängig von der Wellenlänge der eintreffenden Strahlung (~ 1/λ⁴). Sie spielen daher eine große Rolle für den UV-Bereich, während sie im NIR (Nahinfrarot) - Bereich weniger relevant sind. Die Absorption in optischen Beschichtungen und Substraten wird hauptsächlich durch die Bandstruktur der Materialien bestimmt, aber häufig beeinflussen auch Verunreinigungen die Absorption stark. Deshalb müssen die Materialen für optische Beschichtungen mit Bezug auf eine geringe Kontamination und eine gute Stöchiometrie optimiert werden. Die optischen Verluste von optischen Beschichtungen hängen demnach auch stark von der optischen Beschichtung bzw. den darin enthaltenen Schichten und Schichtsystemen, und insbesondere von der Dicke des Schichtsystems, ab.
Optische Beschichtungen müssen zudem häufig für einen breiten Wellenbereich oder Winkelbereich der eintreffenden Strahlung ausgelegt sein, was oft nur durch Kompromisse möglich ist. Beispielswiese soll die Reflexion über einen großen Wellenlängenbereich und für einen großen Winkelbereich der eintreffenden Strahlung möglichst gering sein. Diese Anforderungen führen zu komplexen optischen Beschichtungen mit mehreren Schichten bzw. mit einem Schichtsystem. Beispielsweise bestehen sogenannte Einwellenlängen-AR-Beschichtungen aus zwei bis drei Schichten und können ausgelegt werden, um den Reflexionsgrad für eine vorgegebene Wellenlänge auf nahezu Null zu reduzieren. AR-Beschichtungen für mehrere Wellenlängen oder für weite Wellenlängenbereiche bestehen aus mehr Schichten und sind deshalb komplexer. Komplexe optische Beschichtungen führen auch zu einer größeren Dicke und einer größeren Absorption und unterliegen aufgrund der komplexeren Herstellung größeren Schwankungen bei der Fertigungsqualität oder einem höheren Preis.
Die vorliegende Erfindung gibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung an, bei der optische Beschichtungen, insbesondere dielektrische Beschichtungen, an Oberflächen von optischen Elementen durch antireflektive Strukturen ersetzt sind. Dadurch können optische Verluste, insbesondere durch Reflexion und Absorption von auftreffenden Laserstrahlen verringert werden.
Ein derartiges optisches Element mit einer Oberfläche mit antireflektiver Struktur ist in 2 dargestellt. Das optische Element 10 weist ein optisches Substrat 101 auf. Das Substrat 101 kann aus Quarzglas oder einem kristallinen Material, etwa Quarzkristall, Saphir, Zinksulfid (ZnS) oder Kalziumfluorid (CaF₂), bestehen, ist hierauf aber nicht beschränkt. An einer Oberfläche des optischen Elements 10 bzw. an einer Oberfläche 101a des Substrats 101 ist eine antireflektive Struktur 102 angeordnet. Die antireflektive Struktur 102 kann direkt auf bzw. in dem Substrat 101 ausgebildet sein. Die antireflektive Struktur 102 kann daher aus demselben Material wie das Substrat 101 bestehen oder dieses umfassen. Die antireflektive Struktur 102 kann wie gezeigt einstückig mit dem Substrat 102 ausgebildet sein. Das optische Element 10 weist also keine antireflektive Beschichtung, insbesondere keine dielektrische Beschichtung und/oder keine metallische Beschichtung, auf.
In 2 ist die antireflektive Struktur 102 periodisch ausgebildet und weist eine Zickzack-Form auf, ist hierauf aber nicht beschränkt. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die antireflektive Struktur 102 auch aperiodisch ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die antireflektive Struktur 102 eine Sägezahnform, eine Wellenform oder ähnliches aufweisen.
Die antireflektive Struktur 102 kann vorgegebene Merkmale 103 aufweisen. Wie in 2 gezeigt weist die antireflektive Struktur 102 nebeneinander angeordnete Vorsprünge 103 auf, die jeweils eine Höhe h und eine Breite b aufweisen. Die Höhe h und die Breite b der Vorsprünge 103 kann gleich groß oder kleiner als 1 µm und/oder als eine Wellenlänge eines auftreffenden Strahls, insbesondere des Laserstrahls sein. Eine Form, Gestalt, ein Aussehen, eine Größe, Höhe, Tiefe, Ausdehnung, Breite, Länge, Form und/oder Abstände der Vorsprünge 103 und/oder ein Profil der antireflektiven Struktur 102, kann derart angepasst sein, dass der Reflexionsgrad für diese Wellenlänge bzw. diese Wellenlängenbereiche minimiert ist. Beispielsweise kann jeder Vorsprung 103 auf seinen Seitenflächen weitere Merkmale aufweisen, etwa Einbuchtungen, Einkerbungen, Vorsprünge etc.
Die Oberfläche des optischen Elements 10 mit der antireflektiven Struktur 102 reduziert den reflektierten Anteil der auftreffenden Strahlungsleistung. Die Oberfläche des optischen Elements 10 mit der antireflektiven Struktur 102 kann eingerichtet sein, durch destruktive Interferenz und/oder durch Beeinflussen einer Amplitude, Phase und/oder Polarisation auftreffender bzw. reflektierter Strahlen den reflektierten Anteil der auftreffenden Strahlungsleistung bzw. Rückreflexe zu reduzieren. Die Oberfläche des optischen Elements 10 mit der antireflektiven Struktur 102 kann einen Reflexionsgrad bzw. eine Restreflexion von 0,1 % oder weniger für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich eines auftreffenden Strahls aufweisen. Beispielsweise kann die Oberfläche mit der antireflektiven Struktur 102 des optischen Elements 10 bei einem Substrat 101 aus Quarzglas für eine Wellenlänge von ungefähr 1 µm eine Absorption von 1 ppm oder weniger und eine Restreflexion von 0,1% oder weniger aufweisen.
Bei der Lasermaterialbearbeitung von Werkstücken Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von ca. 1 µm Wellenlänge wird vorwiegend Quarzglas als Material für das Substrat von optischen Elementen verwendet. Quarzglas ist bei dieser Wellenlänge transparent bzw. durchlässig und kann technologisch mit minimalen Verunreinigungen (im ppm Bereich) hergestellt werden, weshalb Quarzglas eine sehr geringe Absorption von Laserstrahlen aufweist. Aus diesem Grund wird die Absorption von Laserstrahlen durch optische Elemente von Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik neben der Absorption durch Verunreinigungen hauptsächlich durch die Absorption von Laserstrahlen durch optische Beschichtungen hervorgerufen.
Da bei optischen Elementen der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die optischen Beschichtungen durch eine antireflektive Struktur ersetzt sind, wird die Absorption durch die optischen Beschichtungen verhindert bzw. automatisch eliminiert. Mit anderen Worten reduziert die antireflektive Struktur im Vergleich zu optischen Beschichtungen den von der Struktur selbst absorbierten Anteil der auftreffenden Strahlungsleistung auf das Niveau der Absorption durch das Material des Substrats (Volumenabsorption). Im Vergleich zu optischen Beschichtungen werden somit optische Verluste aufgrund von Absorption reduziert. Dadurch unterliegt das optische Element ebenfalls einer geringeren Erwärmung. Die verminderte Absorption durch das optische Element führt daher zu einem verringerten Fokusshift des Laserstrahls. Gegebenenfalls auftretende optische Verluste aufgrund von Beugung oder Streuung sind klein (beispielsweise im ppm Bereich) bzw. irrelevant bei dem für die Lasermaterialbearbeitung gewöhnlich verwendeten Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 1 µm.
Durch die Laserbearbeitungsvorrichtung mit optischen Elementen mit zumindest einer Oberfläche mit antireflektiver Struktur werden optische Verluste, insbesondere Absorption und Reflexion, und somit eine Erwärmung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon und ein Fokusshift des Laserstrahls reduziert bzw. verhindert. Dadurch ist eine Kühlung nicht mehr erforderlich und eine Prozessstabilität wird verbessert. Dies bedeutet eine Verbesserung der Qualität der Laserbearbeitungsprozesse und eine Verringerung von Kosten.
3A zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 3B zeigt ein erstes optisches Element der in 3A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung. Gemäß Ausführungsformen weist das erste und/oder zweite optische Element an der Oberfläche auf der Laserstrahleintrittsseite die antireflektive Struktur auf.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls umfasst einen Laserbearbeitungskopf 20 mit einem Gehäuse 201 und einem darin angeordneten Strahlengang 31 für einen von einer Laserquelle (nicht gezeigt) erzeugten Laserstrahl 3. Der Strahlengang 31 des Laserstrahls 3 wird durch in dem Gehäuse 201 des Laserbearbeitungskopfes 20 angeordnete optische Elemente bestimmt bzw. festgelegt. Der Laserstrahl 3 verläuft also entlang des Strahlengangs 31 im Gehäuse 201.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 ist eingerichtet, den Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 zu richten, um mittels des Laserstrahls das Werkstück 2 zu bearbeiten. Die Bearbeitung kann gemäß Ausführungsformen ein Laserschneiden, -schweißen, - auftragsschweißen oder -löten umfassen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ein im Strahlengang 31 des Laserstrahls 3 angeordnetes erstes optisches Element 10a und ein dem ersten optischen Element 10a im Strahlengang 31 des Laserstrahls 3 nachgeordnetes zweites optisches Element 10b. 3B zeigt eine detaillierte schematische Ansicht des ersten optischen Elements 10a. Wie gezeigt sind das erste optische Element 10a und das zweite optische Element 10b innerhalb des Gehäuses 201 angeordnet. Das erste optische Element 10a ist ein bewegliches optisches Element und kann entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 bzw. parallel zu einer optischen Achse des ersten optischen Elements 10a relativ zum Gehäuse 201 bewegt bzw. verschoben werden, in 3A und 3B jeweils durch einen Doppelpfeil veranschaulicht.
Wie in 3A und 3B gezeigt kann das erste optische Element 10a eine Linse, insbesondere um eine Fokussierlinse, sein. Das zweite optische Element 10b ist ein transmissives optisches Element, beispielsweise ein Schutzglas. Jedes optische Element 10a und 10b hat eine Oberfläche auf der Laserstrahleintrittsseite, d.h. eine Oberfläche, auf die der Laserstrahl 3 auftrifft, und eine Oberfläche auf der Laserstrahlaustrittsseite, durch die der Laserstrahl 3 aus dem optischen Element austritt. Gemäß der in 3A und 3B gezeigten Ausführungsform weisen das erste optische Element 10a und/oder das zweite optische Element 10b mindestens eine Oberfläche mit antireflektiver Struktur zur Reduktion von Rückreflexen gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen auf. Beispielsweise weisen das erste optische Element 10a und das zweite optische Element 10b jeweils an der Oberfläche auf der Laserstrahleintrittsseite die antireflektive Struktur auf. Die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das erste optische Element 10a und das zweite optische Element 10b können auch alternativ oder zusätzlich an der Oberfläche auf der Laserstrahlaustrittsseite eine antireflektive Struktur aufweisen.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ferner eine Haltevorrichtung 40, die das erste optische Element 10a hält. Die Haltevorrichtung 40 weist einen ersten Teil 401 auf, der das erste optische Element 10a zumindest teilweise entlang eines Umfangs des ersten optischen Elements 10a umgibt. Der erste Teil 401 ist fest mit dem ersten optischen Element 10a verbunden. Wenn sich das erste optische Element 10a bewegt, bewegt sich der erste Teil 401 der Haltevorrichtung 40 mit dem ersten optischen Element 10. Die Haltevorrichtung 40 umfasst ferner einen zweiten Teil 402, der den ersten Teil 401 mit dem Gehäuse 201 verbindet. Der zweite Teil 402 ist fest mit dem Gehäuse 201 verbunden. Der zweite Teil 402 ist also unbeweglich relativ zum Gehäuse 201. Beispielsweise ist der erste Teil 401 eine Linsenhalterung und der zweite Teil 402 ist eine Führungsschiene.
Eine Wärmeleitung zwischen dem beweglichen optischen Element 10a und dem Gehäuse 201 kann im Vergleich zu einem mit dem Gehäuse 201 fest verbundenen optischen Element niedrig sein. Insbesondere kann eine Wärmeleitfähigkeit der Haltevorrichtung 40 niedrig sein. Denn die Haltevorrichtung 40 ist üblicherweise so ausgelegt, dass Reibung bei einer Bewegung des optischen Elements 10a relativ zum Gehäuse minimiert wird. Daher sind Kontaktflächen zwischen dem Gehäuse 201 und der Haltevorrichtung 40 bzw. zwischen dem zweiten Teil 402 der Haltevorrichtung 40 und dem ersten Teil 401 der Haltevorrichtung 40 klein. Erwärmt sich daher das erste optische Element 10a oder der erste Teil 401 der Haltevorrichtung 40, kann ein Wärmestau auftreten, da die Wärme nicht an den zweiten Teil 402 der Haltevorrichtung 40 bzw. an das Gehäuse 201 abfließen kann. Die Erwärmung kann durch unerwünschte bzw. unkontrollierte Rückreflexe vom ersten optischen Element 10a selbst oder von anderen optischen Elementen, insbesondere dem zweiten optischen Element 10b, auftreten. Diese Rückreflexe sind „unkontrolliert“, da sie nicht entlang des Strahlengangs 31 des Laserstrahls 3 verlaufen, sondern sie verlaufen außerhalb des Strahlengangs 31 des Laserstrahls 3. Insbesondere können sie auf das Gehäuse 201 und andere optische Elemente treffen und zu deren Erwärmung führen.
Wenn das erste optische Element 10a eine antireflektive Struktur auf seiner Oberfläche aufweist, können Rückreflexe 104a des Laserstrahls 3 von dem ersten optischen Element 10a auf das Gehäuse 201 und/oder auf die Haltevorrichtung 40 bzw. auf den beweglichen ersten Teil 401 der Haltevorrichtung 40 verringert werden. Auf diese Weise werden optische Verluste durch das erste optische Element 10a verringert. Wenn zudem das zweite optische Element 10b eine antireflektive Struktur auf seiner Oberfläche aufweist, können Rückreflexe 104b des Laserstrahls 3 von dem zweiten optischen Element 10b auf das erste optische Element 10a und/oder auf die Haltevorrichtung 40 bzw. den beweglichen ersten Teil 401 der Haltevorrichtung 40 und/oder auf das Gehäuse 201 verringert werden. Auf diese Weise werden optische Verluste durch das zweite optische Element 10b verringert. Ferner kann eine übermäßige Erwärmung des ersten optischen Elements 10a und/oder der Haltevorrichtung 40 bzw. dem beweglichen ersten Teil 401 der Haltevorrichtung 40 durch die Rückreflexe 104a, 104b des Laserstrahls 3 verhindert werden. Folglich wird ein Fokusshift des Laserstrahls 3 aufgrund der Erwärmung des ersten optischen Elements 10a reduziert. Ferner wird die Stabilität des Laserbearbeitungsprozesses erhöht bzw. Störungen des Laserbearbeitungsprozesses vermieden. Eine Beschädigung der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 oder Teilen davon, insbesondere der optischen Elemente 10a, 10b, kann verhindert werden. Eine separate Kühlung der optischen Elemente 10a, 10b ist nicht erforderlich.
In 3B ist das erste optische Element 10a als Fokussierlinse zum Fokussieren des Laserstrahls 3 ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das erste optische Element 10a kann auch als Fokussieroptik, Fokussierlinsengruppe oder als Kollimationsoptik, Kollimationslinse bzw. Kollimationslinsengruppe zum Kollimieren des Laserstrahls 3 oder als Strahlformungsoptik ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das erste optische Element 10a auch als optisches Element ohne Brechkraft ausgebildet sein, beispielsweise als Schutzglas oder Spiegel, insbesondere als Galvanospiegel oder Scannerspiegel. Weitere Ausführungsformen des ersten optischen Elements 10a werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
In 3A und 3B ist das zweite optische Element 10b als Schutzglas, d.h. als optisches Element ohne Brechkraft, ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das zweite optische Element 10b kann auch als Linse, plankonvexe Linse, plankonkave Linse, Linsengruppe oder als ein optisches Element mit zumindest einem dieser Elemente ausgebildet sein. Weitere Ausführungsformen des zweiten optischen Elements 10b werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
4A zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 4B zeigt ein erstes optisches Element der in 4A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung. Die gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung ist mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kompatibel und kombinierbar. Die in 4A und 4B gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung entspricht der in 3A und 3B gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Gemäß Ausführungsformen weist das erste und/oder zweite optische Element an der Oberfläche auf der Laserstrahleintrittsseite und/oder auf der Laserstrahlaustrittsseite die antireflektive Struktur auf.
Das erste optische Element 10a ist ein optisches Element mit einer negativen Brennweite. Das optische Element mit negativer Brennweite kann eine Streuungslinse umfassen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ferner eine Haltevorrichtung 40, die das erste optische Element 10a hält. Das erste optische Element 10a mit negativer Brennweite kann auch als bewegliches optisches Element, wie in 3A und 3B gezeigt, ausgebildet sein.
Da das erste optische Element 10a ein optisches Element mit negativer Brennweite ist, können Rückreflexe 104a des Laserstrahls 3 vom ersten optischen Element 10a und Rückreflexe 104b des Laserstrahls 3 vom zweiten optischen Element 10b nach Durchtritt (entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3) durch das erste optische Element 10a gestreut bzw. verlaufen dann divergent. Die Rückreflexe 104a vom ersten optischen Element 10a und/oder die Rückreflexe 104b vom zweiten optischen Element 10b treffen dann beispielsweise auf das Gehäuse 201 des Laserbearbeitungskopfes 20 und/oder die Haltevorrichtung 40 für das erste optische Element 10a. Diese Rückreflexe 104a, 104b können wiederum zu einer ungewollten bzw. übermäßigen Erwärmung der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 oder Teilen davon führen, insbesondere des Laserbearbeitungskopfes 20, des Gehäuses 201 oder optischen Elementen, insbesondere dem optische Element 10a.
Durch die antireflektive Struktur des ersten optischen Elements 10a bzw. des zweiten optischen Elements 10b können diese unerwünschten Rückreflexe 104a, 104b verringert bzw. verhindert werden. Dadurch wird auch eine unerwünschte Erwärmung und ihre Folgen, etwa ein größerer Fokusshift des Laserstrahls 3 oder eine Beschädigung der Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. von Teilen davon, verringert. Eine Kühlung der optischen Elemente 10a, 10b kann reduziert werden oder ist nicht erforderlich. Dadurch wird die Stabilität des Laserbearbeitungsprozesses erhöht bzw. Störungen des Laserbearbeitungsprozesses vermieden.
5A zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 5B zeigt ein erstes optisches Element der in 5A gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung. Die gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung ist mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kompatibel und kombinierbar.
Die in 5A und 5B gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung entspricht der in 3A und 3B gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede. Gemäß Ausführungsformen weist das erste und/oder zweite optische Element an der Oberfläche auf der Laserstrahleintrittsseite und/oder auf der Laserstrahlaustrittsseite die antireflektive Struktur auf.
Die in 5A gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst eine Lichtleitfaser 50 zum Einführen des Laserstrahls 3 in die Laserbearbeitungsvorrichtung 1, d.h. in den Strahlengang 31 der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 bzw. des Gehäuses 201. Die Lichtleitfaser 50 weist ein Faserende 501 auf, aus der der von ihr geführte Laserstrahl 3 divergent austritt. Das erste optische Element 10a ist ein optisches Element, welches eine Dichtungsfunktion erfüllt. Das erste optische Element 10a ist also als abdichtendes optisches Element ausgebildet. Das abdichtende optische Element kann ein Schutzglas umfassen oder als Schutzglas ausgebildet sein. Das erste optische Element 10a kann auch in einer Kassette (nicht gezeigt), insbesondere einer Linsenkassette, integriert sein, sodass es bedienungsfreundlich austauschbar ist. Eine derartige Linsenkassette ist nachfolgend mit Bezug auf 7 beschrieben. Wie gezeigt ist das erste optische Element 10a innerhalb des Gehäuses 201 des Laserbearbeitungskopfes 20 angeordnet.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ferner mindestens eine mechanische Schnittstelle 800, die durch das erste optische Element 10a abgedichtet wird. Die mechanische Schnittstelle 800 weist eine Öffnung auf, durch die der Strahlengang 31 hindurchgeführt ist, sowie ein Dichtungselement 803 zum Abdichten dieser Öffnung mit Hilfe des abdichtenden optischen Elements. Die mechanische Schnittstelle 800 dient beispielsweise zum Anschluss weiterer Elemente an das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes, insbesondere der Lichtleitfaser 50 oder weiterer Module des Laserbearbeitungskopfs, und kann insbesondere eine Öffnung zum Ein- und/oder Austritt des Laserstrahls 3 umfassen oder diese umgeben. In 5A weist die mechanische Schnittstelle 800 eine Eintrittsöffnung 203 zum Eintritt des aus dem Ende der Lichtleitfaser 51 austretenden Laserstrahls in das Gehäuse 201 des Laserbearbeitungskopfes 20 auf. Die mechanische Schnittstelle 800 kann mindestens zwei Flächen 801, 802, insbesondere einer inneren Fläche 802 und einer äußeren Fläche 801, des Gehäuses 201 aufweisen, die die Öffnung umgeben. Wie gezeigt ist das Dichtungselement innerhalb des Gehäuses 201 angeordnet und steht mit der inneren Fläche 802 der mechanischen Schnittstelle 800 und mit dem ersten optischen Element 10a in Kontakt. Das Dichtungselement 803 ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet, die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das erste optische Element 10a dichtet mit Hilfe des Dichtungselements 803 die mechanische Schnittstelle 800, insbesondere hermetisch, gegenüber Rauch und/oder Verschmutzungen etc., ab. Das als abdichtendes optisches Element ausgebildete erste optische Element 10a sowie die mechanische Schnittstelle 800 sind in 5A und 5B auf einer Laserstrahleintrittsseite des Gehäuses 201 dargestellt. Die Laserstrahleintrittsseite ist die Seite des Gehäuses 201, durch die der Laserstrahl 3 über die Eintrittsöffnung 203 in das Innere des Gehäuses 201 eintritt. Somit schützt das erste optische Element 10a die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 vor Verschmutzungen durch Staub oder Rauch auf der Laserstrahleintrittsseite des Gehäuses 201. Das als abdichtendes optisches Element ausgebildete erste optische Element 10a kann auch auf der Laseraustrittsseite des Gehäuses 201 ausgebildet sein. Die Laseraustrittsseite ist eine Seite des Gehäuses durch die der Laserstrahl 3 und/oder Prozessgas über die Austrittsöffnung 202 aus dem Gehäuse 201 des Laserbearbeitungskopfes 20 austritt.
In der Regel sind Dichtungselemente mit einer ausreichend guten Dichtungsfunktion aus weichen Materialien, insbesondere Kunststoff. Deshalb sind sie häufig empfindlich gegenüber hohen Temperaturen oder auftreffender Strahlung, insbesondere Laserstrahlung. Unerwünschte Rückreflexe auf das Dichtungselement können diese erwärmen und zum Schmelzen bringen. Eine Folge davon kann sein, dass die Dichtungsfunktion nicht mehr ausgeübt werden kann und somit Verschmutzungen wie Staub und Rauch in das Innere eines Gehäuses einer Laserbearbeitungsvorrichtung gelangen können. Dadurch kann die Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teile davon beschädigt werden, was zu langen Ausfallzeiten und Kosten aufgrund von Reparatur und Ersatzteilen führen kann.
Wenn das erste optische Element 10a gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine antireflektive Struktur auf seiner Oberfläche aufweist, können Rückreflexe 104a des Laserstrahls 3 von dem ersten optischen Element 10a auf die mechanische Schnittstelle 800, insbesondere auf das Dichtungselement 803 verringert werden. Auf diese Weise werden eine Erwärmung des Dichtungselements 803 und optische Verluste durch das erste optische Element 10a verringert. Dadurch wird die Stabilität des Laserbearbeitungsprozesses erhöht bzw. Störungen des Laserbearbeitungsprozesses vermieden. Wenn das zweite optische Element 10b eine antireflektive Struktur auf seiner Oberfläche aufweist, können Rückreflexe 104b des Laserstrahls 3 von dem zweiten optischen Element 10b auf das erste optische Element 10a und/oder auf die mechanische Schnittstelle 800, insbesondere auf das Dichtungselement 803 verringert werden. Auf diese Weise werden optische Verluste durch das zweite optische Element 10b verringert. Ferner kann eine übermäßige Erwärmung dem Dichtungselement 803 durch die Rückreflexe des Laserstrahls 3 vom zweiten optischen Element 10b verhindert werden. Das Risiko einer Zerstörung des Dichtungselements 803 und ihre Konsequenzen, insbesondere Ausgasen, Kontamination und Verschmutzung von optischen Elementen aufgrund der Erwärmung wird reduziert. Eine Beschädigung der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 oder Teilen davon, insbesondere der optischen Elemente 10a, 10b bzw. des Dichtungselements 803 kann verhindert werden.
In 5A und 5B ist das erste optische Element 10a als Schutzglas vor einer Kollimationsoptik des Laserstrahls 3 ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das erste optische Element 10a kann auch als Schutzglas nach einer Fokussieroptik ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das erste optische Element 10a auch als abdichtendes optisches Element mit Brechkraft ausgebildet sein, beispielsweise als Linse oder Linsengruppe. Weitere Ausführungsformen des ersten optischen Elements 10a werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
In 5A und 5B ist das zweite optische Element 10b als Kollimationslinse ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das zweite optische Element 10b kann auch als Linse, plankonvexe Linse, plankonkave Linse, Linsengruppe oder als ein optisches Element mit zumindest einem dieser Elemente ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das zweite optische Element 10b auch als optisches Element ohne Brechkraft ausgebildet sein, beispielsweise als Schutzglas. Weitere Ausführungsformen des zweiten optischen Elements 10b werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
6A und 6B zeigen schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung ist mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kompatibel und kombinierbar. Das erste optische Element 10a und das zweite optische Element 10b sind in 6A und 6B nicht gezeigt.
Die in 6A und 6B gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ein drittes optisches Element 10c mit mindestens einer Oberfläche mit antireflektiver Struktur zur Reduktion von Rückreflexen. Gemäß Ausführungsformen weist das dritte optische Element 10c an der Oberfläche auf der Laserstrahleintrittsseite die antireflektive Struktur auf. Die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das dritte optische Element 10c kann gemäß Ausführungsformen alternativ oder zusätzlich auf der gegenüberliegenden Oberfläche, d.h. auf der Oberfläche, aus der der Laserstrahl 3 aus dem optischen Element 10c austritt, eine antireflektive Struktur aufweisen. Das dritte optische Element 10c ist ein optisches Element, welches an zumindest einer Seite, insbesondere auf der Laserstrahleintrittsseite, eine plane Oberfläche, d.h. eine Planfläche, aufweist. Das dritte optische Element 10c kann insbesondere als optisches Element ohne Brechkraft, beispielsweise als Schutzglas, ausgebildet sein.
Die in 6A gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst eine Lichtleitfaser 50 zum Einführen des Laserstrahls in die Laserbearbeitungsvorrichtung 1,. Die Lichtleitfaser 50 weist ein Faserende 501 auf, aus der der von ihr geführte Laserstrahl 3 divergent austritt. Wie in 6A gezeigt ist das dritte optische Element 10c im Strahlengang 31 des Laserstrahls 3 in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 unmittelbar nach dem Faserende 501 der Lichtleitfaser 50 ausgebildet, und ist insbesondere im Bereich der Eintrittsöffnung 203 angeordnet. Durch die antireflektive Struktur auf dem dritten optischen Element 10c werden Rückreflexe 104c an dem dritten optischen Element verhindert bzw. verringert, die aufgrund des divergent auf das dritte optische Element 10c auftreffenden Laserstrahls 3 in Richtung des Gehäuses 201 abgestrahlt und dieses erwärmen werden. Zudem wird verhindert, dass Rückreflexe 104c auf das Faserende 501 der Lichtleitfaser 50 treffen und wieder in die Lichtleitfaser 50 eingekoppelt werden.
In 6B ist das dritte optische Element 10c in einem konvergenten Bereich des Laserstrahls 3 angeordnet. Das dritte optische Element 10c kann das letzte optische Element des Strahlengangs 31 bzw. angrenzend an einen Bereich der Austrittsöffnung 202 des Laserbearbeitungskopfes 20 angeordnet sein. Die Austrittsöffnung 202 ist eine Öffnung zum Austreten des Laserstrahls 3 und/oder von Prozessgas aus dem Gehäuse 201 des Laserbearbeitungskopfes 20. Die Austrittsöffnung 202 kann beispielsweise eine Düsenöffnung sein. Durch die antireflektive Struktur auf dem dritten optischen Element 10c werden Rückreflexe 104c von dem dritten optischen Element 10c verhindert bzw. verringert, die aufgrund des konvergent auf das dritte optische Element 10c auftreffenden Laserstrahls 3 in einem Winkel vom dritten optischen Element 10c abgestrahlt werden und so auf das Gehäuse 201 und/oder auf andere optische Elemente treffen und diese erwärmen können.
Gemäß den in 6A und 6B gezeigten Ausführungsformen ist das dritte optische Element 10c in einem divergenten und/oder in einem konvergenten Bereich des Laserstrahls 3 angeordnet. Das dritte optische Element 10c ist also in einem nicht-kollimierten Bereich des Laserstrahls 3 angeordnet.
7 zeigt ein geschlossenes Optikmodul für eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das gezeigte geschlossene Optikmodul ist mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kompatibel und kombinierbar.
Ein geschlossenes Optikmodul 11 umfasst ein optisches Element bzw. eine optische Gruppe 111, insbesondere mindestens eine Linse, mindestens eine Linsengruppe oder ähnliches, sowie zwei optische Schutzgläser 80, die das optische Element 111 vor Verschmutzungen schützen. Die zwei optische Schutzgläser 80 sind entlang der optischen Achse des optischen Elements 111 vor und nach dem optischen Element 111 angeordnet. Nach außen kann das geschlossene Optikmodul 11 hermetisch, also luftdicht, und/oder gegenüber Staub, Verschmutzungen, Feuchtigkeit etc., abgedichtet sein.
Das vor dem optischen Element 111 angeordnete Schutzglas 80 kann beispielsweise in Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen (5B) der vorliegenden Erfindung dem ersten optischen Element 10a entsprechen. Das optische Element 111 und/oder das nach dem optischen Element 111 angeordnete Schutzglas 80 können beispielsweise in Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen (5A) der vorliegenden Erfindung dem zweiten optischen Element 10b entsprechen.
Alternativ kann das geschlossene Optikmodul 11 beispielsweise in Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als das erste optische Element 10a und/oder als das zweite optische Element 10b verwendet werden. Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können also mehrere der geschlossenen Optikmodule 11 umfassen.
Durch die Verwendung von Schutzgläsern mit zumindest einer Oberfläche mit antireflektiver Struktur zum Reduzieren von Rückreflexen hat eine hohe Anzahl von verwendeten Schutzgläsern, insbesondere bei einem komplexen Laserbearbeitungskopf, einen geringeren Einfluss auf die Erwärmung der Laserbearbeitungsvorrichtung und auf den Fokusshift des Laserstrahls, da die optischen Verluste aufgrund von unerwünschter Absorption und Reflexion verringert sind. Dadurch wiederum hat eine hohe Anzahl von verwendeten geschlossenen Optikmodulen einen geringen Einfluss auf die Erwärmung der Laserbearbeitungsvorrichtung und auf den Fokusshift des Laserstrahls. Somit kann eine Funktionalität der Laserbearbeitungsvorrichtung und eine Prozessstabilität verbessert bzw. aufrechterhalten werden. Zudem kann die antireflektive Struktur für einen großen Wellenlängenbereich konfiguriert sein.
8 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung ist mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kompatibel und kombinierbar.
8 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1 mit einer Kollimationsoptik 60 und einer Fokussieroptik 70. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ferner ein Schutzglas 81, das im Strahlengang 31 vor der Kollimationsoptik 60 angeordnet ist, und ein Schutzglas 82, das im Strahlengang 31 nach der Fokussieroptik 70 angeordnet ist. Zumindest eines von der Kollimationsoptik 60 und der Fokussieroptik 70 kann dem ersten optischen Element 10a gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung entsprechen.
Die in 8 dargestellte Kollimationsoptik 60 und Fokussieroptik 70 können als das zuvor mit Bezug auf 7 beschriebene geschlossene Optikmodul 11 ausgebildet sein. Die zwei Schutzgläser 81, 82 können als die zuvor beschriebenen dritten optischen Elemente ausgebildet sein. Die Rückreflexe der Schutzgläser 81, 82 können Haltevorrichtungen (nicht gezeigt) der optischen Elemente 10a, 10b andere optische Elemente, insbesondere die Kollimationsoptik 60 und die Fokussieroptik 70 und/oder das Gehäuse 201 treffen. Durch Verwenden von Schutzgläsern 81, 82 mit antireflektiver Struktur können diese Rückreflexe reduziert bzw. verhindert werden. Die relativ günstigen Schutzgläser 81, 82 ohne Brechkraft schützen die teureren optischen Elemente 10a, 10b mit Brechkraft sowie den Zwischenraum vor möglichen Verschmutzungen.
9 und 10 zeigen Laserbearbeitungsvorrichtungen gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche mit anderen Ausführungsformen der Laserbearbeitungsvorrichtung kombiniert werden können. Die gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtungen umfassen eine Optik zum Ändern eines Fokusdurchmessers des Laserstrahls. Das Ändern des Fokusdurchmessers wird durch eine die Änderung einer Brennweite der Optik erreicht.
In der in 9 gezeigten Ausführungsform ist eine Optik 112 zum Ändern des Fokusdurchmessers des Laserstrahls 3 als Zoom-Optik, insbesondere als afokales Teleskop, ausgebildet. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ferner eine Kollimationsoptik 60, die im Strahlengang 31 vor der Optik 112 angeordnet ist, und eine Fokussieroptik 70, die im Strahlengang 31 nach der Optik 112 angeordnet ist. Die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Die Optik 112 kann mehrere optische Elemente umfassen. Zumindest eines dieser optischen Elemente ist beweglich und kann als das erste optische Element 10a betrachtet werden. Ein weiteres Element der Optik 112, das im Strahlengang 31 nach dem beweglichen Element der Optik 112 angeordnet ist, kann als das zweite optische Element 10b betrachtet werden. Alternativ kann die Fokussieroptik 70 als das zweite optische Element 10b betrachtet werden.
10 zeigt eine andere Möglichkeit zum Ändern des Fokusdurchmessers des Laserstrahls 3. Hier bilden zwei optische Elemente 61, 62 eine Kollimationsoptik 60 mit variabler Brennweite. Mindestens eines der beiden optischen Elemente 61, 62 ist beweglich und kann als das erste optische Element 10a betrachtet werden.
In 9 und 10 können die Kollimationsoptik 60, die Fokussieroptik 70 und/oder die Optik 112 zum Ändern eines Fokusdurchmessers des Laserstrahls 3 als ein geschlossenes Optikmodul 11 gemäß den zu 7 beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein.
11 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Für manche Anwendung der Lasermaterialbearbeitung ist eine vorgegebene Verteilung der Laserleistung auf dem Werkstück gewünscht. Diese Verteilung der Laserleistung kann statisch oder dynamisch sein und mit einer Strahlformungsoptik, auch „Strahlformungselement“ oder „Strahlformungsmodul“ genannt, erzeugt werden.
11 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1 mit einer Strahlformungsoptik 113. Die Strahlformungsoptik 113 kann beispielsweise ein Axikon Array, zwei gegeneinander bewegliche Keilplatten, einen Siemensstern, und ähnliches umfassen. Die Lage der Strahlformungsoptik 113 im Strahlengang 31 des Laserstrahls 3 kann beliebig sein, beispielsweise im divergenten, konvergenten oder kollimierten Bereich des Strahlengangs 31. Die Strahlformungsoptik 13 kann die Verteilung der Laserleistung durch Änderung der Phase, Amplitude und/oder Polarisation des einfallenden Laserstrahls 3 oder Teile davon ändern, indem sie Reflexion, Refraktion und/oder Beugung des einfallenden Laserstrahls 3 beeinflusst. Die Strahlformungsoptik 113 kann beispielsweise in der Laserbearbeitungsvorrichtung 1 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als das erste optische Element 10a und/oder als das zweite optische Element 10b verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Strahlformungsoptik 113 mindestens eine Oberfläche mit antireflektiver Struktur auf. In gewissen Fällen ist eine dynamische Verteilung der Laserleistung wünschenswert. Dazu kann die Strahlformungsoptik 113 eines oder mehrere optische Elemente beinhalten. Eines oder mehrere dieser Elemente können axial, d.h. bezüglich ihrer optischen Achse, beweglich und/oder rotierbar sein. Dieses bewegliche Element der Strahlformungsoptik 113 kann als das erste optische Element 10a betrachtet werden.
Wie gezeigt umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 ferner eine Kollimationsoptik 60, die im Strahlengang 31 vor der Strahlformungsoptik 113 angeordnet ist, und eine Fokussieroptik 70, die im Strahlengang 31 nach der Strahlformungsoptik 113 angeordnet ist. Die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Die Strahlformungsoptik 113 kann eine Brechkraft aufweisen und Teil der Kollimationsoptik 60 und/oder der Fokussieroptik 70 sein oder diese ersetzen.
12A zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst eine Auslenkungsoptik 114 zur dynamischen Auslenkung des Laserstrahls 3 mittels zumindest eines beweglichen optischen Elements 1141, beispielsweise eines Galvanospiegels. Der Laserstrahl 3 kann mittels eines Spiegels 1141 in einer Richtung oder mittels zweier Spiegel 1141 in zwei zueinander orthogonalen Richtungen ausgelenkt werden. Die Auslenkungsoptik 114 kann im Strahlengang 31 zwischen einer Kollimationsoptik 60 und einer Fokussieroptik 70 angeordnet sein. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Die Auslenkungsoptik 114 umfasst zumindest ein bewegliches optisches Element 1141, das als das erste optische Element 10a betrachtet werden kann. Die Fokussieroptik 70 oder ein nach dem optischen Element 1141 angeordnetes Schutzglas (nicht gezeigt) kann demnach als das zweite optische Element 10b betrachtet werden.
Die im Strahlengang 31 nach der Auslenkungsoptik 114 angeordnete Fokussieroptik 70 kann als F-Theta-Objektiv (vgl. 12B) oder als telezentrisches Objektiv (vgl. 12C) ausgebildet sein. Diese Objektive können mehrere Optiken, Linsen oder Linsengruppen umfassen. Zumindest eine Oberfläche der Auslenkungsoptik 114 kann eine antireflektive Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen.
Im Fall von Galvanospiegeln werden Klebstoffe zum Befestigen der Spiegel an entsprechenden Haltevorrichtungen verwendet, wobei die Klebstoffe nur eine eingeschränkte Wärmebeständigkeit aufweisen. Wie zuvor beschrieben können Rückreflexe bei der Verwendung des ersten optischen Elements 10a und/oder des zweiten optischen Elements 10b mit antireflektiven Strukturen unabhängig von der Anzahl der verwendeten optischen Elemente bzw. der Flächen im Strahlengang 31 reduziert werden. Dadurch kann eine übermäßige Erwärmung von Galvanospiegels und damit ein Verflüssigen der Klebstoffe verhindert werden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt also Ausführungsformen einer Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem optischen Element mit mindestens einer Oberfläche mit antireflektiver Struktur zum Reduzieren von Rückreflexen. Dadurch können einerseits optische Verluste aufgrund von reflektierter Strahlungsleistung vermieden werden. Die antireflektive Struktur kann optische Beschichtungen, insbesondere dielektrische Beschichtungen, ersetzen. Dadurch kann andererseits die Absorption durch das optische Element auf ein Niveau eines Substrats des optischen Elements minimiert werden.
Zudem kann eine Erwärmung bzw. Zerstörung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon, insbesondere von einem Gehäuse oder von optischen Elementen, aufgrund unkontrollierter reflektierter Strahlung und aufgrund von Absorption durch die optischen Elemente und ein Fokusshift des Laserstrahls vermieden und eine laserinduzierte Zerstörschwelle des optischen Elements maximiert werden. Dadurch können Prozessstörungen vermieden und eine höhere Prozessstabilität erreicht werden.
Ferner hat die Anzahl der verwendeten optischen Elemente bzw. die Anzahl der Flächen im Strahlengang 31 eines Laserstrahls einen geringeren Einfluss auf die Erwärmung der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon und auf den Fokusshift des Laserstrahls. Dies bietet insbesondere Vorteile bei einer komplexen Laserbearbeitungsvorrichtung, insbesondere bei einem komplexen Laserbearbeitungskopf.
Diese Vorteile sind darüber hinaus nicht nur für einzelne Wellenlängen oder schmale Wellenlängenbereiche (z.B. 20 nm), sondern bei entsprechender Auslegung der antireflektiven Struktur auch für einen breiten Wellenbereich (z.B.: von 1030nm bis 1090 nm, oder von 900 nm bis 1100 nm, oder von 400 nm bis 1100 nm, oder von 400 bis 1600 nm) bzw. eine Vielzahl von Wellenlängen (z.B. ca. 400nm oder ca. 500 nm für die Lasermaterialbearbeitung von Kupfer bzw. Aluminium oder ca. 1 µm für die Lasermaterialbearbeitung von Stahl) von Laserstrahlen und eine Vielzahl von Lasertypen erreichbar. Für diese Fälle können die optischen Elemente auch auf minimale Farbfehler für diese Wellenlängen optimiert werden.
Bezugszeichenliste

3': Einfallender Strahl
10': Transparentes optisches Element
101': Substrat
31': Transmittierter Teilstrahl
32a', 32b': Reflektierte Teilstrahlen
102': Optische Beschichtung
1: Laserbearbeitungsvorrichtung
2: Werkstück
3: Laserstrahl
10: Optisches Element
10a: Erstes optisches Element
10b: Zweites optisches Element
10c: Drittes optisches Element
101: Substrat
101a: Oberfläche des Substrats
102: Antireflektive Struktur
103: Merkmale der antireflektiven Struktur
104a: Rückreflexe des ersten optischen Elements
104b: Rückreflexe des zweiten optischen Elements
104c: Rückreflexe des dritten optischen Elements
11: Optikmodul
111: Optisches Element des Optikmoduls
112: Optik zum Ändern eines Fokusdurchmessers
113: Strahlformungsoptik
114: Auslenkungsoptik
1141: Optische Elemente der dyn. Strahlformungsoptik
20: Laserbearbeitungskopf
201: Gehäuse
2011: Innenraum des Gehäuses
202: Austrittsöffnung
203: Eintrittsöffnung
40: Haltevorrichtung
401: Erster Teil der Haltevorrichtung
402: Zweiter Teil der Haltevorrichtung
50: Lichtleitfaser
501: Faserende
60: Kollimationsoptik
61, 62: Erstes und zweites Element der Kollimationsoptik
70: Fokussieroptik
80: Schutzglas
81: Schutzglas vor der Kollimationsoptik
82: Schutzglas nach der Fokussieroptik
800: Mechanische Schnittstelle
801, 802: Flächen des Gehäuses
803: Dichtungselement

Claims

Laserbearbeitungsvorrichtung (1) zum Bearbeiten von Werkstücken (2) mittels eines Laserstrahls (3), umfassend: - einen Laserbearbeitungskopf (20) mit einem Gehäuse (201) und einem darin angeordneten Strahlengang (31) für den Laserstrahl (3), - mindestens ein erstes im Strahlengang (31) angeordnetes optisches Element (10a), wobei das erste optische Element (10a) als ein bewegliches optisches Element und/oder ein optisches Element mit negativer Brennweite und/oder ein abdichtendes optisches Element ausgebildet ist, und - mindestens ein dem ersten optischen Element (10a) im Strahlengang (31) nachgeordnetes transmissives zweites optisches Element (10b), dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (10a) und/oder das zweite optische Element (10b) mindestens eine Oberfläche (101a) mit antireflektiver Struktur (102) zur Reduktion von Rückreflexen (104a, 104b) aufweist, wobei das optische Element (10, 10a, 10b, 10c) mit der antireflektiven Struktur (102) ein Substrat (101) aufweist, das aus Quarzglas, Saphir, Zinksulfid oder Kalziumfluorid besteht oder zumindest eines dieser Materialien umfasst, und wobei die antireflektive Struktur (102) aus demselben Material wie das Substrat (101) besteht und direkt auf dem Substrat (101) ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die antireflektive Struktur (102) einstückig mit dem Substrat (101) und/oder in einer Oberfläche des Substrats (101) ausgebildet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste optische Element (10a) ein bewegliches optisches Element ist, das parallel und/oder senkrecht zu einer optischen Achse des ersten optischen Elements (10a) relativ zum Gehäuse (201) verschiebbar und/oder um die optische Achse des ersten optischen Elements (10a) und/oder um eine Achse senkrecht zur optischen Achse des ersten optischen Elements (10a) drehbar ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Haltevorrichtung (40), die das erste optische Element (10a) hält, wobei die Haltevorrichtung (40) einen ersten Teil (401) aufweist, der das erste optische Element (10a) zumindest teilweise entlang eines Umfangs des ersten optischen Elements (10a) umgibt.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste optische Element (10a) zumindest eines von den folgenden Elementen umfasst oder ein Teil von zumindest einem der folgenden Elemente ist: einen Spiegel, einen Umlenkspiegel, einen Galvanospiegel, ein transmissives optisches Element, ein Schutzglas, ein optisches Element mit zumindest einer Planfläche, ein optisches Element mit Brechkraft, eine Linse, eine plankonkave Linse, eine plankonvexe Linse, eine Linsengruppe, eine Fokussierlinse, eine Fokussieroptik, eine Fokussierlinsengruppe, eine Kollimationslinse, eine Kollimationsoptik, eine Kollimationslinsengruppe, eine Strahlformungsoptik, ein Zoom-Optik, ein afokales Teleskop, ein F-Theta-Objektiv, und ein telezentrisches Objektiv.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite optische Element (10b) zumindest eines von den folgenden Elementen umfasst oder ein Teil von zumindest einem der folgenden Elemente ist: ein in einem divergenten und/oder konvergenten Bereich des Strahlengangs (31) angeordnetes optisches Element, ein transmissives optisches Element, ein Schutzglas, ein optisches Element mit zumindest einer Planfläche, ein optisches Element mit Brechkraft, eine Linse, eine plankonkave Linse, eine plankonvexe Linse, eine Linsengruppe, eine Fokussierlinse, eine Fokussieroptik, eine Fokussierlinsengruppe, eine Kollimationslinse, eine Kollimationsoptik, eine Kollimationslinsengruppe, eine Strahlformungsoptik, ein Zoom-Optik, ein afokales Teleskop, ein F-Theta-Objektiv, und ein telezentrisches Objektiv.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (201) zumindest eine Öffnung (202, 203) zum Eintritt und/oder Austritt des Laserstrahls (3) und zumindest ein Dichtungselement (803) aufweist, wobei das erste optische Element (10b) ausgebildet ist, um die Öffnung zusammen mit dem Dichtungselement (803) abzudichten.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend zumindest ein drittes optisches Element (10c) mit mindestens einer Oberfläche (101a) mit antireflektiver Struktur (102) zur Reduktion von Rückreflexen, wobei das zumindest eine dritte optische Element (10c) ein Schutzglas umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, ferner umfassend eine Lichtleitfaser (50) zum Einführen des Laserstrahls (3) in die Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei das zumindest eine dritte optische Element (10c) als erstes optisches Element im Strahlengang (31) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (3) nach einem Faserende (501) der Lichtleitfaser (50) angeordnet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das zumindest eine dritte optische Element (10c) im Strahlengang (31) als letztes optisches Element und/oder in einem Bereich einer Austrittsöffnung (202) des Laserbearbeitungskopfes (20) oder daran angrenzend angeordnet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das zumindest eine dritte optische Element (10c) in einem divergenten Bereich des Strahlengangs (31) angeordnet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß Anspruch 8 oder 10, wobei das zumindest eine dritte optische Element (10c) in einem konvergenten Bereich des Strahlengangs (31) angeordnet ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (101a) des optischen Elements (10, 10a, 10b, 10c) mit der antireflektiven Struktur (102) einen Reflexionsgrad von 0,1 % oder weniger für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich aufweist, und/oder wobei die Oberfläche (101a) des optischen Elements (10, 10a, 10b, 10c) mit der antireflektiven Struktur (102) eingerichtet ist, um Rückreflexe zu reduzieren.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Reflexionsgrad der Oberfläche (101a) des optischen Elements (10, 10a, 10b, 10c) mit der antireflektiven Struktur (102) für eine Wellenlänge von 1 µm, 1030 nm, 400 nm und/oder 515 nm und/oder für Wellenlängen in mindestens einem der folgenden Bereiche minimal ist: 350 nm oder größer, 5 µm oder kleiner, von 350 nm bis 1600 nm, von 400 nm bis 500 nm, von 400 nm bis 1100 nm, von 400 nm bis 1500 nm, von 400 nm bis 1600 nm, von 1030 nm bis 1090 nm, von 1070 nm bis 1090 nm, von 900 nm bis 1000 nm, von 900 nm bis 1100 nm, von 1 µm bis 5 µm, und von 350 nm bis 5 µm.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eingerichtet ist, den Laserstrahl (3) mit einer Energiedichte von 1 mJ/cm² oder größer, auf das Werkstück (2) zu richten, gemessen auf einer Oberfläche des Werkstücks (2) und/oder ferner umfassend eine Laserquelle zum Erzeugen des Laserstrahls (3) wobei die Laserquelle eingerichtet ist, den Laserstrahl (3) mit einer Leistung von 1 kW oder größer zu erzeugen.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die antireflektive Struktur (102) Merkmale (103) aufweist, die gleich groß oder kleiner als 1 µm und/oder als eine Wellenlänge des Laserstrahls (1) sind.
Laserbearbeitungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite optische Element (10a) ein abdichtendes optisches Element ist oder umfasst.