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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen, insbesondere zur Lasermaterialbearbeitung, wobei die Vorrichtung mehrere Laserstrahlquellen oder Anschlüsse für Lichtleitfasern, eine Scaneinrichtung, mit der von den Laserstrahlquellen emittierte oder aus den Lichtleitfasern austretende Laserstrahlen über die Zielebene geführt werden können, und eine Fokussieranordnung aufweist, mit der die Laserstrahlen auf die Zielebene fokussierbar sind.
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Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung ist die Prozessgeschwindigkeit durch unterschiedliche Einflüsse begrenzt. Zum einen kann der Bearbeitungsprozess selbst die Geschwindigkeit begrenzen. Dies ist beispielsweise beim Prozess des selektiven Laserschmelzens (LPBF: Laser Powder Bed Fusion) der Fall, bei dem die Umschmelzung eines Metallpulvers in der Praxis mit einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 1 m/s erfolgen kann. Zum anderen kann auch die verfügbare Laserleistung oder die Trägheit des Strahlablenkungssystems die Prozessgeschwindigkeit begrenzen. Eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit ist jedoch gerade bei Einsatz der Lasermaterialbearbeitung im industriellen Umfeld sehr wichtig.
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Stand der Technik
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Der bisher bei der Lasermaterialbearbeitung verfolgte Ansatz besteht darin, die Prozessgeschwindigkeit durch Parallelisierung, also gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen, zu erhöhen. Für diese Parallelisierung sind unterschiedliche Techniken bekannt.
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So ist es beispielsweise bekannt, einen Laserstrahl durch Beugung an einem diffraktiven optischen Element (DOE) in mehrere Teilstrahlen aufzuspalten und über einen Scanner auf das Werkstück zu richten. Die Teilstrahlen können hierbei jedoch nicht getrennt voneinander räumlich und zeitlich moduliert werden, so dass die Anwendungsbandbreite dieser Technik begrenzt ist.
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Für eine breitere Anwendung wird auch eine Bearbeitung auf Basis mehrerer, parallel angeordneter Diodenlaser vorgeschlagen. Die Strahlformung und Führung erfolgen dabei jeweils für jede Laserstrahlquelle über ein eigenes optisches System und einen eigenen Galvanometerscanner.
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Aus der 10 2013 011 676 DE A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung bekannt, bei denen in einem Bearbeitungskopf mehrere voneinander getrennte Laserstrahlen geführt und nebeneinander und/oder überlappend auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden. Der Bearbeitungskopf wird mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung über die Bearbeitungsebene bewegt, während die voneinander getrennten Laserstrahlen voneinander unabhängig in der Intensität moduliert werden können, um die gewünschte Belichtungsgeometrie zu erhalten. Eine ähnliche Technik ist auch in der
US 2017 / 0 021 454 A1 beschrieben.
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Im Rahmen des Integrationsprojektes FutureAM (https://www.futuream.fraunhofer.de) wird ein System mit fünf nebeneinander angeordneten Scan-Köpfen realisiert. Mit jedem Laserstrahl wird dabei ein bestimmter Bearbeitungsbereich in der Zielebene abgedeckt. Es soll ein möglichst großer Überlapp der Bearbeitungsbereiche der Laserstrahlen der einzelnen Scan-Köpfe erreicht werden. Das System enthält fünf Faserlaser, deren Laserstrahlung jeweils kollimiert und über je einen 2D-Galvanometer-Scanner und je ein F-Theta-Objektiv auf die Zielebene gerichtet wird.
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In der nachveröffentlichten
DE 10 2019 204 032 A1 wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung beschrieben, bei der die aus einem Faserarray austretenden Laserstrahlen über eine gemeinsame Scaneinrichtung über die Zielebene geführt werden. Zwischen dem Faserarray und der Scaneinrichtung ist in einer Ausgestaltung der Vorrichtung ein drehbares Dove-Prisma angeordnet, mit dem die aus dem Faserarray resultierende Verteilung der Laserstrahlen um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse drehbar ist.
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Die
WO 2018/ 093 504 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Abtastung einer Zielebene mit zwei Laserstrahlen für die Lasermaterialbearbeitung. Die beiden Laserstrahlen werden vor dem Auftreffen auf eine gemeinsame Scaneinrichtung über eine optische Anordnung zusammengeführt, die einen beweglichen Ablenkspiegel aufweist, mit dem auch eine gegenseitige Lage der beiden Laserstrahlen in der Zielebene dynamisch veränderbar ist. Eine ähnlich aufgebaute Vorrichtung ist auch aus der
DE 10 2016 014 564 A1 bekannt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Abtasten einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen anzugeben, das eine parallelisierte Lasermaterialbearbeitung mit hoher Flexibilität ermöglicht und sich kostengünstig realisieren lässt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der mit dem Verfahren betriebenen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Die bei dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzte Vorrichtung zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen weist eine Anordnung aus mehreren Laserstrahlquellen oder eine Anordnung aus mehreren Anschlüssen für Lichtleitfasern auf, über die Laserstrahlung in die Vorrichtung eingekoppelt werden kann. Die Laserstrahlquellen, bspw. Dioden- oder Faserlaser, oder Anschlüsse für Lichtleitfasern sind hierbei vorzugsweise nebeneinander angeordnet. Im Falle einer Anordnung aus Faseranschlüssen können die Lichtleitfasern und Laserstrahlquellen sowohl Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung sein oder auch getrennt von der Vorrichtung bereitgestellt werden, um dann Laserstrahlung über die Lichtleitfasern in die Vorrichtung einzukoppeln. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Fokussieranordnung auf, mit der von den Laserstrahlquellen emittierte oder aus den Lichtleitfasern austretende Laserstrahlen auf die Zielebene fokussierbar sind, sowie eine allen Laserstrahlen gemeinsame, vorzugsweise spiegelbasierte oder transmittierende, Scaneinrichtung, mit der die Laserstrahlen über die Zielebene geführt werden können. Unter der spiegelbasierten Scaneinrichtung ist hierbei eine Scaneinrichtung zu verstehen, bei der die Strahlablenkung über bewegte Spiegel erfolgt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein konventionelles dynamisches Strahlablenksystem, wie bspw. einen Galvanometer- oder einen Polygonscanner. Transmittierende Scaneinrichtungen sind z.B. rotierende Keilplatten. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist weiterhin eine Anordnung zur Zusammenführung der Laserstrahlen auf, die zwischen den Laserstrahlquellen oder Faseranschlüssen und der Scaneinrichtung angeordnet ist und über einen oder mehrere bewegliche Ablenkspiegel verfügt, mit denen eine gegenseitige Lage bzw. Position der Laserstrahlen in der Zielebene ein- oder zweidimensional dynamisch veränderbar ist. Unter der Zusammenführung der Laserstrahlen ist hierbei zu verstehen, dass die Laserstrahlen nach dem Durchgang durch die Anordnung im gesamten weiteren Verlauf bis zur Zielebene enger beieinander liegen, also einen geringeren gegenseitigen Abstand aufweisen als beim Austritt aus den Laserstrahlquellen - bei Nutzung von Laserstrahlquellen ohne Lichtleitfasern - oder aus den Lichtleitfasern. Die Laserstrahlen können dabei je nach Ausgestaltung der Vorrichtung auch vollständig oder teilweise überlappen.
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Der eine oder die mehreren beweglichen Ablenkspiegel, deren Anzahl in Abhängigkeit der Anzahl der Laserstrahlen gewählt wird, weisen einen vorzugsweise motorischen Antrieb auf, um die gegenseitige Lage der Laserstrahlen bzw. daraus resultierenden Laserspots in der Zielebene ein- oder zweidimensional dynamisch verändern zu können. Die Ablenkspiegel sind hierzu in wenigstens einer Dimension dreh- oder kippbar, vorzugsweise in zwei zueinander senkrechten Dimensionen.
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In einer Ausgestaltung sind der eine oder die mehreren beweglichen Ablenkspiegel und ggf. ein oder mehrere weitere optische Strahlumlenkelemente, insbesondere Prismen und/oder Spiegel, so angeordnet, dass die Zusammenführung der Laserstrahlen alleine durch die Anordnung dieser Ablenkspiegel und Strahlumlenkelemente erfolgt, also keine weiteren Voraussetzungen, wie bspw. unterschiedliche Polarisationen oder spektrale Zusammensetzungen der Laserstrahlen, erfordert. Dies wird in der vorliegenden Patentanmeldung auch als räumliche Zusammenführung bezeichnet.
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In einer alternativen Ausgestaltung werden Laserstrahlquellen eingesetzt, die Laserstrahlen mit unterschiedlicher Zentralwellenlänge emittieren. Die Anordnung zur Zusammenführung der Laserstrahlen weist dann einen oder mehrere auf die unterschiedlichen Zentralwellenlängen abgestimmte dichroitische Spiegel auf, durch die die Laserstrahlen - vorzugsweise wenigstens drei Laserstrahlen - zusammengeführt werden. Vorzugsweise sind hierbei ein oder mehrere der beweglichen Ablenkspiegel durch derartige dichroitische Spiegel gebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine engere Zusammenführung der Laserstrahlen als bei der vorangehend beschriebenen Ausgestaltung, lässt sich also kompakter realisieren, erfolgt vorzugsweise ohne polarisationsoptische Elemente, und wird in der vorliegenden Patentanmeldung auch als spektrale Zusammenführung bezeichnet.
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Bei lediglich zwei getrennten Laserstrahlen können diese auch unterschiedlich polarisiert und über polarisationsoptische Elemente zusammengeführt werden.
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Mit der bei dem Verfahren eingesetzten Vorrichtung wird die Laserstrahlung mehrerer Laserstrahlquellen - vorzugsweise räumlich oder spektral - zusammengeführt und über eine gemeinsame dynamische Ablenkeinheit bzw. Scaneinrichtung und eine gemeinsame Fokussieranordnung in die Zielebene abgebildet. So stehen bei der Lasermaterialbearbeitung in einem Bearbeitungsfeld mehrere Laserspots für die Bearbeitung zur Verfügung. Die Position der Laserspots zueinander kann über die beweglichen Ablenkspiegel hochdynamisch variiert werden. Dadurch kann beispielsweise eine reihenförmige Anordnung von Laserspots beliebig gedreht werden, um z. B. mit dem vorgeschlagenen Verfahren die durch einen 2D-Galvano-Scanner als spiegelbasierter Scaneinrichtung verursachte Drehung der Abbildung in Echtzeit zu kompensieren. Die Vorrichtung ermöglicht die räumliche Skalierung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung in Materialbearbeitungsprozessen, bspw. beim Materialabtrag mittels Ultrakurzpuls-Laserstrahlung oder beim LPBF, und damit die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit. Die einzelnen Laserspots in der Zielebene können durch geeignete Ausbildung oder geeigneten Einsatz optischer Elemente im Strahlweg der Laserstrahlen auch eine unterschiedliche Größe aufweisen.
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Mit der bei dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzten Vorrichtung können nahezu alle Laserbearbeitungsprozesse wie z.B. LPBF, Strukturieren, Abtragen oder Schweißen parallelisiert werden. Im Gegensatz zu bestehenden technischen Lösungen erfolgt die Strahlablenkung verschiedener, individuell modulierbarer Laserquellen über ein gemeinsames Strahlablenkungssystem. Daraus folgen die Vorteile einer mechanisch weniger komplexen Anordnung, die geringeren Bauraum beansprucht und kostengünstiger zu realisieren ist. Die Vorrichtung ist hinsichtlich der Art der Strahlquellen und somit auch hinsichtlich des Einsatzgebietes flexibel. So können sowohl in Multimode-Fasern eingekoppelte Diodenlaser, Singlemode-Faserlaser als auch in photonische Fasern eingekoppelte Ultra-Kurzpuls-Laser verwendet werden. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung. Die Vorrichtung lässt sich mit geringem Bauraum realisieren. Für die Strahlablenkung und Strahlformung können preiswerte Standardkomponenten verwendet werden, die auch bei Einzelstrahl-Systemen verwendet werden (Kollimator, F-Theta-Objektiv, Fokussieroptik).
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Die optische Ausgangsleistung der einzelnen Laserstrahlen kann über die zugrundeliegenden Laserquellen oder diesen vorgeschaltete Modulatoren individuell moduliert werden, so dass auch einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden können. Effektiv kann auf diese Weise z. B. die Gesamt-Spurbreite der in der Zielebene aus den einzelnen Laserspots erzeugten Intensitätsverteilung variiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die bei dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzte Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung in Außenansicht;
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bei räumlicher Zusammenführung der Laserstrahlen;
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bei räumlicher Zusammenführung der Laserstrahlen;
- 4 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bei räumlicher Zusammenführung der Laserstrahlen;
- 5 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bei spektraler Zusammenführung der Laserstrahlen;
- 6 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bei spektraler Zusammenführung der Laserstrahlen;
- 7 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung bei spektraler Zusammenführung der Laserstrahlen;
- 8 eine schematische Darstellung der wellenlängenabhängigen Transmission und Reflexion der wellenlängenselektiven Spiegel der vorangegangenen drei Figuren;
- 9 eine schematische Darstellung beispielhafter Bearbeitungsspuren bei zeilenweiser Abtastung der Bearbeitungsebene (Teilabbildung a), einer Drehung der Laserspotverteilung um 90° (Teilabbildung b) und der Bearbeitungsspuren bei spaltenweiser Abtastung der Bearbeitungsebene mit der neu ausgerichteten Laserspotverteilung (Teilabbildung c);
- 10 eine schematische Darstellung der relativen Verschiebung der Laserspots in der Bearbeitungsebene abhängig von den individuellen Ablenkwinkeln (Teilabbildung a) und der Ablenkung der Laserspots durch die gemeinsame Ablenkeinheit (Teilabbildung b); und
- 11 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Laserspots mit unterschiedlicher Größe und eines Prüfspots in der Bearbeitungsebene.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Lasermaterialbearbeitung mit mehreren nebeneinander angeordneten oder auch teilweise überlappenden Laserspots, die durch eine gemeinsame Strahlformung und mittels einer gemeinsamen Ablenk- bzw. Scaneinrichtung über das Werkstück bzw. die Bearbeitungsfläche geführt werden.
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1 zeigt hierzu eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der bei dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzten Vorrichtung in Außenansicht für drei Laserkanäle bzw. Laserstrahlen. In der Figur sind drei Faserstecker FS1, FS2, FS3 mit davor angeordneten Kollimatoren K1, K2, K3 zu erkennen, über die drei Laserstrahlen in die Anordnung zur Zusammenführung der Laserstrahlen OG eingekoppelt werden. In dieser Anordnung werden die Laserstrahlen gegenüber ihrem ursprünglichen Abstand näher zusammengeführt und über eine gemeinsame spiegelbasierte Ablenkeinheit AE und eine gemeinsame Fokussieroptik, in diesem Beispiel ein F-Theta-Objektiv FTO, auf die Bearbeitungsebene BE gerichtet. In dieser Bearbeitungsebene können die Laserspots LS1, LS2, LS3 der Laserstrahlen dann entlang der gewünschten Bahnen parallel geführt werden, wie dies in 1 schematisch angedeutet ist. Die in der Bearbeitungsebene erkennbare Drehung der Anordnung der Laserspots um etwa 90° kann über die beweglichen Ablenkspiegel der Anordnung OG realisiert werden. Der innere Aufbau einer derartigen Anordnung, auch in abgewandelter Form, ist in den nachfolgenden Figuren beispielhaft dargestellt.
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Dabei werden jeweils mehrere, vorzugsweise fasergekoppelte, Strahlquellen ein- oder zweidimensional angeordnet. 2 zeigt dies für den Fall von drei Strahlquellen, die in der vorgeschlagenen Vorrichtung räumlich zusammengeführt werden. Die Laserstrahlung tritt über die Faserstecker FS1, FS2, FS3 aus, wird über die Kollimatoren K1, K2, K3 kollimiert und über die motorisierten, beweglichen Spiegel BS1, BS2, BS3, die Ablenkeinheit AE und das F-Theta-Objektiv FTO in die Bearbeitungsebene BE abgebildet, in der die Laserspots LS1, LS2, LS3 erhalten werden. In der Grundkonfiguration dieser Ausgestaltung lenken die beweglichen Spiegel BS die Strahlung um 90° um. Die Laserstrahlung der einzelnen Kanäle kann dabei wie im vorliegenden Beispiel auf nebeneinanderliegenden Laserspots in die Bearbeitungsebene BE abgebildet werden oder auch auf einen gemeinsamen Laserspot. Über die voneinander unabhängige Bewegung der Ablenkspiegel BS1, BS2, BS3 kann die relative Lage der Laserspots LS1, LS2, LS3 zueinander in der Bearbeitungsebene BE dynamisch geändert werden. Die spiegelbasierte Ablenkeinheit AE ist in diesem und auch in den nachfolgenden Beispielen durch einen 2D-Galvano-Scanner mit zwei in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen hintereinander angeordneten Spiegeln gebildet, die in der Figur erkennbar und um zueinander senkrechte Achsen kippbar sind.
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Die beweglichen Spiegel BS1, BS2, BS3 können in diesem Beispiel um zwei Achsen verkippt werden, so dass der jeweiligen Laserstrahlung ein zusätzlicher Ablenkwinkel α, β aufgeprägt wird. Diese Winkel werden durch die Abbildungs- bzw. Fokussieroptik (F-Theta-Objektiv oder Vorfokussierung mit Fokusshifter) in eine Ablenkung Δx', Δy' des Laserspots in der Bearbeitungsebene übersetzt, wie dies bspw. in 10a zu erkennen ist. In diesem Beispiel wird angenommen, dass der mittlere Laserspot LS2 von einem Laserstrahl stammt, der nicht über einen beweglichen Ablenkspiegel abgelenkt wurde. Für die Veränderung der relativen Lage der Laserspots zueinander reicht die Ablenkung der Laserstrahlen der beiden benachbarten Laserspots LS1, LS3 über bewegliche Ablenkspiegel aus. Die so definiert erzeugte Anordnung der Laserspots LS1, LS2, LS3 wird mittels der Ablenkeinheit AE in der gemeinsamen Ablenkrichtung GAR über die Bearbeitungsebene BE geführt, wie dies in der 10b veranschaulicht ist.
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9 zeigt ebenfalls eine mit der Vorrichtung erzeugbare Anordnung von Laserspots in der Bearbeitungsebene, die mittels der Ablenkeinheit AE in der gemeinsamen Ablenkrichtung GAR über die Bearbeitungsebene geführt wird. In 9a ist dies für drei aneinandergereihte Laserspots dargestellt. Hier werden zunächst in vertikaler Anordnung der Laserspots zeilenweise die Bearbeitungsspuren BSP1, BSP2, BSP3 in der Bearbeitungsebene erzeugt. Anschließend werden die Laserspots durch die beweglichen Ablenkspiegel BS horizontal ausgerichtet und das zu bearbeitende Feld vertikal abgefahren ( 9c). 9b deutet schematisch die entsprechende Drehung der Anordnung der Laserspots LS1, LS2, LS3 für die Neuausrichtung an. Im Vergleich zur Bearbeitung mit nur einem Laserspot wird hierdurch die Prozesszeit auf ein Drittel reduziert.
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Die Fokussierung bzw. Abbildung in die Bearbeitungsebene erfolgte bei der Ausgestaltung der 2 mit einem F-Theta-Objektiv. Alternativ kann auch ein Vorfokussierungssystem bestehend aus Fokusshifter FS und Fokuslinse FL anstelle des F-Theta-Objektivs der 2 eingesetzt werden, wie dies in 3 schematisch dargestellt ist. Die Fokussierlinse FL kann auch bereits Teil des Fokusshifters FS sein.
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4 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung der Vorrichtung mit zwei Laserkanälen, bei der eine räumliche Zusammenführung der Laserstrahlen erfolgt. In diesem Beispiel wird die Laserstrahlung von zwei Faserlasern, welche über die Kollimatoren K1, K2 austritt, über die gemeinsame Ablenkeinheit AE und ein F-Theta-Objektiv FTO in die Bearbeitungsebene BE abgebildet. Die Strahlung des ersten Lasers wird über den beweglichen Spiegel BS1, in diesem Beispiel ein Fast-Steering-Mirror, und den festen Spiegel S1 an die optische Achse des zweiten Lasers herangeführt. Die Strahlung des zweiten Lasers tritt ohne zusätzliche Ablenkung in die Ablenkeinheit AE ein. Durch die Auslenkung des beweglichen Spiegels BS1 um die Winkel α, β kann der Laserspot LS1 in der Bearbeitungsebene definiert um den Laserspot LS2 angeordnet werden. Beide Laserspots LS1, LS2 werden synchron mittels der Ablenkeinheit AE dynamisch in die gemeinsame Ablenkrichtung GAR abgelenkt, also in dieser Richtung über die Bearbeitungsebene geführt.
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Bei der bisher beschriebenen räumlichen Zusammenführung wächst der Durchmesser des von den Laserstrahlen benötigten Raums mit der Anzahl der Laserkanäle. Dadurch müssen die Aperturen der Ablenkeinheit AE und der Fokussieroptiken (F-Theta-Objektiv, Fokusshifter, Fokussierlinse) ebenfalls steigen. Dies führt zu höheren Kosten und wirkt sich auch auf Gewicht, Bauraum und Dynamik aus. Diesen Nachteil überwindet eine spektrale Zusammenführung der Laserstrahlen. Dies ist am Beispiel von drei Laserkanälen in den 5 bis 7 gezeigt. Die drei Laserstrahlquellen weisen dabei unterschiedliche Zentralwellenlängen auf, bspw. λ1 = 1060 nm, λ2 = 1070 nm, λ3 = 1080 nm, bei Linienbreiten von in diesem Beispiel 5 nm. Die über die Kollimatoren K1, K2, K3 kollimierte Laserstrahlung trifft im Beispiel der 5 zunächst jeweils auf die beweglichen Spiegel BS1 und die beweglichen wellenlängenselektiven Spiegel BWSS2 und BWSS3. Die beweglichen Spiegel BWSS sind hier zusätzlich als Kantenfilter ausgeführt, die jeweils die von oben kommende Laserstrahlung reflektieren und die von links kommende Strahlung transmittieren.
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Die Transmissions- und Reflexionsprofile der BWSS sind in 8 schematisch dargestellt. Die Abstände und Steigungen der Bandkanten-Profile müssen so gewählt werden, dass sowohl die spektrale Breite der Emissionsprofile der Laserstrahlquellen als auch der veränderte Einfallswinkel berücksichtigt werden. Die Rückseiten der BWSS sind dementsprechend für die transmittierende Laserstrahlung mit einer Anti-Reflex-Beschichtung versehen. Anhand des Kantenverlaufs der spektralen Durchlässigkeit bzw. spektralen Reflexion der Spiegel in 8 ist deutlich ersichtlich, dass sich Laserstrahlen mit den Zentralwellenlängen λ1, λ2 und λ3 durch eine Kombination dieser Spiegel ohne nennenswerte Verluste überlagern lassen.
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In der Ausgestaltung der 5 erfolgt die Abbildung in die Bearbeitungsebene BE mit einem F-Theta-Objektiv FTO. Alternativ kann auch ein Vorfokussierungssystem bestehend aus Fokusshifter FS und Fokuslinse FL eingesetzt werden, wie dies in 6 beispielhaft dargestellt ist. Die Fokussierlinse FL kann auch bereits Teil des Fokusshifters FS sein.
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7 zeigt eine alternative Anordnung zur spektralen Überlagerung von drei Laserkanälen. Hier sind die wellenlängenselektiven Spiegel WSS (Kantenfilter) fest angeordnet, während die Strahlablenkung über die beweglichen Spiegel BS2 und BS3 erfolgt.
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Die Motorisierung der beweglichen Spiegel BS bzw. BWSS kann in allen Ausgestaltungen der bei dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzten Vorrichtung auf unterschiedliche Weise realisiert werden, beispielsweise durch einen Voice-Coil- oder einen Piezoantrieb.
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Die Vorrichtung lässt sich auch in einer Art und Weise verwenden, bei der einer oder mehrere der Laserkanäle für eine optische Messung genutzt wird. Dies wird anhand von 11 kurz erläutert. Analog zu den Laserspots LS1, LS2 wird hierbei die Strahlung eines Messsystems, bspw. eines OCT-Sensors, mit der vorgeschlagenen Vorrichtung auf einen Prüfspot PS3 in der Bearbeitungsebene BE abgebildet. Der Rückreflex dieses Prüfspots rückwärts über das optische System der Vorrichtung steht dann für Messungen, bspw. eine Messung der Oberflächen-Topologie, zur Verfügung. Der Prüfspot PS3 kann mit der Vorrichtung definiert um die Laserspots LS herum angeordnet bzw. bewegt werden. Die Figur veranschaulicht auch die Möglichkeit der Ausbildung der Laserspots in unterschiedlicher Größe.
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Bezugszeichenliste
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- FS1
- Faserstecker 1
- FS2
- Faserstecker 2
- FS3
- Faserstecker 3
- K1
- Kollimator 1
- K2
- Kollimator 2
- K3
- Kollimator 3
- BS1
- beweglicher Spiegel 1
- BS2
- beweglicher Spiegel 2
- BS3
- beweglicher Spiegel 3
- AE
- Ablenkeinheit
- FTO
- F-Theta-Objektiv
- BE
- Bearbeitungsebene
- LS1
- Laserspot 1
- LS2
- Laserspot 2
- LS3
- Laserspot 3
- α, β
- Ablenkwinkel der beweglichen Spiegel
- OG
- Anordnung zur Zusammenführung
- FL
- Fokussierlinse
- FS
- Fokusshifter
- BWSS1
- beweglicher wellenlängenselektiver Spiegel 1
- BWSS2
- beweglicher wellenlängenselektiver Spiegel 2
- BWSS3
- beweglicher wellenlängenselektiver Spiegel 3
- λ
- Zentralwellenlänge des Laserkanals
- WSS2
- wellenlängenselektiver Spiegel 2
- WSS3
- wellenlängenselektiver Spiegel 3
- S1
- Spiegel 1
- x', y'
- Koordinaten in der Bearbeitungsebene
- BSP1
- Bearbeitungsspur 1
- BSP2
- Bearbeitungsspur 2
- BSP3
- Bearbeitungsspur 3
- GAR
- gemeinsame Ablenkrichtung
- Δx'
- relativer Versatz in x'-Richtung
- Δy'
- relativer Versatz in y'-Richtung
- PS3
- Prüfspot 3
