DE102021108759A1

DE102021108759A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Polarisation eines Laserstrahls, der einen undefinierten Polarisationszustand aufweist

Info

Publication number: DE102021108759A1
Application number: DE102021108759.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lehleiter; Christian Schmittner
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2021-04-08
Filing date: 2021-04-08
Publication date: 2022-10-13
Also published as: US20240033851A1; CN117120205A; WO2022214366A3; WO2022214366A2

Abstract

Bereitgestellt wird eine Vorrichtung (1) zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls (51), der einen undefinierten Polarisationszustand aufweist, die Vorrichtung (1) umfassend: Eine Strahlaufteilungseinrichtung (10) zur Aufteilung des Lasereingangsstrahls (51) in einen ersten Teilstrahl (52a), der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist, und einen zweiten Teilstrahl (52b), der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist; Ein Polarisationsänderungselement (20) zur Veränderung des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen (52a, 52b), sodass beide Teilstrahlen (52a, 52b) den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen; Ein Fokussierelement (30); und Ein Lichtleitelement (40), wobei das Fokussierelement (30) dazu ausgebildet ist, die beiden Teilstrahlen (52a, 52b) in das Lichtleitelement (40) einzukoppeln und wobei das Lichtleitelement (40) eine Länge (L) aufweist, die groß genug ist, damit die beiden Teilstrahlen (52a, 52b) innerhalb des Lichtleitelements (40) zu einem radialsymmetrischen Laserausgangsstrahl (53) kombiniert werden und die klein genug ist, damit der definierte Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen (52a, 52b) im Laserausgangsstrahl (53) im Wesentlichen erhalten bleibt. Ferner wird eine Laserbearbeitungsanlage (100) bereitgestellt, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung (1) umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Polarisation eines Laserstrahls, sowie eine die Vorrichtung umfassende Laserbearbeitungsanlage.
Stand der Technik
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls spielt die Polarisation des Laserstrahls eine wichtige Rolle. Durch einen definierten Polarisationszustand des Laserstrahls lassen sich bestimmte Wechselwirkungen zwischen Laserstrahl und Werkstück gezielt ausnutzen, um zum Beispiel den Energieeintrag in das Werkstück durch eine angepasste (z.B. eine erhöhte) Absorption der Laserstrahlung zu optimieren.
Bei der Materialbearbeitung mittels Festkörperlasern wird heutzutage größtenteils mit unpolarisierter Strahlung gearbeitet. Das liegt unter anderem daran, dass die Transportfasern, die den Laserrohstrahl von der Laserquelle zu der Bearbeitungsoptik leiten und die typischerweise Längen von mindestens 20 m aufweisen, einen definierten Polarisationszustand nicht übertragen können.
Die Polarisation eines unpolarisierten oder zufällig polarisierten Laserstrahls in der Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsanlage ist zwar möglich, in der Regel aber mit einem großen Energieverlust verbunden. So kann ein Laserstrahl, der keinen definierten Polarisationszustand aufweist, mittels eines Strahlteilers in zwei polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt werden. Da eine Zusammenführung der beiden Teilstrahlen zu einem polarisierten Bearbeitungsstrahl (bzw. Laserausgangsstrahl) nicht ohne Weiteres möglich ist, wird nur einer der Teilstrahlen als Arbeitsstrahl verwendet. Rund 50 % der Energie des Eingangsstrahls gehen also verloren.
In der CN 1484065 A wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein einfallender unpolarisierter Lichtstrahl in zwei unterschiedlich polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird, die mittels optischer Elemente wieder zusammengeführt werden. Die Aufteilung des einfallenden Lichtstrahls erfolgt mittels eines doppelbrechenden Elements. Mittels einer Wellenplatte (auch als Wellenplättchen bezeichnet) wird der Polarisationszustand eines der Teilstrahlen gedreht, sodass beide Teilstrahlen den gleichen Polarisationszustand aufweisen. Beide Teilstrahlen werden dann über eine Linse und ein K-förmiges Prisma wieder zusammengeführt.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass der resultierende Ausgangsstrahl kein rotationssymmetrisches Strahlprofil aufweist. Im Wesentlichen bestehen die beiden Teilstrahlen örtlich nebeneinander bzw. sich teilweise überschneidend weiter, ohne sich zu einem gemeinsamen Ausgangsstrahl zu „vermischen“.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll es ermöglicht werden, einen Lasereingangsstrahl, der keinen definierten Polarisationszustand aufweist, ohne Leistungsverlust derart zu modifizieren, dass er einen im Wesentlichen definierten Polarisationszustand, sowie ein radialsymmetrisches Strahlprofil aufweist.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem Aspekt eine Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangstrahls bereitgestellt, wobei der Lasereingangsstrahl einen undefinierten Polarisationszustand aufweist. Die Vorrichtung umfasst eine Strahlaufteilungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Lasereingangsstrahl in einen ersten Teilstrahl, der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist, und in einen zweiten Teilstrahl, der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist, aufzuteilen. Ferner umfasst die Vorrichtung ein Polarisationsänderungselement zur Veränderung des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen, sodass beide Teilstrahlen den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen. Die Vorrichtung umfasst ein Fokussierelement, und ein Lichtleitelement. Das Fokussierelement ist dazu ausgebildet, die beiden Teilstrahlen in das Lichtleitelement einzukoppeln. Das Lichtleitelement weist eine Länge auf, die groß genug ist, damit die beiden Teilstrahlen innerhalb des Lichtleitelements zu einem radialsymmetrischen Laserausgangsstrahl kombiniert werden und die klein genug ist, damit der definierte Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen im Laserausgangsstrahl im Wesentlichen erhalten bleibt.
Ein radialsymmetrischer Laserausgangsstrahl mit einem definierten Polarisationszustand lässt sich beispielsweise problemlos mittels einer Wellenplatte drehen, sodass die Polarisationsrichtung an eine Vorschubrichtung bei der Materialbearbeitung angepasst werden kann.
Beispiele für Laserstrahlen, die einen undefinierten Polarisationszustand aufweisen, sind unpolarisierte oder zufällig polarisierte Laserstrahlen, bei denen der Polarisationszustand nicht bekannt ist.
Es versteht sich, dass die Komponenten der Vorrichtung vorzugsweise aufeinanderfolgend in der beschriebenen Reihenfolge in Ausbreitungsrichtung des Lasereingangsstrahls angeordnet sind.
Es versteht sich ferner, dass der Lasereingangsstrahl bzw. die Teilstrahlen zur Strahlübertragung mittels Lichtwellenleitern (wie das Lichtleitelement) geeignet sein müssen. Insbesondere kann der Lasereingangsstrahl ein Festkörperlaserstrahl sein.
Der Lasereingangsstrahl kann vorzugsweise in einem kollimierten Zustand auf die Strahlaufteilungseinrichtung gerichtet werden. Der Lasereingangsstrahl kann alternativ auch leicht divergent oder leicht konvergent verlaufen. Zur Bereitstellung eines kollimierten Lasereingangsstrahls kann eine Kollimationseinrichtung (z.B. in Form einer Linse oder eines Spiegels) vorgesehen sein, das den Lasereingangsstrahl vor dem Eintritt in die erfindungsgemäße Vorrichtung kollimiert.
Die Formulierung, nach der der definierte Polarisationszustand im Laserausgangsstrahl „im Wesentlichen erhalten bleibt“ ist so zu verstehen, dass der überwiegende Anteil (d.h. mindestens 50 %) des Laserausgangsstrahls den definierten Polarisationszustand der Teilstrahlen, oder einen geringfügig von diesem definierten Polarisationszustand abweichenden (z.B. leicht gedrehten) definierten Polarisationszustand, aufweist. Gemäß einer bevorzugten Variante kann der Anteil des definierten Polarisationszustands im Laserausgangsstrahl wenigstens 90 %, bevorzugter wenigstens 95 %, noch bevorzugter wenigstens 98 % betragen. Beispielsweise kann der Polarisationszustand eines (vollständig) s-polarisierten Teilstrahls im Laserausgangsstrahl als im Wesentlichen erhalten anzusehen sein, wenn der Laserausgangsstrahl noch zu 98 % s-polarisiert ist.
Die Übereinstimmung des Polarisationszustandes des Laserausgangsstrahls mit dem definierten Polarisationszustand der Teilstrahlen lässt sich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung insbesondere anhand des Polarisationsgrades des Laserausgangsstrahls bestimmen. Dabei ist davon auszugehen, dass der Polarisationsgrad (P) der Teilstrahlen P=1 ist. Der Polarisationsgrad kann anhand der Stokes-Parameter ermittelt werden, wie beispielsweise in Edward Collett (2005), Field Guide to Polarization, SPIE Press, S. 39 ff. beschrieben.
Vorzugsweise kann die Strahlaufteilungseinrichtung ferner dazu ausgebildet, den ersten Teilstrahl und/oder den zweiten Teilstrahl derart abzulenken, dass beide Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Formulierung „im Wesentlichen parallel“ ist in diesem Fall so zu verstehen, dass eine Abweichung von der exakt parallelen Lage umfasst ist, solange die beiden Teilstrahlen mittels des Fokussierelements in das Lichtleitelement einkoppelbar sind. Eine Abweichung von bis zu 2 ° kann beispielsweise von der Formulierung umfasst sein.
Gemäß einer Variante kann die Länge des Lichtleitelements höchstens 500 mm, bevorzugt höchstens 100 mm, noch bevorzugter höchstens 50 mm betragen.
In manchen Anwendungsbereichen kann es ferner vorteilhaft sein, wenn das Lichtleitelement eine Länge von einem oder wenigen Metern aufweist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der definierte Polarisationszustand der Teilstrahlen im Laserausgangstrahl mit zunehmender Länge des Lichtleitelements verloren geht. Je kürzer also das Lichtleitelement ist, desto besser bleibt der definierte Polarisationszustand der Teilstrahlen im Laserausgangsstrahl erhalten. Beispielsweise kann der Polarisationszustand des Laserausgangsstrahls bei einer Länge des Lichtleitelements von 50 mm noch zu etwa 98 % dem definierten Polarisationszustand der Teilstrahlen entsprechen. Bei einer Länge des Lichtleitelements von 1 m kann dieser Wert noch immer über 90 % betragen. Es versteht sich daher, dass die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung - wenn auch in abgeschwächter Form - bei der Verwendung eines wenige Meter langen (z.B. bis zu 10 m) Lichtleitelements noch deutlich zum Tragen kommen.
Ferner kann die Länge des Lichtleitelements mindestens 15 mm, vorzugsweise mindestens 20 mm, betragen. Je nach verwendetem Lichtleitelement ist eine vorgebbare Mindestlänge des Lichtleitelements erforderlich, um ein rotationssymmetrisches Strahlprofil des Laserausgangsstrahls zu gewährleisten.
Insgesamt kann es also vorteilhaft sein, wenn die Länge des Lichtleitelements so kurz wie möglich ist, um den definierten Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen im Laserausgangsstrahl soweit wie möglich aufrecht zu erhalten und so lang wie nötig, um eine hinreichende Rotationssymmetrie des Laserausgangsstrahls zu gewährleisten.
Das Fokussierelement und das Lichtleitelement können derart symmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen angeordnet sein, dass die Teilstrahlen unter demselben Winkel in das Lichtleitelement eingekoppelt werden.
Mit anderen Worten können das Fokussierelement und die Lichtleitfaser beide auf einer zentralen Achse im Strahlengang angeordnet sein, die mittig zwischen und parallel zu den Teilstrahlen verläuft. Wenn beide Teilstrahlen unter demselben Winkel in das Lichtleitelement einkoppeln, ergibt sich im Fernfeld des Laserausgangsstrahls ein ringförmiges Strahlprofil.
Gemäß einer alternativen Variante können das Fokussierelement und das Lichtleitelement derart asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen angeordnet sein, dass die Teilstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement eingekoppelt werden.
Bei dieser Variante können das Fokussierelement und das Lichtleitelement einen axialen Versatz zu der zentralen Achse aufweisen. Bei einem maximalen Versatz können das Fokussierelement und das Lichtleitelement auf der Strahlachse eines der Teilstrahlen liegen, sodass dieser Teilstrahl senkrecht in das Lichtleitelement eingekoppelt wird. Der andere Teilstrahl wird entsprechend unter einem vergleichsweise spitzen Winkel in das Lichtleitelement eingekoppelt. Bei einer solchen maximalen Asymmetrie der Einkopplung beider Teilstrahlen in das Lichtleitelement ergibt sich im Fernfeld des gebündelten Laserausgangsstrahls ein Strahlprofil mit einem zentralen Spot und einem äußeren Ring. Es versteht sich, dass zwischen der symmetrischen Anordnung und der maximal asymmetrischen Anordnung weitere asymmetrische Anordnungen des Fokussierelements und des Lichtleitelements möglich sind, die entsprechende Strahlprofile hervorrufen.
Es versteht sich ferner, dass der Einfallwinkel der Teilstrahlen in das Lichtleitelement zusätzlich durch den Abstand der Teilstrahlen zueinander und den Abstand zwischen Fokussierelement und Lichtleitfaser reguliert werden kann.
Zur Regulierung des Strahlprofils des Laserausgangsstrahls kann es daher vorgesehen sein, dass das Fokussierelement und das Lichtleitelement längs und/oder quer zur Strahlausbreitungsrichtung der Teilstrahlen verschieblich angeordnet sind.
Gemäß einer Variante kann die Strahlaufteilungseinrichtung einen Dünnfilmpolarisator und einen Spiegel umfassen. Der Dünnfilmpolarisator kann im Strahlengang des Lasereingangsstrahls winklig angeordnet sein, sodass ein erster Teil des Lasereingangsstrahls, der den ersten definierten Polarisationszustand aufweist, als erster Teilstrahl durch den Dünnfilmpolarisator transmittiert wird und ein zweiter Teil des Lasereingangsstrahls, der den zweiten definierten Polarisationszustand aufweist, als zweiter Teilstrahl an der Oberfläche des Dünnfilmpolarisators reflektiert wird. Der Spiegel kann winklig in dem Strahlengang eines der Teilstrahlen angeordnet sein, um den einfallenden Teilstrahl derart zu reflektieren, dass dieser im Wesentlichen parallel zu dem anderen Teilstrahl ausgerichtet ist.
Die Verwendung von Dünnfilmpolarisatoren (auch als Dünnschichtpolarisatoren bezeichnet) eignet sich besonders bei hohen Laserleistungen.
Es versteht sich, dass auch in jedem der Teilstrahlen ein separater Spiegel angeordnet sein kann, der den jeweiligen Teilstrahl derart reflektiert bzw. abgelenkt, dass die Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Die Verwendung eines Dünnfilmpolarisators und eines Spiegels für die Strahlaufteilungseinrichtung hat den Vorteil, dass der räumliche Abstand der Teilstrahlen voneinander unabhängig von der Laserleistung des Lasereingangsstrahls beliebig eingestellt werden kann.
Gemäß einer alternativen Variante kann die Strahlaufteilungseinrichtung ein doppelbrechendes optisches Element sein, das in Bezug auf den ersten definierten Polarisationszustand und den zweiten definierten Polarisationszustand verschiedene Brechungsindizes aufweist, sodass der Lasereingangsstrahl beim Einfall in das doppelbrechende Element in den ersten und den zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, wobei die Teilstrahlen beim Austritt aus dem doppelbrechenden Element durch Brechungseffekte (im Wesentlichen) parallel zueinander ausgerichtet werden.
Der Aufbau dieser Variante ist besonders simpel. Andererseits hängt der räumliche Versatz der Teilstrahlen direkt von der Dicke des doppelbrechenden Elements ab und kann nicht ohne weiteres beliebig eingestellt werden.
Das Polarisationsänderungselement kann eine Wellenplatte (bzw. ein Wellenplättchen), insbesondere eine λ/2-Platte (bzw. ein λ/2-Ptättchen) sein. Auf diese Weise kann der Polarisationszustand des einfallenden Teilstrahls um 90° gedreht werden.
Bei der Polarisationsänderung wenigstens eines der Teilstrahlen kommt es auf die Gleichrichtung der (definierten) Polarisationszustände der Teilstrahlen an. Es versteht sich, dass sich dabei eine Vielzahl von möglichen Kombinationen ergibt, wie die Polarisationszustände der Teilstrahlen aneinander angeglichen werden können. Ein einfaches Beispiel wäre, dass der Lasereingangsstrahl in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrahl eine p-Polarisation und der zweite Teilstrahl eine s-Polarisation aufweist. Die Polarisationsrichtung eines der Teilstrahlen kann dann, zum Beispiel mittels eines λ/2-Plättchens, so gedreht werden, dass dessen Polarisationszustand an den Polarisationszustand des anderen Teilstrahls angeglichen wird. Beispielsweise kann der Polarisationszustand des zweiten Teilstrahls von einem s-polarisierten Teilstrahl in einen p-polarisierten Teilstrahl gedreht werden.
Das Fokussierelement kann vorzugsweise eine optische Linse sein. Gemäß einer Grundvariante kann eine Linse als Fokussierelement vorgesehen sein, die den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl auf ein Ende des Lichtleitelements fokussiert. Es versteht sich jedoch, dass gemäß einer alternativen Variante auch jeder der Teilstrahlen mittels einer separaten Linse zum Einkoppeln in das Lichtleitelement fokussiert werden kann. In einem solchen Fall ist es nicht erforderlich, dass die beiden Teilstrahlen parallel zueinander verlaufen.
Das Lichtleitelement kann vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann das Lichtleitelement eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Stufenindexfaser, sein. Es sind jedoch auch andere Fasertypen verwendbar, beispielsweise eine Gradientenindexfaser oder eine Hohlkernfaser. Die numerische Apertur (NA) und der Kerndurchmesser der Lichtleitfaser spielen eine untergeordnete Rolle für die Wirksamkeit der durch die Erfindung hervorgerufenen Effekte. Ein erfindungsgemäßes Lichtleitelement kann beispielsweise eine Stufenindexfaser mit einem Kerndurchmesser von ∅=20 µm bis ∅=400 µm, beispielsweise ∅=100 µm, und einer numerischen Apertur von NA=0.065 bis NA=0.22, beispielsweise NA=0.11, sein. Gemäß einer alternativen Variante kann das Lichtleitelement auch ein zylinder- oder kegelförmiger Glasstab sein. Je größer die numerische Apertur der Faser ist, desto größer kann der Winkel sein, mit dem ein Teilstrahl bezüglich der Faserlängsachse durch die Faser propagiert.
Ferner kann das Lichtleitelement einen sich verjüngenden Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann das Lichtleitelement als eine kegelförmige Lichtleitfaser, nämlich als eine sogenannte „Tapered Fiber“, ausgebildet sein. Das heißt, der Querschnitt des Faserkerns verringert sich über die Länge der Faser vom Eintrittsende hin zum Austrittsende (kegelförmige Faser). Im Vergleich mit einer Lichtleitfaser, die einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist (zylinderförmige Faser), kann mit einer solchen Faser die Strahlqualität des Laserausgangsstrahls verbessert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass der Erhalt des Polarisationszustands bei gleicher Länge der Lichtleitfaser mit der Reduktion des Faserdurchmessers abnehmen kann, da die einfallenden Laserstrahlen bei reduziertem Durchmesser entsprechend häufiger innerhalb der Lichtleitfaser reflektiert werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt eine Laserbearbeitungsanlage bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst: eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Lasereingangsstrahls; eine Transport-Lichtleitfaser die eine Länge von mehreren Metern, insbesondere von mehr als 10 m, aufweist und die an einem ersten ihrer Enden mit der Laserstrahlquelle in Verbindung steht; und eine Bearbeitungsoptik, die mit einem zweiten Ende der Transport-Lichtleitfaser in Verbindung steht. Die Bearbeitungsoptik umfasst eine Kollimationseinrichtung zur Kollimation des aus der Transport-Lichtleitfaser in die Bearbeitungsoptik einfallenden Lasereingangsstrahls; eine Vorrichtung zur Polarisation des Lasereingangsstrahls gemäß einer der oben beschriebenen Varianten; und eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des polarisierten Laserausgangsstrahls auf ein zu bearbeitendes Objekt.
Die Laserbearbeitungsanlage kann beispielsweise eine Laserschneidanlage zum Schneiden von vorzugsweise metallischen Werkstücken sein.
Die Bearbeitungsoptik kann ferner eine Wellenplatte, insbesondere ein λ/2-Plättchen, umfassen, das bzw. die im Strahlengang des Laserausgangsstrahls drehbar angeordnet ist, und zwar vorzugsweise zwischen der erfindungsgemäßen Polarisationsvorrichtung und der Fokussiervorrichtung. Durch entsprechende Drehung der Wellenplatte kann die Polarisationsrichtung des Laserausgangsstrahls an die Schneidrichtung bzw. Vorschubrichtung des Lasers angepasst werden.
Zusammenfassend beruht die oben beschriebene Vorrichtung auf einem Prinzip zur polarisationserhaltenden Kombination wenigstens zweier Laserstrahlen, die mittels einer Fokussiereinrichtung in ein Lichtleitelement eingekoppelt werden, das eine Länge aufweist, die groß genug ist, damit die wenigstens zwei Laserstrahlen innerhalb des Lichtleitelements zu einem radialsymmetrischen Laserausgangsstrahl kombiniert werden und die klein genug ist, damit der Polarisationszustand der wenigstens zwei Laserstrahlen im Laserausgangsstrahl im Wesentlichen erhalten bleibt.
Figurenliste
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1a-d Varianten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls;
2a-b Varianten eines Lichtleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 Eine gegenüber der in den 1a-d dargestellte alternative Variante einer Strahlaufteilungseinrichtung;
4a Schematisch eine symmetrische Anordnung eines Fokussierelements und eines Lichtleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
4b Schematisch eine asymmetrische Anordnung eines Fokussierelements und eines Lichtleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
5a-d Jeweils das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls im Fernfeld in Abhängigkeit von der Länge des Lichtleitelements, wobei das Strahlprofil auf einer Anordnung gemäß 4a basiert;
6a-d Jeweils das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls im Fernfeld in Abhängigkeit von der Länge des Lichtleitelements, wobei das Strahlprofil auf einer Anordnung gemäß 4b basiert; und
7 Eine Laserschneidanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.

Im Zusammenhang mit den 1a-d, 2a-b, 3, sowie 4a-b werden im Folgenden Varianten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls näher beschrieben.
1a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls 51 gemäß einer Variante. Der Lasereingangsstrahl 51 weist einen undefinierten Polarisationszustand auf und wird in einem kollimierten Zustand bereitgestellt. Zur Bereitstellung des kollimierten Lasereingangsstrahls kann eine Kollimationseinrichtung 132 in Form einer Linse verwendet werden, die der Lasereingangsstrahl durchläuft, bevor er in die Vorrichtung 1 eintritt.
Die Vorrichtung 1 gemäß 1a umfasst eine Strahlaufteilungseinrichtung 10 mit einem Dünnfilmpolarisator 12 (auch als Dünnschichtpolarisator bezeichnet) und einem Spiegel 14. Beim Auftreffen des Lasereingangsstrahls 51 auf den Dünnfilmpolarisator 14 wird der Lasereingangsstrahl 51 in die beiden unterschiedlich polarisierten Teilstrahlen 52a und 52b aufgeteilt. Dazu ist der Dünnfilmpolarisator 14 winklig im Strahlengang des Lasereingangsstrahls 51 angeordnet. Der erste Teilstrahl 52a wird durch den Dünnfilmpolarisator 14 transmittiert und der zweite Teilstrahl 52b wird beim Auftreffen auf die Oberfläche des Dünnfilmpolarisators 14 reflektiert. Der durch den Dünnfilmpolarisator 14 transmittierte erste Teilstrahl 52a weist einen ersten definierten Polarisationszustand auf (beispielsweise p-Polarisation). Der vom Dünnfilmpolarisator 14 reflektierte zweite Teilstrahl 52b weist einen zweiten definierten Polarisationszustand auf (beispielsweise s-Polarisation). Gemäß der Darstellung in 1a umfasst die Strahlaufteilungseinrichtung 10 ferner einen Spiegel 14, der den vom Dünnfilmpolarisator 12 abgelenkten zweiten Teilstrahl 52b parallel zu dem ersten Teilstrahl 52a ausrichtet.
Im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 52b ist ferner eine Wellenplatte 20 (auch als Wellenplättchen bezeichnet), zum Beispiel ein λ/2-Ptättchen, angeordnet, das den zweiten Polarisationszustand des zweiten Teilstrahls 52b (zum Beispiel s-Polarisation) derart transformiert, dass er dem ersten Polarisationszustand des ersten Teilstrahls 52a entspricht (zum Beispiel p-Polarisation). D. h., nachdem der zweite Teilstrahl 52b die Wellenplatte 20 durchlaufen hat, verlaufen beide Teilstrahlen 52a, 52b parallel zueinander und weisen denselben definierten Polarisationszustand auf (nämlich den ersten Polarisationszustand, z.B. p-Polarisation).
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Linse 30, die im Strahlengang der beiden Teilstrahlen 52a, 52b angeordnet ist, um diese zu fokussieren und in ein Lichtleitelement 40 einzukoppeln. Das Lichtleitelement 40 weist eine Länge L auf (vgl. 2a und 2b), die groß genug ist, damit die beiden Teilstrahlen 52a, 52b innerhalb des Lichtleitelements 40 zu einem radialsymmetrischen Laserausgangsstrahl 53 kombiniert werden und die klein genug ist, damit der Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen 52a, 52b (z.B. p-Polarisation) im Laserausgangsstrahl 53 im Wesentlichen erhalten bleibt. Beispielsweise kann das Lichtleitelement 40 eine Stufenindexfaser mit einer Länge zwischen 20 mm und 50 mm sein.
Eine Variation der Vorrichtung 1 gemäß 1a ist in 1b dargestellt. Die Vorrichtung gemäß 1b unterscheidet sich von der in 1a dargestellten Vorrichtung 1 durch eine asymmetrische Anordnung des Fokussierelements 30 und des Lichtleitelements 40, bei der die Teilstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement eingekoppelt werden. Eine genauere Beschreibung der symmetrischen und asymmetrischen Anordnung des Fokussierelements 30 und des Lichtleitelements 40 folgt weiter unten im Zusammenhang mit den 4a und 4b.
1c zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß einer weiteren Variante, die sich durch die Anordnung des Spiegels 14 und der Wellenplatte 20 von den Varianten gemäß den 1a und 1b unterscheidet. So sind sowohl der Spiegel 14 zur Gleichrichtung der beiden Teilstrahlen 52a, 52b und das Wellenplättchen 20 gemäß 1c im ersten Teilstrahl 52a angeordnet.
Analog zu 1b ist in 1d eine Variation der Vorrichtung 1 gemäß 1c dargestellt, bei der das Fokussierelement 30 und das Lichtleitelement 40 asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen angeordnet sind, sodass die Teilstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement eingekoppelt werden.
2 zeigt schematisch Varianten eines für die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 verwendbaren Lichtleitelements 40, wobei das Lichtleitelement 40 als Lichtleitfaser 40 ausgebildet ist. Die Lichtleitfaser 40 kann über Ihre Länge L einen konstanten, vorzugsweise kreisförmigen, Querschnitt aufweisen (siehe 2a). Alternativ kann die Lichtleitfaser 40 als sogenannte „Tapered Fiber“ einen sich über die Länge L verjüngenden, insbesondere kreisförmigen, Querschnitt aufweisen (s. 1b).
In 3 ist schematisch eine Variante einer Strahlaufteilungseinrichtung 10 dargestellt, die sich von der Anordnung gemäß den 1a-d unterscheidet. So ist die Strahlaufteilungseinrichtung 10 gemäß 3 aus einem doppelbrechenden Element 16 aufgebaut, welches für verschiedene Polarisationszustände verschiedene Brechungsindizes aufweist. Wenn der einfallende Lasereingangsstrahl 51 auf die Oberfläche des doppelbrechenden Elements 16 trifft, wird ein erster Teilstrahl 52a abgelenkt, während ein zweiter Teilstrahl 52b ohne Ablenkung in das doppelbrechende Element 16 eintritt. Beim Austritt aus dem doppelbrechenden Element werden die Teilstrahlen 52a, 52b aufgrund von Brechungseffekten gleichgerichtet. Das doppelbrechende Element 16 erfüllt also sowohl die Funktion des Dünnfilmpolarisators 12 als auch die des Spiegels 14 (siehe 1a-d). Gleichwohl ist zu beachten, dass bei der Verwendung eines doppelbrechenden Elements 16 in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die räumliche Trennung der beiden Teilstrahlen 52a, 52b von der Dicke des doppelbrechenden Elements 16 abhängt und dadurch begrenzt ist. Mit zunehmendem Durchmesser des Lasereingangsstrahls und mit steigender Laserleistung wird die räumliche Trennung der Teilstrahlen mittels eines doppelbrechenden Elements 16 immer schwieriger.
In 4a ist eine symmetrische Anordnung des Fokussierelements in Form einer Linse 30 und des Lichtleitelements 40 im Strahlengang der Teilstrahlen 52a, 52b dargestellt. Durch Positionierung der Linse 30 auf einer zentralen Achse 56, die mittig zwischen dem ersten Teilstrahl 52a und dem zweiten Teilstrahl 52b verläuft, werden die beiden Teilstrahlen 52a, 52b unter dem gleichen Winkel α₁=α₂ in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt. Bei dieser Konfiguration ergibt sich im Fernfeld des Laserausgangsstrahls 53 ein ringförmiges Strahlprofil (siehe 5a-d).
Alternativ zu der symmetrischen Anordnung (siehe 4a) können die Linse 30 und das Lichtleitelement 40 auch asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen 52a, 52b angeordnet sein. Eine solche Konstellation ist in 4b dargestellt. Die Linse 30 und das Lichtleitelement 40 sind versetzt zu der zentralen Achse 56 angeordnet. Genauer gesagt, sind die Linse 30 und das Lichtleitelement 40 auf einer Strahlachse 58a des ersten Teilstrahls 52a angeordnet. Auf diese Weise wird der erste Teilstrahl 52a unter einem optimalen Winkel (α₁=90°) senkrecht in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt. Der zweite Teilstrahl wird dagegen im Vergleich zur symmetrischen Anordnung (siehe 4a) unter einem spitzeren Winkel α₂ in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt. Die Größe des Winkels α₂ hängt von dem Abstand der Teilstrahlen 52a, 52b zueinander, sowie vom Abstand der Linse 30 zu dem Lichtleitelement 40 ab. Dadurch, dass die Teilstrahlen 52a, 52b unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement 40 einkoppeln, ergibt sich im Fernfeld des Laserausgangsstrahls 53 ein Strahlprofil gemäß den 6a-d.
Die Darstellung gemäß 4b zeigt eine maximal asymmetrische Anordnung. Es versteht sich, dass die Linse 30 zwischen den Extremlagen auf den Strahlachsen 58a, 58b der beiden Teilstrahlen 52a, 52b beliebig positioniert sein kann um Zwischenzustände zwischen den in den 5a-d und 6a-d dargestellten Strahlprofilen zu erzielen.
In den 5a-d sowie 6a-d ist die Abhängigkeit der Symmetrie des Laserausgangsstrahls 53 von der Länge des Lichtleitelements 40 dargestellt. Die 5a bis 5d Zeigen das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls 53 im Fernfeld bei einer Anordnung gemäß 4a, wobei der Laserausgangsstrahl 53 mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Lichtleitelementen 40 unterschiedlicher Länge L erzeugt wurde. Für den Versuch wurde als Lichtleitelement 40 eine Stufenindexfaser 40 mit einem Kerndurchmesser von ∅=100 µm und einer Numerischen Apertur von NA=0.11 verwendet. 5a entspricht der Verwendung einer Lichtleitfaser 40 mit einer Länge L=5 mm. Die 5b, 5c und 5d entsprechen ihrerseits einer Länge L der verwendeten Lichtleitfaser 40 von L=10 mm, L=20 mm bzw. L=50 mm. Es ist erkennbar, dass sich bei einer Länge L=5 mm bzw. L=10 mm noch kein radialsymmetrisches Strahlprofil ausbildet. Bei einer Länge von L=20 mm bzw. L=50 mm weist der Laserausgangsstrahl 53 dagegen ein radialsymmetrisches Strahlprofil auf.
Analog zu den 5a-d ist in den 6a-d das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls 53 im Fernfeld bei einer Anordnung gemäß 4b bei jeweils unterschiedlicher Länge L des Lichtleitelements 40 dargestellt. Der Unterschied gegenüber den Darstellungen gem. 5a-d besteht darin, dass sich durch die asymmetrische Anordnung des Fokussierelements 30 und des Lichtleitelements 40 (vgl. 4b) ein Strahlprofil mit einem zentralen Spot ergibt, der von einem Kreis umgeben ist. Anhand des in 4b dargestellten Beispiels lässt sich die Gestaltung des Strahlprofils gemäß den 6a-d erklären. Der zentrale Spot resultiert aus dem ersten Teilstrahl 52a, welcher senkrecht in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt wurde. Der kreisförmige Teil des Strahlprofils basiert dagegen auf dem zweiten Teilstrahl 52b, der unter einem vergleichsweise spitzen Winkel in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt wurde. Der äußere Ring weist bereits ab einer Länge des Lichtleitelements 40 von L=10 mm eine im Vergleich zu der symmetrischen Anordnung (vgl. 5b) gute Rotationssymmetrie auf. Das liegt daran, dass der zweite Teilstrahl 52b aufgrund des im Vergleich zur symmetrischen Anordnung (vgl. 4a) spitzen Einfallwinkels auf der gleichen Länge L des Lichtleitelements 40 häufiger innerhalb des Lichtleitelements 40 reflektiert wird.
In 7 ist schematisch eine Laserbearbeitungsanlage 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Anlage 100 umfasst eine Laserstrahlquelle 110. Der in der Laserstrahlquelle 110 erzeugte Laserstrahl wird über eine Transport-Lichtleitfaser 120 zu einer Bearbeitungsoptik 130 geleitet. In der Bearbeitungsoptik 130 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 angeordnet (in 7 nicht dargestellt), mittels derer der aus der Transport-Lichtleitfaser 120 einfallende, unpolarisierte oder zufällig polarisierte Lasereingangsstrahl polarisiert wird. Der polarisierte Laserausgangsstrahl wird mittels einer Fokussiereinrichtung 134 auf ein zu bearbeitendes Objekt 200, z.B. ein plattenförmiges, metallisches Werkstück, gerichtet, um dieses zu bearbeiten.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls, der einen undefinierten Polarisationszustand aufweist
10: Strahlaufteilungseinrichtung
12: Dünnfilmpolarisator
14: Spiegel
16: Doppelbrechendes optisches Element
20: Polarisationsänderungselement
30: Fokussierelement
40: Lichtleitelement
51: Lasereingangsstrahl
52a: Erster Teilstrahl
52b: Zweiter Teilstrahl
53: Laserausgangsstrahl
56: Zentrale Achse im Strahlengang der Teilstrahlen
58a: Strahlachse des ersten Teilstrahls
58b: Strahlachse des zweiten Teilstrahls
100: Laserschneidanlage
110: Laserstrahlquelle
120: Transport-Lichtleitfaser
122: Erstes Ende der Transport-Lichtleitfaser
124: Zweites Ende der Transport-Lichtleitfaser
130: Bearbeitungsoptik
132: Kollimationseinrichtung
134: Fokussiereinrichtung
200: Zu bearbeitendes Objekt
L: Länge des Lichtleitelements
α1: Einkoppelwinkel des ersten Teilstrahls in das Lichtleitelement
α2: Einkoppelwinkel des zweiten Teilstrahls in das Lichtleitelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 1484065 A [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls (51), der einen undefinierten Polarisationszustand aufweist, die Vorrichtung (1) umfassend: Eine Strahlaufteilungseinrichtung (10) zur Aufteilung des Lasereingangsstrahls (51) in einen ersten Teilstrahl (52a), der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist, und einen zweiten Teilstrahl (52b), der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist; Ein Polarisationsänderungselement (20) zur Veränderung des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen (52a, 52b), sodass beide Teilstrahlen (52a, 52b) den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen; Ein Fokussierelement (30); und Ein Lichtleitelement (40), wobei das Fokussierelement (30) dazu ausgebildet ist, die beiden Teilstrahlen (52a, 52b) in das Lichtleitelement (40) einzukoppeln und wobei das Lichtleitelement (40) eine Länge (L) aufweist, die groß genug ist, damit die beiden Teilstrahlen (52a, 52b) innerhalb des Lichtleitelements (40) zu einem radialsymmetrischen Laserausgangsstrahl (53) kombiniert werden und die klein genug ist, damit der definierte Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen (52a, 52b) im Laserausgangsstrahl (53) im Wesentlichen erhalten bleibt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Strahlaufteilungsvorrichtung (10) ferner zur Ablenkung des ersten Teilstrahls (52a) und/oder des zweiten Teilstrahls (52b) ausgebildet ist, sodass beide Teilstrahlen (52a, 52b) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Länge (L) des Lichtleitelements (40) höchstens 500 mm, bevorzugt höchstens 100 mm, noch bevorzugter höchstens 50 mm, beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge (L) des Lichtleitelements (40) mindestens 15 mm, vorzugsweise mindestens 20 mm, beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussierelement (30) und das Lichtleitelement (40) derart symmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen (52a, 52b) angeordnet sind, dass die Teilstrahlen (52a, 52b) unter demselben Winkel (α₁=α₂) in das Lichtleitelement (40) eingekoppelt werden.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Fokussierelement (30) und das Lichtleitelement (40) derart asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen (52a, 52b) angeordnet sind, dass die Teilstrahlen (52a, 52b) unter unterschiedlichen Winkeln (α₁≠α₂) in das Lichtleitelement (40) eingekoppelt werden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussierelement (30) und das Lichtleitelement (40) längs und/oder quer zur Strahlausbreitungsrichtung der Teilstrahlen (52a, 52b) verschieblich angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlaufteilungseinrichtung (10) umfasst: Einen Dünnfilmpolarisator (12), der im Strahlengang des Lasereingangsstrahls (51) winklig angeordnet ist, sodass ein erster Teil des Lasereingangsstrahls (51), der den ersten definierten Polarisationszustand aufweist, als erster Teilstrahl (52a) durch den Dünnfilmpolarisator (12) transmittiert wird und ein zweiter Teil des Lasereingangsstrahls (51), der den zweiten definierten Polarisationszustand aufweist, als zweiter Teilstrahl (52b) an der Oberfläche des Dünnfilmpolarisators (12) reflektiert wird; und Einen Spiegel (14), der winklig in dem Strahlengang eines der Teilstrahlen (52a, 52b) angeordnet ist, um den einfallenden Teilstrahl (52a, 52b) derart zu reflektieren, dass dieser im Wesentlichen parallel zu dem anderen Teilstrahl (52a, 52b) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strahlaufteilungseinrichtung (10) ein doppelbrechendes optisches Element (16) ist, das in Bezug auf den ersten definierten Polarisationszustand und den zweiten definierten Polarisationszustand verschiedene Brechungsindizes aufweist, sodass der Lasereingangsstrahl (51) beim Einfall in das doppelbrechende Element (16) in den ersten Teilstrahl (52a) und den zweiten Teilstrahl (52b) aufgeteilt wird, wobei die Teilstrahlen (52a, 52b) beim Austritt aus dem doppelbrechenden Element (16) durch Brechungseffekte parallel zueinander ausgerichtet werden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polarisationsänderungselement (20) eine Wellenplatte, insbesondere eine λ/2-Platte, ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussierelement (30) eine optische Linse ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtleitelement (40) eine Stufenindexfaser ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtleitelement einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist.
Laserbearbeitungsanlage (100) umfassend: Eine Laserstrahlquelle (110) zur Erzeugung eines Lasereingangsstrahls (51); Eine Transport-Lichtleitfaser (120) die eine Länge von mehreren Metern, insbesondere von mehr als 10 m, aufweist und die an einem ersten ihrer Enden (122) mit der Laserstrahlquelle (110) in Verbindung steht; und Eine Bearbeitungsoptik (130), die mit einem zweiten Ende (124) der Transport-Lichtleitfaser (120) in Verbindung steht und das Folgende umfasst: Eine Kollimationseinrichtung (132) zur Kollimation des aus der Transport-Lichtleitfaser (120) in die Bearbeitungsoptik (130) einfallenden Lasereingangsstrahls (51); Eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Polarisation des Lasereingangsstrahls (51); und Eine Fokussiereinrichtung (134) zur Fokussierung des polarisierten Laserausgangsstrahls (53) auf ein zu bearbeitendes Objekt (200).