DE102022101043B3 - Methods and laser processing equipment for reducing the effects of thermal lens effects in laser material processing - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Laserbearbeitungseinrichtungen zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linseneffekte bei der Lasermaterialbearbeitung. Dabei wird eine Amplituden- oder Phasenmaske im Strahlengang des Bearbeitungslasers oder eines zusätzlichen Messlasers eingesetzt, die in der Fokusebene im Bereich der Bearbeitungsebene ein charakteristisches Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verändert. Das Muster wird in der Bearbeitungsebene während der Laserbearbeitung mit einer Kamera erfasst und anhand einer Veränderung des Musters ein Stellglied angesteuert, das optische Komponenten zur Verschiebung der Fokuslage so ansteuert, dass eine durch thermische Linseneffekte erzeugte Fokusverschiebung in der Bearbeitungsebene kompensiert wird. Alternativ kann das Stellglied auch den Abstand zur Bearbeitungsebene entsprechend ändern. Die Verfahren und Laserbearbeitungseinrichtungen ermöglichen eine direkte Messung der Fokusverschiebung in der Bearbeitungsebene und eine zuverlässige Kompensation dieser Fokusverschiebung während der Lasermaterialbearbeitung.The present invention relates to methods and laser processing devices for reducing the effects of thermal lens effects in laser material processing. An amplitude or phase mask is used in the beam path of the processing laser or an additional measuring laser, which generates a characteristic pattern in the focal plane in the region of the processing plane, which characteristically changes outside of the focal plane. The pattern is captured in the processing plane with a camera during laser processing and based on a change in the pattern, an actuator is controlled, which controls optical components for shifting the focus position in such a way that a focus shift in the processing plane caused by thermal lens effects is compensated. Alternatively, the actuator can also change the distance to the processing plane accordingly. The methods and laser processing devices enable direct measurement of the focus shift in the processing plane and reliable compensation for this focus shift during laser material processing.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren sowie Laserbearbeitungseinrichtungen zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linseneffekte bei der Lasermaterialbearbeitung, die zu einer Verschiebung der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls aus der Bearbeitungsebene führen, wobei die Verschiebung der Fokusebene aus der Bearbeitungsebene durch Verstellen einer oder mehrerer optischer Komponenten im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls, über deren Verstellung die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene verschiebbar ist, oder durch Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied kompensiert wird.The present invention relates to methods and laser processing devices for reducing the effects of thermal lens effects during laser material processing, which lead to a displacement of the focal plane of the processing laser beam from the processing plane, the displacement of the focal plane from the processing plane being caused by adjusting one or more optical components in the beam path of the processing laser beam, the focal plane of the processing laser beam can be displaced relative to the processing plane by adjusting it, or by changing the distance from the processing plane during laser material processing via an actuator.
Bei der Bearbeitung mit Laserstrahlung kommen häufig Laserleistungen von mehreren kW zum Einsatz. Optische Linsen und andere optische Elemente, die die Strahlung führen und/oder formen sind für das Laserlicht transparent und absorbieren nur einen sehr geringen Teil der Laserleistung. Doch auch dieser geringe Anteil reicht in vielen Fällen, um die Linsen oder optischen Elemente aufzuheizen. Dies führt zum sogenannten thermischen Linseneffekt. Die geringe thermische Leitfähigkeit optischer Materialien bewirkt dabei einen starken Temperaturgradienten. Der resultierende Brechungsindex-Gradient und die thermische Deformation der Linsenoberflächen tragen zusätzlich zur Brechkraft der Linse bei. Dadurch ändert sich die Brennweite des optischen Systems, was zu einer Defokussierung der Strahlung bei der Bearbeitung und damit zur Verringerung der Intensität der Laserstrahlung auf dem Werkstück führt. Dies kann die Bearbeitungsqualität verringern oder auch einen Abbruch des Bearbeitungsprozesses erfordern. Auch andere optische Elemente, wie z.B. Schutzgläser oder diffraktive optische Elemente, im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls können zum thermischen Linseneffekt beitragen. Da die Änderung der Brennweite während des und in Abhängigkeit des Bearbeitungsprozesses erfolgt, also in der Regel auch während des Bearbeitungsprozesses variiert, war es bisher nicht möglich, die thermische Fokusverschiebung während des Bearbeitungsprozesses direkt in der Bearbeitungsebene zu messen und zu kompensieren.When processing with laser radiation, laser powers of several kW are often used. Optical lenses and other optical elements that guide and/or shape the radiation are transparent to the laser light and only absorb a very small part of the laser power. But even this small amount is sufficient in many cases to heat up the lenses or optical elements. This leads to the so-called thermal lens effect. The low thermal conductivity of optical materials causes a strong temperature gradient. The resulting refractive index gradient and the thermal deformation of the lens surfaces also contribute to the refractive power of the lens. This changes the focal length of the optical system, which leads to a defocusing of the radiation during processing and thus to a reduction in the intensity of the laser radiation on the workpiece. This can reduce the editing quality or even require the editing process to be aborted. Other optical elements such as protective glass or diffractive optical elements in the beam path of the processing laser beam can also contribute to the thermal lens effect. Since the focal length changes during and as a function of the machining process, i.e. it usually also varies during the machining process, it was previously not possible to measure and compensate for the thermal focus shift directly in the machining plane during the machining process.
Stand der TechnikState of the art
Aus A. Gatej et al., „Methods for compensation of thermal lensing based on thermo-optical (TOP) analysis“, in Optical Modelling and Design III, F. Wyrowski, J.T. Sheridan, J. Tervo, Y. Meuret, eds. (SPIE, 2014), 91310F ist eine Methode zur Bestimmung der Fokusverschiebung noch vor der Prozessführung durch Vermessung der zeitlichen Maximalintensität mittels CCD-Kamera bekannt. O. Blomster et al., „Optics performance at high-power levels“, in Solid State Lasers XVII: Technology and Devices, W.A. Clarkson, N. Hodgson, R.K. Shori, eds. (SPIE, 2008), 68712B vermessen hierzu die Strahlkaustik mittels Strahlprofilmessungen. Anhand der Ergebnisse der durchgeführten Charakterisierung findet dann später im Bearbeitungsprozess im Rahmen einer prädikativen Regelung eine Anpassung der Fokuslage statt, wie dies beispielsweise in O. Pütsch et al., „Echtzeitfähige Laserstrahlregelung zur Kompensation thermischer Effekte“, DGaO-Proceedings 2011 beschrieben ist. Bei diesen bekannten Techniken wird also das optische System vor der Prozessführung bezüglich der thermischen Effekte charakterisiert. Durch diese Charakterisierung vor dem Prozess können allerdings zeitlich veränderliche Aspekte wie Leistungsschwankungen des Lasers, Temperaturschwankungen der Versuchsumgebung oder eine mit der Prozessdauer graduell zunehmende Beschmutzung der Optiken, welche ebenfalls zu größeren thermischen Effekten führt, nicht ausreichend abgebildet werden.From A. Gatej et al., "Methods for compensation of thermal lensing based on thermo-optical (TOP) analysis", in Optical Modeling and Design III, F. Wyrowski, J.T. Sheridan, J. Tervo, Y. Meuret, eds. (SPIE, 2014), 91310F, a method for determining the focus shift before the process is carried out by measuring the temporal maximum intensity using a CCD camera is known. O. Blomster et al., "Optics performance at high-power levels", in Solid State Lasers XVII: Technology and Devices, W.A. Clarkson, N. Hodgson, R.K. Shori, eds. (SPIE, 2008), 68712B measure the beam caustic by means of beam profile measurements. Based on the results of the characterization carried out, the focus position is then adjusted later in the processing process as part of a predictive control, as described, for example, in O. Pütsch et al., "Real-time laser beam control for the compensation of thermal effects", DGaO Proceedings 2011. With these known techniques, the optical system is characterized with regard to the thermal effects before the process is carried out. However, this characterization before the process does not adequately depict aspects that change over time, such as power fluctuations of the laser, temperature fluctuations in the test environment, or soiling of the optics that gradually increases with the duration of the process, which also leads to greater thermal effects.
Weiterhin ist es bekannt, thermische Effekte während der Lasermaterialbearbeitung durch eine teilweise Auskopplung von Strahlung aus dem Strahlengang bis zur Bearbeitungsebene zu beobachten. Für die ausgekoppelte Strahlung kann nun separat die thermische Verschiebung gemessen werden. Da sich der Strahlengang und somit auch die Anzahl der bestrahlten bzw. durchstrahlten optischen Elemente durch die Auskopplung verändert hat, ist eine präzise Aussage über die thermischen Effekte für den vollständigen Strahlengang bis zur Bearbeitungsebene allerdings nicht möglich.Furthermore, it is known that thermal effects can be observed during laser material processing as a result of partial decoupling of radiation from the beam path up to the processing plane. The thermal displacement can now be measured separately for the emitted radiation. However, since the beam path and thus also the number of irradiated or irradiated optical elements has changed due to the decoupling, it is not possible to make a precise statement about the thermal effects for the entire beam path up to the processing level.
Alternativ zu einer experimentellen Charakterisierung des optischen Systems werden außerdem vor dem Prozess thermische Simulationen durchgeführt. Anhand der simulierten thermischen Verschiebungen ist ebenfalls eine prädikative Regelung möglich. Die Präzision der Vorhersage ist jedoch durch die Genauigkeit der Simulation begrenzt.As an alternative to an experimental characterization of the optical system, thermal simulations are also carried out before the process. Predicative control is also possible based on the simulated thermal displacements. However, the precision of the prediction is limited by the accuracy of the simulation.
Anstelle einer aktiven Kompensation sind auch passive Kompensationsmöglichkeiten bekannt. Hierbei wird das optische System mit optischen Elementen ausgelegt, deren thermische Effekte sich durch geeignete Materialwahl gegenseitig kompensieren. Entsprechende optische Elemente sind kommerziell verfügbar.Instead of active compensation, passive compensation options are also known. In this case, the optical system is designed with optical elements whose thermal effects compensate each other through the selection of suitable materials. Corresponding optical elements are commercially available.
Die WO 2012/ 041 351 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, bei der ein Strahlungsmuster elektromagnetischer Strahlung auf einer teilweise reflektierenden Oberfläche im Strahlengang vor dem Fokus der fokussierten Laserstrahlung erzeugt und ein Bild des Musters erfasst und verarbeitet wird, um die Fokuslage zu bestimmen und bei Bedarf zu verändern.WO 2012/041 351 A1 describes a device for laser material processing, in which a radiation pattern of electromagnetic radiation on a partially reflecting surface in the beam path in front of the focus of the focused laser radiation is generated and an image of the pattern is captured and processed to determine the focus position and change it if necessary.
Die
Aus der
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linseneffekte bei der Lasermaterialbearbeitung anzugeben, mit denen eine durch thermische Linseneffekte verursachte Fokusverschiebung in der Bearbeitungsebene direkt erfassbar und über Ansteuerung eines Stellgliedes kompensiert werden kann.The object of the present invention is to specify a method and a device for reducing the effects of thermal lens effects in laser material processing, with which a focus shift caused by thermal lens effects in the processing plane can be detected directly and compensated for by controlling an actuator.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit den Verfahren und den zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen der Patentansprüche 1, 2, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sowie der Laserbearbeitungseinrichtungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the methods and the associated laser processing devices of
Die beiden vorgeschlagenen Verfahrensalternativen und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen unterscheiden sich in der Anzahl der eingesetzten Laser. Bei der ersten Verfahrensalternative wird nur der Bearbeitungslaser genutzt, bei der zweiten Verfahrensalternative zusätzlich ein Messlaser. Bei beiden Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen wird die Verschiebung der Fokusebene aufgrund thermischer Linseneffekte in einer Ausgestaltung durch Verstellen einer oder mehrerer optischer Komponenten im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied kompensiert, über deren Verstellung die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene verschiebbar ist. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine verschiebbare F-Theta-Linse oder auch um eine dynamische Fokussiereinheit als Bestandteil des optischen Systems für die Lasermaterialbearbeitung handeln. In einer anderen Ausgestaltung erfolgt die Kompensation durch Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied. Die Änderung des Abstandes kann dabei durch Nachführung der Bearbeitungsebene, also des gerade in Bearbeitung befindlichen Werkstücks, durch Nachführung des gesamten Laserbearbeitungskopfes oder auch nur durch Nachführung (im Sinne einer Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene) der optischen Anordnung zur Fokussierung erfolgen.The two proposed process alternatives and associated laser processing devices differ in the number of lasers used. In the first process alternative, only the processing laser is used, in the second process alternative, a measuring laser is also used. In both methods and associated laser processing devices, the shift in the focal plane due to thermal lens effects is compensated in one embodiment by adjusting one or more optical components in the beam path of the processing laser beam during laser material processing via an actuator, via the adjustment of which the focal plane of the processing laser beam can be displaced relative to the processing plane. This can be, for example, a displaceable f-theta lens or a dynamic focusing unit as part of the optical system for laser material processing. In another embodiment, the compensation takes place by changing the distance from the processing plane during the laser material processing via an actuator. The distance can be changed by tracking the processing plane, i.e. the workpiece currently being processed, by tracking the entire laser processing head or just by tracking (in the sense of changing the distance to the processing plane) the optical arrangement for focusing.
Die erste Verfahrensalternative zeichnet sich dadurch aus, dass im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls eine Amplituden- oder Phasenmaske eingesetzt wird, die in der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt. Das durch die Amplituden- oder Phasenmaske erzeugte Muster in der Bearbeitungsebene wird während der Lasermaterialbearbeitung erfasst und einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene durch Verstellen der einen oder mehreren optischen Komponenten oder des Abstandes zur Bearbeitungsebene über das Stellglied entgegengewirkt. Die Erfassung des Musters kann hierbei kontinuierlich oder auch quasi-kontinuierlich, also als Einzelmessungen in kurzen Zeitabständen, erfolgen.The first method alternative is characterized in that an amplitude or phase mask is used in the beam path of the processing laser beam, which creates a pattern in the focal plane of the processing laser beam that is characteristically deformed outside of the focal plane. The pattern generated by the amplitude or phase mask in the processing plane is detected during the laser material processing and a deformation of the pattern in the processing plane is counteracted by adjusting the one or more optical components or the distance to the processing plane via the actuator. The pattern can be detected continuously or also quasi-continuously, ie as individual measurements at short time intervals.
Die zweite Verfahrensalternative des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls bis zur Bearbeitungsebene ein Messlaserstrahl eingekoppelt wird, der die eine oder die mehreren optischen Komponenten zur Kompensation der Verschiebung der Fokusebene (falls in der entsprechenden Ausgestaltung vorgesehen) und alle optischen Elemente im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls durchläuft, die während der Lasermaterialbearbeitung thermische Linseneffekte verursachen, und dadurch die gleiche Fokusebene wie der Bearbeitungslaserstrahl aufweist. Im Strahlengang des Messlaserstrahls vor der Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls wird dabei eine Amplituden- oder Phasenmaske eingesetzt, die in der Fokusebene des Messlaserstrahls ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt. Das durch die Amplituden- oder Phasenmaske erzeugte Muster in der Bearbeitungsebene wird dabei ebenso wie bei der ersten Verfahrensalternative während der Lasermaterialbearbeitung kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfasst und einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene durch Verstellen des einen oder der mehreren optischen Komponenten oder des Abstandes zur Bearbeitungsebene über das Stellglied entgegengewirkt. Der Messlaserstrahl weist dabei vorzugsweise eine andere Wellenlänge als der Bearbeitungslaserstrahl auf, so dass die Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls über einen dichroitischen Spiegel erfolgen kann.The second method alternative of the proposed method is characterized in that a measuring laser beam is coupled into the beam path of the processing laser beam up to the processing plane, which contains the one or more optical components to compensate for the shift in the focal plane (if provided in the corresponding configuration) and all optical Elements in the beam path of the processing laser beam that cause thermal lens effects during laser material processing, and thus has the same focal plane as the processing laser beam. In the beam path of the measuring laser beam before it is coupled into the beam path of the processing laser beam, an amplitude or phase mask is used, which generates a pattern in the focal plane of the measuring laser beam that is outside of the focal plane characteristically deformed. The pattern generated by the amplitude or phase mask in the processing plane is recorded continuously or quasi-continuously during the laser material processing, just as in the first method alternative, and a deformation of the pattern in the processing plane by adjusting the one or more optical components or the distance to the Working level counteracted via the actuator. The measuring laser beam preferably has a different wavelength than the processing laser beam, so that it can be coupled into the beam path of the processing laser beam via a dichroic mirror.
Bei beiden Verfahrensalternativen wird somit während der Laserbearbeitung ein durch die Amplituden- oder Phasenmaske in der Bearbeitungsebene erzeugtes Muster erfasst und anhand einer Änderung des Musters auf eine Fokusverschiebung geschlossen, die dann über geeignete Ansteuerung des Stellgliedes, insbesondere durch Verschiebung der einen oder der mehreren optischen Komponente(n), beispielsweise einer Linse des optischen Systems, kompensiert wird. Es kann sich bei der oder den verstellbaren optischen Komponente(n) auch um eine oder mehrere Flüssiglinse(n) handeln, deren Brennweite(n) über das Stellglied verändert wird bzw. werden, oder um einen oder mehrere verstellbare Spiegel. Die Verstellung der einen oder mehreren optischen Komponenten (oder die Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene) zur Kompensation der Fokusverschiebung erfolgt dabei vorzugsweise durch Regelung des Stellgliedes über ein Regelungssystem. Das Stellglied selbst ist bei den vorgeschlagenen Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen vorzugsweise durch einen oder mehrere Aktoren, beispielsweise piezoelektrische oder elektromechanische Aktoren, gebildet.In both process alternatives, a pattern generated by the amplitude or phase mask in the processing plane is thus detected during laser processing and a focus shift is inferred from a change in the pattern, which is then detected by suitable control of the actuator, in particular by shifting the one or more optical components (n), for example a lens of the optical system, is compensated. The adjustable optical component(s) can also be one or more liquid lens(es) whose focal length(s) is/are changed via the actuator, or one or more adjustable mirrors. The adjustment of the one or more optical components (or the change in the distance from the processing plane) to compensate for the shift in focus is preferably carried out by controlling the actuator via a control system. In the proposed methods and associated laser processing devices, the actuator itself is preferably formed by one or more actuators, for example piezoelectric or electromechanical actuators.
Durch die Nutzung der Phasen- bzw. Amplitudenmaske, die in der Fokusebene ein charakteristisches Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt, kann eine Verschiebung der Fokusebene während des Bearbeitungsprozesses beobachtet und gemessen werden. Auf diese Weise existiert eine direkte Messmethode, mit welcher der Einfluss der thermischen Linseneffekte mit Hilfe des Stellglieds, das beispielsweise eine variable Fokussiereinheit verstellt, kompensiert werden kann. Durch diese direkte Messung in der Bearbeitungsebene werden automatisch zeitlich veränderliche Aspekte wie Leistungsschwankungen des Lasers, Temperaturschwankungen der Versuchsumgebung oder eine durch graduell zunehmende Beschmutzung der Optiken verursachte Änderung der thermischen Effekte berücksichtigt. Damit werden auch der Einfluss des Schutzglases und des Prozessgases auf die thermischen Linseneffekte berücksichtigt. Die Fokusverschiebung kann dadurch sehr zuverlässig erfasst und während des gesamten Bearbeitungsprozesses kompensiert werden.By using the phase or amplitude mask, which generates a characteristic pattern in the focal plane that deforms outside of the focal plane, a shift in the focal plane can be observed and measured during the processing process. In this way, there is a direct measurement method with which the influence of the thermal lens effects can be compensated with the help of the actuator, which adjusts a variable focusing unit, for example. This direct measurement in the processing plane automatically takes into account aspects that change over time, such as power fluctuations of the laser, temperature fluctuations in the test environment or a change in the thermal effects caused by gradually increasing soiling of the optics. This also takes into account the influence of the protective glass and the process gas on the thermal lens effects. The focus shift can thus be recorded very reliably and compensated for during the entire machining process.
Vorzugsweise wird bei den Verfahren und den zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen eine Amplituden- oder Phasenmaske eingesetzt, bei der aus der Verformung des Musters der Abstand zur Fokusebene bestimmt werden kann. Diese Information kann dann eingesetzt werden, um die Verstellgeschwindigkeit bspw. der optischen Komponente(n) bei größerem Abstand höher zu wählen als bei geringerem Abstand zur Fokusebene und dadurch die Regelung zu beschleunigen.An amplitude or phase mask is preferably used in the method and the associated laser processing devices, with which the distance from the focal plane can be determined from the deformation of the pattern. This information can then be used in order to select a higher adjustment speed, for example of the optical component(s) at a greater distance than at a smaller distance from the focal plane, and thereby to speed up the regulation.
Besonders bevorzugt wird eine sogenannte Bahtinovmaske als Amplitudenmaske eingesetzt. Das durch die Bahtinovmaske in der Fokusebene erzeugte Muster stellt die Fourier-Transformation der Bahtinovmaske dar. Wird dieses Muster außerhalb der Fokusebene betrachtet, verformt es sich charakteristisch, so dass auf den Abstand zur Fokusebene zurückgeschlossen werden kann.A so-called Bahtinov mask is particularly preferably used as the amplitude mask. The pattern generated by the Bahtinov mask in the focal plane represents the Fourier transformation of the Bahtinov mask. If this pattern is viewed outside of the focal plane, it deforms in a characteristic way, so that the distance to the focal plane can be inferred.
Die Beobachtung des Musters in der Bearbeitungsebene erfolgt bei der Lasermaterialbearbeitung vorzugsweise mit einem sogenannten koaxialen Beobachtungssystem. Koaxiale Beobachtungssysteme teilen sich den Strahlengang mit dem Bearbeitungslaser und sind so stets auf den Interaktionsbereich des Laserstrahls mit dem Werkstück ausgerichtet. Wird das Bild bzw. Muster, welches sich durch das Einbringen der Amplituden- oder Phasenmaske in der Beobachtungsebene ergibt, mit einer koaxial ausgerichteten Kamera beobachtet, so kann die Verschiebung der Fokusebene während des Prozesses optimal beobachtet und ausgemessen bzw. zur Regelung des Stellglieds benutzt werden.In the case of laser material processing, the observation of the pattern in the processing plane is preferably carried out with a so-called coaxial observation system. Coaxial observation systems share the beam path with the processing laser and are thus always aligned with the interaction area of the laser beam with the workpiece. If the image or pattern resulting from the introduction of the amplitude or phase mask in the observation plane is observed with a coaxially aligned camera, the shift in the focal plane can be optimally observed and measured during the process or used to control the actuator .
Die zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen weisen entsprechend wenigstens einen Bearbeitungslaser, eine optische Anordnung zur Fokussierung eines Bearbeitungslaserstrahls des Bearbeitungslasers in eine Bearbeitungsebene sowie gegebenenfalls zur Führung über die Bearbeitungsebene auf. Die optische Anordnung umfasst dabei in einer Ausgestaltung eine oder mehrere optische Komponenten im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls, die über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung so verstellbar sind, dass sie die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene verschieben. In der anderen Ausgestaltung ist der Abstand der optischen Anordnung über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung verstellbar. In der ersten Alternative der Laserbearbeitungseinrichtung ist im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls eine Amplituden- oder Phasenmaske angeordnet, die in der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt. In der zweiten Alternative weist die Laserbearbeitungseinrichtung zusätzlich einen Messlaser und wenigstens ein Einkoppelelement auf, das den Messlaserstrahl so in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls einkoppelt, dass der Messlaserstrahl die eine oder die mehreren über das Stellglied verstellbaren optischen Komponenten (falls in der entsprechenden Ausgestaltung vorgesehen) und alle optischen Elemente im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls durchläuft, die während der Lasermaterialbearbeitung thermische Linseneffekte verursachen, und dadurch die gleiche Fokusebene wie der Bearbeitungslaserstrahl aufweist. Im Strahlengang des Messlaserstrahls vor der Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls ist eine Amplituden- oder Phasenmaske angeordnet, die in der Fokusebene des Messlaserstrahls ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt. Der Bearbeitungslaserstrahl durchläuft diese Amplituden- oder Phasenmaske in dieser Alternative also nicht. In beiden Alternativen weist die Laserbearbeitungseinrichtung eine Kamera auf, mit der das durch die Amplituden- oder Phasenmaske erzeugte Muster in der Bearbeitungsebene während der Lasermaterialbearbeitung erfasst wird, sowie eine Regeleinrichtung, die einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene durch Verstellen der einen oder der mehreren optischen Komponenten oder Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene über das Stellglied während der Lasermaterialbearbeitung entgegenwirkt.The associated laser processing devices correspondingly have at least one processing laser, an optical arrangement for focusing a processing laser beam of the processing laser in a processing plane and, if necessary, for guiding over the processing plane. In one configuration, the optical arrangement comprises one or more optical components in the beam path of the processing laser beam, which can be adjusted via an actuator of the laser processing device such that they shift the focal plane of the processing laser beam relative to the processing plane. In the other embodiment, the distance between the optical arrangement can be adjusted via an actuator of the laser processing device. In the first alternative of the laser processing device, an amplitude or arranged phase mask, which generates a pattern in the focal plane of the processing laser beam, which is deformed outside of the focal plane characteristic. In the second alternative, the laser processing device also has a measuring laser and at least one coupling element, which couples the measuring laser beam into the beam path of the processing laser beam in such a way that the measuring laser beam affects the one or more optical components that can be adjusted via the actuator (if provided in the corresponding configuration) and passes through all optical elements in the beam path of the processing laser beam that cause thermal lens effects during laser material processing, and thus has the same focal plane as the processing laser beam. An amplitude or phase mask is arranged in the beam path of the measuring laser beam before it is coupled into the beam path of the processing laser beam. The processing laser beam does not therefore pass through this amplitude or phase mask in this alternative. In both alternatives, the laser processing device has a camera with which the pattern generated by the amplitude or phase mask in the processing plane is recorded during the laser material processing, as well as a control device that allows a deformation of the pattern in the processing plane by adjusting the one or more optical Components or change in the distance to the processing plane counteracts via the actuator during laser material processing.
Die vorgeschlagenen Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen bieten besondere Vorteile bei Laserbearbeitungsverfahren, bei denen höhere Leistungen (>10W) eingesetzt werden und in denen daher mit thermischen Linseneffekten zu rechnen ist.The proposed methods and associated laser processing devices offer particular advantages in laser processing methods in which higher powers (>10W) are used and in which thermal lens effects are therefore to be expected.
Figurenlistecharacter list
Die vorgeschlagenen Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein erstes Beispiel der vorgeschlagenen Laserbearbeitungseinrichtung; -
2 ein zweites Beispiel der vorgeschlagenen Laserbearbeitungseinrichtung; -
3 ein drittes Beispiel der vorgeschlagenen Laserbearbeitungseinrichtung; und -
4 ein Beispiel für ein charakteristisches Muster, wie es mit einer Bahtinovmaske in- und außerhalb der Fokusebene erzeugt wird.
-
1 a first example of the proposed laser processing device; -
2 a second example of the proposed laser processing device; -
3 a third example of the proposed laser processing device; and -
4 an example of a characteristic pattern generated with a Bahtinov mask inside and outside the focal plane.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Bearbeitungslaserprocessing laser
- 22
- Bearbeitungslaserstrahlprocessing laser beam
- 33
- Messlaserstrahlmeasuring laser beam
- 44
- Scannerscanner
- 55
- Fokussierlinsefocusing lens
- 66
- Bearbeitungsebeneediting level
- 77
- dichroitischer Spiegeldichroic mirror
- 88th
- Amplituden- oder Phasenmaskeamplitude or phase mask
- 99
- Kamera mit Objektivcamera with lens
- 1010
- linearer Polfilterlinear polarizing filter
- 1111
- polarisierender Strahlteilerwürfelpolarizing beam splitter cube
- 1212
- λ/4-Platteλ/4 plate
- 1313
- Messlasermeasuring laser
- 1414
- teildurchlässiger Spiegelsemi-transparent mirror
- 1515
- Blendecover
Claims (14)
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DE102022101043.0A DE102022101043B3 (en) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | Methods and laser processing equipment for reducing the effects of thermal lens effects in laser material processing |
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-
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