DE102022102298A1 - Guidance system for a laser beam - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für einen Laserstrahl zur Lasermaterialbearbeitung, das wenigstens eine Ablenkeinrichtung, durch die der Laserstrahl ablenkbar ist, wenigstens eine Zuleitung, durch die der Laserstrahl der Ablenkeinrichtung zuleitbar ist und wenigstens ein Faserarray mit einer Mehrzahl von Lichtleitfasern aufweist, das derart angeordnet ist, dass der Laserstrahl von der Ablenkeinrichtung auf eine Einkoppelfläche des Faserarrays abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtung wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement aufweist.The invention relates to a steering system for a laser beam for laser material processing, which has at least one deflection device, by which the laser beam can be deflected, at least one feed line, through which the laser beam can be fed to the deflection device, and at least one fiber array with a plurality of optical fibers, which is arranged in this way that the laser beam is deflected by the deflection device onto a coupling surface of the fiber array, the deflection device having at least one non-mechanical deflection element.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenksystem für einen Laserstrahl zur Lasermaterialbearbeitung.The invention relates to a steering system for a laser beam for laser material processing.

In vielen Bereichen von Produktion und Fertigung werden heute Laser als etabliertes Werkzeug eingesetzt. Laserstrahlquellen, die kurz als Laser bezeichnet werden, werden beispielsweise zum automatisierten Schneiden, Schweißen, zur Additiven Fertigung, zur Oberflächenfunktionalisierung sowie zur generellen Bearbeitung von verschiedenen Werkstoffen, wie beispielsweise Glas, Metall und Polymeren bis hin zu Verbundwerkstoffen eingesetzt. Laserstrahlen ermöglichen eine Materialbearbeitung mit sehr hoher Präzision und stellen inzwischen für viele industrielle Fertigungsanwendungen ein nahezu alternativloses Werkzeug dar. Dabei kommen häufig sogenannte Laserscanner zum Einsatz, die den Laserstrahl relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück in einer oder mehrerer Raumrichtungen bewegen. Problematisch ist bei vielen Anwendungen die begrenzte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück. Die Folgen dieser Begrenzung sind limitierte Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie thermisch induzierte Spannungen durch ungleichmäßigen Wärmeeintrag im zu bearbeitenden Werkstück.Today, lasers are used as an established tool in many areas of production and manufacturing. Laser beam sources, which are referred to as lasers for short, are used, for example, for automated cutting, welding, additive manufacturing, surface functionalization and general processing of various materials, such as glass, metal and polymers through to composite materials. Laser beams enable materials to be processed with very high precision and are now a tool with almost no alternative for many industrial manufacturing applications. So-called laser scanners are often used, which move the laser beam in one or more spatial directions relative to a workpiece to be processed. The limited relative speed between the laser beam and the workpiece is problematic in many applications. The consequences of this limitation are limited machining speeds and thermally induced stresses due to uneven heat input in the workpiece to be machined.

Kommerziell verfügbare Galvanometerscanner ermöglichen bei einer zweidimensionalen Bearbeitung mit mehr als 1 kW Laserleistung Scangeschwindigkeiten von bis zu 50 m/s. Dies bedeutet, der Lichtfleck, der durch den auf das Werkstück treffenden Laserstrahl hervorgerufen wird, bewegt sich mit maximal dieser Geschwindigkeit über die Oberfläche des Werkstücks. Alternative Technologien, wie beispielsweise Polygonscanner erreichen deutlich höhere Geschwindigkeiten von bis zu einem km/s, erlauben jedoch nur eine eindimensionale Bearbeitung mit konstanter Geschwindigkeit des Lichtflecks auf dem Werkstück. Für eine mehrdimensionale Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von mehreren Tausend m/s mit Galvanometerscannern und Polygonscannern ist im Stand der Technik keine Lösung verfügbar. Strahlablenksysteme, die nicht über beschleunigte massebehaftete Bauteile verfügen, erreichen sehr hohe Strahlablenkgeschwindigkeiten von mehreren km/s. Allerdings ist das Bearbeitungsfeld, bei für die Lasermaterialbearbeitung gängigen Parametern, auf wenige mm2 beschränkt.Commercially available galvanometer scanners enable scanning speeds of up to 50 m/s for two-dimensional processing with a laser power of more than 1 kW. This means that the light spot caused by the laser beam hitting the workpiece moves over the surface of the workpiece at this maximum speed. Alternative technologies, such as polygon scanners, achieve significantly higher speeds of up to one km/s, but only allow one-dimensional processing with a constant speed of the light spot on the workpiece. No solution is available in the prior art for multidimensional high-speed machining of several thousand m/s using galvanometer scanners and polygon scanners. Beam deflection systems that do not have accelerated mass-afflicted components achieve very high beam deflection speeds of several km/s. However, the processing field is limited to a few mm 2 with parameters that are common for laser material processing.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Laser ein Gerät, das kohärente elektromagnetische Strahlung, die sogenannte Laserstrahlung emittiert. Der Laserstrahl ist der vom Laser ausgesandte Lichtstrahl, also die sich geradlinig ausbreitende elektromagnetische Strahlung. Wird der Laserstrahl bewegt, ändert sich die Richtung, in der sich die elektromagnetische Strahlung ausbreitet. Dies bedeutet, dass sich der Pfad, entlang der sich die elektromagnetische Strahlung bewegt, mit der Zeit verändert und verschiebt.In the context of the present invention, a laser is a device that emits coherent electromagnetic radiation, the so-called laser radiation. The laser beam is the light beam emitted by the laser, i.e. the electromagnetic radiation propagating in a straight line. If the laser beam is moved, the direction in which the electromagnetic radiation propagates changes. This means that the path along which electromagnetic radiation travels changes and shifts over time.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lenksystem für einen Laserstrahl zur Lasermaterial vorzuschlagen, mit dem eine höhere Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls erreichbar ist. Zudem sollte das Bearbeitungsfeld möglichst groß und bevorzugt frei formbar, beispielsweise als Linie, ausgebildet werden können.The invention is therefore based on the object of proposing a steering system for a laser beam for laser material, with which a higher deflection speed of the laser beam can be achieved. In addition, the processing field should be as large as possible and preferably designed to be freely formable, for example as a line.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Lenksystem für einen Laserstrahl zur Lasermaterialbearbeitung, das wenigstens eine Ablenkeinrichtung, durch die der Laserstrahl ablenkbar ist, wenigstens eine Zuleitung, durch die der Laserstrahl der Ablenkeinrichtung zuleitbar ist, und wenigstens ein Faserarray mit einer Mehrzahl von Lichtleitfasern aufweist, das derart angeordnet ist, dass der Laserstrahl von der Ablenkeinrichtung auf eine Einkoppelfläche des Faserarrays abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtung wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement aufweist. The invention achieves the stated object with a steering system for a laser beam for laser material processing, which has at least one deflection device, by which the laser beam can be deflected, at least one feed line, through which the laser beam can be fed to the deflection device, and at least one fiber array with a plurality of optical fibers , which is arranged such that the laser beam is deflected by the deflection device onto a coupling surface of the fiber array, the deflection device having at least one non-mechanical deflection element.

Bei der Erfindung wird folglich eine Ablenkeinrichtung, mit der ein Laserstrahl für die Lasermaterialbearbeitung abgelenkt werden kann, mit wenigstens einem Faserarray, das auch als Faserbündel bezeichnet werden kann, kombiniert. Ein solches Faserbündel weist eine Mehrzahl von Lichtleitfasern auf, in die das Laserlicht eingekoppelt werden kann. Dazu verfügt das Faserarray über eine Einkoppelfläche, die vorzugsweise aus den Einkoppelflächen der einzelnen Lichtleitfasern des Faserarrays gebildet wird. Das Lenksystem beruht somit auf einer faserpixelbasierten Steuerung, wobei jede Lichtleitfaser des Faserarrays einen Pixel darstellt, und besitzt deutlich weniger Strahlenquellen, also Laser, als ansteuerbare Faserkanäle. Jede Lichtleitfaser des Faserarrays bildet dabei einen einzelnen Faserkanal.In the case of the invention, a deflection device, with which a laser beam can be deflected for laser material processing, is consequently combined with at least one fiber array, which can also be referred to as a fiber bundle. Such a fiber bundle has a plurality of optical fibers into which the laser light can be coupled. For this purpose, the fiber array has a coupling surface, which is preferably formed from the coupling surfaces of the individual optical fibers of the fiber array. The steering system is based on fiber pixel-based control, with each optical fiber of the fiber array representing a pixel, and has significantly fewer radiation sources, i.e. lasers, than controllable fiber channels. Each optical fiber of the fiber array forms an individual fiber channel.

Die Einkoppelfläche des Faserarrays kann als eine einzige Einkoppelfläche ausgebildet sein oder aus einer Mehrzahl von Einkoppel-Teilflächen aufgebaut sein. In diesem Fall verfügt bevorzugt jede Lichtleitfaser über eine eigene Einkoppel-Teilfläche, die in einer einfachen Ausgestaltung der Stirnfläche der jeweiligen Lichtleitfaser entspricht.The in-coupling surface of the fiber array can be designed as a single in-coupling surface or be made up of a plurality of in-coupling sub-areas. In this case, each optical fiber preferably has its own partial coupling-in area, which in a simple configuration corresponds to the end face of the respective optical fiber.

Die einzelnen Lichtleitfasern verfügen an dem der Einkoppelfläche gegenüberliegenden Ende über wenigstens eine Auskoppelfläche, aus der in die Lichtleitfaser eingekoppelte Laserstrahlen ausgekoppelt wird. Diese Strahlung kann durch die Lichtleitfaser an die benötigte Stelle geleitet werden, sodass die dafür notwendige Ablenkung des Laserstrahls nicht mehr durch die Ablenkeinrichtung selbst, sondern durch den Pfad, den die Lichtleitfaser beschreitet, gebildet und erreicht wird. Bevorzugt wird die Auskoppelfläche aus mehreren Auskoppel-Teilflächen gebildet. Vorzugsweise sind die Stirnflächen der einzelnen Lichtleitfasern die Auskoppel-Teilflächen. Alternativ dazu kann an einzelne, einige oder alle diese Stirnflächen der Lichtleitfasern ein Substrat angebracht sein, dessen den Stirnflächen gegenüberliegende Fläche dann die Auskoppelfläche oder die Auskoppel-Teilfläche für die an dem Substrat befestigten Lichtleitfasern bildet.At the end opposite the coupling-in surface, the individual optical fibers have at least one coupling-out surface from which laser beams coupled into the optical fiber are coupled out. This radiation can be guided through the optical fiber to the required location, so that the necessary deflection of the laser beam is no longer caused by the deflection device itself, but rather by the path that the optical fiber takes walked, formed and achieved. The decoupling surface is preferably formed from a plurality of partial decoupling surfaces. The end faces of the individual optical fibers are preferably the decoupling sub-areas. Alternatively, a substrate can be attached to individual, some or all of these end faces of the optical fibers, the surface of which opposite the end faces then forms the decoupling surface or the partial decoupling surface for the optical fibers attached to the substrate.

Da die Ablenkeinrichtung wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement aufweist, müssen zum Ablenken des Laserstrahls nur wenige, vorzugsweise jedoch gar keine Massen bewegt werden. Besonders bevorzugt verfügt die Ablenkeinrichtung folglich nicht über bewegliche Teile, wie beispielsweise Spiegel, die bewegt werden müssen, um den Laserstrahl abzulenken.Since the deflection device has at least one non-mechanical deflection element, only a few masses, but preferably no masses at all, have to be moved in order to deflect the laser beam. Consequently, the deflection device particularly preferably does not have moving parts, such as mirrors, which have to be moved in order to deflect the laser beam.

Aufgrund von Massenträgheit ist die Vorschubgeschwindigkeit bei aktuell verwendeten Laserstrahllenksystemen für die Lasermaterialbearbeitung, die über bewegliche Teile verfügen, limitiert. Der Einsatz von nicht-mechanischen Ablenkelementen, welche deutlich höhere Ablenkgeschwindigkeiten erreichen, bietet die Möglichkeit die Verfahrensgeschwindigkeit weiter zu erhöhen. Folgen einer geringen Geschwindigkeit ist die geringe Ausbringung (beispielsweise bei Rolle-zu-Rolle-Verfahren) oder der Verzug des gedruckten Bauteils welche durch thermischen Eintrag verursacht wird (beispielsweise beim LPBF (3D-Druck)).Due to mass inertia, the feed rate is limited in currently used laser beam steering systems for laser material processing, which have moving parts. The use of non-mechanical deflection elements, which achieve significantly higher deflection speeds, offers the possibility of further increasing the process speed. The consequences of a low speed are the low output (e.g. with roll-to-roll processes) or the distortion of the printed component which is caused by thermal input (e.g. with LPBF (3D printing)).

Vorzugsweise verfügt wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement über einen akusto-optischen Deflektor (AOD), durch den der Laserstrahl ablenkbar ist. Ein akusto-optischer Deflektor, der auch als akusto-optischer Modulator (AOM) bezeichnet wird, verwendet den akusto-optischen Effekt. Dazu wird beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler an einem für die Wellenlänge der Laserstrahlung transparenten Material, wie beispielsweise Telludioxid oder Quarzglas, befestigt. Ein oszillierendes elektrisches Signal treibt den Wandler zum Schwingen an, wodurch Schallwellen im Material erzeugt werden. Diese werden so erzeugt, dass sich stehende oder laufende Schallwellen im Material bilden, die als Dichteschwankungen den Brechungsindex lokal ändern. Dadurch kommt es zu einem Beugungsgitter, an dem einfallende elektromagnetische Strahlung, in diesem Fall das Laserlicht des Laserstrahls gebeugt wird. Wird die Frequenz der erzeugten Schallwellen variiert, lässt sich das Beugungsbild und damit die Ablenkung des Laserstrahls verändern.At least one non-mechanical deflection element preferably has an acousto-optical deflector (AOD) by which the laser beam can be deflected. An acousto-optic deflector, also known as an acousto-optic modulator (AOM), uses the acousto-optic effect. For this purpose, for example, a piezoelectric transducer is attached to a material that is transparent to the wavelength of the laser radiation, such as tellu dioxide or quartz glass. An oscillating electrical signal drives the transducer to vibrate, creating sound waves in the material. These are generated in such a way that standing or moving sound waves form in the material, which locally change the refractive index as density fluctuations. This results in a diffraction grating on which incident electromagnetic radiation, in this case the laser light of the laser beam, is diffracted. If the frequency of the generated sound waves is varied, the diffraction pattern and thus the deflection of the laser beam can be changed.

Besonders bevorzugt verfügt die Ablenkeinrichtung über zwei akusto-optische Deflektoren, von denen jeder das einfallende Licht in einer Raumrichtung ablenkt. Der erste Deflektor lenkt den Laserstrahl folglich in einer ersten Raumrichtung ab. Der zweite Deflektor lenkt den Laserstrahl in einer zweiten Raumrichtung ab. The deflection device particularly preferably has two acousto-optical deflectors, each of which deflects the incident light in one spatial direction. The first deflector consequently deflects the laser beam in a first spatial direction. The second deflector deflects the laser beam in a second spatial direction.

Vorzugsweise stehen die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung senkrecht aufeinander, schließen folglich einen rechten Winkel ein. Dies ist von Vorteil, jedoch nicht notwendig. Ausreichend ist, wenn die beiden Raumrichtungen linear unabhängig voneinander sind. Dann ist es durch die beiden akusto-optischen Deflektoren möglich, eine vollständige zweidimensionale Einstellung der Ablenkung des Laserstrahls vorzunehmen.The first spatial direction and the second spatial direction are preferably perpendicular to one another and consequently enclose a right angle. This is an advantage, but not necessary. It is sufficient if the two spatial directions are linearly independent of one another. The two acousto-optical deflectors then make it possible to carry out a complete two-dimensional adjustment of the deflection of the laser beam.

Vorzugsweise weist wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement wenigstens einen elektro-optischen Deflektor auf, durch den der Laserstrahl ablenkbar ist. Dabei wird ausgenutzt, dass bestimmte Materialien einen elektro-optischen Effekt, also die Änderung der optischen Eigenschaften unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes, zeigen. Beispielhaft seien der Pockels-Effekt und der Kerr-Effekt genannt. Bei beiden kommt es zu einer Änderung des Brechungsindex des jeweiligen Materials unter der Einwirkung des elektrischen Feldes durch das Anlegen einer Spannung. Dabei wird ein spezieller nichtlinearer elektro-optischer Effekt in bestimmten, wohldefiniert geschnittenen Kristallen ausgewählter transparenter Materialien genutzt, um einen linearen Brechungsindex-Gradienten zu erzeugen, der proportional zur anliegenden Signalspannung ist. Bei Durchgang eines Laserstrahles senkrecht zum Gradienten wird dieser abgelenkt, wobei der Ablenkwinkel durch die außen angelegte Spannung steuerbar ist.At least one non-mechanical deflection element preferably has at least one electro-optical deflector, by which the laser beam can be deflected. This exploits the fact that certain materials show an electro-optical effect, i.e. the change in optical properties under the influence of an electric field. The Pockels effect and the Kerr effect are mentioned as examples. In both cases there is a change in the refractive index of the respective material under the influence of the electric field caused by the application of a voltage. A special non-linear electro-optical effect in certain, well-defined cut crystals of selected transparent materials is used to generate a linear refractive index gradient that is proportional to the applied signal voltage. When a laser beam passes perpendicularly to the gradient, it is deflected, with the deflection angle being controllable by the externally applied voltage.

Besonders bevorzugt verfügt die Ablenkeinrichtung über zwei elektro-optische Deflektoren, von denen jeder das einfallende Licht in einer Raumrichtung ablenkt. Der erste Deflektor lenkt den Laserstrahl folglich in einer ersten Raumrichtung ab. Der zweite Deflektor lenkt den Laserstrahl in einer zweiten Raumrichtung ab. Vorzugsweise stehen die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung senkrecht aufeinander, schließen folglich einen rechten Winkel ein. Dies ist von Vorteil, jedoch nicht notwendig. Ausreichend ist, wenn die beiden Raumrichtungen linear unabhängig voneinander sind. Dann ist es durch die beiden elektro-optischen Deflektoren möglich, eine vollständige zweidimensionale Einstellung der Ablenkung des Laserstrahls vorzunehmen.The deflection device particularly preferably has two electro-optical deflectors, each of which deflects the incident light in one spatial direction. The first deflector consequently deflects the laser beam in a first spatial direction. The second deflector deflects the laser beam in a second spatial direction. The first spatial direction and the second spatial direction are preferably perpendicular to one another and consequently enclose a right angle. This is an advantage, but not necessary. It is sufficient if the two spatial directions are linearly independent of one another. The two electro-optical deflectors then make it possible to carry out a complete two-dimensional adjustment of the deflection of the laser beam.

Es ist auch denkbar, dass die Ablenkeinrichtung über einen elektro-optischen Deflektor und einen akusto-optischen Deflektor verfügt, von denen jeder den Laserstrahl in einer der beiden Raumrichtungen ablenkt.It is also conceivable that the deflection device has an electro-optical deflector and an acousto-optical deflector, each of which deflects the laser beam in one of the two spatial directions.

Vorzugsweise weist wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement eine Einrichtung zur kohärenten Strahlkombination auf. Dabei wird wenigstens ein Laserstrahl, der von wenigstens einem Laser erzeugt wird, in unterschiedliche Anteile aufgeteilt, die dann gegebenenfalls phasenverschoben aber kohärenten kombiniert und addiert werden. Die Anteile können auch, gegebenenfalls einzeln, in der optischen Leistung verstärkt werden. Durch die Kohärenz der jeweiligen Anteile kommt es zu einer Interferenz, deren Effekt von der Phasenverschiebung abhängt. Auch dadurch lässt sich die Raumrichtung, in der sich die konstruktive Interferenz ausgebildet, in der sich der Laserstrahl erstreckt, verändern. Auch dies ist mit einem oder mehreren elektro-optischen Deflektor und/oder mit einem oder mehreren akusto-optischen Deflektor kombinierbar.At least one non-mechanical deflection element preferably has a device for coherent beam combination. In this case, at least one laser beam, which is generated by at least one laser, is divided into different parts, which are then optionally combined and added in a phase-shifted but coherent manner. The optical power of the components can also be increased, if necessary individually. The coherence of the respective components leads to interference, the effect of which depends on the phase shift. This also allows the spatial direction in which the constructive interference is formed, in which the laser beam extends, to be changed. This can also be combined with one or more electro-optical deflectors and/or with one or more acousto-optical deflectors.

Zusätzlich zu dem wenigstens einen nicht-mechanischen Ablenkelement verfügt die Ablenkeinrichtung vorzugsweise über wenigstens ein mechanisches Ablenkelement. Dieses weist vorzugsweise wenigstens einen Galvanometer-Scanner und/oder wenigstens einen Polygonscanner auf, durch den der Laserstrahl ablenkbar ist. Zusätzlich oder alternativ dazu weist wenigstens ein mechanisches Ablenkelement ein Mikro-Elektro-Mechanisches System auf, durch das der Laserstrahl ablenkbar ist.In addition to the at least one non-mechanical deflection element, the deflection device preferably has at least one mechanical deflection element. This preferably has at least one galvanometer scanner and/or at least one polygon scanner, by which the laser beam can be deflected. In addition or as an alternative to this, at least one mechanical deflection element has a micro-electro-mechanical system, by which the laser beam can be deflected.

Vorzugsweise verfügt das Lenksystem über eine Laserstrahlquelle.The steering system preferably has a laser beam source.

Bevorzugt verfügen die Lichtleitfasern des Faserarrays über jeweils eine Auskoppelfläche, durch die die eingekoppelte Laserstrahlen auskoppelbar ist und die derart angeordnet ist, dass ausgekoppelte Laserstrahlen wenigstens einer Lasermaterialbearbeitungsstation zugeleitet werden. Diese kann ein weiteres Ablenkelement, beispielsweise einen Polygonscanner, aufweisen. Es ist daher von Vorteil, wenn die aus der Auskoppelfläche ausgekoppelte Laserstrahlung einer weiteren Ablenkeinrichtung zugeleitet wird.The optical fibers of the fiber array preferably each have a decoupling surface through which the coupled-in laser beams can be decoupled and which is arranged in such a way that the coupled-out laser beams are fed to at least one laser material processing station. This can have a further deflection element, for example a polygon scanner. It is therefore advantageous if the laser radiation coupled out of the coupling-out surface is fed to a further deflection device.

Vorzugsweise verfügt das Faserarray auf der Einkoppelseite und/oder auf der Auskoppelseite über wenigstens 5, bevorzugt wenigstens 10, weiter bevorzugt wenigstens 100, besonders bevorzugt wenigstens 250 Lichtleitfasern pro Quadratzentimeter Querschnittsfläche. Die Lichtleitfasern sind vorzugsweise Multimodefasern, Singlemodefasern, Polarisationserhaltende Fasern, Hohlkernfasern, PCF (Photonic Crystal Fibre), Gradienten-Index-Fasern, Stufenindexfasern, Leakage-Channel-Fasern und/oder Multikern-Fasern. Besonders bevorzugt ist die Dichte der Lichtleitfasern auf der Auskoppelseite des Faserarray geringer als die auf der Einkoppelseite. Sie beträgt vorzugsweise wenigstens 0,2 Fasern pro Quadratzentimeter Querschnittsfläche. Weiter bevorzugt beträgt sie wenigstens 1, besonders bevorzugt wenigstens 3 Lichtleitfasern pro Quadratzentimeter Querschnittsfläche.The fiber array preferably has at least 5, preferably at least 10, more preferably at least 100, particularly preferably at least 250 optical fibers per square centimeter of cross-sectional area on the coupling-in side and/or on the coupling-out side. The optical fibers are preferably multi-mode fibers, single-mode fibers, polarization-maintaining fibers, hollow core fibers, PCF (photonic crystal fibre), gradient index fibers, step index fibers, leakage channel fibers and/or multi-core fibers. The density of the optical fibers on the coupling-out side of the fiber array is particularly preferably lower than that on the coupling-in side. It is preferably at least 0.2 fibers per square centimeter of cross-sectional area. It is more preferably at least 1, particularly preferably at least 3, optical fibers per square centimeter of cross-sectional area.

Vorzugsweise werden die aus gekoppelten Laserstrahlen, die aus den Auskoppelflächen verschiedener Lichtleitfasern austreten auf mehrere Werkstücke zur Lasermaterialbearbeitung oder an mehreren Stellen eines Werkstückes zur Lasermaterialbearbeitung des Werkstückes geleitet. Durch die hohe Geschwindigkeit und Umschaltrate des Lenksystem kommt es dabei zu einer nahezu gleichzeitigen Bearbeitung der verschiedenen Stellen des einen Werkstückes oder der mehreren Werkstücke.The coupled laser beams, which emerge from the decoupling surfaces of different optical fibers, are preferably directed onto a number of workpieces for laser material processing or at a number of points on a workpiece for laser material processing of the workpiece. Due to the high speed and switching rate of the steering system, the various points of one or more workpieces are processed almost simultaneously.

Vorzugsweise ist an zumindest ein Teil der Einkoppelfläche, vorzugsweise die ganze Einkoppelfläche, und/oder zumindest ein Teil der Auskoppelflächen, vorzugsweise alle Auskoppelflächen ein Substrat montiert, vorzugsweise geschweißt oder geklebt. Unter einer Einkoppelfläche ist dabei auch eine Einkoppel-Teilfläche und unter einer Auskoppelfläche auch eine Auskoppel-Teilfläche verstanden.A substrate is preferably mounted, preferably welded or glued, to at least part of the coupling surface, preferably the entire coupling surface, and/or at least part of the coupling-out surfaces, preferably all coupling-out surfaces. A coupling-in surface is also understood to mean a partial coupling-in surface and a coupling-out surface is also understood to mean a partial coupling-out surface.

Das Substrat ist dabei aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material hergestellt. Die Laserstrahlen, die in eine oder mehrere der Lichtleitfasern eingekoppelt werden sollen, treten dabei zunächst in das Substrat ein. Vorzugsweise sind die Strahlen innerhalb des Substrates konvergierend ausgebildet. Dies bedeutet, dass sich der Querschnitt des Strahls auf dem Weg durch das Substrat verkleinert. Dadurch wird die optische Intensityt an der Grenzfläche zwischen Luft und dem Substrat im Vergleich zur Belastung an der Grenzfläche zwischen Luft und Lichtleitfasern ohne Substrat reduziert. Vorzugsweise ist die der Einkoppelfläche gegenüberliegende Fläche des Substrates mit einer Beschichtung versehen, durch die die Reflexion der Laserstrahlung an der Einkoppelfläche verringert wird.The substrate is made from a material that is transparent to the laser radiation. The laser beams that are to be coupled into one or more of the optical fibers first enter the substrate. The beams are preferably designed to converge within the substrate. This means that the cross section of the beam decreases on the way through the substrate. This reduces the optical intensity at the air/substrate interface compared to the stress at the air/fiber interface without a substrate. The surface of the substrate opposite the coupling-in surface is preferably provided with a coating, which reduces the reflection of the laser radiation at the coupling-in surface.

Vorzugsweise ist die gesamte Einkoppelfläche des Faserarrays an dem Substrat befestigt. Alternativ dazu sind mehrere Substrate vorhanden, die an unterschiedlichen Teilen der Einkoppelfläche, bevorzugt an unterschiedlichen Einkoppel-Teilflächen, montiert sind. In einer Ausgestaltung bildet eine Stirnfläche jeder einzelnen Lichtleitfaser eine separate Einkoppel-Teilfläche, an der jeweils ein Substrat befestigt ist.The entire coupling surface of the fiber array is preferably attached to the substrate. As an alternative to this, a plurality of substrates are present, which are mounted on different parts of the coupling surface, preferably on different coupling partial surfaces. In one configuration, an end face of each individual optical fiber forms a separate partial coupling area, to which a substrate is attached in each case.

Das Substrat, das an der Auskoppelfläche angeordnet ist, kann vorzugsweise eine nicht plane Austrittsfläche aufweisen. Diese Austrittsfläche ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der austretende Laserstrahl kollimiert oder fokussiert wird. Die Austrittsfläche des Substrates kann insbesondere kugelförmig oder teilkugelförmig ausgebildet sein. Werden mehrere Substrate verwendet, können diese gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Sie können insbesondere alle kugelförmig sein.The substrate, which is arranged on the decoupling surface, can preferably have a non-planar exit surface. This exit surface is preferably designed in such a way that the exiting laser beam is collimated or focused. The exit surface of the substrate can in particular be spherical or part-spherical. If several substrates are used, they can be the same or be designed differently. In particular, they can all be spherical.

Vorzugsweise weist das Faserarray wenigstens eine Lichtleitfaser auf, durch deren Auskoppelfläche Laserstrahlung wenigstens einer Strahlfalle zuleitbar ist. Eine Strahlfalle ist eine Vorrichtung zum Absorbieren von elektromagnetischer Strahlung. Sie ist beispielsweise als ein schwarzer Hohlraum ausgebildet, in den die zu absorbierende Strahlung geleitet wird. Vorzugsweise ist die Strahlfalle gekühlt, beispielsweise durch eine Wasserkühlung, um die durch die absorbierte elektromagnetische Strahlung eingetragene Wärme abzuführen.The fiber array preferably has at least one optical fiber, through the decoupling surface of which laser radiation can be fed to at least one beam trap. A beam trap is a device for absorbing electromagnetic radiation. It is designed, for example, as a black cavity into which the radiation to be absorbed is directed. The beam trap is preferably cooled, for example by water cooling, in order to dissipate the heat introduced by the absorbed electromagnetic radiation.

Bevorzugt weist das Faserarray wenigstens eine Lichtleitfaser auf, durch deren Auskoppelfläche Laserstrahlung wenigstens einem Sensor, insbesondere einem Intensitätssensor und/oder einem Leistungssensor zuleitbar ist. Damit lässt sich die Intensität und/oder Leistung der Laserstrahlung bestimmen. Ein solcher Sensor ist beispielsweise ein CCD-Chip, eine Diode oder ein Pyrometer. Der Sensor kann auch ein entsprechender ortsaufgelöster Sensor sein.The fiber array preferably has at least one optical fiber, through the decoupling surface of which laser radiation can be fed to at least one sensor, in particular an intensity sensor and/or a power sensor. This allows the intensity and/or power of the laser radiation to be determined. Such a sensor is, for example, a CCD chip, a diode or a pyrometer. The sensor can also be a corresponding spatially resolved sensor.

Vorzugsweise ist wenigstens ein Mantel der Lichtleitfasern strukturiert, so dass in den Mantel eingekoppelte Laserstrahlung zumindest zum Teil, vorzugsweise vollständig aus dem Mantel austritt. Der Mantel kann dabei der Mantel einer einzelnen Lichtleitfaser sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Mantel auch ein das ganze Faserarray oder einen Teil des Faserarrays umgebender Mantel, beispielsweise in Form einer Glaskapillare sein.At least one cladding of the optical fibers is preferably structured so that laser radiation coupled into the cladding exits at least partially, preferably completely, from the cladding. The cladding can be the cladding of an individual optical fiber. As an alternative or in addition to this, the cladding can also be a cladding surrounding the entire fiber array or part of the fiber array, for example in the form of a glass capillary.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Faserarray für ein hier beschriebenes Lenksystem.The invention also solves the problem set by a fiber array for a steering system described here.

Mit Hilfe der beigefügten Zeichnung werden einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 - die schematische Darstellung eines Lenksystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
  • 2 - die schematische Darstellung eines Lenksystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Some exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail with the aid of the attached drawing. It shows:
  • 1 - The schematic representation of a steering system according to a first embodiment of the present invention and
  • 2 - The schematic representation of a steering system according to a second embodiment of the present invention.

1 zeigt schematisch ein Lenksystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Es verfügt über eine Laserstrahlquelle 2, die eingerichtet ist, einen Laserstrahl 4 auszusenden. Der Laserstrahl 4 wird über die Zuleitung 6 der eigentlichen Ablenkeinrichtung 8 zugeführt. Diese verfügt über einen akusto-optischen Deflektor, einen elektro-optischen Deflektor oder ein anderes nicht-mechanisches Ablenkelement, durch das der Laserstrahl 4 abgelenkt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verfügt die Ablenkeinrichtung 8 zudem noch über eine Einrichtung zur optischen Strahlformung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Laserstrahl 4 trifft nach dem Verlassen der Ablenkeinrichtung 8 auf eine Einkoppelfläche 10 eines Faserarrays 12. Durch das Faserarray 12 wird der Laserstrahl dann an die benötigte Stelle geleitet, die davon abhängt, in welche Lichtleitfaser 14 des Faserarrays 12 der Laserstrahl 4 eingekoppelt wird. Ein möglicher Weg für den Laserstrahl 4 verläuft nicht auf die Einkoppelfläche 10 des Faserarray 12, sondern durch eine weitere Lichtleitung 16 auf einen Sensor 18. 1 shows schematically a steering system according to a first embodiment of the present invention. It has a laser beam source 2 that is set up to emit a laser beam 4 . The laser beam 4 is fed to the actual deflection device 8 via the feed line 6 . This has an acousto-optical deflector, an electro-optical deflector or another non-mechanical deflection element, by which the laser beam 4 is deflected. In the exemplary embodiment shown, the deflection device 8 also has a device for optical beam shaping, which is known from the prior art. After leaving the deflection device 8, the laser beam 4 strikes a coupling surface 10 of a fiber array 12. The laser beam is then guided through the fiber array 12 to the required location, which depends on which optical fiber 14 of the fiber array 12 the laser beam 4 is coupled into. A possible path for the laser beam 4 does not run onto the in-coupling surface 10 of the fiber array 12, but through a further light line 16 to a sensor 18.

2 zeigt eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die Laserstrahlquelle 2 erzeugt kohärente elektromagnetische Strahlung, die in eine Mehrzahl von Einzelstrahlen 20 aufgeteilt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind fünf untereinander dargestellte Einzelstrahlen 20 gezeigt. Dies ist jedoch lediglich schematisch und der besseren Darstellbarkeit geschuldet. Über Phasenelemente 22 werden die Einzelstrahlen 20 um einen festen Versatz relativ zueinander phasenverschoben und anschließend kohärent überlagert. Dabei kommt es zur Interferenz zwischen den Einzelstrahlen 20. Es ergibt sich eine konstruktive Interferenz in Raumrichtungen, die von den jeweiligen Phasenverschiebungen der zur Überlagerung gebrachten Einzelstrahlen 20 abhängen. Die Kombination aus Phasenelementen 22 und der kohärenten Überlagerung bildet in der in 2 dargestellten Ausführungsform die Ablenkeinrichtung 8. 2 shows another embodiment of the present invention. The laser beam source 2 generates coherent electromagnetic radiation, which is split into a plurality of individual beams 20 . In the exemplary embodiment shown, five individual beams 20 are shown one below the other. However, this is only schematic and is due to better displayability. The individual beams 20 are phase-shifted by a fixed offset relative to one another via phase elements 22 and then superimposed coherently. This results in interference between the individual beams 20. There is constructive interference in spatial directions that depend on the respective phase shifts of the individual beams 20 that are brought to superposition. The combination of phase elements 22 and the coherent superposition forms in 2 illustrated embodiment, the deflection device 8.

Nach dem Verlassen dieser Ablenkeinrichtung 8 trifft der Laserstrahl 4 auf eine Strahlformeinrichtung 24, bevor er auf die Einkoppelfläche 10 des Faserarray 12 trifft.After leaving this deflection device 8, the laser beam 4 hits a beam-shaping device 24 before it hits the coupling-in surface 10 of the fiber array 12.

Am nicht dargestellten gegenüberliegenden Ende der einzelnen Lichtleitfasern 14 des Faserarrays 12 befindet sich eine Auskoppelfläche, aus der die Laserstrahlung aus den einzelnen Lichtleitfasern 14 ausgekoppelt und einer weiteren Einrichtung zugeleitet wird.At the opposite end (not shown) of the individual optical fibers 14 of the fiber array 12 there is a decoupling surface from which the laser radiation is decoupled from the individual optical fibers 14 and fed to a further device.

Bezugszeichenlistereference list

22
Laserstrahlquellelaser beam source
44
Laserstrahllaser beam
66
Zuleitungsupply line
88th
Ablenkeinrichtungdeflection device
1010
Einkoppelflächecoupling surface
1212
Faserarrayfiber array
1414
Lichtleitfaseroptical fiber
1616
Lichtleitunglight pipe
1818
Sensorsensor
2020
Einzelstrahlsingle beam
2222
Phasenelementphase element
2424
Strahlformeinrichtungbeam shaping device

Claims (18)

Lenksystem für einen Laserstrahl zur Lasermaterialbearbeitung, das - wenigstens eine Ablenkeinrichtung, durch die der Laserstrahl ablenkbar ist, - wenigstens eine Zuleitung, durch die der Laserstrahl der Ablenkeinrichtung zuleitbar ist und - wenigstens ein Faserarray mit einer Mehrzahl von Lichtleitfasern aufweist, das derart angeordnet ist, dass der Laserstrahl von der Ablenkeinrichtung auf eine Einkoppelfläche des Faserarrays abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtung wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement aufweist.Guidance system for a laser beam for laser material processing, the - at least one deflection device by which the laser beam can be deflected, - At least one feed line through which the laser beam can be fed to the deflection device and - Has at least one fiber array with a plurality of optical fibers, which is arranged such that the laser beam is deflected by the deflection device onto a coupling surface of the fiber array, wherein the deflection device has at least one non-mechanical deflection element. Lenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement einen akusto-optischen Deflektor aufweist, durch den der Laserstrahl ablenkbar ist.steering system claim 1 , characterized in that at least one non-mechanical deflection element has an acousto-optical deflector, by which the laser beam can be deflected. Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement wenigstens einen elektro-optischen Deflektor aufweist, durch den der Laserstrahl ablenkbar ist.steering system claim 1 or 2 , characterized in that at least one non-mechanical deflection element has at least one electro-optical deflector, by which the laser beam can be deflected. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein nicht-mechanisches Ablenkelement eine Einrichtung zur kohärenten Strahlkombination aufweist.Guidance system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one non-mechanical deflection element has a device for coherent beam combination. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung zusätzlich wenigstens ein mechanisches Ablenkelement aufweist.Steering system according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection device additionally has at least one mechanical deflection element. Lenksystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mechanisches Ablenkelement einen Galvanometer-Scanner aufweist, durch den der Laserstrahl ablenkbar ist.steering system claim 5 , characterized in that at least one mechanical deflection element has a galvanometer scanner, by which the laser beam can be deflected. Lenksystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mechanisches Ablenkelement ein Mikro-Elektro-Mechanisches System aufweist, durch das der Laserstrahl ablenkbar ist.steering system claim 5 or 6 , characterized in that at least one mechanical deflection element has a micro-electromechanical system, by which the laser beam can be deflected. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das das Lenksystem wenigstens eine Laserstrahlquelle aufweist.Guidance system according to one of the preceding claims, characterized in that the guidance system has at least one laser beam source. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfasern des Faserarrays jeweils eine Auskoppelfläche aufweisen, durch die eingekoppelte Laserstrahlung auskoppelbar ist und die derart angeordnet ist, dass ausgekoppelte Laserstrahlung wenigstens einer Lasermaterialbearbeitungsstation zugeleitet wird.Guidance system according to one of the preceding claims, characterized in that the optical fibers of the fiber array each have a decoupling surface through which coupled-in laser radiation can be coupled out and which is arranged such that coupled-out laser radiation is fed to at least one laser material processing station. Lenksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Auskoppelfläche ausgekoppelte Laserstrahlung einer weiteren Ablenkeinrichtung zugeleitet wird.steering system claim 9 , characterized in that laser radiation decoupled from the decoupling surface is fed to a further deflection device. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserarray wenigstens 10, bevorzugt wenigstens 100, besonders bevorzugt wenigstens 250 Lichtleitfasern aufweist.Steering system according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber array has at least 10, preferably at least 100, particularly preferably at least 250 optical fibers. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserarray wenigstens 10, bevorzugt wenigstens 100, besonders bevorzugt wenigstens 250 Lichtleitfasern pro Quadratzentimeter Querschnittsfläche aufweist.Guidance system according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber array has at least 10, preferably at least 100, particularly preferably at least 250 optical fibers per square centimeter of cross-sectional area. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest ein Teil der Einkoppelfläche, vorzugsweise die ganze Einkoppelfläche, und/oder zumindest ein Teil der Auskoppelflächen, vorzugsweise alle Auskoppelflächen wenigstens ein Substrat montiert, vorzugsweise geschweißt oder geklebt, ist.Steering system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one substrate is mounted, preferably welded or glued, to at least part of the coupling surface, preferably the entire coupling surface, and/or at least part of the coupling-out surfaces, preferably all coupling-out surfaces. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserarray wenigstens eine Lichtleitfaser aufweist, durch deren Auskoppelfläche Laserstrahlung einer Strahlfalle zuleitbar ist.Guidance system according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber array has at least one optical fiber, through the decoupling surface of which laser radiation can be fed to a beam trap. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserarray wenigstens eine Lichtleitfaser aufweist, durch deren Auskoppelfläche Laserstrahlung wenigstens einem Sensor, insbesondere einem Intensitätssensor und/oder einem Leistungssensor zuleitbar ist.Guidance system according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber array has at least one optical fiber through whose decoupling surface laser radiation can be fed to at least one sensor, in particular an intensity sensor and/or a power sensor. Lenksystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Laserstrahlung dem wenigstens einen Sensor zuleitbar ist.steering system claim 15 , characterized in that only part of the laser radiation can be fed to the at least one sensor. Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Mantel der Lichtleitfasern strukturiert ist, so dass in den Mantel eingekoppelte Laserstrahlung zumindest zum Teil, vorzugsweise vollständig aus dem Mantel austritt.Guidance system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one cladding of the optical fibers is structured so that laser radiation coupled into the cladding emerges at least partially, preferably completely, from the cladding. Faserarray für ein Lenksystem nach einem der vorstehenden Ansprüche.A fiber array for a guidance system according to any one of the preceding claims.
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