DE102022127276A1

DE102022127276A1 - Lasersystem zur Erzeugung zumindest einer segmentierten Fokusstrahlung

Info

Publication number: DE102022127276A1
Application number: DE102022127276.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Bay; Arnd Kösters
Original assignee: LASERLINE GES fur ENTWICKLUNG und VERTRIEB VON DIODENLASERN MBH; Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH
Current assignee: LASERLINE GES fur ENTWICKLUNG und VERTRIEB VON DIODENLASERN MBH; Laserline Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb Von Diodenlasern GmbH
Priority date: 2022-10-18
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft Lasersystem (1) zur Erzeugung zumindest einer segmentierten Fokusstrahlung (FS) bestehend aus einem ersten bis n-ten Fokussegment (FS1 bis FSn) umfassend zumindest eine vorzugsweise fasergekoppelte Lasereinheit (2) zur Erzeugung einer Laserstrahlung (LS) mit unterschiedlichen Wellenlängen (w1 bis wn) und einer mit dieser verbundenen Bearbeitungsoptik (3), wobei die Bearbeitungsoptik (3) zumindest eine Kollimationsoptik (5), eine Strahlumlenkeinrichtung (6), eine Strahlformungsoptik (7) und eine Fokussieroptik (8) aufweist, die in Propagationsrichtung (z) der Laserstrahlung (LS) aufeinander folgend angeordnet sind. Besonders vorteilhaft wird die von der Lasereinheit (2) erzeugte Laserstrahlung (LS) mittels der Strahlumlenkeinrichtung (6) in erste bis n-te Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge (w1 bis wn) und Strahlrichtung (SR1 bis SRn) umgelenkt die erste bis n-te Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) werden mittels der Strahlformungs- und Fokussieroptik (7, 8) in das erste bis n-te Fokussegment (FS1 bis FSn) der segmentierten Fokusstrahlung (FS) transformiert. Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung eine Bearbeitungsoptik zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lasersystem (1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem zur Erzeugung zumindest einer segmentierten Fokusstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Lasersysteme, insbesondere Hochleistungs-Lasersysteme zur Erzeugung einer anwendungsspezifischen Laserstrahlung in einer Bearbeitungsebenem, nachfolgend Fokusstrahlung genannt, sind hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise grundsätzlich bekannt. Derartige Lasersysteme finden insbesondere in industriellen Produktionsprozessen Verwendung.
Ein Lasersystem weist üblicherweise zumindest eine Laserlichtquelle zur Erzeugung einer Laserstrahlung und einer dieser im Strahlengang der erzeugten Laserstrahlung nachgeschaltete Bearbeitungsoptik zur Erzeugung einer Fokusstrahlung mit einer anwendungsspezifischen Fokusgeometrie in einer Bearbeitungsebene auf. Die Laserlichtquelle kann beispielsweise durch eine Diodenlasereinheit gebildet sein, die aus einem oder mehreren Stapel(n) von Diodenlaserbarren besteht, wobei ein Diodenlaserbarren jeweils eine Vielzahl an parallel zueinander in einer Ebene angeordnete Laserdioden umfasst. Derartige Diodenlasereinheiten sind zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit hoher Leistung bzw. Intensität ausgebildet und werden daher häufig im Bereich der industriellen Materialbearbeitung verwendet.
Solche Lasereinheiten können auch direkt mit einer optischen Faser gekoppelt sein. Die erzeugte Laserstrahlung wird dabei unmittelbar in eine optische Faser eingekoppelt und über diese an einen vorzugsweise entfernt von der Lasereinheit liegenden Bearbeitungsort bzw. die dort befindliche Bearbeitungsoptik übertragen. Derartige Lasereinheiten werden auch als fasergekoppelte Lasereinheiten bezeichnet.
Die Strahlformung der von der Lasereinheit bereitgestellten Laserstrahlung erfolgt mittels der Bearbeitungsoptik, die der Lasereinheit im Strahlengang nachgeschaltet ist. Diese bestehend üblicherweise aus einer Anordnung mehrerer optischer Bauteile, insbesondere unterschiedlicher Linsen- und/oder Spiegelelemente.
Die Bearbeitungsoptik umfasst beispielsweise zumindest eine Kollimationsoptik, eine Strahlformungsoptik und/oder eine Fokussieroptik, wobei mittels der Fokussieroptik beispielsweise die durch die Strahlformungsoptik geformte Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene gebündelt bzw. fokussiert wird und somit die zur Anwendung im Bearbeitungsbereich verfügbare Fokusstrahlung erzeugt wird. Die auf das Werkstück auftreffende Fokusstrahlung wir aufgrund der Abmessungen auch als „Laserspot“ bezeichnet. Die Fokusstrahlung weist häufig eine anwendungsspezifische Fokusgeometrie auf. Aufgrund der Abstrahlcharakteristik der Diodenlasereinheit ist im Falle einer Diodenlaserstrahlung die erzeugte Fokusgeometrie des Laserspots bzw. der Fokusstrahlung beispielsweise linien- oder rechteckförmig.
In industriellen Produktionsprozessen können hochwertige Glasfaser- oder Kohlenstofffaser-Verbundteile durch automatisiertes Tapelegen oder Tapewickeln hergestellt werden. Um die Anhaftung des Tapes an ein teilgefertigtes Bauteil zu erhöhen wird das Tape durch Erhitzung des flächigen Verbindungsbereiches auf die Oberfläche des teilgefertigten Bauteils aufgeschmolzen. Hierzu wird der flächige Verbindungsbereich mit der über ein Lasersystem erzeugten Fokusstrahlung beaufschlagt und dadurch erwärmt.
In einer weiteren industriellen Anwendung können Flächenabschnitte eines Werkstückes durch Beaufschlagung mit entsprechend dimensionierter Fokusstrahlung gehärtet werden.
Bei derartigen großflächigen Laseranwendungen kann es erforderlich sein, örtlich stark variierende Intensitätsverteilungen auf dem Bauteil oder Werkstück zu erzeugen. Die Fokusgeometrie der Fokusstrahlung kann beispielsweise eine Linie sein, die sich aus einer Anzahl n von Fokussegmenten zusammensetzt. Während der Durchführung des Produktionsprozesses ist es erforderlich, die Intensität bzw. Leistung der einzelnen Fokussegmente jeweils getrennt voneinander zu regeln oder steuern.
Zur Erzeugung einer derartigen segmentierten Fokusstrahlung mit Fokussegmenten unterschiedlicher Intensität finden derzeitig so genannte Direkt-Laserstrahlsysteme Anwendung, die einzeln ansteuerbar sind und häufig modulartig ausgebildet sind. Mittels eines Direkt-Laserstrahlsystems wird ein Fokussegment der segmentierten Fokusstrahlung mit vorzugsweise linien- oder rechteckförmiger Fokusgeometrie und einer vorgegebenen Intensität erzeugt. Derartige Direkt-Laserstrahlsysteme sind beispielsweise aus der EP 3 848 188 A1 oder der US 2021/206123 A1 bekannt.
Zur Erzeugung der gewünschten segmentierten Fokusstrahlung mit variierender Intensitätsverteilung sind daher mehrere Direkt-Laserstrahlsysteme erforderlich, die in einer Kaskade angeordnet werden und die eine Fokusstrahlung mit mehreren, aneinander anschließenden Fokussegmenten mit unterschiedlicher Leistung bzw. Intensitäten bereitstellen. Nachteilig ist der Bauraumbedarf aufgrund der Kaskadierung hoch, der üblicherweise in bestehenden Produktionsanlagen in diesen Umfang nicht verfügbar ist. Weiterhin nachteilig ist bei derartigen Direkt-Laserstrahlsysteme der zwingend erforderliche geringe Arbeitsabstand von der Bearbeitungsoptik zum Werkstück, der eine Integration in bestehende Produktionsanlagen noch zusätzlich erschwert. Ebenfalls nachteilig sind die langen Leitungswege für elektrische Zuleitungen sowie der hohe Kühlwasserbedarf für die Direkt-Laserstrahlsysteme.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem zur Erzeugung einer segmentierten Fokusstrahlung bereitzustellen, durch welches die eingangs beschriebenen Nachteile beseitigt werden und mittels dem insbesondere eine Fokusstrahlung mit einer örtlich und/oder zeitlich variierbaren Intensitätsverteilung erzeugbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lasersystem gemäß dem Patentanspruch 1 und eine Bearbeitungsoptik zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lasersystem gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen, Details und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Lasersystems zur Erzeugung einer segmentierten Fokusstrahlung ist darin zu sehen, dass die von der Lasereinheit erzeugte Laserstrahlung mittels der Strahlumlenkeinrichtung in erste bis n-te Teillaserstrahlen mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge und Strahlrichtung umgelenkt wird und dass mittels der Strahlformungs- und Fokussieroptik die erste bis n-te Teillaserstrahlen in das erste bis n-te Fokussegment der segmentierten Fokusstrahlung transformiert werden. Ausgehend von einer Laserstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen werden besonders vorteilhaft die eine zugeordnete Wellenlänge aufweisenden Strahlungsanteile der Laserstrahlung als individuell steuer- und regelbarer Strahlungskanal verwendet, um eine zeitlich und/oder örtlich einstellbare Intensitätsverteilung einer segmentierten Fokusstrahlung in der Bearbeitungsebene bereitzustellen. Besonders vorteilhaft ist die örtliche Position der einzelnen Fokussegmente durch eine entsprechende Auslenkung der Strahlrichtung bezogen auf die optische Achse der Strahlumlenkeinrichtung abhängig von einem zugeordneten Winkel-Offset frei einstellbar. Dadurch ist eine ein- und zweidimensionale Segmentierung der Fokusstrahlung in der Bearbeitungsebene möglich. Vorteilhaft kann die Bearbeitungsoptik im Vergleich zu Stand der Technik mit einem größeren Arbeitsabstand verwendet werden.
Weiterhin vorteilhaft sind die örtliche Position des ersten bis n-ten Fokussegmentes in der Bearbeitungsebene und/oder die Intensität des ersten bis n-ten Fokussegmentes in der Bearbeitungsebene unabhängig und/oder getrennt voneinander einstellbar. Vorteilhaft kann neben einer örtlichen Überlagerung zweier oder mehrere Fokussegmente in der Bearbeitungsebene zusätzlich eine wellenlängenabhängige Einstellung der Ausgangsintensität in der die Rohlaserstrahlung erzeugenden Laserquelle erfolgen. Besonders vorteilhaft können zur Beeinflussung der Intensitätsverteilung der segmentierten Fokusstrahlung auch ein oder mehrere Wellenlängen ein- oder ausgeschaltet werden, d.h. es können dadurch die zugeordneten Fokussegmente zu- oder abgeschaltet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Strahlumlenkeinrichtung zur wellenlängenabhängigen Um- und/oder Auslenkung der Laserstrahlung, insbesondere der erste bis n-te Teillaserstrahlen ausgebildet. Abhängig von der gewählten Ausführungsvariante erfolgt besonders vorteilhaft über die Strahlumlenkeinrichtung sowohl eine Neuausrichtung der Strahlrichtung der Teillaserstrahlung bzw. vorab eine wellenlängenabhängige Aufteilung der Laserstrahlung in die Teillaserstrahlung.
Weiterhin vorteilhaft weisen die erste bis n-te Teillaserstrahlen eine unterschiedliche Strahlrichtung bezogen auf die Propagationsrichtung bzw. die optische Achse der Bearbeitungsoptik auf. Beim Durchlaufen der Strahlumlenkeinrichtung wird jeder Teilstrahlung ein unterschiedlicher Winkel-Offset aufgeprägt, und zwar durch entsprechende optische Auslenkung aus der optischen Achse der Strahlumlenkeinrichtung. Dadurch wird jedem steuer- oder regelbaren „Strahlungskanal“ eine eindeutig zugewiesene Strahlrichtung zugeordnet, wobei der zugeordnete Strahlungswinkel in einem Winkelraum besonders vorteilhaft mittels der Strahlformungsoptik und der Fokussieroptik in eine eindeutige örtliche Position in der Bearbeitungsebene abgebildet wird.
Besonders vorteilhaft wird aus einer Anzahl n von ersten bis n-ten Teillaserstrahlung eine entsprechende Anzahl n an ersten bis n-ten Fokussegmenten erzeugt, die die segmentierte Fokusstrahlung in der Bearbeitungsebene bilden, wobei besonders bevorzugt die Anzahl n der Anzahl der Wellenlängen der Rohlaserstrahlung entspricht. Damit entspricht die Anzahl der separat steuer- oder regelbaren Fokussegmente der Anzahl der verwendeten Wellenlängen, welche beispielsweise durch den Einsatz einer optischen Faser mit zwei Faserkernen verdoppelt werden kann. Besonders bevorzugt weist die segmentierte Fokusstrahlung eine linienförmige oder reckteckförmige Fokusgeometrie auf.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist die Strahlumlenkeinrichtung zumindest eine Strahlumlenkanordnung umfassend mehrere dichroitische Filter- und/oder Spiegeleinheiten zur reflektiven Strahlumlenkung auf. Besonders vorteilhaft wird die Überlagerung der der Teillaserstrahlen beispielsweise dadurch erzeugt wird, dass die Teilstrahlen mit der jeweils kürzeren Wellenlänge transmittiert werden („Kurzpassfilter“). Alternativ kann können auch die Teillaserstrahlen mit der jeweils längeren Wellenlänge transmittiert werden („Langpassfilter“).
Insbesondere kann die Strahlumlenkeinrichtung eine erste und zweite Strahlumlenkanordnung aufweisen, die jeweils dieselbe Anzahl an dichroitischen Filter- und/oder Spiegeleinheiten aufweisen. Die erste Strahlumlenkanordnung dient dabei zur wellenlängenabhängigen Filterung der Teillaserstrahlung aus der gebündelten Laserstrahlung umfassend mehrere unterschiedliche Wellenlängen und die Umlenkung der ausgefilterten Teillaserstrahlung auf eine zugeordnete dichroitische Filter- und/oder Spiegeleinheit der zweiten Strahlumlenkanordnung, über welche eine Anpassung der Strahlrichtung der ausgefilterten Teillaserstrahlung erfolgt.
Weiterhin vorteilhaft ist die Stahlformungsoptik durch zumindest ein erstes und zweites Zylinderlinsenfeld gebildet. Vorteilhaft wird dadurch das Prinzip einer nicht abbildenden Zylinderlinsenhomogenisierung unter Verwendung von zwei gekreuzten Zylinderlinsenfeldern realisiert, wobei die Zylinderlinsenfelder vorzugsweise durch Stabzylinderlinsenfelder gebildet sind.
Weiterhin vorteilhaft ist die Fokussieroptik durch eine Fokussierlinse gebildet, welche der Stahlformungsoptik unmittelbar im Strahlengang nachgeschaltet ist.
Auch können mehrere Kollimationsoptiken zur getrennten Kollimation der Teillaserstrahlen vorgesehen sein. Vorteilhaft ermöglicht dies auch eine dreidimensionale Segmentierung der Fokusstrahlung, und zwar die Einstellung von unterschiedlichen Fokuspositionen entlang der optischen Achse bzw. Propagationsachse.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung eine Bearbeitungsoptik zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Lasersystem umfassend zumindest eine Kollimationsoptik, eine Strahlumlenkeinrichtung, eine Strahlformungsoptik und eine Fokussieroptik, wobei besonders vorteilhaft die Strahlumlenkeinrichtung zur Umlenkung der ersten bis n-ten Teillaserstrahlen in eine vorgegebene Strahlrichtung und die Strahlformungs- und Fokussieroptik zur Transformation der ersten bis n-ten Teillaserstrahlen in das erste bis n-te Fokussegment der segmentierten Fokusstrahlung eingerichtet sind. Mittels der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik ist besonders vorteilhaft eine segmentierte Fokusstrahlung mit einstellbarer Intensitätsverteilung in einer Bearbeitungsebene bereitstellbar.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

1 beispielhaft ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lasersystems zur Erzeugung einer segmentierten Fokusstrahlung;
2 eine schematische Draufsicht auf die in der Bearbeitungsebene erzeugte segmentierte Fokusstrahlung;
3 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik zur Erzeugung einer segmentierten Fokusstrahlung;
4 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik zur Erzeugung einer segmentierten Fokusstrahlung;
5 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik zur Erzeugung einer segmentierten Fokusstrahlung;
6 beispielhaft einen Schnitt durch eine optische Faser umfassend zwei Faserkerne und
7 beispielhaft eine perspektivische Anordnung zweier zueinander gekreuzter Zylinderlinsenfelder.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den Figuren identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersichtlichkeit halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Auch ist die Erfindung in den Figuren anhand schematischer Ansichten dargestellt. Insbesondere dienen diese schematischen Darstellungen der Erläuterung des grundlegenden Prinzips der Erfindung.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lasersystems 1 zur Erzeugung zumindest einer segmentierten Fokusstrahlung FS in einer Bearbeitungsebene BE. Das erfindungsgemäße Lasersystem 1 ist für industrielle Anwendungen vorgesehen, insbesondere zum Tapelegen oder Härten in industriellen Produktionsprozessen.
Das beispielhaft in 1 gezeigte erfindungsgemäße Lasersystem 1 umfasst eine Lasereinheit 2 zur Erzeugung einer Laserstrahlung LS, vorzugsweise einer Diodenlaserstrahlung sowie eine Bearbeitungsoptik 3 Erzeugung von einer ersten bis n-ten Teillaserstrahlung TS1 bis TSn, welche eine Fokusstrahlung FS in der Bearbeitungsebene BE, welche vorzugsweise über eine optische Faser 4 an die Bearbeitungsoptik 3 übertragen wird.
Die Lasereinheit 2 ist beispielsweise durch eine Diodenlasereinheit gebildet, und zwar vorzugsweise eine fasergekoppelte Diodenlasereinheit, d.h. die erzeugte Laserstrahlung bzw. Diodenlaserstrahlung LS wird eingangsseitig direkt in die optische Faser 4 eingekoppelt und ausgangsseitig der Bearbeitungsoptik 3 zugeführt. Der Aufbau und die Funktionsweise derartiger Diodenlasereinheiten, insbesondere auch von fasergekoppelten Diodenlasereinheiten ist hinlänglich bekannt. Diese weisen üblicherweise einen oder mehrere Stapel aus Diodenlaserbarren auf, wobei ein Diodenlaserbarren jeweils eine Vielzahl an Laserdioden umfasst.
Die Laserstrahlung LS propagiert vorzugsweise entlang einer Propagationsachse z, die senkrecht zur Bearbeitungsebene BE verläuft und die bezogen auf die optischen Bauelemente der Bearbeitungsoptik 3 auch als „optische Achse“ bezeichnet wird. Die Propagationsachse z bildet auch die z-Achse eines zur Beschreibung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 3 in den 2 bis 5 und 7 eingeführten kartesischen Koordinatensystems umfassend eine x-Achse, y-Achse und z-Achse aus. Die Einführung des kartesischen Koordinatensystems in den 2 bis 5 und 7 dient damit zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 3 in Bezug auf die in der Bearbeitungsebene BE erzeugten segmentierten Fokusstrahlung FS, die sich erfindungsgemäß aus einzelnen Fokussegmenten FS1 bis FSn zusammensetzt.
Die beispielhaft in 2 gezeigte segmentierte Fokusstrahlung FS umfasst ein erstes bis n-tes rechteckförmiges Fokussegment FS1 bis FSn, welche in der parallel zur x-y-Ebene verlaufenden Bearbeitungsebene BE zu liegen kommen und entlang der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems beispielsweise aneinander anschließen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist n=4, d.h. es sind vier Fokussegmente FS1 bis FSn der 2 zu entnehmen.
Vorzugweise verläuft die z-Achse des Koordinatensystems senkrecht zu dem jeweiligen Fokussegment FS1 bis FSN. Es versteht sich, dass die Fokussegmente FS1 bis FSn an nahezu beliebigen Positionen in der x-y-Ebene zu liegen kommen können und auch beabstandet zueinander oder zumindest teilweise überlappen können, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird. Auch kann die Fokusgeometrie von der gezeigten Rechteckform abweichen, beispielsweise linienförmig ausgebildet sein.
Ferner weist die von der Lasereinheit 2 erzeugte Laserstrahlung LS unterschiedliche Wellenlängen, und zwar zumindest eine erste bis n-te Wellenlänge w1 bis wn auf. Die Laserstrahlung bzw. Diodenlaserstrahlung LS bildet die Rohlaserstrahlung aus, welche anschließend durch die erfindungsgemäße Bearbeitungsoptik 3 entsprechend verarbeitet wird, um anwendungsseitig eine segmentierte Fokusstrahlung FS zu erzeugen.
Zur Erzeugung der Laserstrahlung LS mit mehreren unterschiedlichen Wellenlängen w1 bis wn können in der Lasereinheit 2 beispielsweise eine entsprechende Anzahl n an Lasermodulen, vorzugsweise Diodenlasermodulen zum Einsatz kommen, welche jeweils eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge w1 bis wn erzeugen und die gemeinsam in eine optische Faser 4 eingekoppelt werden. Alternativ können die jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge w1 bis wn aufweisende Laserstrahlungen LS auch über eine entsprechende Anzahl n an optischen Fasern 4.1 bis 4.4 jeweils separat zur Bearbeitungsoptik 3 übertragen werden.
Über die Bearbeitungsoptik 3 wird die Laserstrahlung LS umfassend die erste bis n-te Wellenlänge w1 bis wn in eine erste bis n-te Teillaserstrahlung TS1 bis TSn umgeformt, wobei dann jede Teillaserstrahlung TS1 bis TSn wiederum eine eigene Wellenlänge w1 bis wn aufweist, und zwar weist beispielsweise die erste Teillaserstrahlung TS1 die erste Wellenlänge w1, die zweite Teillaserstrahlung TS2 die zweite Wellenlänge w2, die dritte Teillaserstrahlung TS3 die dritte Wellenlänge w3 und die n-te Teillaserstrahlung TSn die n-te Wellenlänge wn.
Die erste bis n-te Teillaserstrahlung TS1 bis TSn wird dann durch entsprechende Strahlformung und Fokussierung der ersten bis n-ten Teillaserstrahlung TS1 bis TSn in der Bearbeitungsebene BE fokussiert und somit die zumindest eine segmentierte Fokusstrahlung FS gebildet, wobei die segmentierte Fokusstrahlung FS ein erstes bis n-tes Fokussegment FS1 bis FSn umfasst. Es besteht damit ein eindeutiger Bezug zwischen der Wellenlänge w1 bis wn der in die Bearbeitungsoptik 3 eingekoppelten Laserstrahlung LS und den über diese erzeugten Fokussegmenten FS1 bis FSn in der Bearbeitungsebene BE.
In einer alternativen Ausführungsvariante können auch anstelle einer Laserstrahlung LS mit mehreren Wellenlängen w1 bis wn können auch die in der Lasereinheit 2 erzeugten Rohlaserstrahlen mit jeweils einer unterschiedlichen Wellenlängen w1 bis wn über getrennte optische Fasern 4 der Bearbeitungsoptik 3 zugeführt werden, d.h. es werden damit der Bearbeitungsoptik 3 bereits eine der Anzahl n der Wellenlängen w1 bis wn entsprechende Anzahl an Rohlaserstrahlen zugeführt.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen werden beispielsweise vier Fokussegmente FS1 bis FSn mittels der Bearbeitungsoptik 3 aus einer Laserstrahlung mit vier unterschiedlichen Wellenlängen w1 bis wn oder aus vier Laserstrahlungen mit jeweils einer Wellenlänge w1 bis wn erzeugt. Die erste bis n-te Wellenlänge w1 bis wn der Laserstrahlung LS bilden damit Strahlungskanäle aus, die wellenlängenabhängig über die Lasereinheit 2 einzeln regel- oder steuerbar sind, und zwar kann die Intensität der jeweiligen Strahlungsanteile einer Wellenlänge w1 bis wn individuell eingestellt werden, insbesondere der zugehörige Strahlungskanal auch ein- oder ausgeschaltet werden. Dadurch ist eine zeitliche Regelung der unterschiedliche Wellenlängen w1 bis wn aufweisenden Strahlungskanäle gegeben.
Die durch die Wellenlängen w1 bis wn gebildeten Strahlungskanäle werden mittels der Bearbeitungsoptik 3 in die erste bis n-te Teillaserstrahlung TS1 bis TSn mit jeweils unterschiedlicher Strahlrichtung SR1 bis SRn umgelenkt, und zwar vorzugsweise derart, dass die Strahlrichtung SR1 bis SRn der ersten bis n-ten Teillaserstrahlung TS1 bis TSn mit der Propagationsachse z bzw. der optischen Achse einen spitzen Winkel einschließt. Diese wellenlängenabhängige Strahlrichtung wird schließlich von der Bearbeitungsoptik 3 in eine ortsabhängige Intensitätsverteilung der segmentierten Fokusstrahlung FS transformiert, und zwar in das erste bis n-te Fokussegment FS1 bis FSn, wobei vorzugsweise die Anzahl n der verfügbaren Wellenlängen w1 bis wn der Anzahl n der Fokussegmente FS1 bis FSn entspricht.
Die erfindungsgemäße Bearbeitungsoptik 3 weist hierzu zumindest eine Kollimationsoptik 5, eine Strahlumlenkeinrichtung 6, eine Strahlformungsoptik 7 und eine Fokussieroptik 8 auf, die in Propagationsrichtung z der Laserstrahlung LS aufeinander folgend angeordnet sind. Die über die optische Faser 4 an die Bearbeitungsoptik 3 übertragene, abhängig von der numerischen Apertur der Lasereinheit 2 divergente Laserstrahlung LS wird vorzugsweise über eine optische Anschlusseinheit an die eingangsseitig in der Bearbeitungsoptik 3 angeordnete Kollimationsoptik 5 übergeben und über diese der Strahlenverlauf der eingekoppelten Laserstrahlung LS parallelisiert, bevor diese durch die Strahlumlenkeinrichtung 6 weiter umgelenkt bzw. ausgerichtet wird. Die Brennweite der Kollimationsoptik 5 bestimmt dabei beispielsweise den Durchmesser der kollimierten Laserstrahlung LS. Bei Einkopplung mehrerer Laserstrahlungen LS mit unterschiedlichen Wellenlängen w1 bis wn ist eine entsprechende Anzahl an Kollimationsoptiken 5 vorzusehen.
Die kollimierte Laserstrahlung LS wird mittels der Strahlumlenkeinrichtung 6 in die erste bis n-te Teillaserstrahlen TS1 bis TSn mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge w1 bis wn und jeweils unterschiedlicher Strahlrichtung SR1 bis SRn umgelenkt und anschließend die erste bis n-te Teillaserstrahlen mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge w1 bis wn und Strahlrichtung SR1 bis SRn mittels der Strahlformungs- und Fokussieroptik 7, 8 in das erste bis n-te Fokussegment FS1 bis FSn der segmentierten Fokusstrahlung FS transformiert bzw. fokussiert. Mittels der Fokussieroptik 8 werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise erste bis n-te Fokussegmente FS1 bis FSn mit einer rechteckförmigen Fokusgeometrie erzeugt. Dabei ist im erfindungsgemäßen Sinne unter einer rechteckförmigen Fokusgeometrie auch eine quadratische Fokusgeometrie zu verstehen.
In 3 ist eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 3 dargestellt, wobei beispielhaft die Anzahl der Wellenlängen auf n=4 beschränkt ist. Die über die optische Faser 4 an die Kollimationsoptik 5 übertragene Laserstrahlung LS weist damit eine erste bis vierte Wellenlänge w1 bis w4 auf, die nach der Kollimation der Strahlumlenkeinrichtung 6 zugeführt wird, d.h. die kollimierte Strahlbündel umfasst damit alle vier Wellenlängen w1 bis w4.
In der Strahlumlenkeinrichtung 6 weist erfindungsgemäß eine erste und zweite Strahlumlenkanordnung 6.1, 6.2 jeweils umfassend mehrere dichroitische Filter- bzw. Spiegeleinheiten 6.11, 6.12, 6.13, 6.14, 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 auf, die jeweils hintereinander entlang einer parallel zur Propagationsachse bzw. optischen Achse z verlaufenden Achse beabstandet zueinander in einer Reihe angeordnet sind und vorzugsweise in einem Gehäuse 6.3 aufgenommen sind.
Die erste Strahlumlenkanordnung 6.1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einer ersten bis vierten dichroitischen Filtereinheit 6.11, 6.12, 6.13, 6.14 und die zweite Strahlungsumlenkanordnung 6.2 von einer ersten bis vierten dichroitischen Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 gebildet.
Die erste Strahlumlenkanordnung 6.1 ist im Strahlengang der Kollimationsoptik 5 nachgeschaltet und die zweite Strahlumlenkanordnung 6.2 entlang eines hierzu parallelen Strahlenganges angeordnet, d.h. die dichroitische Filter- bzw. Spiegeleinheiten 6.11, 6.12, 6.13, 6.14, 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 sind matrixförmig angeordnet, und zwar in vier aufeinander folgenden Spalten und zwei Zeilen. Die erste und zweite Strahlumlenkanordnung 6.1, 6.2 erstrecken sich somit entlang jeweils eines von zwei parallel verlaufenden Strahlenwegen.
Dabei ist in der ersten und zweiten Strahlumlenkanordnung 6.1 jeweils einer dichroitischen Filter- bzw. einer Spiegeleinheit 6.11, 6.12, 6.13, 6.14, 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 genau eine Wellenlänge w1 bis w4 zugeordnet, wobei jeweils eine dichroitische Filtereinheit 6.11, 6.12, 6.13, 6.14 der ersten Strahlumlenkanordnung 6.1 mit genau einer dichroitischen Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 der zweiten Strahlumlenkanordnung 6.2 ein zusammenwirkendes Filter- und Spiegelpaar bildet und wobei die dichroitische Filtereinheit 6.11, 6.12, 6.13, 6.14 zur Filterung der zugeordneten Wellenlänge w1 bis w4 aus der Laserstrahlung LS und die dichroitischen Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 zur wellenlängenabhängigen Auslenkung der Strahlrichtung SR1 bis SR4 aus der optischen Achse bzw. Propagationsachse z eingerichtet sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist die erste Strahlumlenkanordnung 6.1 eine erste bis vierte dichroitische Filtereinheit 6.11, 6.12, 6.13, 6.14 auf, wobei die erste dichroitische Filtereinheit 6.11 zur Filterung der die erste Wellenlänge w1 aufweisenden ersten Teillaserstrahlung TS1 aus der Laserstrahlung LS, die zweite dichroitische Filtereinheit 6.12 zur Filterung der die zweite Wellenlänge w2 aufweisenden zweiten Teillaserstrahlung TS2 aus der Laserstrahlung LS, die dritte dichroitische Filtereinheit 6.13 zur Filterung der die dritte Wellenlänge w3 aufweisenden dritten Teillaserstrahlung TS4 aus der Laserstrahlung LS sowie die vierte dichroitische Filtereinheit 6.14 zur Filterung der die vierte Wellenlänge w4 aufweisenden vierten Teillaserstrahlung TS4 aus der Laserstrahlung LS ausgebildet ist. Mittels der ersten bis vierten dichroitischen Filtereinheit 6.11, 6.12, 6.13, 6.14 erfolgt jeweils eine reflektive Strahlumlenkung um 90° bezogen auf die Propagationsachse bzw. die optische Achse z, und zwar abhängig von der Wellenlänge w1 bis w4. Hierzu ist die Filtercharakteristik der ersten bis vierten dichroitischen Filtereinheit 6.11, 6.12, 6.13, 6.14 vorzugsweise an die Reihenfolge der zuvor aus dem kollimierten Strahlenbündel ausgekoppelten Wellenlängen w1 bis w4 angepasst.
Die zweite Strahlumlenkanordnung 6.2 weist eine erste bis vierte dichroitische Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 auf, wobei die erste dichroitische Spiegeleinheit 6.21 zur Auslenkung des von der ersten dichroitischen Filtereinheit 6.11 empfangenen ersten Teillaserstrahlung TS1, die zweite dichroitische Spiegeleinheit 6.22 zur Auslenkung der von der zweiten dichroitischen Filtereinheit 6.12 empfangenen zweiten Teillaserstrahlung TS2, die dritte dichroitische Spiegeleinheit 6.23 zur Auslenkung der von der dritten dichroitischen Filtereinheit 6.13 empfangenen dritten Teillaserstrahlung TS3 und die vierte dichroitische Spiegeleinheit 6.24 zur Auslenkung der von der vierten dichroitischen Filtereinheit 6.14 empfangenen vierten Teillaserstrahlung TS4 ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird mittels der ersten bis vierten Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 jede Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 individuell von der optischen Achse bzw. Propagationsrichtung z ausgelenkt und damit der ersten bis vierten Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 eine erste bis vierte Strahlrichtung SR1 bis SR4 zugeordnet.
Vorzugsweise erfolgt die reflektive Strahlumlenkung der ersten bis vierten Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 derart, dass jede erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 und damit jede Wellenlänge w1 bis w4 eine eindeutig zugordnete Strahlrichtung SR1 bis SR4 aufweist, die von der optischen Achse z abweicht. Die erste bis vierte Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 sind damit zur Auslenkung der empfangenen ersten bis vierten Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 um 90° abzüglich bzw. zusätzlich eines Winkel-Offsets ausgebildet, der ein Abweichen der jeweiligen Strahlrichtung SR1 bis SR4 von der optischen Achse z der zweiten Strahlumlenkanordnung 6.2 bewirkt.
In 3 sind die erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 beispielhaft mittels unterschiedlich gebrochen dargestellten Linien dargestellt. Die erste Teillaserstrahlung TS1 weist eine erste Strahlrichtung SR1, die zweite Teillaserstrahlung TS2 eine zweite Strahlrichtung Sr2, die dritte Teillaserstrahlung TS3 eine dritte Strahlrichtung SR3 und die vierte Teillaserstrahlung TS4 eine vierte Strahlrichtung SR4 auf. Dabei ist der jeweils von der ersten bis vierten dichroitischen Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 eingestellte Winkel-Offset zur optischen Achse z pro Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 unterschiedlich, und zwar beträgt dieser vorzugsweise zwischen +/- 0,2° und +/- 10°.
Die Propagationsachse bzw. optische Achse z der Bearbeitungsoptik 3 verläuft senkrecht zur der der Strahlumlenkeinrichtung 6 nachfolgenden Strahlformungs- und Fokussieroptik 7, 8, d.h. die erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 trifft mit einem von der optischen Achse z abweichenden Einfallswinkel auf der Strahlformungsoptik 7 auf, und damit in einem „nicht-senkrechten“ Einfallswinkel. Die über die Strahlrichtungen SR1 bis SR4 den Teilstrahlungen TS1 bis TS4 „fest zugewiesene“ Strahleigenschaft im Winkelraum wird nach Durchlaufen der Strahlformungs- und Fokussieroptik 7, 8 in eine zugewiesene örtliche Position der Fokussegmente FS1 bis FS4 im Ortsraum der Bezugsebene BE transformiert.
Die örtliche Position der Fokussegmente FS1 bis FS4 in der Bezugsebene BE ist damit über die zugewiesene Strahlrichtung SR1 bis SR4 der Teilstrahlungen TS1 bis TS4 eindeutig und einstellbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind über die vier Wellenlängen w1 bis w4 die Positionen von vier Fokussegmenten FS1 bis FS4 in der Bearbeitungsebene BE über eine entsprechende Konfiguration der zweiten Strahlumlenkanordnung 6.2 der Strahlumlenkeinrichtung 6 getrennt voneinander steuer- und regelbar.
Die Strahlformungsoptik 7 ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante durch erstes und zweites Zylinderlinsenfeld 7.1, 7.2 gebildet, welche jeweils eine Vielzahl an Zylinderlinsen bzw. Zylinderlinsenabschnitte aufweisen. Das erste und zweite Zylinderlinsenfeld 7.1, 7.2 sind jeweils durch eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Zylinderlinsen bzw. Zylinderlinsenabschnitte gebildet, die in jeweils einer parallel zur Bearbeitungsebene BE verlaufenden und zueinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind. 7 zeigt beispielhaft eine schematische Ansicht einer entsprechend ausgebildeten Strahlformungsoptik 7.
Das erste und zweite Zylinderlinsenfeld 7.1, 7.2 sind entlang des Strahlungsganges bzw. der Propagationsachse z hintereinander und beabstandet zueinander angeordnet, und zwar gekreuzt zueinander. Hierbei verlaufen die Längsachsen der Zylinderlinsen des ersten Zylinderlinsenfeldes 7.1 jeweils parallel zu x- Achse des kartesischen Koordinatensystems und die Längsachsen der Zylinderlinsen des zweiten Zylinderlinsenfeldes 7.2 jeweils parallel zu dessen y-Achse. Die Längserstreckung und/oder die Anzahl der Zylinderlinsenabschnitte der ersten und zweiten Zylinderlinsenfelder 7.1, 7.2 sind derart ausgebildet, dass vorzugsweise ein rechteckförmiges oder quadratisches Feld entsteht. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Zylinderlinsenfelder 7.1, 7.2 derart aneinander angepasst, dass sich ein zumindest näherungsweise deckungsgleicher Abbildungsbereich ergibt.
Die zueinander gekreuzten ersten und zweiten Zylinderlinsenfelder 7.1, 7.2 sind vorzugsweise als Stabzylinderlinsenfelder realisiert. Die Strahlungsformungsoptik 7 weist somit ein Strahlformungskonzept auf, welches dem Prinzip der nicht abbildenden Zylinderlinsenhomogenisierung entspricht. Die ersten und zweiten Zylinderlinsenfelder 7.1, 7.2 bewirken eine Zerlegung der ersten bis vierten Teillaserstrahlung TS1 und TS4 und eine Vervielfältigung von Bildern der Laserlichtquelle, wobei die erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 in der Brennebene der an die Strahlformungsoptik 7 anschließende Fokussieroptik 8 überlagert werden, wodurch ein Durchmischungseffekt entsteht, der in einer homogenen Ausleuchtung entlang der optisch wirksamen Achse der ersten und zweiten Zylinderlinsenfelder 7.1, 7.2 resultiert. Aufgrund der orthogonalen Ausrichtung des ersten und zweiten Zylinderlinsenfeldes 7.1, 7.2 zueinander ergibt sich eine zweidimensionale Strahlhomogenisierung.
Die Fokussieroptik 8 ist vorzugsweise durch eine Fokussierlinse gebildet. Die Dimension der Abbildungen mittels der Strahlformungsoptik 7 ist über den Abstand („Pitch“) zwischen den Zylinderlinsen, die Brennweite der Zylinderlinsen und die Brennweite der nachgeordneten Fokussieroptik 8 eingestellt werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 3 entstehen vier Fokussegmente FS1 bis FS4, welche in 3 um 90° gegen den Uhrzeigersinn um die y-Achse gedreht dargestellt sind, d.h. die Fokussegmente FS1 bis FS4 mit jeweils einer rechteckförmigen Fokusgeometrie erstrecken sich in der Bearbeitungsebene BE.
Die Anzahl n der erzeugten Fokussegmente FS1 bis FSn pro Bearbeitungsoptik 3 kann beispielweise durch die Verwendung von mehreren Bearbeitungsoptiken 3 erhöht werden, so dass dadurch eine Segmentierung umfassend n x m Fokussegmente möglich ist.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 3 dargestellt, wobei unterschiedlich zur Ausführungsvariante gemäß 3 die Laserstrahlungen LS, LS' zweifach über die optische Faser 4 an die Bearbeitungsoptik 3 übertragen wird. Die optische Faser 4 umfasst hierzu zwei Faserkerne 4a, 4b wie beispielhaft in der Querschnittsdarstellung gemäß 6 gezeigt. Die zwei Laserstrahlungen LS, LS' weisen jeweils eine erste bis vierte Wellenlänge w1 bis w4 auf. Dadurch ergibt sich eine Verdopplung der steuer- oder regelbaren Strahlungskanäle bzw. der zugehörigen Fokussegmente FS1 bis FS4, FS1' bis FS4'. Die höhere Segmentzahl ermöglicht eine feinere Verteilung der Intensität in der Bearbeitungsebene BE.
Der Aufbau und die Funktionsweise der Strahlumlenkeinrichtung 6, der Strahlformungsoptik 7 und der Fokussieroptik 8 entsprechend im Wesentlichen der Ausführungsvariante gemäß 3.
Die Einkopplung erfolgt wiederum über die zumindest eine Kollimationsoptik 5, welcher die von der optischen Faser 4 austretenden Laserstrahlungen LS, LS' zugeführt werden, und zwar parallel zur optischen Achse z. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel tritt damit aus jedem Faserkern 4a, 4b eine Laserstrahlung LS, LS' mit einer ersten bis vierten Wellenlänge w1 bis wn aus. Vorzugsweise ist der Abstand der Faserkerne 4a, 4b der optischen Faser 4 zur optischen Achse z der Kollimationsoptik 5 näherungsweise identisch, so dass für beide Laserstrahlungen LS, LS' eine im Betrag identische Winkelabweichung zur optischen Achse z der Kollimationsoptik („Off-Axis-Kollimation“) entsteht, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen. Für jede der vier Wellenlängen w1 bis wn der Laserstrahlungen LS, LS' entstehen daraufhin zwei Strahlungsfelder umfassend jeweils eine erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1, TS2, TS3, TS4, TS1', TS2', TS3', TS4' mit einer zugeordneten Winkelabweichung, welche vom Abstand der Faserkerne 4a, 4b und der Brennweite der Kollimationsoptik 4 abhängig sind. Diese fest zugewiesene Eigenschaft im Winkelraum wird nach dem Durchlaufen der Strahlformungsoptik 7 und der Fokussieroptik 8 in eine entsprechend zugewiesene und separat ansteuerbare örtliche Position in der Bearbeitungsebene BE transformiert.
Über die Off-Axis-Kollimation jeder der vier Wellenlängen w1 bis wn der Laserstrahlungen LS, LS' werden daraus jeweils eine erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4, TS1' bis TS4', d.h. in Summe acht Teillaserstrahlungen TS1 bis TS4, TS1' bis TS4' erzeugt, wobei die erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4, TS1' bis TS4' einer Laserstrahlung LS, LS' jeweils eine nahezu identische Winkelabweichung aufweisen, d.h. die Strahlrichtungen SR1 bis SR4, SR1' bis SR4' der erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4, TS1' bis TS4' werden analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 entsprechend umgelenkt.
Die Winkelanteile der einzelnen Wellenlängen w1 bis w4 werden durch die zuvor beschriebene Wellenlängentrennung mit anschließender reflektiver Neuüberlagerung in der Strahlumlenkeinrichtung 6 derart manipuliert, dass nach Durlaufen der Strahlformungsoptik 7 und der Fokussieroptik 8 in der Bearbeitungsebene BE acht räumlich voneinander getrennte Fokussegmente FS1 bis FS4, FS1' bis FS4' entstehen.
Die reflektive Strahlumlenkung durch die Strahlumlenkeinrichtung 6 erfolgt insbesondere derart, dass jeder Wellenlänge w1 bis w4 zwei von der optischen Achse z ausgelenkten ersten bis vierten Teillaserstrahlung TS1 bis TS4, TS1' bis TS4' zugeordnet sind, die eine zusätzliche gemeinsame Winkelabweichung aufweisen, die sich von den jeweils anderen Teillaserstrahlung TS1 bis TS4, TS1' bis TS4' unterscheidet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 entstehen acht Fokussegmente FS1 bis FS4, FS1' bis FS4' der segmentierten Fokusstrahlung FS, welche in 4 um 90° gegen den Uhrzeigersinn um die y-Achse gedreht dargestellt sind. Die acht Fokussegmente FS1 bis FS4, FS1' bis FS4' weisen beispielhaft jeweils eine rechteckförmige Fokusgeometrie auf und erstrecken sich wiederum in der Bearbeitungsebene BE.
In 5 ist eine weitere, alternative Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Bearbeitungsoptik 3 dargestellt. Hier wird der Bearbeitungsoptik 3 über eine erste bis vierte optische Faser 4.1 bis 4.4 jeweils die erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 bereits getrennt voneinander zugeführt.
Entsprechend wird jede Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 über eine eingangsseitig angeordnete Kollimationsoptik 5.1 bis 5.4 derart in die Strahlumlenkeinrichtung 6 eingekoppelt, dass dadurch die erste Strahlumlenkanordnung 6.1 entfallen kann. Der Aufbau und die Funktionsweise der Strahlformungsoptik 7 und der Fokussieroptik 8 ist unverändert im Vergleich zur Ausführungsvariante gemäß 3 und 4.
Die erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4, welche jeweils eine unterschiedliche Wellenlänge w1 bis w4 aufweisen, werden aufgrund der vier separaten optischen Fasern 4.1 bis 4.4 beabstandet entlang der y-Achse zueinander in die Strahlumlenkeinrichtung 6 eingekoppelt, welche ebenfalls wiederum über ein Gehäuse 6.3 verfügt. Die Einkopplung der kollimierten ersten bis vierten Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 erfolgt derart, dass die erste Teillaserstrahlung TS1 wiederum an die erste Spiegeleinheit 6.21 der zweiten Strahlumlenkanordnung 6.2, die zweite Teillaserstrahlung TS2 an die zweite Spiegeleinheit 6.22, die dritte Teillaserstrahlung TS3 an die dritte Spiegeleinheit 6.23 und die vierte Teillaserstrahlung TS4 an die vierte Spiegeleinheit 6.24 übertragen wird.
Analog zur Ausführungsvariante gemäß der 3 werden mittels der ersten bis vierten Spiegeleinheit 6.21, 6.22, 6.23, 6.24 die erste bis vierte Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 derart zur optischen Achse der Strahlumlenkeinrichtung 6 ausgelenkt, dass jede der ersten bis vierten Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 und damit jede Wellenlänge w1 bis w4 eine eindeutig zugeordnete Strahlrichtung SR1 bis SR4 aufweist. Die Strahlrichtung SR1 bis SR4 weicht wiederum von der optischen Achse der zweiten Strahlumlenkanordnung 6.2 ab, wobei die optische Achse der Strahlumlenkeinrichtung 6 sich unterschiedlich zur Ausführungsvariante gemäß 3 entlang der y-Achse erstreckt. Die entsprechend ausgelenkten Teillaserstrahlung TS1 bis TS4 werden über eine weitere Umlenkeinrichtung 9, die zwischen der Strahlumlenkeinrichtung 6 und der Strahlformungsoptik 7 angeordnet ist, in die Propagationsachse z bzw. optische Achse der Strahlformungsoptik 7 und nachfolgenden Fokussieroptik 8 umgelenkt und entsprechend in die Bearbeitungsebene BE abgebildet.
Die Umlenkeinrichtung 9 kann beispielsweise durch einen Breitband-Umlenkspiegel gebildet sein. Analog zu 3 werden somit in der Bearbeitungsebene BE die gewünschten vier Fokussegmente FS1 bis FS4 der segmentierten Fokusstrahlung FS erzeugt. In Figur
Bei der Ausführungsvariante gemäß 5 wird daher analog zu 3 eine segmentierten Fokusstrahlung FS mit vier Fokussegmenten FS1 bis FS4 erzeugt, welche in 5 um 90° gegen den Uhrzeigersinn um die y-Achse gedreht dargestellt sind. Die vier Fokussegmente FS1 bis FS4 weisen beispielhaft jeweils eine rechteckförmige Fokusgeometrie auf und erstrecken sich wiederum in der Bearbeitungsebene BE.
Die aneinander angrenzende Anordnung der Fokussegmente FS1 bis FS4 der segmentierten Fokusstrahlung FS in den Ausführungsbeispielen gemäß 3 bis 5 ist bespielhaft gewählt. Es versteht sich das die Fokussegmente FS1 bis FS4 sich teilweise oder vollständig überlagern können und/oder beabstandet zueinander angeordnet sein können, ohne dass dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegend Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Lasersystem
2: Lasereinheit
3: Bearbeitungsoptik
4: optische Faser
4.1 bis 4.4: erste bis vierte optische Faser
4a: Faserkern
4b: Faserkern
5: Kollimationsoptik
5.1 bis 5.4: erste bis vierte Kollimationsoptik
6: Strahlumlenkeinrichtung
6.11: erste dichroitische Filtereinheit
6.12: zweite dichroitische Filtereinheit
6.13: dritte dichroitische Filtereinheit
6.14: vierte dichroitische Filtereinheit
6.21: erste dichroitische Spiegeleinheit
6.22: zweite dichroitische Spiegeleinheit
6.23: dritte dichroitische Spiegeleinheit
6.24: vierte dichroitische Spiegeleinheit
6.3: Gehäuse
7: Strahlformungsoptik
7.1: erstes Zylinderlinsenfeld
7.2: zweites Zylinderlinsenfeld
8: Fokussieroptik bzw. Fokussierlinse
9: weitere Umlenkeinrichtung
BE: Bearbeitungsebene
FS: segmentierte Fokusstrahlung
FS1 bis FSn: erstes bis n-tes Fokussegment
FS1' bis FS4': erstes bis viertes Fokussegment
LS, LS': Laserstrahlung
n: Anzahl der Wellenlängen/Segmente
SR1 bis SRn: erste bis n-te Strahlrichtung
SR1' bis SR4': erste bis vierte Strahlrichtung
TS1 - TSn: erste bis n-te Teillaserstrahlung
TS1' - TS4': erste bis vierte Teillaserstrahlung
w1 - wn: erste bis n-te Wellenlänge
x: x-Achse
y: y-Achse
z: z-Achse bzw. Propagationsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3848188 A1 [0010]
US 2021206123 A1 [0010]

Claims

Lasersystem (1) zur Erzeugung zumindest einer segmentierten Fokusstrahlung (FS) bestehend aus einem ersten bis n-ten Fokussegment (FS1 bis FSn) umfassend zumindest eine vorzugsweise fasergekoppelte Lasereinheit (2) zur Erzeugung einer Laserstrahlung (LS) mit unterschiedlichen Wellenlängen (w1 bis wn) und einer mit dieser verbundenen Bearbeitungsoptik (3), wobei die Bearbeitungsoptik (3) zumindest eine Kollimationsoptik (5), eine Strahlumlenkeinrichtung (6), eine Strahlformungsoptik (7) und eine Fokussieroptik (8) aufweist, die in Propagationsrichtung (z) der Laserstrahlung (LS) aufeinander folgend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Lasereinheit (2) erzeugte Laserstrahlung (LS) mittels der Strahlumlenkeinrichtung (6) in erste bis n-te Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge (w1 bis wn) und Strahlrichtung (SR1 bis SRn) umgelenkt wird und dass mittels der Strahlformungs- und Fokussieroptik (7, 8) die erste bis n-te Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) in das erste bis n-te Fokussegment (FS1 bis FSn) der segmentierten Fokusstrahlung (FS) transformiert werden.
Lasersystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche Position des ersten bis n-ten Fokussegmentes (FS1 bis FSn) in der Bearbeitungsebene (BE) und/oder die Intensität des ersten bis n-ten Fokussegmentes (FS1 bis FSn) in der Bearbeitungsebene (BE) unabhängig und/oder getrennt voneinander einstellbar sind.
Lasersystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierte Fokusstrahlung (FS) eine örtlich und/oder zeitlich veränderbare Intensitätsverteilung aufweist.
Lasersystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung (6) zur wellenlängenabhängigen Um- und/oder Auslenkung der Laserstrahlung (LS), insbesondere der erste bis n-te Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) ausgebildet ist.
Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bis n-te Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) eine unterschiedliche Strahlrichtung (SR1 bis SRN) bezogen auf die Propagationsrichtung bzw. die optische Achse (z) der Bearbeitungsoptik (3) aufweisen.
Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Anzahl (n) von ersten bis n-ten Teillaserstrahlung (TS1 bis TSn) eine entsprechende Anzahl (n) an ersten bis n-ten Fokussegmenten (FS1 bis FSn) erzeugt wird, die die segmentierte Fokusstrahlung (FS) in der Bearbeitungsebene (BE) bilden.
Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die segmentierte Fokusstrahlung (FS) eine linienförmige oder reckteckförmige Fokusgeometrie aufweist.
Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung (6) zumindest eine Strahlumlenkanordnung (6.1, 6.2) umfassend mehrere dichroitische Filter- und/oder Spiegeleinheiten (6.11 bis 6.14, 6.21 bis 6.24) zur reflektiven Strahlumlenkung aufweist.
Lasersystem (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung (6) zumindest eine erste und zweite Strahlumlenkanordnung (6.1, 6.2) aufweist, die jeweils dieselbe Anzahl (n) an dichroitischen Filter- und/oder Spiegeleinheiten (6.11 bis 6.14, 6.21 bis 6.24) aufweisen.
Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlformungsoptik (7) durch zumindest ein erstes und zweites Zylinderlinsenfeld (2.1, 2.2) gebildet ist.
Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (8) durch eine Fokussierlinse gebildet ist.
Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kollimationsoptiken (5.1 bis 5.4) zur getrennten Kollimation der Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) vorgesehen sind.
Bearbeitungsoptik (3) zur Verwendung in einem Lasersystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest eine Kollimationsoptik (5), eine Strahlumlenkeinrichtung (6), eine Strahlformungsoptik (8) und eine Fokussieroptik (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung (6) zur Umlenkung der ersten bis n-ten Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) in eine vorgegebene Strahlrichtung (SR1 bis SRn) und die Strahlformungs- und Fokussieroptik (7, 8) zur Transformation der ersten bis n-ten Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) in das erste bis n-te Fokussegment (FS1 bis FSn) der segmentierten Fokusstrahlung (FS) eingerichtet sind.
Bearbeitungsoptik (3) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung (6) zur wellenlängenabhängigen Um- und/oder Auslenkung der Laserstrahlung (LS), insbesondere der erste bis n-te Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) ausgebildet ist.
Bearbeitungsoptik (3) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung (6) zumindest eine Strahlumlenkanordnung (6.1, 6.2) umfassend mehrere dichroitische Filter- und/oder Spiegeleinheiten (6.11 bis 6.14, 6.21 bis 6.24) zur reflektiven Strahlumlenkung aufweist.
Bearbeitungsoptik (3) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkeinrichtung (6) zumindest eine erste und zweite Strahlumlenkanordnung (6.1, 6.2) aufweist, die jeweils dieselbe Anzahl (n) an dichroitischen Filter- und/oder Spiegeleinheiten (6.11 bis 6.14, 6.21 bis 6.24) aufweisen.
Bearbeitungsoptik (3) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlformungsoptik (7) durch zumindest ein erstes und zweites Zylinderlinsenfeld (2.1, 2.2) gebildet ist.
Bearbeitungsoptik (3) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (8) durch eine Fokussierlinse gebildet ist.
Bearbeitungsoptik (3) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kollimationsoptiken (5.1 bis 5.4) zur getrennten Kollimation der Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) der Strahlumlenkeinrichtung (6) vorgeschaltet sind.
Bearbeitungsoptik (3) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Umlenkeinrichtung (9) zur Umlenkung der erste bis n-ten Teillaserstrahlen (TS1 bis TSn) mit unterschiedlicher Strahlrichtungen (SR1 bis SRn) zwischen der Strahlumlenkeinrichtung (6) und der Stahlformungsoptik (7) angeordnet ist.