DE19601032C1 - Laser working device for brittle material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, insbesondere zur Bearbeitung spröder Werkstoffe.The invention relates to a device for processing materials Laser radiation, especially for processing brittle materials.
Mit Hilfe eines an sich bekannten Fabry-Perot-Interferometers (FPI-Modulator) wird eine Strahlteilung mit wahlweise schnell variierbarem Teilerverhältnis zwischen einem reflektierten und einem doppelt-transmittierten Strahlungsanteil bewirkt, so daß die Strahlung eines einzigen Lasers, vorzugsweise eines kontinuierlich arbeitenden CO₂-Materialbearbeitungslasers, am Bearbeitungsort in zwei Teil strahlen auftrifft, die in ihren Parametern, insbesondere dem zeitlichen Intensitätsverlauf und den bestrahlten Flächen, flexibel dem jeweiligen Wechselwirkungsprozeß angepaßt werden können.With the help of a known Fabry-Perot interferometer (FPI modulator) becomes a beam splitting with a divider ratio that can be varied quickly between a reflected and a double-transmitted radiation component causes so that the radiation from a single laser, preferably one continuously working CO₂ material processing laser, at the processing location in two parts strikes the parameters, especially the temporal Intensity course and the irradiated areas, flexibly the respective Interaction process can be adapted.
Dadurch kann die Bearbeitung solcher Werkstoffe, die als "schwierig" einzustufen sind, z. B. spröde Materialien wie Glas, Keramik und Porzellan, weitgehend optimal gestaltet werden, bzw. bestimmte Bearbeitungsformen werden überhaupt erst ermöglicht.This can result in the machining of materials that are considered "difficult" are classified, e.g. B. brittle materials such as glass, ceramics and porcelain, largely designed optimally, or certain processing forms are made possible in the first place.
Es gibt zahlreiche Untersuchungsergebnisse und Vorschläge für Anordnungen mit dem Ziel, die Bearbeitung spröder Werkstoffe mittels Laserstrahlung, zum Beispiel das Bohren, Schneiden, Ritzen oder definierte Abtragen optimal zu gestalten. Im allgemeinen wird dabei versucht, durch gezielte Methoden den Aufbau schädlicher Spannungen im Material durch die Bearbeitung zu minimieren. Das dazu erforderliche Vorwärmen der Bearbeitungszone kann durch einen zusätzlichen Laserstrahl, einen Teil des Bearbeitungsstrahls selbst oder durch Erwärmung des zu bearbeitenden Werkstücks mit klassischen Wärmequellen (Flammen, Wärmestrahler) erfolgen.There are numerous test results and suggestions for orders with the goal of processing brittle materials using laser radiation, for For example, drilling, cutting, scoring or defined removal are optimal shape. In general, an attempt is made to use targeted methods Build up harmful tensions in the material by machining minimize. The necessary preheating of the processing zone can be done by an additional laser beam, part of the processing beam itself or by heating the workpiece to be machined using classic Heat sources (flames, radiant heaters) take place.
Die Vorwärmung des Umfeldes des Bearbeitungsortes wird zum Beispiel in der DE 43 20 895 C1 beschrieben. Hier wird einfach vor dem Materialabtrag mittels eines Laserstrahls der zu bearbeitende Glaskörper durch eine Gasflamme oder einen Wärmestrahler bis knapp unter die Erweichungstemperatur erhitzt.The preheating of the environment of the processing location is, for example, in the DE 43 20 895 C1 described. Here is simply before the material removal by means of a laser beam the glass body to be processed by a gas flame or a radiant heater is heated to just below the softening temperature.
In ahnlicher Weise wird auch in der DE 35 46 001 C1 ein zu schneidendes Glasteil auf einer hohen Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des Glases während der Bearbeitung gehalten. Similarly, in DE 35 46 001 C1 is to be cut Glass part at a high temperature below the softening point of the Glases kept during processing.
Solche Verfahren sind relativ unflexibel, insbesondere in Hinblick auf eine rasche Dynamik der thermischen Prozesse.Such methods are relatively inflexible, especially with a view to rapid Dynamics of thermal processes.
Es gibt zahlreiche bekannte Anordnungen zur Aufteilung von Laserstrahlung einerseits und zur Bestrahlung des zu bearbeitenden Werkstückes mit mehreren Teilstrahlen andererseits. Die Aufteilung der Laserstrahlen erfolgt dabei durch unterschiedlichste Anordnungen passiver optischer Elemente, insbesondere Spiegelanordnungen, deren wesentlichster Nachteil das fest vorgegebene bzw. nur sehr eingeschränkt variable Teilungsverhältnis ist. So wird z. B. im DD-WP 1 19 915 in einer Vorrichtung zur Teilung der Strahlungsenergie eines Gaslasers ein Spiegelpolygon als Umlenkspiegel eingesetzt.There are numerous known arrangements for splitting laser radiation on the one hand and for irradiating the workpiece to be machined with several Partial beams on the other hand. The laser beams are divided by Different arrangements of passive optical elements, in particular Mirror arrangements, the main disadvantage of which is the fixed or is very limited variable division ratio. So z. B. in the DD-WP 1 19 915 in a device for dividing the radiation energy of a gas laser a mirror polygon is used as a deflecting mirror.
Eine spezifische Anordnung zur Aufspaltung eines CO₂-Laserstrahles und der Anwendung der Teilstrahlen zur Bearbeitung von Thermoplastwerkstücken wird in der US-PS 39 89 774 beschrieben. Hier wird der Laserstrahl einfach mittels einer Teilerplatte aufgespalten, und anschließend werden beide Teilstrahlen getrennt durch Planspiegel auf das Werkstück gelenkt.A specific arrangement for splitting a CO₂ laser beam and Application of partial beams for processing thermoplastic workpieces described in US Pat. No. 3,989,774. Here the laser beam is simply by means of a splitter plate, and then both partial beams directed onto the workpiece separately by a plane mirror.
Da es für zahlreiche Applikationen günstig ist, das Werkstück mit zwei Teilstrahlen zu beaufschlagen, die unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere unterschiedliches räumliches oder zeitliches Intensitätsverhalten aufweisen, befaßt sich eine Reihe von Lösungen mit diesem Problem. In den einfachsten Varianten werden die getrennten Teilstrahlen mit separaten Fokussieroptiken in das gleiche Bearbeitungsvolumen fokussiert (vgl. US-PS 36 04 890 und DD-WP 2 31 522). Diese Anordnungen besitzen den gravierenden Nachteil, daß beide Strahlen gegeneinander geneigt das Werkstück treffen, so daß von vornherein eine Anisotropie in der Bearbeitungsebene in Kauf genommen werden muß.Since it is cheap for numerous applications, the workpiece with two Apply partial beams that have different properties, in particular have different spatial or temporal intensity behavior, addresses a number of solutions to this problem. In the simplest Variants are the separate partial beams with separate focusing optics in focused on the same processing volume (cf. US-PS 36 04 890 and DD-WP 2 31 522). These arrangements have the serious disadvantage that both Jets inclined towards each other hit the workpiece so that from the start an anisotropy in the processing plane has to be accepted.
Deshalb wird versucht, mit speziellen Anordnungen die Teilstrahlen wieder zu vereinigen und kollinear auf das Werkstück zu schicken. Im allgemeinen werden dazu durchbohrte Optiken verwendet. So werden im DD-WP 2 51 097 Möglichkeiten für das Ineinanderführen von Laserstrahlen sowohl bei Verwendung von Fokussierlinsen als auch bei Verwendung von Hohlspiegeln beschrieben, wobei jedoch die Teilstrahlen nach der Vereinigung stark unterschiedliche Divergenz besitzen, so daß eine gemeinsame Führung über größere Wegstrecken unmöglich ist.Therefore, attempts are made to close the partial beams again with special arrangements unite and send collinear to the workpiece. Generally will pierced optics used for this. DD-WP 2 51 097 Opportunities for the interlacing of laser beams both at Using focusing lenses as well as using concave mirrors described, however, the partial beams strong after the union have different divergence, so that a common leadership over longer distances is impossible.
In der Anordnung gemäß der DE 27 08 039 A1 kann dieser Nachteil zwar umgangen werden, dafür ist jedoch für die Modenstruktur der Teilstrahlen die einschneidende Voraussetzung zu erfüllen, daß einer der Strahlen eine ringförmige Energieverteilung aufweisen muß. In the arrangement according to DE 27 08 039 A1, this disadvantage can occur are bypassed, but this is for the mode structure of the partial beams incisive condition to meet that one of the rays a must have annular energy distribution.
Gegenstand der DD 2 88 934 A5 ist die Schaffung einer gattungsgemäßen Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen mittels eines Interferenz modulators, wobei der intensive Strahl eines CO₂-Hochleistungslasers mit in weiten Grenzen variablem Teilerverhältnis aufgeteilt wird und die anschließend noch in ihren Eigenschaften modifizierten Teilstrahlen so dem Bearbeitungsort zugeführt werden, daß dort Laserstrahlung mit einem veränderten, dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßten und insbesondere schnell variierbarem Intensitäts profil oder Polarisationsverhalten entsteht. Diese Anordnung gestattet nicht die Erzeugung von Arbeits- und Hilfsstrahl mit simultan in weiten Grenzen variablem, weitgehend von einander unabhängigem zeitlichen Leistungsverlauf und zeitlich regelbarem Hilfsstrahldurchmesser am Bearbeitungsort.The subject of DD 2 88 934 A5 is the creation of a generic arrangement for the variable Laser beam division and guidance of the partial beams by means of interference modulator, the intense beam of a CO₂ high-power laser with in wide limits of variable division ratio is divided and then the partial beams modified in their properties so the processing location be supplied that there laser radiation with a changed, the respective Application adapted and in particular quickly variable intensity profile or polarization behavior arises. This arrangement does not allow Generation of working and auxiliary beam with simultaneous wide limits variable, largely independent performance curve over time and time-adjustable auxiliary beam diameter at the processing location.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, die es gestattet, aus der Strahlung eines einzigen Lasers, vorzugsweise eines kontinuierlich arbeitenden CO₂-Materialbearbeitungslasers, zwei Teilstrahlen, den eigentlichen Bearbeitungsstrahl und einen Hilfsstrahl zur Wärmebehandlung des Werkstücks, so zu formen, daß erstens der Bearbeitungsstrahl ein in weiten Grenzen variables Impulsregime besitzt und zweitens der Hilfsstrahl bezüglich seiner Leistung und der bestrahlten Fläche ebenfalls sehr variabel zum Vorwärmen, zum Spannungsabbau während der Bearbeitung mit dem Bearbeitungsstrahl und zur thermischen Nachbehandlung nach dem eigentlichen Bearbeitungsprozeß eingesetzt werden kann, so daß Materialbearbeitungsaufgaben, wie das Schneiden, Ritzen, Bohren und Abtragen spröder Werkstoffe, z. B. Glas, Keramik usw., mit hoher Qualität und Effektivität durchgeführt werden können.The object of the invention is to provide an arrangement that allows the radiation from a single laser, preferably one continuously working CO₂ material processing laser, two partial beams, the actual one Machining beam and an auxiliary beam for heat treatment of the workpiece, to be shaped so that, firstly, the machining beam is variable within wide limits Secondly, the auxiliary beam possesses impulse regimes in terms of its power and the irradiated area is also very variable for preheating, for Stress relief during processing with the processing beam and for thermal aftertreatment after the actual machining process can be used so that material processing tasks like that Cutting, scoring, drilling and removing brittle materials, e.g. B. glass, ceramics etc., can be carried out with high quality and effectiveness.
Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe besteht darin,The basic idea of the object according to the invention is to
- - erstens aus dem cw-Strahl einen gepulsten Strahl "herauszuschneiden", dessen P(t)-Verlauf für die eigentliche Bearbeitungsaufgabe optimal ist,- firstly "cut out" a pulsed beam from the cw beam, the P (t) curve is optimal for the actual machining task,
- - zweitens den komplementären Teil der insgesamt zur Verfügung stehenden Strahlung (die mittlere Leistung dieses Teils wird in allen praktischen Einsatzfällen groß gegen die mittlere Leistung des Arbeitsstrahls sein; bei sehr kurzen herausgeschnittenen Impulsen wird er sogar quasi-kontinuierlich mit einer Leistung nahe der eigentlichen Laserleistung sein) über einen separaten Strahlweg so zu modifizieren, daß er im Hinblick auf seine Leistung und seine Divergenz letztendlich am Bearbeitungsort optimal zur den eigentlichen Bearbeitungsprozeß unterstützenden Wärmebehandlung eingesetzt werden kann und bei Bedarf,- second, the complementary part of the total available Radiation (the average power of this part is practical in all Applications are large against the average power of the working beam; at very short impulses cut out, it becomes quasi-continuous a power close to the actual laser power) via a separate one Modify the beam path so that it is in terms of its performance and its Divergence ultimately optimal at the processing location to the actual one Machining process supporting heat treatment can be used can and if necessary
- - drittens diese beiden Strahlen vor dem Bearbeitungsort so kollinear zu vereinigen, daß die Isotropie der Bearbeitung gewährleistet ist.- third, these two beams collinear in front of the processing location unite that the isotropy of machining is guaranteed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3 realisiert.This object is achieved according to the invention with a device according to claim 1, Claim 2 or claim 3 realized.
In den Unteransprüche 4 bis 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtungen der benannten drei nebengeordneten Hauptansprüche angegeben.In the subclaims 4 to 7, advantageous configurations of the devices of the named three secondary main claims specified.
Die Strahlung des Hochleistungslasers wird zunächst auf einen an sich bekannten Modulator geschickt, der auf dem Prinzip eines Fabry-Perot Interferometers (FPI) beruht, also einer Anordnung, welche die auftreffende Leistung definiert in einen reflektierten Anteil der Leistung PR und einen transmittierten Anteil der Leistung PT bei verschwindend kleinen Verlusten im Modulator selbst aufteilt. Eine wesentliche Voraussetzung für die Funktion der Anordnung ist die Realisierung eines möglichst kleinen Neigungswinkels zwischen der optischen Achse des Modulators und der Achse des Laserstrahles. Der Neigungswinkel muß einerseits groß genug sein, damit sich das vom Modulator reflektierte Bündel gut separieren läßt, insbesondere nicht in den Laserresonator zurückgekoppelt wird, und andererseits so klein sein, daß die Funktion des Modulators nicht durch mangelhafte Interferenz beeinträchtigt wird. Die letzte Forderung kann bei CO₂- Laserstrahlung (λ = 10,6 µm) bis zu Neigungswinkeln von etwa 5 Grad gut erfüllt werden, wenn der Abstand d der Interferometerplatten 0,1 mm nicht überschreitet. Da dieser Winkel auch für die Bündelseparation völlig ausreicht, läßt sich die Anordnung problemlos realisieren.The radiation of the high-power laser is first of all known Sent modulator based on the principle of a Fabry-Perot interferometer (FPI) is based, an arrangement that defines the incident performance in one reflected portion of the performance PR and a transmitted portion of the performance PT divides itself in the modulator itself with small losses. A The essential requirement for the function of the arrangement is the implementation the smallest possible angle of inclination between the optical axis of the Modulator and the axis of the laser beam. The angle of inclination must on the one hand be large enough so that the bundle reflected by the modulator separates well lets, in particular is not fed back into the laser resonator, and on the other hand, be so small that the function of the modulator is not affected poor interference is affected. The last claim can be Laser radiation (λ = 10.6 µm) well fulfilled up to inclination angles of around 5 degrees if the distance d of the interferometer plates is not 0.1 mm exceeds. Since this angle is also sufficient for bundle separation, the arrangement can be easily implemented.
Der durch diesen ersten Modulator hindurchtretende Strahlungsanteil wird mittels zweier Umlenkspiegel durch den Modulator zurückgeschickt, und zwar so, daß er die eben genannte Winkelbedingung erfüllt, jedoch gut vom reflektierten Strahl getrennt verläuft. Dieser "doppelttransmittierte" Strahl zeichnet sich durch einen wesentlich erhöhten Kontrast zwischen seiner Maximalleistung PDT,max und seiner Minimalleistung PDT,min The radiation component passing through this first modulator is sent back through the modulator by means of two deflecting mirrors, in such a way that it fulfills the angular condition just mentioned, but is well separated from the reflected beam. This "double-transmitted" beam is characterized by a significantly increased contrast between its maximum power P DT, max and its minimum power P DT, min
im Vergleich zum einfachtransmittierten Strahl aus, bei dem der Kontrast zwischen der maximalen Leistung PT,max und der minimalen Leistung PT,min lediglichcompared to the single-transmitted beam, in which the contrast between the maximum power P T, max and the minimum power P T, min only
beträgt. is.
Dadurch ergibt sich eine sehr effektive Möglichkeit, aus dem Laserstrahl Strahlungsimpulse herauszuschneiden, die sich durch folgende Merkmale auszeichnen:This gives a very effective way out of the laser beam Cut out radiation impulses, characterized by the following features distinguish:
- 1. Die Impulsspitzenleistung ist etwa gleich der cw-Laserleistung, daß heißt ≈ P₀ für kleine Modulatorverluste,1. The peak pulse power is approximately equal to the cw laser power, that is ≈ P₀ for small modulator losses,
- 2. es ergibt sich ein hoher Kontrast / PDT,min = PDT,max / PDT,min,2. there is a high contrast / P DT, min = P DT, max / P DT, min ,
- 3. die Impulsdauer τimp ist in weiten Grenzen variabel,3. the pulse duration τ imp is variable within wide limits,
- 4. das Tastverhältnis Impulsdauer zu Impulspause ist in weiten Grenzen regelbar,4. The pulse duty factor to pulse pause is within wide limits adjustable,
- 5. die Impulsparameter sind sehr stabil, insbesondere , da die stabilisierte cw- Laserleistung P₀ das Bezugsniveau darstellt.5. the pulse parameters are very stable, especially since the stabilized cw Laser power P₀ represents the reference level.
Grundlage der hohen Variationsbreite dieses Impulserzeugungsverfahrens ist die freie Ansteuerbarkeit der genutzten Interferenzmodulatoren, deren maximale Modulationsfrequenzen je nach Typ im Bereich 1 kHz bis < 20 kHz liegen. Im Bereich niedriger Frequenzen können die Modulatoren kontinuierlich bis gegen f= 0 gefahren werden.The basis for the wide range of variations of this pulse generation method is free controllability of the interference modulators used, their maximum Modulation frequencies are in the range of 1 kHz to <20 kHz depending on the type. in the In the low frequency range, the modulators can continuously up to f = 0 are driven.
In Verbindung mit den typischen Doppeltransmissionscharakteristiken können auf diese Weise hochstabile Impulse mit sehr gut definiertem P(t)-Verlauf im Zeitbereich 1 µs < τimp < 100 µs erzeugt werden, die gerade für die Bearbeitung spröder Materialien von besonderem Interesse, aber in dieser Form mittels herkömmlicher Methoden (z. B. elektrischer Pulsung) nicht realisierbar sind.In conjunction with the typical double transmission characteristics, highly stable pulses with a very well-defined P (t) curve can be generated in the time range 1 µs <τ imp <100 µs, which are of particular interest for the processing of brittle materials, but in this form cannot be realized using conventional methods (e.g. electrical pulsing).
Ein gravierender Nachteil der bisher geschilderten ersten Stufe der Anordnung wäre der hohe Anteil ungenutzter Strahlung, der je nach gewähltem Tastverhältnis mehr als 90% von P₀ betragen könnte.A serious disadvantage of the first stage of the arrangement described so far would be the high proportion of unused radiation, depending on the chosen one Duty cycle could be more than 90% of P₀.
Diesem Problem widmet sich die zweite Stufe der Anordnung. Gerade die Anwendungsfälle, für welche die erzeugten Impulse besonders interessant sind (Bohren, Schneiden und definierter Materialabtrag bei spröden Werkstoffen), erfordern häufig zur optimalen Bearbeitung eine Wärmebehandlung, die in einem definierten Zeitregime, das durch die jeweilige Arbeitsaufgabe vorgegeben ist, vor, während und nach dem Bearbeitungsprozeß zu realisieren ist. Ziel dieser Wärmebehandlung ist der Abbau von Spannungen im Material und damit eine Erhöhung der Präzision der Bearbeitung (kein Ausplatzen von Material) beziehungsweise eine Stabilisierung des Bearbeitungsergebnisses ohne aufwendiges Tempern nach der Laserbearbeitung. Oft ist sogar die gewünschte Wechselwirkung erst bei definierter Werkstoffvorwärmung erzielbar. The second stage of the arrangement addresses this problem. Just that Applications for which the generated impulses are particularly interesting (Drilling, cutting and defined material removal for brittle materials), often require heat treatment for optimal processing, which in one defined time regime, which is predetermined by the respective work task, before, during and after the machining process. Aim this Heat treatment is the reduction of tension in the material and therefore one Increased machining precision (no material spalling) or a stabilization of the processing result without elaborate annealing after laser processing. Often it is even the one you want Interaction can only be achieved with defined material preheating.
Für diese Zwecke wird nun der zweite (der vom ersten Modulator reflektierte) Strahlungsanteil genutzt, der in seinen Eigenschaften den Forderungen an einen solchen Strahl zur Wärmebehandlung recht nahe kommt:For this purpose, the second one (the one reflected by the first modulator) Radiation share used, which in its properties the requirements of one comes very close to such a beam for heat treatment:
-
1. bei den üblichen genutzten Verhältnissen
"Impulsdauer zu Impulspause" < 1 : 10 kann dieser Strahlungsanteil als quasi- kontinuierlich angesehen werden,1. with the usual conditions used
"Pulse duration at pulse pause"<1:10 this radiation component can be regarded as quasi-continuous, - 2. seine mittlere Leistung ist mindestens das 10-fache der mittleren Leistung des gepulsten Strahles, daß heißt auch bei Bestrahlung von relativ großen Flächen < 1 mm Durchmesser (dies ist für wirksamen Spannungsabbau durch Wärmebehandlung erforderlich) steht genügend Leistung für eine effektive Erwärmung zur Verfügung.2. its average power is at least 10 times the average power of the pulsed beam, that means even when irradiating relatively large Areas <1 mm in diameter (this is due to effective stress relief Heat treatment required) is enough power for effective Warming available.
Das Wesen der Erfindung trägt nun der Tatsache Rechnung, daß auch die Gestaltung des Prozesses der Wärmebehandlung möglichst flexibel sein muß. So können für ein Optimum des Spannungsabbaues, z. B. bei verschiedenen Materialien,The essence of the invention now takes into account the fact that the Design of the process of heat treatment must be as flexible as possible. So can for an optimal voltage reduction, z. B. at various Materials,
- - ganz unterschiedliche wärmebehandelte Flächen, eventuell auch variabel in der Zeit, und- very different heat-treated surfaces, possibly also variable in of time, and
- - unterschiedliche Bestrahlungsleistungen, ebenfalls eventuell als Funktion der Zeit, sowie- Different radiation powers, possibly also as a function of Time as well
- - je nach Bearbeitungsaufgabe in ihrer Dauer frei wählbare Vor- und Nachwärmphasen bezüglich der eigentlichen Bearbeitung erforderlich sein.- Depending on the processing task, the duration of the pre and post can be freely selected Reheating phases with regard to the actual processing may be required.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst:
Der vom ersten Modulator reflektierte Strahlungsanteil, der Hilfsstrahl, wird
mittels einer entsprechenden Strahlführung durch eine Teleskopanordnung
geschickt, die eine Variation der Divergenz des Strahles ermöglicht. Durch
geeignete Stellelemente kann der Abstand der Teleskopoptiken und damit diese
Divergenz auch zeitlich variabel gestaltet werden. Anschließend wird das
modifizierte Bündel auf einen zweiten Interferenzmodulator geschickt und als
reflektierter Strahl dem Bearbeitungsort zugeführt.According to the invention, this problem is solved as follows:
The radiation component reflected by the first modulator, the auxiliary beam, is sent through a telescope arrangement by means of a corresponding beam guide, which enables a variation in the divergence of the beam. The distance between the telescope optics and thus this divergence can also be made variable in time by means of suitable adjusting elements. The modified bundle is then sent to a second interference modulator and fed to the processing location as a reflected beam.
Im Rahmen der bereits genannten Grenzen kann nun mit Hilfe dieses Modulators die Leistung des Hilfsstrahles im gewünschten Maße variiert werden.Within the limits already mentioned, this modulator can now be used the power of the auxiliary beam can be varied as required.
Neben der Variation der Leistung des Hilfsstrahles kommt dem zweiten Modulator im Rahmen der Gesamtanordnung eine weitere wichtige Funktion zu: Er dient der kollinearen Überlagerung von Arbeitsstrahl (dem gepulsten Strahl) und Hilfsstrahl. Dazu wird der Arbeitsstrahl ebenfalls auf diesen Modulator, allerdings von der entgegengesetzten Richtung, mittels geeigneter Spiegel so gelenkt, daß er nach Durchgang durch den Modulator kollinear über dem reflektierten Hilfsstrahl liegt.In addition to varying the power of the auxiliary beam, there is the second Modulator within the overall arrangement another important function to: It is used for the collinear superposition of the working beam (the pulsed beam) and auxiliary beam. For this purpose, the working beam is also placed on this modulator, but from the opposite direction, using suitable mirrors directed that after passing through the modulator it is collinear over the reflected auxiliary beam lies.
Durch entsprechende Ansteuerung der beiden Modulatoren und des Teleskops liegt dann ein Summenstrahl vor, der sich dadurch auszeichnet, daß beide in ihm enthaltenen StrahlungsanteileBy controlling the two modulators and the telescope accordingly then there is a sum ray, which is characterized in that both in it contained radiation components
- 1. im Rahmen der dargestellten Randbedingungen weitgehend unabhängig in ihrem Leistungsverlauf und1. Within the framework of the boundary conditions shown, largely independently in their performance history and
- 2. unabhängig in ihrer Divergenz zeitlich reguliert und damit für den Bearbeitungsprozeß optimiert werden können.2. Regulated independently in their divergence and thus for the Machining process can be optimized.
Konkret heißt das, daß nach der Fokussierung dieses Gesamtstrahls z. B. der gepulste Arbeitsstrahl scharf fokussiert seine Arbeitsaufgabe erfüllt, während der Hilfsstrahl den Prozeß durch eine geregelte Wärmebehandlung (entsprechend der jeweils eingestellten höheren Divergenz ist sein Durchmesser am Bearbeitungsort größer) optimal unterstützt.Specifically, this means that after focusing this total beam z. B. the pulsed work beam focused while performing its job task Auxiliary jet the process through a controlled heat treatment (according to the The higher divergence is the diameter at the machining location larger) optimally supported.
Ist das kollineare Auftreffen von Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsstrahl auf dein Werkstück nicht unbedingt nötig bzw. sogar eine andere Einstrahlgeometrie erforderlich, kann dies ebenfalls durch entsprechende Strahlführung realisiert werden (vgl. Ausführungsbeispiel 3).Is the collinear impact of the machining and heat treatment beams your workpiece is not absolutely necessary or even a different irradiation geometry required, this can also be achieved by appropriate beam guidance be (see Example 3).
Die hohe Flexibilität der Anordnung kommt auch darin zum Ausdruck, daß problemlos durch Stellen beider Modulatoren auf T = 1 das herkömmliche Arbeitsregime, daß heißt Bearbeitung mit dem reinen Laserstrahl, realisiert werden kann.The high flexibility of the arrangement is also reflected in the fact that the conventional one without problems by setting both modulators to T = 1 Working regime, that means processing with the pure laser beam, realized can be.
Durch die erfindungsgemäßen Anordnungen ist es möglich geworden einen Laserstrahl, insbesondere den intensiven Strahl eines kontinuierlich arbeitenden CO₂-Materialbearbeitungslasers, so zu formen, daß letztendlich zur Bearbeitung zwei kollineare Teilstrahlen, der eigentliche Bearbeitungsstrahl und der Hilfsstrahl zur Wärmebehandlung vor, während und nach dem Bearbeitungsprozeß, zur Verfügung stehen, deren Parameter außerordentlich flexibel der jeweiligen Arbeitsaufgabe angepaßt werden können.The arrangements according to the invention have made it possible Laser beam, especially the intense beam of a continuously working one CO₂ material processing laser, to shape so that ultimately for processing two collinear partial beams, the actual processing beam and the Auxiliary jet for heat treatment before, during and after the Machining process, whose parameters are extraordinary can be flexibly adapted to the respective work task.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be described below with reference to the drawing Embodiments are explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1: Vorrichtung mit zwei FPI-Modulatoren und einem Teleskop Fig. 1: Device with two FPI modulators and a telescope
Fig. 2: Vorrichtung mit zwei FPI-Modulatoren und einem Lochspiegel Fig. 2: Device with two FPI modulators and a perforated mirror
Fig. 3: Vorrichtung mit freier Wahl der relativen Einstrahlwinkel von Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsstrahl Fig. 3: Device with free choice of the relative angles of incidence of processing and heat treatment beam
Fig. 4: Vorrichtung mit freier Wahl der relativen Einstrahlwinkel von Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsstrahl und Teleskop Fig. 4: Device with free choice of the relative angles of incidence of processing and heat treatment beam and telescope
Fig. 5: T(Δd)-Charakteristiken der Modulatoren für Einfachtransmission (I) und Doppeltransmission (II) Fig. 5: T (.DELTA.d) characteristics of the modulators for single transmission (I) and double transmission (II)
Fig. 6: Prinzip der Impulserzeugung mittels Doppeltransmission an einem FPI-Modulator bei Sinusansteuerung Fig. 6: Principle of pulse generation by means of double transmission on an FPI modulator with sine control
Fig. 7: Prinzip der Impulserzeugung mittels Doppeltransmission an einem FPI-Modulator bei Rechteckansteuerung Fig. 7: Principle of pulse generation by means of double transmission on an FPI modulator with rectangular control
Fig. 8: Prinzip der Erzeugung von Arbeits- und Hilfsstrahl mittels zweier synchronisierter FPI-Modulatoren Fig. 8: Principle of the generation of the working and auxiliary beam by means of two synchronized FPI modulators
Fig. 9: die relative Lage und Größe von Bearbeitungs- und Wärme behandlungsbereich auf dem Werkstück. Fig. 9: the relative location and size of processing and heat treatment area on the workpiece.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen Ausführungsvarianten der Erfindung. Die Fig. 5, 6 und 7 illustrieren, wie durch Nutzung der Doppeltransmissionscharakteristik die jeweils gewünschte gepulste Bearbeitungsstrahlung realisiert werden kann und welchen Leistungsverlauf der komplementäre Hilfsstrahl besitzt. Figs. 1 to 4 show embodiments of the invention. As the respectively desired pulsed radiation processing can be realized Figs. 5, 6 and 7 illustrate by use of the double transmission characteristics and power characteristic which has the complementary sub-beam.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel fällt die Strahlung 2 des Hochleistungslasers 1 auf den Interferenzmodulator 3, dessen optische Achse unter einem Winkel entsprechend den vorstehend dargelegten Randbedingungen gegen die Richtung des Laserstrahles 2 geneigt ist. Der Modulator 3 spaltet diesen Strahl auf in den reflektierten Anteil 5 und den transmittierten Anteil 4, der mittels der Umlenkspiegel 6, 7 ein zweites Mal durch das FPI geschickt wird. Dieser doppelttransmittierte Anteil 8 wird als eigentlicher Bearbeitungsstrahl, der reflektierte Anteil 5 als Hilfsstrahl genutzt. Das Leistungsverhältnis zwischen diesen beiden Strahlen kann im Rahmen der durch den Modulator 3 vorgegebenen Parameter mit Frequenzen f, die im ebenfalls durch den Modulator 3 vorgegebenen Intervall 0 f fmax liegen, beliebig variiert werden. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the radiation 2 of the high-power laser 1 falls on the interference modulator 3 , the optical axis of which is inclined at an angle in accordance with the boundary conditions set out above in the direction of the laser beam 2 . The modulator 3 splits this beam into the reflected part 5 and the transmitted part 4 , which is sent through the FPI a second time by means of the deflection mirrors 6 , 7 . This double-transmitted portion 8 is used as the actual processing beam, the reflected portion 5 as the auxiliary beam. The power ratio between these two beams can be varied as desired within the parameters specified by the modulator 3 with frequencies f which are within the interval 0 ff max also specified by the modulator 3 .
In der weiteren Strahlführung des ersten Ausführungsbeispiels wird der Hilfsstrahl anschließend mittels des Teleskops 9 in seiner Divergenz so variiert, daß die gewünschte Wirkung dieses Strahles 12 am Bearbeitungsort erzielt wird. Dabei sind natürlich die durch die Aperturen der nachfolgenden Optiken vorgegebenen Restriktionen bezüglich des Strahldurchmessers zu beachten. Bei Bedarf kann diese Divergenzvariation durch Abstandsänderung der Optiken des Teleskops 9 auch zeitlich im erforderlichem Maße mehr oder weniger schnell erfolgen, soweit es der mechanische Aufbau zuläßt.In the further beam guidance of the first exemplary embodiment, the auxiliary beam is then varied in its divergence by means of the telescope 9 in such a way that the desired effect of this beam 12 is achieved at the processing location. Of course, the restrictions regarding the beam diameter given by the apertures of the following optics must be observed. If necessary, this divergence variation can be done more or less quickly by changing the distance of the optics of the telescope 9 to the extent necessary, insofar as the mechanical construction permits.
Wie in Fig. 1 gezeigt, werden nun sowohl der Arbeitsstrahl 8 als auch der Hilfsstrahl 10 auf einen zweiten FPI-Modulator 11 gelenkt mit dem Ziel, beide kollinear zu überlagern. Dabei werden beide von einander entgegengesetzten Seiten, Strahl 8 z. B. unter Nutzung eines Umlenkspiegels 21, auf den Modulator geschickt und zwar so, daß der reflektierte Anteil 12 des Hilfsstrahls und der transmittierte Anteil 13 des Arbeitsstrahls kollinear verlaufen.As shown in FIG. 1, both the working beam 8 and the auxiliary beam 10 are now directed onto a second FPI modulator 11 with the aim of superimposing both of them collinearly. Both sides of each other, beam 8 z. B. using a deflecting mirror 21 , sent to the modulator in such a way that the reflected portion 12 of the auxiliary beam and the transmitted portion 13 of the working beam are collinear.
Der aus Bearbeitungsstrahl 13 und Wärmebehandlungsstrahl 12 gebildete Gesamtstrahl wird schließlich durch ein einziges Fokussierelement 14 auf das zu bearbeitende Werkstück 15 gelenkt. Im Normalfall erfolgt dies so, daß der Bearbeitungsstrahl 13 auf das Werkstück 15 scharf fokussiert wird, während der Wärmebehandlungsstrahl 12, dessen Fokus aufgrund seiner wesentlich höheren Divergenz in größerem Abstand vom Fokussierelement liegt, an der Bearbeitungsstelle je nach Einstellung des Teleskops mehr oder weniger stark defokussiert auftrifft.The total beam formed from the machining beam 13 and the heat treatment beam 12 is finally directed onto the workpiece 15 to be machined by a single focusing element 14 . Normally, this is done so that the machining beam 13 is sharply focused on the workpiece 15 , while the heat treatment beam 12 , the focus of which lies at a greater distance from the focusing element due to its significantly higher divergence, defocuses more or less strongly at the machining point, depending on the setting of the telescope hits.
An den beiden FPI-Modulatoren 3 und 11 entstehen relativ leistungsschwache Strahlungsanteile 16,17 und 18, die nicht zur Bearbeitung genutzt werden. Sie können entweder durch einfache Absorber oder durch Meßgeräte (19, 20) zur Diagnostik und Überwachung von Bearbeitungs- und Hilfsstrahl abgefangen werden.The two FPI modulators 3 and 11 produce relatively low-power radiation components 16, 17 and 18 , which are not used for processing. They can be intercepted either by simple absorbers or by measuring devices ( 19, 20 ) for the diagnosis and monitoring of processing and auxiliary beams.
Die frei wählbare Ansteuerung der drei relevanten Elemente der Anordnung, der FPI-Modulatoren 3 und 11 sowie des Teleskops 9, ermöglicht in sehr weiten Grenzen variable Bearbeitungsbedingungen und damit außerordentlich günstige Möglichkeiten für die optimale Bearbeitung unterschiedlichster Werkstoffe.The freely selectable control of the three relevant elements of the arrangement, the FPI modulators 3 and 11 and the telescope 9 , enables variable machining conditions within very wide limits and thus extraordinarily favorable possibilities for the optimal machining of different materials.
Ein weiteres, in Fig. 2 dargestelltes Ausführungsbeispiel zeigt eine in ihrer Variationsbreite reduzierte Version der erfindungsgemäßen Lösung gemäß Fig. 1. Die Strahlteilung und -formung am ersten Modulator 3 bleibt unverändert. Es wird jedoch auf das Teleskop 9 verzichtet und der zweite Modulator 31 dient ausschließlich der Leistungsvariation des Hilfsstrahls. Die gewünschte kollineare Vereinigung von Arbeitsstrahl und Hilfsstrahl wird auf folgende Weise realisiert:Another embodiment shown in FIG. 2 shows a version of the solution according to the invention according to FIG. 1 which is reduced in its range of variation . The beam splitting and shaping on the first modulator 3 remains unchanged. However, the telescope 9 is dispensed with and the second modulator 31 is used exclusively for the power variation of the auxiliary beam. The desired collinear union of working beam and auxiliary beam is realized in the following way:
Der reflektierte Strahl 5 passiert den zweiten Modulator 31 und fällt nach Umlenkung mittels eines ebenen Spiegels 22 auf ein Fokussierelement 23, im Beispiel einen Spiegel zur Fokuseinstellung, der das Bündel in die definierte Bohrung 24 eines Lochspiegels 25 fokussiert, so daß es ohne Leistungsverlust dem Arbeitsstrahl 8, der nach entsprechender Strahlführung mittels eines Planspiegels 26 auf den Lochspiegel 25 fällt und von diesem reflektiert wird, kollinear überlagert wird. Der Summenstrahl wird dann wieder, analog dem ersten Ausführungsbeispiel, über die Bearbeitungsoptik 14 auf das Werkstück 15 fokussiert, wobei die Durchmesserrelationen von Arbeits- und Hilfsstrahl auf der Probe gemäß ihrer unterschiedlichen Divergenz denen in Fig. 9 dargestellten entsprechen.The reflected beam 5 passes the second modulator 31 and falls after deflection by means of a flat mirror 22 onto a focusing element 23 , in the example a mirror for focusing adjustment, which focuses the bundle into the defined bore 24 of a perforated mirror 25 , so that it is the working beam without loss of power 8 , which after appropriate beam guidance by means of a plane mirror 26 falls on the perforated mirror 25 and is reflected by it, is collinearly superimposed. The sum beam is then again focused, analogously to the first exemplary embodiment, on the workpiece 15 via the processing optics 14 , the diameter relations of the working and auxiliary beams on the sample corresponding to those shown in FIG. 9 according to their different divergence.
Vorzüge dieser Anordnung sind die Entkopplung der Funktion beider Modulatoren und der Wegfall des Teleskops. Beides ist mit Kosteneinsparung verbunden. Durch die Entkopplung des zweiten vom ersten Modulator kann der Modulator 31 wesentlich einfacher ausgeführt werden, da die Regulierung der Hilfsstrahlleistung prinzipiell wesentlich langsamer (mindestens um einen Faktor 10) erfolgen kann als die Pulsfunktion von Modulator 3.The advantages of this arrangement are the decoupling of the function of both modulators and the elimination of the telescope. Both are associated with cost savings. By decoupling the second from the first modulator, the modulator 31 can be made much simpler, since the regulation of the auxiliary beam power can in principle take place much more slowly (at least by a factor of 10) than the pulse function of modulator 3 .
Die Funktion des Teleskops kann zwar nicht in voller Breite, aber zumindest partiell dadurch ersetzt werden, daß den verschiedenen Anwendungen angepaßte Fokussierelemente 23 eingesetzt werden.The function of the telescope can not be replaced in its full width, but at least partially by using focusing elements 23 adapted to the different applications.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel können die an den Modulatoren 3 und 31 entstehenden Strahlungsanteile, die nicht zur Bearbeitung genutzt werden, durch Absorber oder Meßgeräte abgefangen werden. Eine günstige Lösung stellt z. B. die Anordnung eines schnellen Detektors 27 am Modulator 3 dar, mit dessen Hilfe der zeitliche Verlauf des transmittierten Strahles und damit der prinzipielle zeitliche Verlauf des Arbeitsstrahles registriert werden kann und die Anordnung eines integrierenden Detektors 28 am Modulator 31, mit dessen Hilfe die mittlere Leistung des Hilfsstrahls überwacht werden kann.In this exemplary embodiment, too, the radiation components which arise on the modulators 3 and 31 and are not used for processing can be intercepted by absorbers or measuring devices. A cheap solution z. B. the arrangement of a fast detector 27 on the modulator 3 , with the help of which the time profile of the transmitted beam and thus the basic time profile of the working beam can be registered and the arrangement of an integrating detector 28 on the modulator 31 , with the aid of which the average power of the auxiliary beam can be monitored.
In den Ausführungsbeispielen 1 und 2 wurden zwei Möglichkeiten zur kollinearen Überlagerung von Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsstrahl dargestellt. Es gibt jedoch auch Einsatzfälle, bei denen eine Nutzung dieser beiden Strahlen mit unterschiedlichen Einfallswinkeln wünschenswert bzw. sogar erforderlich ist. Diese Option ist selbstverständlich bei beiden vorgestellten Varianten durch einfache Modifikationen der Strahlführung problemlos realisierbar.In the exemplary embodiments 1 and 2 , two possibilities for the collinear superimposition of the processing and heat treatment beam were shown. However, there are also cases in which the use of these two beams with different angles of incidence is desirable or even necessary. Of course, this option can be easily implemented in both of the variants presented by simply modifying the beam guidance.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel dafür, wobei an Veränderungen gegenüber Fig. 2 lediglich auf die modifizierten Positionen des Umlenkspiegels 22 und des Fokussierelementes 32 sowie auf den Einsatz eines einfachen Umlenkspiegels 34 an der Stelle des Lochspiegels 25 zu verweisen ist. FIG. 3 shows an exemplary embodiment of this, with changes to FIG. 2 merely referring to the modified positions of the deflecting mirror 22 and the focusing element 32 and to the use of a simple deflecting mirror 34 at the location of the perforated mirror 25 .
Fig. 4 zeigt die Ausführung der Anordnung nach Fig. 3 mit dem Unterschied, daß zwischen dem zweiten Modulator 31 und dem Umlenkspiegel 22 ein Teleskop 9 zur Fokuseinstellung angeordnet ist. FIG. 4 shows the embodiment of the arrangement according to FIG. 3 with the difference that a telescope 9 for focus adjustment is arranged between the second modulator 31 and the deflecting mirror 22 .
Fig. 5 zeigt zunächst, welche großen Vorteile in Hinblick auf den Kontrast Pmax/Pmin und auf die Erzeugung möglichst kurzer Impulse die Doppeltransmission gegenüber der Einfachtransmission bietet. Für die Reflektivität der FPI-Platten wurde R = 0,5 angenommen, ein typischer Wert für praktikable Versionen der FPI-Modulatoren. Fig. 5 shows first of which great advantages in terms of the contrast P max / P min and the generation of short pulses as possible provides the dual transmission versus single transmission. R = 0.5 was assumed for the reflectivity of the FPI plates, a typical value for practical versions of the FPI modulators.
Die Erzeugung von Strahlungsimpulsen mittels Sinusansteuerung des Modulators illustriert Fig. 6. Die Lage des Modulator-Arbeitspunktes wird dabei im Normalfall so gewählt, daß die Umkehrpunkte des Schwingsystems, die den Maxima bzw. Mimina des Steuersignals entsprechen, in den Transmissionsmimima liegen. Der Transmissionspik wird dann jeweils im Zustand der raschesten Durchstimmung des FPI überstrichen, so daß möglichst kurze Impulse aus dem cw-Laserstrahl herausgeschnitten werden. In dieser Betriebsart sind die Parameter der gepulsten Strahlung weitgehend durch die Frequenz f des Steuersignals festgelegt, insbesondere ist das Tastverhältnis Pulsdauer : Pulspause nur sehr eingeschränkt variabel. Bei festem f kann lediglich über U eine Variation der Strahlungsparameter erfolgen.The generation of radiation pulses by means of sine control of the modulator is illustrated in FIG. 6. The position of the modulator operating point is normally chosen so that the reversal points of the oscillation system, which correspond to the maxima or minima of the control signal, lie in the transmission minima. The transmission spike is then swept over in the state of the fastest tuning of the FPI, so that the shortest possible pulses are cut out of the cw laser beam. In this operating mode, the parameters of the pulsed radiation are largely determined by the frequency f of the control signal, in particular the pulse duty cycle: pulse pause ratio is variable only to a very limited extent. If f is fixed, the radiation parameters can only be varied via U.
Die Ansteuerung über Rechteck- oder Trapezimpulse, vergleiche Fig. 7, erhält demgegenüber die volle Variationsbreite der Methode. So kann praktisch beliebig das erwähnte Tastverhältnis variiert und über den Anstieg des Steuersignals auch in weiten Grenzen die Pulsbreite festgelegt werden.The control via rectangular or trapezoidal pulses, see FIG. 7, in contrast, receives the full range of variation of the method. The duty cycle mentioned can be varied practically as desired and the pulse width can also be defined within wide limits via the rise in the control signal.
Die Lösung der zweiten Aufgabe des zweiten FPI-Modulators 11, nämlich die Regulierung der effektiven Leistung des Hilfsstrahls am Bearbeitungsort bei gleichzeitig möglichst geringer Beeinflussung, insbesondere möglichst geringer Schwächung, des Bearbeitungsstrahls, macht Fig. 8 deutlich. Die Darstellung zeigt, wie durch synchronisierte Ansteuerung der beiden Modulatoren erreicht werden kann, daß einerseits die Impulsmaxima des Bearbeitungsstrahls Modulator 11 genau bei T=1, also ohne Leistungsverlust, passieren, während andererseits durch die Amplitude des Steuersignals von Modulator 11 genau der gewünschte Leistungslevel des als Wärmebehandlungsstrahl 12 genutzten Anteil der Strahlung eingestellt werden kann.The solution of the second task of the second FPI modulator 11 , namely the regulation of the effective power of the auxiliary beam at the processing location with at the same time the least possible influencing, in particular the least possible attenuation, of the processing beam is shown in FIG. 8. The illustration shows how it can be achieved by synchronized control of the two modulators that on the one hand the pulse maxima of the machining beam pass through modulator 11 exactly at T = 1, that is to say without loss of power, while on the other hand the desired power level of the modulator 11 is achieved precisely by the amplitude of the control signal portion of the radiation used as the heat treatment beam 12 can be set.
Fig. 9 zeigt die relativen Lagen des resultierenden Bearbeitungsbereichs 29 und des Wärmebehandlungsbereichs 30. Fig. 9 shows the relative positions of the resulting machining area 29 and the heat treatment region 30.
BezugszeichenlisteReference list
1 CO₂-Laser
2 Laserstrahlung
3 erster FPI-Interferometer
4 transmittierter Strahlungsanteil
5 reflektierter Strahlungsanteil-Hilfsstrahl
6, 7 Umlenkspiegel
8 doppelttransmittierter Strahlungsanteil-Arbeitsstrahl
9 Teleskop
10 in Durchmesser und Divergenz modifizierter Hilfsstrahl
11 zweiter FPI-Modulator
12 Wärmebehandlungsstrahl
13 Bearbeitungsstrahl
14 Fokussierelement
15 Werkstück / Bearbeitungsort
16, 17, 18 für Diagnostikzwecke nutzbare Strahlungsanteile
19, 20 Diagnostikeinheiten
21 Umlenkspiegel
22 Umlenkspiegel
23 Fokussierelement
24 definierte Bohrung
25 Lochspiegel
26 Umlenkspiegel
27 schneller Strahlungsdetektor
28 integrierender Strahlungsdetektor
29 Bearbeitungsbereich
30 Wärmebehandlungsbereich
31 zweiter FPI-Interferometer zur Regulierung der Hilfsstrahlleistung
32 Fokussierelement
33 reflektierter Strahlungsanteil für Diagnostikzwecke
34 Umlenkspiegel
P(t) Stahlungsleistung als Funktion der Zeit
PT Leistung des transmittierten Strahlungsanteiles eines FPI-Interferometers
PR Leistung des reflektierten Strahlungsanteiles eines FPI-Interferometer
FPI Fabry-Perot Interferometers
PDT,max Maximalleistung des doppelttransmittierten Strahlungsanteils
PDT,min Minimalleistung des doppelttransmittierten Strahlungsanteils
PT,min Minimalleistung des transmittierten Strahlungsanteils
PT,max Maximalleistung des transmittierten Strahlungsanteils
Impulsspitzenleistung
P₀ cw-Laserleistung
timp Impulsdauer
f Modulationsfrequenz
T FPI-Transmission
U₁ Steuerspannung des ersten FPI-Interferometers
DT₁ Doppeltransmission des ersten FPI-Interferometers
R₁ Reflexion des ersten FPI-Interferometers
U₂ Steuerspannung des zweiten FPI-Interferometers
T₂ Transmission des zweiten FPI-Interferometers
R₂ Reflexion des zweiten FPI-Interferometers
Dd Variation des FPI-Plattenabstandes
R Reflektivität der FPI-Platten
fmax maximale Modulationsfrequenz eines FPI-Interferometers
DQ Divergenzvariation 1 CO₂ laser
2 laser radiation
3 first FPI interferometer
4 transmitted radiation component
5 reflected radiation component auxiliary beam
6 , 7 deflecting mirror
8 double-transmitted radiation component working beam
9 telescope
10 auxiliary beam modified in diameter and divergence
11 second FPI modulator
12 heat treatment jet
13 machining beam
14 focusing element
15 workpiece / machining location
16 , 17 , 18 radiation components that can be used for diagnostic purposes
19 , 20 diagnostic units
21 deflecting mirror
22 deflecting mirror
23 focusing element
24 defined holes
25 perforated mirror
26 deflecting mirror
27 fast radiation detector
28 integrating radiation detector
29 Machining area
30 heat treatment area
31 second FPI interferometer for regulating the auxiliary beam power
32 focusing element
33 reflected radiation for diagnostic purposes
34 deflecting mirror
P (t) steel output as a function of time
P T Power of the transmitted radiation component of an FPI interferometer
P R Power of the reflected radiation component of an FPI interferometer
FPI Fabry-Perot interferometer
P DT, max maximum power of the double-transmitted radiation component
P DT, min Minimum power of the double-transmitted radiation component
P T, min Minimum power of the transmitted radiation component
P T, max maximum power of the transmitted radiation component
Peak pulse power
P₀ cw laser power
t imp pulse duration
f Modulation frequency
T FPI transmission
U₁ control voltage of the first FPI interferometer
DT₁ double transmission of the first FPI interferometer
R₁ reflection of the first FPI interferometer
U₂ control voltage of the second FPI interferometer
T₂ transmission of the second FPI interferometer
R₂ reflection of the second FPI interferometer
Dd variation of the FPI plate spacing
R reflectivity of the FPI plates
f max maximum modulation frequency of an FPI interferometer
DQ divergence variation
Claims (8)
- - die Mittel aus einem Teleskop (9), aus einem zweiten Fabry-Perot-Interferometer (11), aus einem Umlenkspiegel (26) und aus einem Fokussierelement (14) bestehen, wobei
- - das Teleskop (9) die Divergenz des reflektierten Strahls (5) nach Maßgabe der Aperturen seiner Strahlungselemente verändert und den in Divergenz veränderten Strahl (10) auf ein zweites Fabry-Perot-Interferometer (11) lenkt,
- - der Umlenkspiegel (26) den doppelt-transmittierten Strahl (8) ebenfalls auf das zweite Fabry-Perot-Interferometer (11), jedoch von der entgegengesetzten Seite, so lenkt, daß er sich nach Transmission durch das zweite Fabry-Perot- Interferometer (11) dem am zweiten Fabry-Perot-Interferometer (11) reflektierten und als Bebehandlungsstrahl (12) dienenden Strahlungsanteil als Bearbeitungsstrahl (13) kollinear überlagert, und
- - das Fokussierelement (14) die kollinearen Strahlen auf das Werkstück (15) richtet.
- - The means consist of a telescope ( 9 ), a second Fabry-Perot interferometer ( 11 ), a deflecting mirror ( 26 ) and a focusing element ( 14 ), wherein
- the telescope ( 9 ) changes the divergence of the reflected beam ( 5 ) in accordance with the apertures of its radiation elements and directs the beam ( 10 ) changed in divergence onto a second Fabry-Perot interferometer ( 11 ),
- - The deflecting mirror ( 26 ) also directs the double-transmitted beam ( 8 ) onto the second Fabry-Perot interferometer ( 11 ), but from the opposite side, so that after transmission through the second Fabry-Perot interferometer ( 11 ) the radiation component reflected on the second Fabry-Perot interferometer ( 11 ) and serving as a treatment beam ( 12 ) is collinearly superimposed as a processing beam ( 13 ), and
- - The focusing element ( 14 ) directs the collinear beams onto the workpiece ( 15 ).
- - die Mittel aus einem zweiten Fabry-Perot- Interferometer (31), aus einem ersten und zweiten Umlenkspiegel (22, 26) aus einem ersten und zweiten Fokussierelement (23, 14) sowie aus einem Lochspiegel (25) bestehen, wobei
- - das zweite Fabry-Perot-Interferometer (31) die Divergenz des am ersten Fabry- Perot-Interferometer (3) reflektierten Strahls (5) transmittiert und verändert,
- - der erste Umlenkspiegel (22) den vom zweiten Fabry-Perot-Interferometer (31) transmittierten Strahl (5) auf das erste Fokussierelement (23) zur Fokussierung auf den für den Fokussierstrahl als Blende wirkenden Lochspiegel (25) lenkt,
- - der Lochspiegel (25) den vom ersten Fokussierelement (23) kommenden Fokussierstrahl praktisch verlustfrei dem doppelt-transmittierten und am zweiten Umlenkspiegel (26) reflektierten als Bearbeitungsstrahl (13) dienenden Strahl als Wärmebehandlungsstrahl (12) kollinear überlagert und
- - das zweite Fokussierelement (14) die kollinearen Strahlen auf das Werkstück (15) richtet.
- - The means consist of a second Fabry-Perot interferometer ( 31 ), a first and second deflecting mirror ( 22, 26 ) from a first and second focusing element ( 23 , 14 ) and a perforated mirror ( 25 ), wherein
- the second Fabry-Perot interferometer ( 31 ) transmits and changes the divergence of the beam ( 5 ) reflected on the first Fabry-Perot interferometer ( 3 ),
- the first deflecting mirror ( 22 ) directs the beam ( 5 ) transmitted by the second Fabry-Perot interferometer ( 31 ) onto the first focusing element ( 23 ) for focusing on the perforated mirror ( 25 ) which acts as an aperture for the focusing beam,
- - The perforated mirror ( 25 ) the focusing beam coming from the first focusing element ( 23 ) is practically loss-free, the double-transmitted and reflected on the second deflecting mirror ( 26 ) serving as a processing beam ( 13 ) as a heat treatment beam ( 12 ) and is collinearly superimposed
- - The second focusing element ( 14 ) directs the collinear beams onto the workpiece ( 15 ).
- - die Mittel aus einem zweiten Fabry-Perot- Interferometer (31), aus einem ersten, zweiten und dritten Umlenkspiegel (22, 26, 34) sowie aus einem ersten und zweiten Fokussierelement (32, 14) bestehen, wobei
- - das zweite Fabry-Perot-Interferometer (31) die Divergenz des am ersten Fabry- Perot-Interferometer (3) reflektierten Strahls (5) transmittiert und verändert,
- - der erste Umlenkspiegel (22) den vom zweiten Fabry-Perot-Interferometer (31) transmittierten Strahl (5) auf das erste Fokussierelement (32) lenkt, das ihn als Wärmebehandlungsstrahl (12) auf das Werkstück (15) richtet, und
- - der zweite und dritte Umlenkspiegel (26, 34) den doppelt-transmittierten Strahl (8) als Bearbeitungsstrahl (13) auf das zweite Fokussierelement (14) lenken, das den Bearbeitungsstrahl (13) unter einem anderen Winkel auf das Werkstück (15) richtet, als der Wärmebehandlungsstrahl (12) auf dieses einfällt.
- - The means consist of a second Fabry-Perot interferometer ( 31 ), a first, second and third deflecting mirror ( 22 , 26 , 34 ) and a first and second focusing element ( 32 , 14 ), wherein
- the second Fabry-Perot interferometer ( 31 ) transmits and changes the divergence of the beam ( 5 ) reflected on the first Fabry-Perot interferometer ( 3 ),
- - The first deflecting mirror ( 22 ) directs the beam ( 5 ) transmitted by the second Fabry-Perot interferometer ( 31 ) onto the first focusing element ( 32 ), which directs it as a heat treatment beam ( 12 ) onto the workpiece ( 15 ), and
- - The second and third deflecting mirror ( 26, 34 ) direct the double-transmitted beam ( 8 ) as a processing beam ( 13 ) onto the second focusing element ( 14 ), which directs the processing beam ( 13 ) at a different angle onto the workpiece ( 15 ) when the heat treatment beam ( 12 ) is incident on it.
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