DE19616863A1 - Anordnung zur Kohärenzreduktion und Strahlhomogenisierung von Laserstrahlung hoher Leistung - Google Patents
Anordnung zur Kohärenzreduktion und Strahlhomogenisierung von Laserstrahlung hoher LeistungInfo
- Publication number
- DE19616863A1 DE19616863A1 DE19616863A DE19616863A DE19616863A1 DE 19616863 A1 DE19616863 A1 DE 19616863A1 DE 19616863 A DE19616863 A DE 19616863A DE 19616863 A DE19616863 A DE 19616863A DE 19616863 A1 DE19616863 A1 DE 19616863A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- mirror
- arrangement according
- laser beam
- segmented
- deflecting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0604—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams
- B23K26/0608—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by a combination of beams in the same heat affected zone [HAZ]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0933—Systems for active beam shaping by rapid movement of an element
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0938—Using specific optical elements
- G02B27/0977—Reflective elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strahlhomogenisierung eines La
serstrahls mit einer Leistung oberhalb 0,5 kW, die im Strahlengang einen Fokussierspie
gel und einen sich um seine Oberflächennormale drehenden Umlenkspiegel aufweist,
wobei der Fokussierspiegel als segmentierter Spiegel ausgebildet ist, der den Laser
strahl in Teilstrahlen zerlegt und diese in einer Bildebene überlagert.
Eine derartige Anordnung ist in der vorveröffentlichten Informationsschrift (ohne Datum)
"Rotationsspiegel für High-Speed-Strahlablenkung" des Fraunhofer-Institus für Werk
stoffphysik und Schichttechnologie (IWS), Dresden, beschrieben. In dieser Informations
schrift wird, zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks, ein Laserstrahl zunächst auf
einen Fokussierspiegel gerichtet, der den Strahl auf einen Rotationsspiegel ablenkt, von
dem aus der Strahl dann auf die Werkstückoberfläche fällt. Der Rotationsspiegel weist
einen Drehantrieb auf, wobei die Spiegeloberfläche unter einem Winkel ungleich 90° zu
der Drehachse gekippt ist. Unter Drehung des Rotationsspiegels beschreibt der Strahl
querschnitt auf der Werkstückoberfläche eine kreisförmige oder ellipsenförmige Bahn,
um so eine gemittelte Intensitätsverteilung in dem entstehenden Strahlfleck auf der
Werkstückoberfläche, die auch von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks rela
tiv zu dem Strahlquerschnitt abhängig ist, zu erzielen. Um räumliche Intensitätsfluktua
tionen zu reduzieren, wird als Fokussierspiegel ein Facettenspiegel eingesetzt, wie er
bei solchen Materialbearbeitungsanlagen üblich ist. Mit diesem Facettenspiegel wird der
Laserstrahl, entsprechend der Anzahl der Facetten, in einzelne Teilstrahlen zerlegt, die
in einer Bildebene, wobei es sich im allgemeinen um die Bearbeitungsoberfläche des
Werkstücks handelt, überlagert werden.
Weiterhin ist aus der EP 013487 B1 eine Anordnung zum Laserstrahlpunktschweißen
mit einer Laserstrahlquelle und einer den Laserstrahl auf ein zu schweißendes Werk
stück fokussierende Anordnung bekannt. Der Laserstrahl wird über einen Umlenkspie
gel auf einen Fokussierungsspiegel, der facettiert ist, gerichtet und von dort auf das
Werkstück fokussiert. Da der Laserstrahl parallel zur Strahlachse seitlich versetzt ist
und auf diese Weise versetzt auf den facettierten Spiegel auftrifft, wird der Laserstrahl
durch den stationär gehaltenen, facettierten Spiegel in verschiedene Punkte auf das
Werkstück fokussiert, um dort an den verschiedenen Punkten eine Punktschweißung
vorzunehmen.
Im Rahmen der Materialbearbeitung, insbesondere in Bezug auf die Oberflächenbe
handlung von Werkstücken, werden zunehmend höhere Anforderungen dahingehend
gestellt, daß das Strahlprofil in der Ebene der Werkstückoberfläche äußerst homogen
ist. In gewisser Weise wird zwar eine solche Homogenisierung durch den sich rotieren
den, um seine Drehachse gekippten Spiegel gemäß der vorstehend angeführten Infor
mationsschrift erreicht; dies setzt allerdings voraus, daß das Werkstück und der Laser
strahl mit einer bestimmten Relativbewegung zueinander verschoben werden, da anson
sten auch über den sich drehenden Spiegel ein Muster mit rotationssymmetrischen In
tensitätsverteilungen erzeugt wird. Für die Anwendung nachteilig ist, daß der Rotations
spiegel zwischen Facettenspiegel und Rotationsspiegel angeordnet wird und somit nur
wenig Platz für Prozeßdüsen bzw. Haltevorrichtungen zur Verfügung steht.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik und der angegebe
nen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte
Anordnung derart weiterzubilden, daß in der Bearbeitungsebene eine Leistungsdichte
höchster Homogenität erzeugt wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst, daß sich der Umlenkspiegel um seine Oberflächennormale dreht
und eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, wobei das Verhältnis von quadratischem
Mittenrauhwert Rq zur transversalen Oberflächenrauhigkeit-Korrelationslänge δ der Be
ziehung 0,025 λ/c < Rq/δ < 2,5 λ/c für mindestens ein Spiegelsegment genügt, wobei
c die kleinste Kantenlänge des einen Spiegelsegments des Fokussierspiegels und λ die
Wellenlänge der auf den Umlenkspiegel einfallenden Laserstrahlung sind. Mit der erfin
dungsgemäßen Anordnung kann die räumliche Kohärenz der Laserstrahlung reduziert
werden. Dies gilt insbesondere für Laserstrahlung einer hohen Leistung, d. h. einer Lei
stung oberhalb von 5 kW. Durch die Kombination eines segmentierten Spiegels mit Um
lenkspiegel, der durch die definierte Einstellung der Oberflächenrauhigkeit nach der vor
stehenden Vorschrift, die das Verhältnis von quadratischem Mittelrauhwert Rq zur trans
versalen Oberflächenrauhigkeit-Korrelationslänge festlegt, eine zeit- und ortsabhängige
statistische Phasenfluktuation erzeugt, ermöglicht die Erzeugung von Leistungdichte
verteilungen mit hoher Homogenität. Die von dem rotierenden Umlenkspiegel erzeugten
Phasenfluktuationen entsprechen dann einem Gauß′schen Zufallsprozeß, der durch
zwei Parameter bestimmt ist: die transversale Korrelationslänge δ und die Größe ψ₀ der
Phasenfluktuation. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind δ und ψ₀ ein
stellbare Parameter mit einem entsprechenden Einfluß auf die Leistungsdichteverteilung
in der Bildebene des segmentierten Spiegels. Die durch Beugung an den Aperturen des
segmentierten Spiegels bzw. durch Vielstrahlinterferenz erzeugten Leistungsdichtespit
zen in der Bildebene können durch Optimierung der zwei Parameter vollständig kom
pensiert werden. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Anordnung nur bedingt von einem
relativen Vorschub zwischen dem Laserstrahl bzw. dessen Strahlquerschnitt und dem
Werkstück abhängig, da eine Homogenisierung der Intensitätsverteilung über den
Strahlquerschnitt alleine durch eine entsprechende Drehzahl bzw. Frequenz, mit der der
Spiegel gedreht wird, eingestellt bzw. erhöht werden kann. Weiterhin ist wesentlich,
daß, in Richtung des Strahlverlaufs gesehen, der in seiner Oberfläche definiert stati
stisch verteilt aufgerauhte Umlenkspiegel vor dem segmentierten Spiegel angeordnet
ist. Die erfindungsgemäße Anordnung vermeidet eine oszillatorische Bewegung einer
Strahlführung über das Werkstück. Demzufolge verändert der Strahlschwerpunkt seine
Lage relativ zum Werkstück in der Richtung senkrecht zur Vorschubbewegung nicht.
Hierdurch können grundsätzlich wesentlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten, im Ge
gensatz zum Stand der Technik, ohne Beeinträchtigung der Bearbeitungsergebnisse er
zielt werden.
Bevorzugt trifft, in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls gesehen, der Strahl zuerst auf
den Umlenkspiegel und danach auf den segmentierten Spiegel.
Vorzugsweise wird der Laserstrahl seitlich versetzt zur Drehachse des Umlenkspiegels
auf dessen Oberfläche gerichtet und von dort auf den segmentierten Spiegel reflektiert.
Hierdurch wird eine verringerte Wärmebelastung an dem Umlenkspiegel erzeugt, dar
überhinaus wird eine erhöhte Homogenisierung der Leistungdichteverteilung erzielt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Oberflächen der Segmente
des segmentierten Spiegels asphärisch ausgebildet, um eine dem Bearbeitungsprozeß
angepaßte, nicht-homogene Leistungsverteilung auf dem Werkstück zu erzeugen. Die
zugrundeliegende Verfahrensweise besteht in der Kombination der Strahlintegration mit
einer Teilstrahlformung. Die Strahlintegration, realisiert durch die Zerlegung des einfal
lenden Laserstrahls in Teilstrahlen und Überlagerung dieser Teilstrahlen in der Bildebe
ne, bewirkt die Erzeugung einer vom Rohstrahl weitgehend unabhängigen Leistungs
dichteverteilung. Die durch eine gezielte Formgebung der Segmentoberflächen bewirkte
Teilstrahlformung ermöglicht die gezielt Einstellung einer gewünschten, verfahrensange
paßten Leistungsdichteverteilung in der Bildebene.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Anordnung für solche Oberflächenbearbeitun
gen geeignet, die hohe Bearbeitungsbreiten mit einer gleichbleibenden Bearbeitungs
qualität bezüglich Oberflächenbeschaffenheit und Bearbeitungsgeometrie fordern, ohne
den Strahlquerschnitt in dieser Breitenrichtung oszillieren zu lassen. Dies gilt insbeson
dere für martensitisches Umhärten, bei dem Anschmelzungen der Werkstückoberfläche
vermieden werden müssen, die häufig ihre Ursache durch räumliche Leistungsdichteer
höhungen finden. Diese Anschmelzungen führen zu einem erhöhten Nachbearbeitungs
aufwand durch mechanisches Schleifen; ein solcher nachträglicher Prozeßschnitt? er
höht die Kosten des Verfahrens. Diese Nachbearbeitungsvorgänge mit ihren Folgen
sind mit der erfindungsgemäßen Anordnung nicht erforderlich. Als bevorzugte Anwen
dungsgebiete der erfindungsgemäßen Anordnung, bei denen sehr gleichmäßige Lei
stungsdichteverteilungen erforderlich sind, sind weiterhin das Plattieren von Bändern
das Rekristallisieren, das Umformen, das Umschmelzen und das Dispergieren.
Die Dimensionierung der erfindungsgemäßen Anordnung erfolgt zunächst unter Bestim
mung des optimalen Korrelationsparameters δ (und der daraus folgenden Größe ψ₀ der
Phasenfluktuationen) unter Vorgabe der Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung
sowie der Parameter des Facettenspiegels. Anschließend wird, im Rahmen des Verhält
nisses von quadratischem Mittenrauhwert Rq zur transversalen Oberflächenrauhigkeit-
Korrelationslänge δ entsprechend der Beziehung 0,025 λ/c < Rq/δ < 2,5 λ/c der Rauh
wert Rq festgelegt und mittels einer statistischen Verteilung auf der Oberfläche des Um
lenkspiegels generiert. Hierzu eignet sich beispielsweise eine um ein Werkzeugpositio
niersystem erweiterte, konventionelle 2-Achsen-CNC-Ultrapräzisionsdrehmaschine. Mit
einer solchen Ultrapräzisionsmaschine wird die Oberfläche des Umlenkspiegels, unter
einer statistischen Steuerung, die über einen Zufallsgenerator beeinflußt wird, endbear
beitet. Vorzugsweise wird der Umlenkspiegel in Form eines Metallspiegels, vorzugswei
se aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung, hergestellt. Zum einen ist ein solcher
Metallspiegel mit üblichen Diamantdrehverfahren bearbeitbar, zum anderen zeichnet er
sich durch seinen guten Wärmeleitkoeffizienten und einen guten Reflexionsgrad bei λ =
10,6 µm aus.
Vorzugsweise werden die einzelnen Segmente des segmentierten Spiegels plan ausge
bildet und bevorzugt ist der segmentierte Spiegel ein Facettenspiegel oder ein Linien
segmentspiegel. Der letztere Spiegel erzeugt in der Bearbeitungsebene eine linienförmi
ge Intensitätsverteilung, die für viele Anwendungen von Vorteil ist.
Die Anordnung eignet sich insbesondere für Laser mit einer hohen Leistung oberhalb
von 5 kW, wie zum Beispiel für CO₂-Laser.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung wird nachfolgend unter Be
zugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur
Strahlhomogenisierung eines Laserstrahls,
Fig. 2 eine numerisch berechnete Realisierung einer statistischen Oberflächenfunk
tion des Umlenkspiegels in einer dreidimensionalen Darstellung mit δ =
3,3 mm und ψ₀ = 3/4 π (λ = 10,6 µm),
Fig. 3A und 3B die Querschnitte des Umlenkspiegels der Fig. 1 bzw. der Darstel
lung der Fig. 2 entlang der x- und der y-Achse,
Fig. 4 eine optische Anordnung in einer schematischen Darstellung zur Strahlfor
mung für das thermische Umwandlungshärten,
Fig. 5 einen Plexiglaseinbrand in der Bildebene des Ellipsoidspiegels unter Verwen
dung eines CO₂-Lasers mit einer Leistung von 1,8 kW,
Fig. 6A und 6B mit der Anordnung nach der Fig. 4 generierte Härtespuren, wobei
die Fig. 6A eine Spur mit Umlenk- bzw. Phasenmodulationsspiegel zeigt,
während die Fig. 6B eine Härtespur ohne Phasenmodulationsspiegel zeigt,
Fig. 7A ein Beispiel einer Segmentoberfläche eines Liniensegmentspiegels zur Er
zeugung einer Stufen-Leistungsdichteverteilung, wie sie in Fig. 7B darge
stellt ist, und
Fig. 8A und 8B schematisch verschiedene Möglichkeiten einer Segmentierung des
segmentierten Spiegels.
Gemäß der Anordnung, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, wird der von ei
nem CO₂-Laser 1 abgegebene Laserstrahl 2 auf einen Umlenkspiegel 3 gerichtet und
von dort, in dem gezeigten Beispiel um 90°, umgelenkt und auf einen konkaven Linien
segmentspiegel 4 geführt, der den Strahlquerschnitt auf die Oberfläche 5 eines Werk
stücks 6 fokussiert. Der Umlenkspiegel 3 wird über eine nicht näher dargestellte An
triebseinheit um eine Drehachse 7 in Richtung des Drehpfeils δ gedreht. Wie die Fig. 1
zeigt, wird der Laserstrahl seitlich zu der Drehachse 7 versetzt auf die Oberfläche 9 ge
richtet, um die Phasenfluktuation pro Umlauf des Spiegels zu erhöhen und eine effizien
tere Kühlung des Spiegels durch Luftströmung zu erzielen. Die Oberfläche 9 des Umlenkspiegels
3 ist aufgerauht, wobei das Verhältnis von quadratischem Mittenrauhwert
Rq zur transversalen Oberflächenrauhigkeit-Korrelationslänge δ der Beziehung
0,025 λ/c < Rq/δ < 2,5 λ/c
genügt, wobei
- - c die kleinste Kantenlänge der Spiegelsegmente des Liniensegmentspiegels 4 ist, (siehe auch Fig. 8A) und
- - λ die Wellenlänge des CO₂-Lasers ist.
Die Oberfläche des Umlenkspiegels 3, der aus Kupfer auf einer um ein Werkzeugposi
tioniersystem erweiterten Ultrapräzisionsdrehmaschine hergestellt wurde, besitzt die
statistisch verteilte Oberflächenrauhigkeit, wie sie in der Fig. 2 in einer berechneten
Form dargestellt ist. In dieser berechneten Darstellungsform ist die Strukturierung der
Spiegeloberfläche statistisch moduliert, die zur Herstellung des Umlenkspiegels auf eine
CNC-Ultrapräzisionsdrehmaschine übertragen wird. Diese Oberflächenstruktur ist noch
mals in der Fig. 3A entlang der x-Achse aufgetragen, während sie in Fig. 3B entlang
der y-Achse aufgetragen ist. Wie insbesondere die Fig. 3A und 3B zeigen, sind die
Oberflächenfluktuationen in einem Bereich von 1-10 µm gauß-förmig verteilt.
In der Fig. 4 ist eine Anordnung eines weiteren Strahlformungssystems dargestellt, das
im wesentlichen der Ausführungsform der Fig. 1 entspricht (aus diesem Grund sind für
vergleichbare Teile entsprechende Bezugszeichen verwendet) und beispielsweise zum
thermischen Umwandlungshärten von Kunststofformstahl (40 CrMnMo7) eingesetzt wird.
Ein CO₂-Laserstrahl 2 wird auf einen Umlenkspiegel 3, der wiederum um eine Drehach
se 7 gedreht wird, gerichtet. Entsprechend der Fig. 1 ist der Strahl auf die Oberfläche 5
des Umlenkspiegels seitlich zu der Drehachse 7 versetzt gerichtet, so daß zum einen
die thermische Belastung des Umlenkspiegels 3 reduziert wird, gleichzeitig dieser Ver
satz zu einer höheren Strahlhomogenisierung beiträgt. Der an der Oberfläche 5 des Umlenkspiegels
3 reflektierte Strahl 2 fällt dann auf einen Liniensegmentspiegel 4 und der
Strahl wird homogenisiert. Der nachfolgende Ellipsoidspiegel 10 bildet die integrierte
Leistungsdichteverteilung um einen Faktor drei vergrößert auf die Werkstückoberfläche
5 des Werkstücks 6 ab. Typische Parameter der Anordnung der Fig. 4 sind wie folgt:
Phasenmodulationsspiegel bzw. Umlenkspiegel 3 - ψ₀ = 3/4π, δ = 1,1 mm; Linsenseg
mentspiegel 4 - Brennweite 150 mm, 6 mm Kantenlänge der Segmente; Ellipsoidspiegel
10 - Brennweite 70 mm. Ein solcher Liniensegmentspiegel ist nochmals in einer Drauf
sicht in der Fig. 8A dargestellt. Wie anhand der Fig. 8A deutlich wird, besitzen die
einzelnen Streifen bzw. Facetten 13 parallele Kanten zueinander und haben gleiche
Breiten. Diese gleiche Streifenbreite der Facetten hat gegenüber einer ungleichen Strei
fenbreite den Vorteil, daß in Bezug auf das ortsabhängige Intensitätsprofil, wie es in
Fig. 5 dargestellt ist, die Steilheit der Flanken des Intensitätsprofils optimiert ist, d. h. die
Kante des Profils soll möglichst steil erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt einen Plexiglaseinbrand in der Bearbeitungsebene des Werkstücks 6 der
Fig. 4; an dieser Darstellung, in der die Einbrandtiefe quer zur Spur des Laserstrahls
auf der Werkstückoberfläche 5 gezeigt ist, ist eine sehr homogene Einbrandtiefenstruk
tur zu erkennen, was wiederum auf eine homogene Intensitätsverteilung des Laser
strahls entlang der Oberfläche 5 des Werkstücks 6 rückschließen läßt.
Fig. 6A zeigt eine Draufsicht auf eine mit der Verteilung entsprechend der Fig. 5 ge
nerierten Härtespur, die mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 360 mm/min erzeugt
wurde. Zum Vergleich ist in Fig. 6B eine Härtespur dargestellt, die mit einem herkömm
lichen Strahlformungssystem ohne in seiner Oberfläche definiert strukturierten Umlenk
spiegel bzw. Phasenmodulationsspiegel 3, aber ansonsten mit gleichen Prozeßparame
tern, erzeugt wurde. Deutlich sind in Fig. 6 B die lokalen Anschmelzungen in Form von
senkrecht verlaufenden Linien zu erkennen. Die Verfahrensparameter waren weiterhin
wie folgt: Material des Phasenmodulationsspiegels aus 40 CrMnMo7, 1,8 kW
Laserleistung.
In Fig. 7A ist in einer graphischen Darstellung die idealisierte Strukturtiefe eines Facet
tenspiegels entlang der x-Koordinate aufgetragen, um eine stufenförmige Leistungsdich
teverteilung zu erzeugen, wie sie in der Fig. 7B dargestellt ist. Eine solche abgestufte
Intensitätsverteilung in Richtung der x-Koordinate ist zum Beispiel zum Härten von Kur
belwellenradien erforderlich.
Wie bereits eingangs erwähnt ist, wird mit der Beziehung 0,025 λ/c < Rq/δ < 2,5 λ/c
die Rauhigkeit der Oberfläche 9 des Umlenkspiegels 3 zu der Oberflächenrauhigkeit-
Korrelationslänge δ zu der Wellenlänge des CO₂-Lasers und der kleinsten Kantenlänge
der Spiegelsegmente des Liniensegmentspiegels 4 in Bezug gesetzt.
Die Fig. 8A und 8B stellen verschiedene Segmentierungen des Linsensegmentspie
gels 4 dar, wobei Fig. 8A eine streifenförmige Segmentierung zeigt, und Fig. 8B eine
Segmentierung in einzelne, rechteckige Flächen gleicher Größen zeigt. Im Sinne der
vorstehenden Beziehung ist c die kleinste Kantenlänge, die ein jeweiliges Spiegelseg
ment zeigt, wobei zur Veranschaulichung in den Fig. 8A und 8B jeweils ein relevan
tes Spiegelelement mit dem Bezugszeichen-Pfeil 11 gekennzeichnet ist und die dazuge
hörige, kleinste Kantenlänge mit c bezeichnet ist.
Claims (11)
1. Anordnung zur Strahlhomogenisierung eines Laserstrahls mit einer Leistung
oberhalb 0,5 kW, die im Strahlengang einen Fokussierspiegel und einen sich
drehenden Umlenkspiegel aufweist, wobei der Fokussierspiegel in mehrere
Spiegelsegmente segmentiert ist, der den Laserstrahl in Teilstrahlen zerlegt und
diese in einer Bildebene überlagert, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Um
lenkspiegel um seine Oberflächennormale dreht und eine Oberflächenrauhigkeit
aufweist, wobei das Verhältnis von quadratischem Mittenrauhwert Rq zur trans
versalen Oberflächenrauhigkeit-Korrelationslänge δ der Beziehung 0,025 λ/c <
Rq/δ < 2,5 λ/c für mindestens ein Spiegelsegment genügt, wobei c die kleinste
Kantenlänge des einen Spiegelsegments des Fokussierspiegels und λ die Wel
lenlänge der auf den Umlenkspiegel einfallenden Laserstrahlung sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Ausbreitungsrich
tung des Laserstrahls gesehen, der Strahl zuerst auf den Umlenkspiegel und
danach auf den segmentierten Spiegel auftrifft.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenk
spiegel ein Metallspiegel ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel
aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung gebildet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahl seitlich zur Drehachse des Umlenkspiegels versetzt auf dessen Ober
fläche auftrifft.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche der Segmente des segmentierten Spiegels asphärisch ausgebil
det sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der segmentierte Spiegel als Facettenspiegel oder als Liniensegmentspiegel
ausgebildet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsensegment
spiegel streifenförmige Spiegelflächen mit parallel zueinander verlaufenden
Kanten und gleicher Breite aufweisen.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Umlenkspiegel, in Bezug auf eine Vorschubgeschwindigkeit des Laser
strahls in der Werkstückebene von 300-500 mm/min, mit einer Frequenz von 10
bis 50 Hertz dreht.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserstrahl der eines CO₂-Lasers ist.
11. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für die Oberflä
chenbehandlung, insbesondere für Härten von Werkstückoberflächen aus Me
tall, das Plattieren von Metallbändern, das Rekristallisieren von Metallen, das
Umformen von Bauteilen, das Umschmelzen von Metallen und für das
Dispergieren.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19616863A DE19616863C2 (de) | 1995-04-28 | 1996-04-26 | Anordnung zur Kohärenzreduktion und Strahlhomogenisierung von Laserstrahlung hoher Leistung |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19515224 | 1995-04-28 | ||
DE19616863A DE19616863C2 (de) | 1995-04-28 | 1996-04-26 | Anordnung zur Kohärenzreduktion und Strahlhomogenisierung von Laserstrahlung hoher Leistung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19616863A1 true DE19616863A1 (de) | 1996-10-31 |
DE19616863C2 DE19616863C2 (de) | 1998-08-06 |
Family
ID=7760342
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19616863A Expired - Fee Related DE19616863C2 (de) | 1995-04-28 | 1996-04-26 | Anordnung zur Kohärenzreduktion und Strahlhomogenisierung von Laserstrahlung hoher Leistung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19616863C2 (de) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003029875A2 (de) * | 2001-09-28 | 2003-04-10 | Carl Zeiss Microelectronic Systems Gmbh | Beleuchtungsanordnung |
WO2003074983A1 (de) * | 2002-03-07 | 2003-09-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und anordnung zur verbesserung der messqualität im betrieb von elektro-optischen mischgeräten |
WO2005015142A2 (de) * | 2003-08-06 | 2005-02-17 | Testo Ag | Radiometer, visiereinrichtung für ein ir-gerät sowie verfahren |
EP1524096A2 (de) * | 2003-10-14 | 2005-04-20 | Denso Corporation | Kunststoffgegenstand und Verfahren zu seiner Herstellung |
EP1880241A2 (de) * | 2005-05-13 | 2008-01-23 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Umverteilung von einfallendem licht zur kompensation eines radialen detektorgradienten |
US20080118203A1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-05-22 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and laser irradiation method |
US7485864B2 (en) | 2003-08-06 | 2009-02-03 | Testo Ag | Radiometer, sighting device for a radiometer and method therefor |
DE102011102166A1 (de) * | 2011-05-20 | 2012-11-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zu Homogenisierung des Laserstrahlprofils bei Prozessen unter Einsatz eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers und entsprechende Vorrichtung |
CN105301782A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-02-03 | 河海大学 | 光源旋转扩束装置及扩束方法 |
WO2020120258A1 (de) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | HELLA GmbH & Co. KGaA | Verfahren zur herstellung eines optischen bauteils, optisches bauteil sowie beleuchtungsvorrichtung für ein kraftfahrzeug |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004008256B3 (de) * | 2004-02-19 | 2005-09-08 | Siemens Ag | Verfahren zum Formen eines Laserstrahls, Laserbearbeitungsverfahren |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0131487B1 (de) * | 1983-06-27 | 1987-05-06 | SCIAKY S.A. Société dite: | Verfahren und Einrichtung zum Laserstrahlpunktschweissen |
-
1996
- 1996-04-26 DE DE19616863A patent/DE19616863C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0131487B1 (de) * | 1983-06-27 | 1987-05-06 | SCIAKY S.A. Société dite: | Verfahren und Einrichtung zum Laserstrahlpunktschweissen |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
N.N.: "Rotationsspiegel für High Speed Strahlab- lenkung", Info-Schrift des Fraunhofer-Institut f. Werkstoffphysik und Schichttechnologie (IWS), Dresden, umdatiert, 2 Seiten * |
Cited By (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2003029875A2 (de) * | 2001-09-28 | 2003-04-10 | Carl Zeiss Microelectronic Systems Gmbh | Beleuchtungsanordnung |
WO2003029875A3 (de) * | 2001-09-28 | 2003-12-11 | Zeiss Carl Microelectronic Sys | Beleuchtungsanordnung |
WO2003074983A1 (de) * | 2002-03-07 | 2003-09-12 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und anordnung zur verbesserung der messqualität im betrieb von elektro-optischen mischgeräten |
US7485864B2 (en) | 2003-08-06 | 2009-02-03 | Testo Ag | Radiometer, sighting device for a radiometer and method therefor |
WO2005015142A3 (de) * | 2003-08-06 | 2005-04-21 | Testo Ag | Radiometer, visiereinrichtung für ein ir-gerät sowie verfahren |
WO2005015142A2 (de) * | 2003-08-06 | 2005-02-17 | Testo Ag | Radiometer, visiereinrichtung für ein ir-gerät sowie verfahren |
EP1524096A3 (de) * | 2003-10-14 | 2008-03-19 | Denso Corporation | Kunststoffgegenstand und Verfahren zu seiner Herstellung |
EP1524096A2 (de) * | 2003-10-14 | 2005-04-20 | Denso Corporation | Kunststoffgegenstand und Verfahren zu seiner Herstellung |
US7527760B2 (en) | 2003-10-14 | 2009-05-05 | Denso Corporation | Resin mold and method for manufacturing the same |
AU2006247825B2 (en) * | 2005-05-13 | 2010-12-09 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Incident light redistribution to compensate for radial gradient in detector |
EP1880241A2 (de) * | 2005-05-13 | 2008-01-23 | Bio-Rad Laboratories, Inc. | Umverteilung von einfallendem licht zur kompensation eines radialen detektorgradienten |
JP2008545950A (ja) * | 2005-05-13 | 2008-12-18 | バイオ−ラッド ラボラトリーズ,インコーポレイティド | 検出器中の半径方向の勾配を補うために再配分される入射光 |
EP1880241A4 (de) * | 2005-05-13 | 2010-12-08 | Bio Rad Laboratories | Umverteilung von einfallendem licht zur kompensation eines radialen detektorgradienten |
US20080118203A1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-05-22 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and laser irradiation method |
US8237085B2 (en) * | 2006-11-17 | 2012-08-07 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Beam homogenizer, laser irradiation apparatus, and laser irradiation method |
DE102011102166A1 (de) * | 2011-05-20 | 2012-11-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zu Homogenisierung des Laserstrahlprofils bei Prozessen unter Einsatz eines flüssigkeitsstrahlgeführten Lasers und entsprechende Vorrichtung |
CN105301782A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-02-03 | 河海大学 | 光源旋转扩束装置及扩束方法 |
CN105301782B (zh) * | 2015-10-22 | 2017-06-09 | 河海大学 | 光源旋转扩束装置及扩束方法 |
WO2020120258A1 (de) * | 2018-12-10 | 2020-06-18 | HELLA GmbH & Co. KGaA | Verfahren zur herstellung eines optischen bauteils, optisches bauteil sowie beleuchtungsvorrichtung für ein kraftfahrzeug |
US11845378B2 (en) | 2018-12-10 | 2023-12-19 | HELLA GmbH & Co. KGaA | Method for producing an optical component, optical component and illuminating device for a motor vehicle |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19616863C2 (de) | 1998-08-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE19549667B4 (de) | Laserstrahlbearbeitungsverfahren und Laserstrahlbearbeitungsgerät | |
DE69527858T2 (de) | Optische Einrichtung zur Werkstoffbearbeitung mittels Laser | |
DE3934587C2 (de) | Verfahren zum Herstellen von mittels Laserstrahlung erzeugter, hochpräziser Durchgangsbohrungen in Werkstücken | |
EP2150372B1 (de) | Verfahren zur materialabtragung sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens | |
DE102015104411B4 (de) | Laserstrahlfügeverfahren und Laserbearbeitungsoptik | |
EP2691206B1 (de) | Verfahren zur laserstrahlbearbeitung eines werkstücks | |
EP3256285A1 (de) | Bestrahlungseinrichtung, bearbeitungsmaschine und verfahren zum herstellen einer schicht bzw. eines teilbereichs einer schicht eines dreidimensionalen bauteils | |
EP2429755B1 (de) | Vorrichtung und verfahren zur umfangsbearbeitung eines materialstranges mittels laser | |
EP0060980A1 (de) | Vorrichtung zum Brennschneiden mittels eines Laserstrahls | |
DE10342750B4 (de) | Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen mit Laserstrahlung | |
EP2314412A2 (de) | Laserbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Fläche an einem Rohling | |
DE19616863C2 (de) | Anordnung zur Kohärenzreduktion und Strahlhomogenisierung von Laserstrahlung hoher Leistung | |
EP0748268B1 (de) | Verfahren zum vorbereiten der fügebereiche beschichteter werkstücke zum schweissen mit laserstrahlung und überlappstoss zum schweissen beschichteter werkstücke | |
DE102018220336A1 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur Strahlformung und Strahlmodulation bei einer Lasermaterialbearbeitung | |
DE102006011064B4 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen eines Werkstücks | |
EP1232829A2 (de) | Vorrichtung zum Beschriften oder Markieren von Gegenständen mittels Laserstrahl | |
EP0558135A1 (de) | Verfahren zum Erzeugen eines Musters in der Oberfläche eines Werkstücks | |
DE19860585A1 (de) | Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken aus diamanthaltigen Werkstoffen sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens | |
EP1534464A1 (de) | Verfahren zur laserbearbeitung beschichteter bleche | |
DE102018127649A1 (de) | Verfahren zum Laserschweißen mit stabilem Schmelzbad und Laserbearbeitungsvorrichtung | |
DE102015113141A1 (de) | Verfahren zur Bearbeitung einer Werkstückoberfläche und Werkstück | |
DE10203010A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Schweiß- oder Lötnaht | |
DE4209938C1 (de) | Verfahren zum Umschmelzen einer Werkstückoberfläche | |
DE102018125436A1 (de) | Verfahren zur materialabtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks | |
DE10241593A1 (de) | Verfahren zur Laserbearbeitung beschichteter Bleche |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |