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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufspaltung und Modulation
von Laserstrahlung, bei der an einem Ausgang einer Laserstrahlenquelle
ein Verzweiger in Form eines Strahlteilers angeordnet ist, wobei
die Ausgänge
des Verzweigers in einen Modulator münden, der die Laserstrahlung
je nach Schaltungszustand von Steuersignalen auf einen jeweils ersten
oder zweiten Ausgang des Modulators führt, und wobei die eine Art
der Ausgänge
des Modulators auf eine Bearbeitungsfläche und die andere Art der
Ausgänge
des Modulators Strahlung einem außerhalb des Modulators gelegenen
Sumpf zur Unschädlichmachung
zuführen.
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Dabei
handelt es sich insbesondere um einen Mehrkanalmodulator für Laser,
vorzugsweise hoher Leistung, bspw. zur Materialbearbeitung oder
zur Druckformherstellung, wobei der Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen
aufgespalten wird und die Teilstrahlen moduliert werden.
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Bei
der Materialbearbeitung mit Lasern wird mindestens ein in einer
Modulationsvorrichtung modulierter Laserstrahl hoher Strahlungsleistung über eine
Bearbeitungsfläche
geführt,
und der in einem Bearbeitungsfleck gebündelte Laserstrahl erzeugt dabei
Materialveränderungen
auf der Bearbeitungsfläche.
Um einen Bearbeitungsvorgang zu beschleunigen, wird gleichzeitig
mit mehreren Bearbeitungsflecken, d.h. mit mehreren modulierten
Laserstrahlen, gearbeitet. Bei der Druckformherstellung wird die mittels
eines modulierten Laserstrahls zu druckende Information auf einer
Druckform, bspw. auf der Oberfläche
eines Druckzylinders oder einer Offsetdruckplatte, aufgezeichnet.
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In
der US-A-4 686 542 ist eine derartige Modulationsvorrichtung offenbart.
Die dortige Modulationsvorrichtung umfaßt einen Strahlteiler, um zur
Erhöhung
der Arbeitsgeschwindigkeit eines Scanners die Anzahl verwendbarer
Laserstrahlen zu vergrößern, indem
ein Laserstrahl in eine gewünschte
Anzahl von Teilstrahlen zerlegt wird.
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Aus
der US-A-5 418 871 ist ebenfalls bereits eine Modulationsvorrichtung
bekannt, in der ein Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgespalten
und die Teilstrahlen selektiv moduliert werden. Eine solche Modulationsvorrichtung
besteht dort aus optischen Wellenleitern, die nach Verfahren der
sogenannten Integrierten Optik hergestellt sind. Die bekannte Modulationsvorrichtung
hat den Vorteil, daß eine
große
Anzahl von getrennt modulierbaren Laserstrahlen zur Verfügung steht,
welche bei der Materialbearbeitung die Erzeugung sehr feiner Strukturen
auf einer Bearbeitungsfläche
ermöglichen.
Die bekannte Modulationsvorrichtung hat aber den Nachteil, daß mit den
optischen Wellenleitern nur Laserstrahlen mit geringer Strahlungsleistung
moduliert werden können
und daß nicht
auf die Bearbeitungsfläche
gerichtete Laserstrahlung innerhalb der Modulationsvorrichtung absorbiert
wird, wodurch bei höheren
Strahlungsleistungen thermische Probleme entstehen können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Modulation
von Laserstrahlen, insbesondere für die Materialbearbeitung, derart
zu verbessern, daß eine
große
Anzahl von getrennt modulierbaren Laserstrahlen hoher Strahlungsleistung
ohne thermische Probleme für
die Vorrichtung erzeugt wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Modulation erfolgt derart, daß bei
jeweils zwei Teilstrahlen an jedem Teilstrahl ein Modulator angeordnet
ist, der jeweils von einem elektrischen Steuersignal geschaltet
wird. Die Schaltung der Modulatoren erfolgt so, daß in dem
Fall, daß ein
Modulator eingeschaltet ist, der andere Modulator ausgeschaltet
ist oder, wenn der ausgeschaltete Modulator eingeschaltet wird,
der andere ausgeschaltet wird. Es soll aber immer einer der beiden
Modulatoren eingeschaltet sein. Die aus dem ersten Modulator austretende
Strahlung wird erfindungsgemäß auf eine Bearbeitungsfläche gerichtet,
während
die Strahlung aus dem zweiten Modulator in einen Sumpf zur Aufnahme
und Unschädlichmachung
der nicht auf der Bearbeitungsfläche
erwünschten
Strahlung geleitet wird. Durch Verzweigung können aus einem Laserstrahl
beliebig viele Teilstrahlen gewonnen werden, indem bspw. an einer
Faser sogenannte Faserschmelzkoppler, wie sie im Gesamtkatalog G3,
Bestellnr. 650020 der Fa. Spindler und Hoyer, Göttingen, angeboten werden,
angebracht sind, die als Verzweiger ausgebildet sind und bspw. einen
Eingang und zwei Ausgänge
haben. Es ist auch möglich,
mittels Verfahren der Integrierten Optik optische Wellenleiter auf
ein Substrat aufzubringen und die Wellenleiter so anzuordnen, daß ebenfalls
eine Aufspaltung mittels Wellenleiter in jeweils zwei Teilstrahlen
erfolgt. Solche Wellenleiter sind in dem Buch "Optoelectronics: An Introduction, Prentice-Hall,
ISBN 0-13-638353 X (PBK) auf den Seiten 412 ff beschrieben. Ebenfalls
kann man mit den Verfahren der Integrierten Optik sehr schnelle
optische Ventile, also optische Modulatoren, herstellen, die mittels
elektrischer Signale mit vorteilhaft niedriger Spannung, erfindungsgemäß aus integrierten
Schaltkreisen, gesteuert werden können. Es ist bekannt, daß man Laserstrahlung
bspw. aus Fasern in solche Wellenleiter einkoppeln und Strahlung
aus solchen Wellenleitern in Fasern einkoppeln kann. Es ist also
möglich,
mit Methoden der Integrierten Optik eine Aufspaltung eines Eingangs
in mehrere Ausgänge
zu realisieren, also bspw. eine Baumstruktur mit jeweils einem Eingang
und zwei zugehörigen
Ausgängen
aufzubauen, oder für
mehrere Eingänge
mehrere solcher Verzweigungen oder Bäume, wobei die Ausgänge mit
sehr präzisen
Abständen
auf dem Substrat angeordnet werden können. Zwar kann man mit Integrierter
Optik sehr gut eine große
Anzahl von Teilstrahlen sehr hoher Strahlqualität und die zugehörigen Modulatoren realisieren,
aber die Wellenleiter können
nicht mit beliebig hoher Strahlungsleistung beaufschlagt werden. Deshalb
wird erfindungsgemäß die Laserstrahlung zunächst vorzugsweise über die
erwähnten
Faserschmelzkoppler oder andere Methoden verzweigt, indem bspw.
eine Baumstruktur aus n Ebenen mit Zweifach-Verzweigungen gewählt wird
und bspw. aus Fasern eine Anordnung mit 2n Ausgängen aufgebaut
wird, an denen die Strahlungsleistung je Ausgang durch die Teilung
soweit reduziert worden ist, daß die
Wellenleiter eines Bauteils, das mit den Methoden der Integrierten
Optik aufgebaut ist, nicht übersteuert
werden. Werden bspw. n = 4 Ebenen mit Faserschmelzkopplern eingesetzt,
ist die Strahlungsleistung an den 16 Ausgängen auf 1/16 des in den einen
Fasereingang eingespeisten Wertes gesunken. Diese Ausgänge werden
an das mittels der Methoden der Integrierten Optik aufgebaute Bauteil
angeschlossen, das bspw. m Ebenen mit Zweifach-Verzweigungen enthält, so daß 2n+m Ausgänge
entstehen, wobei die Ausgänge
mit den optischen Ventilen bzw. Modulatoren versehen sind. Wenn
bspw. m = 5 Ebenen mit Zweifach-Verzweigern in den Wellenleitern
bestehen, kommt man auf 512 Ausgänge,
von denen 256 auf die Bearbeitungsfläche gerichtet sind. Durch besondere
Maßnahmen
wird dafür
gesorgt, daß die
Strahlungsleistung aller 256 Ausgänge hinreichend gleich ist.
Die anderen 256 Ausgänge
werden vorzugsweise in den Sumpf geleitet. Dabei können die
Wellenleiter erfindungsgemäß so angeordnet werden,
daß sie
die Strahlung stufenweise in eine geringere Zahl von Wellenleitern
vereinigen, bis der Übergang
auf eine Faseranordnung erfolgt, die über weitere solcher Vereiniger
die gesamte Strahlung wieder in eine einzige Faser führen kann.
Dies ist vorteilhaft, da sich die Strahlung besonders bei hohen Leistungen
mittels einer Faser besser vom Bearbeitungsort wegbringen läßt. Diese
Anordnung kann erfindungsgemäß auch zur
gezielten Modulation der Strahlungsleistung, die in den Sumpf geleitet
wird, verwendet werden, wobei die große Anzahl von Modulatoren eine
hoch aufgelöste,
digital quantisierte Amplitudenmodulation der Strahlung ermöglicht.
Damit ist erfindungsgemäß eine präzise Amplitudenmodulation
sehr hoher Strahlungsleistung bei sehr hoher Bandbreite möglich. In diesem
Fall würde
bspw. der Ort der Bearbeitungsfläche
mit dem Ort des Sumpfes vertauscht.
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Die 1 ist
eine Prinzipdarstellung der beschriebenen Anordnung.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung.
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1 verdeutlicht
den Aufbau einer Modulationsvorrichtung in schematischer Form. In
einem Bereich A erfolgt eine Verzweigung von einem in einer Laserstrahlungsquelle 1 erzeugten
Laserstrahls 2 in Teilstrahlen 5 mittels in Ebenen
fächerartig
angeordneter Strahlverzweiger 4. Hierbei erfolgt die Verzweigung
bspw. mittels Faseroptik. In einem Bereich B werden die Teilstrahlen 5 mittels
in Ebenen fächerartig
angeordneter Strahlverzweiger 7 in weitere Teilstrahlen 5' aufgespalten.
Hierbei erfolgt die Verzweigung mittels Integrierter Optik. In einem
Bereich C erfolgt ein wechselweises Durchschalten der Teilstrahlen 5' als Ausgangsstrahlen 8, 8' mittels optischer Modulatoren 9, 9'. Die genutzten
Ausgangsstrahlen 8 werden auf eine Bearbeitungsfläche 11 geleitet,
auf der sie Bearbeitungspunkte 12 erzeugen. In einem Bereich
D werden die nicht genutzten Ausgangsstrahlen 8' in mehrstufigen
Strahlvereinigern 14 zu einem Strahl vereinigt, der in
einen Strahlungssumpf 13 geleitet wird. Die Vereinigung
kann dabei erst mit Integrierter Optik und anschließend bspw.
mit Faseroptik erfolgen.
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In
einer Laserstrahlungsquelle 1 wird ein Laserstrahl 2 erzeugt
und in den Eingang einer Strahlverzweigeranordnung 3 eingekoppelt.
Der Laserstrahl 2 wird in der Laserstrahlungsquelle 1 erzeugt. In
diesem Fall wird der Ausgang des Lasers direkt an den Eingang der
Strahlverzweigeranordnung 3 gekoppelt.
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Die
Strahlverzweigeranordnung 3 besteht aus einer Vielzahl
von miteinander optisch verbundenen Strahlverzweigern 4,
bspw. in Form von Zweifachstrahlverzweigern mit jeweils einem Eingang
und zwei Ausgängen.
In der Strahlverzweigeranordnung 3 wird der Laserstrahl 2 in
eine Vielzahl von Teilstrahlen 5 aufgeteilt, bspw. in einem
Zweifachstrahlverzweiger 4 in zwei Teilstrahlen 5.
Durch die Aufspaltung des Laserstrahls 2 in eine Vielzahl
von Teilstrahlen 5 wird die Strahlungsleistung des Laserstrahls 2 in
vorteilhafter Weise derart reduziert, daß nachfolgende Bauteile nicht übersteuert
werden. Die Strahlverzweiger 4 der Strahlverzweigeranordnung 3 sind z.B.
als Faserverzweiger aufgebaut (s. Abschnitt A).
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Wie
in 1, Abschnitt A, näher dargestellt, sind die Zweifachstrahlverzweiger 4 in
einer Baumstruktur in "m" Ebenen übereinander
geschichtet angeordnet, so daß die
Strahlverzweigeranordnung 3 in diesem Fall 2m Ausgänge aufweist.
Sind die Zweifachstrahlverzweiger 4 bspw. in m = 4 Ebenen
angeordnet, sinkt die Strahlungsleistung der 24 =
16 Teilstrahlen 5 an den Ausgängen der Strahlverzweigeranordnung 3 auf
jeweils 1/16 der Strahlungsleistung des eintretenden Laserstrahls 2.
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Die
in der Strahlverzweigeranordnung 3 erzeugten Teilstrahlen 5 werden
einer entsprechenden Anzahl von Eingängen von Verzweigern 7 mit
Integrierter Optik (s. Abschnitt B) hier in Form von Zweifachstrahlverzweigern
aufgegeben.
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Der
Ausgang eines Endverzweigers des Strahlverzweigers 7 ist
jeweils mit den Modulationseingängen
beider optischen Modulatoren 9, 9' eines Modulatorpaares verbunden, so
daß jeder
Teilstrahl 5' eines
Endverzweigers beiden Modulatoren 9, 9' eines Modulatorpaares
zugeführt
wird. Die Modulationsausgänge
der beiden optischen Modulatoren 9, 9' eines Modulatorpaares
bilden jeweils zwei Ausgänge 10, 10'.
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Wie
in 1 angedeutet, sind die Strahlverzweiger 7 ebenfalls
in einer Baumstruktur in "n" Reihen und gegebenenfalls
in mehreren Ebenen bspw. übereinander
geschichtet angeordnet, so daß insgesamt
2m+n Teilstrahlen 5' entstehen.
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Die
beiden optischen Modulatoren 9, 9' eines jeden Modulatorpaares sind
durch Steuersignale S wechselseitig ein- und ausschaltbar. Dadurch
wird erfindungsgemäß jeder
in dem Strahlverzweiger 7 erzeugte Teilstrahl 5' in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Schaltzustand der optischen Modulatoren 9, 9' eines Modulatorpaares
entweder über
den einen optischen Modulator 9 oder 9' des Modulatorpaares durchgeschaltet
und als Ausgangsstrahl 8 genutzt oder über den anderen optischen Modulator 9' oder 9 des
Modulatorpaares durchgeschaltet und als nicht genutzter Ausgangsstrahl 8' unschädlich gemacht.
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Das
Ein- und Ausschalten der optischen Modulatoren 9, 9' eines Modulatorpaares
in Abhängigkeit
von den Steuersignalen S geschieht bspw. folgendermaßen:
- a) Optischer Modulator 9 eingeschaltet
und optischer Modulator 9' ausgeschaltet.
Der Teilstrahl 5' wird über den
optischen Modulator 9 durchgeschaltet. Der durchgeschaltete
Teilstrahl 5' wird als
genutzter Ausgangsstrahl 8 über den Modulationsausgang 10 auf
eine Bearbeitungsfläche 10 zur
Materialbearbeitung geführt.
- b) Optischer Modulator 9 ausgeschaltet und optischer
Modulator 9' eingeschaltet.
Der Teilstrahl 5' wird über den
optischen Modulator 9' durchgeschaltet.
Der durchgeschaltete Teilstrahl 5' wird als nicht genutzter Ausgangsstrahl 8' über den Modulationsausgang 10' in einen Strahlungssumpf 13 geführt und
dort unschädlich
gemacht.
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Sind
die Strahlverzweiger 7 bspw. in n = 4 Reihen angeordnet,
ergeben sich mit den 2m+n = 24+4 =
256 Teilstrahlen 5' je
nach Schaltzustand entweder 256 genutzte Ausgangsstrahlen 8 an
den Modulationsausgängen 10 oder
256 nicht genutzte Ausgangsstrahlen 8' an den Modulationsausgängen 10'.
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In
dem genannten Beispiel sind 512 paarweise angeordnete optische Modulatoren 9, 9' mit 512 Modulationsausgängen 10, 10' vorhanden.
Es geben aber nur jeweils 256 Modulationsausgänge Strahlungsleistung ab,
und zwar je nach Schaltzustand der optischen Modulatoren 9, 9' entweder als
genutzte Ausgangsstrahlen 8 oder als nicht genutzte Ausgangsstrahlen 8'. Damit beträgt die Strahlungsleistung
eines Ausgangsstrahles 8 oder 8' in jedem der 256 Modulationsausgängen 10 oder 10' 1/256 der Strahlungsleistung
des Laserstrahles 2.