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Laseroptik Die Erfindung bezieht sich auf eine Optik zur Fol;ussierung
eines kohärenten Lichtstrahls für die instrumentale Strahlanwendung eines Lasers,
insbesondere auf dem Gebiete der Materialbearbeitung.
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Bei der instrumentalen Anwendung von Laserstrahlen zum -Fräsen, Scijneiden,
Schweißen, Bohren und dgl. können praktisch nur solche Laser zum Einsatz kommen,
deren stimulierte Strahlung eine ausreichend hohe Energiedichte aufweist. Diese
Voraussetzung ist in allererster Linie beim sogenannten Festkörperlaser gegeben,
der im allgemeinen im Impulsbetrieb arbeitet. Dem Impulsbetrieb kommt deshalb eine
besondere Bedeutung zu, weil die hier erreichbaren Spitzenleistungen wesentlich
größer sind als bei kontinuierlichem Betrieb. Durch eine rasche Impulsfolge in der
Größenordnung von 50 bis 100 Hz läßt sich mit einem solchen Impulslaser auch ein
quasikontinuierlicher Betrieb herbeiführen. Die instrumentale Anwendung von Laserstrahlen
eruht aufyden thermischen Effekten, die ein solcher-Strahl auslöst, wenn er mit
hoher Energiedichte auf einen Gegenstand auftrifft. Diese Energiedichte wird im
allgemeinen noch nicht von der unmittelbar aus der Laseranordnung austretenden stimulierten
Strahlung erreicht. Man benutzt hierzu eine dem Laserausgang nachgeordnete Optik,
die den Strahl am Bearbeitungsort auf einen Brennfleck fokussiert.
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Wie die -praktische Anwendung von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung
- vgl. z.B. "Zeitschrift für angewandte-
Mathematik und Physik",
Vol.16, 1965, Seiten 138 bis 155 -zeigt, ergeben sich beim Bohren unrunde Löcher.
Auch neigen mit einem Laserstrahl durchgeführts Schweißungen zur Rißbildung. Zur
Vermeidung von unrunden Löchern beim Bohren mit einem Laserstrahl ist es, wie beispielsweise
die schweizer Auslegeschriften 13 356/67 und 13 357/67 darlegen, bekannt, Löcher
anstelle mit einem Einzelimpuls mit mehreren Impulsen zu bohren. Dabei kann einerseits
die energie der aufeinanderfolgenden Impulse verändert werden und andererseits der
Brennpunkt des Laserstrahls sowohl längs eines Kreises um die Bohrachse als auch
in Richtung der Bohrachse verstellt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der bei
der instrumentalen Laserstrahlanwendung auftretenden geschilderten Schwierigkeiten
einen weiteren Lösungsweg aufzuzeigen, der bei geringem teclmischen Aufwand praktisch
unabhängig von der speziellen Strahlanwendung beschritten werden kann.
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Ausgehend von einer Optik zur Fokussierung eines kohärenten Lichtstrahls
für die instrumentale Strahlanwendung eines Lasers, insbesondere auf dem Gebiete
der Materialbearbeitung, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
daß zur Beseitigung des bei der Strahlanwendung störenden Einflusses des sowohl
in der Amplitude als auch in der Zeit regellosen Schwingverhaltens (Spikes) des
Laserstrahls die Optik mit einer de Brennpunkt bzw. den Brennfleck des Strahls in
Strahlrichtung bewegenden obbelvorrictung ausgerüstet ist.
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Wie umfangreiche, der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen ergeben
haben, geht das sowohl in der Amplitude
als auch in der Zeit regellose
Schwingverhalten (Spikes) der Laserst alurl,e; auf den Aufheiz- und Abtragmechanismus
schr stark ein. Das regellose Schwingverhalten eines im al~leelneinen impulsförmigen
Laserstrahls, das insbesondere bei Festkörperlaseni auftritt, hat sein Ursache in
der gleichzeitigen Anregung der Strahlung in einer Vielzahl von Moden, insbesondere
transversalen Moden. Diese Vielzahl von Noden treten nach außen in der Weise in
Erscheinung, daß ein vom Laser abgegebener Impuls sich aus einer Viel zahl von zeitlich
aufeinanderfolgenden Einzelimpulsen zusammensetzt, die sich voneinander sowohl in
ihrer amplitude als auch in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge unterscheiden. Da
der Abtragmechanismus nach einem anfuni;lichen Initialprozess weitgehend von thermischen
und hydromechanischen Effekten bestimmt wird, wirken diese als Spikes bezeichneten,
in ihrer Gesamtheit den impulsförmigen Strahl darstellenden Einzelimpulse jeweils
für sich nach Richtung und Zeit verschieden.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich die einzelnen Wirkungen
eines Spikes nach Richtung und Zeit unterdrücken, weil dadurch die Energie der einzelnen
Spikes über den Auftreffort hinweg verschmiert wird.
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An sich bestünde auch die Möglichkeit, durch eine entsprechende Gestaltung
des Laserresonators dafür zu sorgen, daß die die Spikes verursachenden transversalen
Moden höherer Ordnung weitgehend unterdrückt werden. Der artige Maßnahmen bedingen
jedoch im allgemeinen erhebliche Verluste der vom Laser an sich lieferbaren Strahlenergie,
was mit Rücksicht auf die bei Bearbeitungsvorgängen erforderliche hohe Strahlleistung
im allgemeinen vermieden werden muß.
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Wie einschlägige Untersuchungen gezeigt haben, beträgt der Divergenzwinkel
der einen Spike darstellenden Strahlung etwa eine Winkelminute. Es handelt sich
dabei um praktisch beugungsbegrenzte Strahlung, die nur transversale Moden nullter
Ordnung aufweist. Der von einem solchen Strahlanteil über die Fokussierungsoptik
erreichbare Brennfleck minimalen Durchmessers d ist hierbei durch die Beziehung
d >- f 1 gegeben, worin der Divergenzwinkel und f die Brennweite der Fokussierungsptik
ist. Der Divergenzwinkel α von einer Winkelminute hat im Bogenmaß den Wert
0,00029.
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Auf empirischem Weg wurde gefunden, daß die minimale Abienkgeschwindigkeit
des Brennflecks, in Strahlrichtung, im Sinne der gewünschten Verschmierung der Spikes
über den Auftreffort, wenigstens so. groß sein muß, daß während der Dauer eines
Spikes die Strecke d durchwandert wird Mit anderen Worten ist die Wobbelvorrichtung
für eine mittlere Geschwindigkeit v der Brennpunkt- bzw. Brennfleckbewegung des
Laserstrahls zu bemessen, die der Ungleicilung cc v = to L II genügt. Hierin bedeutet
to die mittlere Spikedauer, die in der Größenordnung von 10 6 sec. liegt. Mit dem
oben angegebenen Divergenzwinkel X ergibt sich damit für die Geschwindigkeit v
Die Gleichung III zeigt, daß die Geschwindigkeit v der Brennweite
f der Bearbeitungsoptik proportional ist. Je kleiner die Brennweite f bzw. je größer
der Kehrwert der Brennweite i/f, die Brechkraft, der Materialoptik gewählt wird,
desto geringer wird die erforderliche Minimal-Ablenkgeschwindigkeit.
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Bei dieser Sachjage ist es zweckmäßig, als Optik ein zwei- oder mehrlinsiges
System mit sehr großem Aperturwinkel vorzusehen. Große Aperturwinkel bedingen Linsen
relativ großer Dicke, was wiederum zu größeren Linsenfetilern Anlaß gibt. Um diesen
Schwierigkeiten aus dem eg zu gehen, ist es sinnvoll, als Objektivlinse der Optik,
die den groben Aperturwinkel bestimmt, ein als Iesnelzonenlinse ausgestaltete Sammellinse
vorzusehen.
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Die st.-irischen Aberrationen derartiger Linsen lassen sich gut korrigieren.
Auch sind ihre Fokussierungseigenschaften gut, sofern nur die Stufenbreite der Ringzonen
ausreichend klein gewählt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Optik zwei Linsen
auf, von denen die erste Linse in Strahldurchgangsrichtung eine Zerstreuungslinse
und die ihr nachfolgende zweite Linse eine Sammellinse ist.
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Die Wobbelvorrichtung selbst kann. eine mechanische, elektrostriktive
oder piezoelektrische Schwingeinrichtung sein, die die Optik bzw. Teile hiervon
in Richtung der optischen Achse im Rhythmus der Schwingfrequenz der Schwingeinrichtung
bewegt.
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Bei einer; aus zwei Linsen bestehenden Optik der oben angegebener
bevorzugten Art ist es sinnvoll, lediglich
die Zerstreuungslinse
mit der Schwingeinrichtung mechanisch fest zu verbinden. Diese Linse hat von beiden
Linsen das geringere Gewicht und ist somit leichter zu bewegen als die für einen
großen Aperturwinkel ausgelegte Sammellinse.
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Bei Verwendung einer E'resnelzonenlinse treten durch die Störflanken
gewisse Strahlverluste auf. Sie können weitgehend dadurch vermieden werden, daß
die Störflanken der Fresnelzonenlinse als polierte brechende Flächen ausgebildet
werden. Hierbei ist dann auf der Strahlausgangsseite der Optik ein die von den Störflanken
herrührenden Strahlanteile im Brennpunkt des Systems fokussierender Spiegel geeigneter
Formgebung vorzusehen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung
ist die Wobbelvorrichtung ein im Strahlengang der Optik angeordnetes, in seinem
Brechungsindex gesteuertes transparentes Medium.
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Zweckmäßig besteht dieses in seinem Brechungsindex steuerbare transparente
Medium aus einer in eine Küvette eingebrachten Flüssigkeit. In diesem Zusammenhang
ist es zweckmäßig, daß wenigstens eines der beiden transparenten Fenster der Küvette
von einer Linse der Optik gebildet ist.
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An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel
nach der Erfindung, Fig. 3 eine Variante der Ausführungsbeispiele nach den Fig.
1 und 2.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht die Optik aus einer Zerstreuungslinse
L1 und einer, eine Fresnelzonenlinse darstellenden Sammellinse L2. Beide Linsen
sind in der optischen Achse hintereinander angeordnet uld haben voneinander den
Abstand e. Das von links ankommende parallele Licht des Laserstrahls St divergiert
hinter der Zerstreuungslinse L1- in Richtung auf die Sammellinse L2 und wird nach
Durchgang durch die Sammellinse im Punkt P fokussiert. Die Zerstreuungslinse L1
ist mechanisch fest mit einer nicht näher dargestellten Schwingeinrichtung verbunden
und wird entsprechend den angegebenen Pfeilen Pf in der optischen Achse im Rh',tlitnus
der Schwingfrequenz der Schwingeinrichtung hin- und herbewegt. Diese Hin- und Herbewegung
wirkt sich, optisch gesehen, in einer Variation der Brechkraft der aus den beiden
Linsen bestehenden Optik aus.
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Wird der Kehrwert der Brennweite der Zerstreuungslinse mit y 1 und
der Kehrwert der Brennweite der Sammellinse L2 mit Y2 bezeichnet, dann ergibt sich
für die Brechkraft # der Optik die Beziehung pl 1 + 2 - e Y 1 Y2 IV Wie die Gleichung
IV erkennen läßt, ändert sich also die Brechkraft der Optik, wenn der Abstand e
zwischen den beiden Linsen zu- oder abnimmt. Hinsichtlich des Brennpunktes P bedeutet
eine Variation der Brechkraft # dessen Hin- und Herbewegung längs der optischen
Achse im Sinne der Unterdrückung der den Bearbeitungsvorgang störenden Einzelwirkungen
der Spikes.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß hier die Störflanken fl der Fresnelzonenlinse
L2' als polierte Flächen ausgestaltet sind und, optisch gesehen, Strahldivergenzeigenschaften
haben. Um diesen Sachverhalt in Fig. 2 zu verdeutlichen, ist ein schmaler Ausschnitt
St' des Laserstrahls angegeben, der über eine solche Störflanke in die Sammellinse
L2' eintritt und ausgangsseitig durch Reflexion an einem konkav gekrümmten ringförmigen
Spiegel Sp gegen den Brennpunkt P reflektiert wird. Die Formgebung des Spiegels
Sp ist über ihren Querschnitt so festgelegt, daß alle über die Störflanken fl durch
die Sammellinse L2' hindurchtretende Strahlung in gewünschter Weise im Brennpunkt
P fokussiert wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß die an sich durch die Störflanken
verursachten Strahlverluste weitgehend vermieden werden.
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Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 ist davon ausgegangen,
daß die Brechkraftvariation der Optik durch eine periodische Hin- und Herbewegung
der Zerstreuungslinse L1 mit Hilfe einer Schwingeinrichtung vorgenommen ist. Die
Breclikraftvariation kann auch, wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt, auf
andere Weise vorgenommen werden, und zwar durch ein in seinem Brechungsindex steuerbares
transparentes Medium. In diesem Falle ist dann der gegenseitige Abstand der beiden
Linsen fest vorgegeben.
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Nach Fig. 3 ist die Zerstreuungslinse L12, die zusammen mit der Sammellinse
L2 bzw. L2' nach den Fig. 1 und 2
die erfindungsgemäße Optik abgibt,
Teil einer das transparente Medium M enthaltenden Küvette K. Die Zerstreuungslinse
l1' bildet dabei das linke transparente Fenster dieser Küvette auf seiten des als
paralleles Licht ankommenden Laserstrahls St. Das zweite transparente Fenster auf
der gegenüberliegenden Seite bildet eine planparallele, vorzugsweise vergütete Glasplatte
Pl. Die Oberseite der Küvette wird von einem piezoelektrischen Schwinger Sw gebildet,
der mit seiner Unterseite an der Zerstreuungslinse L1' befestigt ist und an der
Oberseite eine Abdeckplatte Ap aufweist. Die Abdeckplatte Ap er-: streckt sich über
die gesamte Tiefe der Küvette und ist mit der Glasplatte Pl elastisch verbunden.
Uber die elektrischen Anschlüsse a wird dem piezoelektrischen Schwinger Sw eine
Wechselspannung zugeführt und die hierdurch ausgelöste mechanische Schwingung über
die Abdeckplatte Ap auf das transparente flüssige Medium M in der Küvette K übertragen.
Die dabei im Medium M entstehenden periodischen Druckänderungen bedingen eine periodische
Änderung seines Brechungsindexes und damit eine Änderung des Divergenzwinkels des
Laserstrahls auf der Ausgangsseite der Küvette. Der Strahlhub des Divergenzwinkels
ist durch unterbrochene Linien angedeutet.
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Anstelle der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform kann auch die
Küvette mit dem in seinem Brechungsindex steuerbaren Meidum getrennt von den Linsen
der Optik zwischen zwei aufeinanderfolgenden Linsen angeordnet sein. Auch besteht
die Möglichkeit, die Optik in ihrer Gesamtheit als Küvette auszubilden, bei der
das eine transparente Fenster von der einen Linse und das andere transparents Fenster
von der anderen Linse gebildet
wird. Die Variation der Brechkraft
kann auch in der Weise vorgenommen sein, daß sich im Raum des Mediums unter der
Einwirkung von Druck- nder Schallwellen stehende Wellen ausbilden, die für die durchgehende
Strahlung ein frequenzabhängiges Beugungsgitter darstellen.
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10 Patentansprüche 3 Figuren