DE2012718C3 - Laseroptik - Google Patents

Description

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genügt, wobei to die mittlere Spikedauer. \ der Divergenzwinkel eines Spikes und / die Brennweite der Optik bedeuten.

3. Optik 'lach Anspruch I oder 2. gekennzeichnet durch ein zwei- oder mehrlinsiges System mit sehr großem Aperturwinkel.

4. Optik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektliuse, die den großen Aperturwinkel bestimmt, eine als Fresnelzonenlinse ausgestaltete Sammellinse (L2, LI) mit vorzugsweise kleiner Stufenbreite der Ringzonen ist.

5. Optik nach Anspruch 3 oder 4, mit zwei Linsen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse in Strahldurchgangsrichtung eine Zerstreuungslinse (Ll. IA') und die ihr nachfolgende zweite Linse eine Sammellinse (L2, LT) ist.

6. Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wobbelvorrichtung eine mechanische, elektrostiklive oder piezoelektrische Schwingeinrichtung ist, die die Optik bzw. Teile hiervon in Richtung der optischen Achse im Rhythmus der Schwingfrequenz, der Schwingeinrichtung bewegt.

7 Optik nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die Zerstreuungslinse (Ll) mit der Schwingeinrichtimg mechanisch fest verbunden ist.

8. Optik nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Störflanken (/I) der Fresnelzonenlinse (L2') als polierte brechende Flächen ausgebildet sind und daß auf der Strahlausgangsscite der Optik ein die von den Störflanken herrührenden Strahlanteile im Brennpunkt des Systems fokussierender Spiegel (Sp) geeigneter Formgebung vorgesehen ist.

9. Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wobbelvorrichtung ein im Strahlengang der Optik angeordnetes, in seinem Brechungsindex gesteuertes transparentes Medium (M) ist.

10. Optik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das in seinem Brechungsindex steuerbare transparente Medium (M) eine in eine Küvette (K) eingebrachte Flüssigkeit ist und daß wenigstens eines der beiden transparenten Fenster der Küvette von einer Linse [1.V) der Optik gebildet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Optik zur Fokussierunc eines kohärenten Lichtstrahls für du

ίο instrumentale Strahlanwendung eines Lasers, insbesondere auf dem Gcnieic der MaterialbearbeiUing.

Bei der instrumentalen Anwendung von Laserstrahlen zum Fräsen, Schneiden, Schweißen, Bohren u. dsl. können praktisch nur solche Laser zum Einsat/

kommen, deren stimulierte Strahlung eine ausreichen: hohe Energiedichte aufweist. Diese Voraussetzung i-■ in allererster Linie beim sogenannten Festkörperlaser gegeben, der im allgemeinen im Impulsbetrieb arbeite! Dem Impulsbetrieb kommt deshalb eine besonder-

jo 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 H,: läßt sich mit einem solchen Impulslascr auch ein quasikontinuierliche!

Betrieb herbeiführen. Die instrumentale Anwendung von Laserstrahlen beruht auf den thermischen E-ffe,. ten. die ein solcher Strahl auslöst, wenn er mit hoher Energiedichte auf einen Gegenstand auftrifft. Diese Energiedichte wird im allgemeinen noch nicht von de·

unmittelbar aus der Laseranordnung austretenden stimulierten Strahlung erreicht. Man benutzt hier/u eine dem Laserausgang nachgeordnete Optik, die den Strahl am Bearbeitungsort auf einen Brennfleck fokussiert.

Wie die praktische Anwendung von Laserstrahlen zur Materialbearbeitimg vgl. z. B. »Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik«, Vol. 16, 1965. S. 138 bis 155 ■-- zeigt, ergeben sich beim Bohren unrunde Löcher. Auch neigen mit einem Laserstrahl durchgeführte Schweißungen zur Rißbildung. Zur Vermeidung von unrunden Löchern beim Bohren mit einem Laserstrahl ist es. wie beispielsweise die schweizerischen Auslegeschriften 13 356/67 und 13 357/67 darlegen, bekannt, Löcher an Stelle 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der bei der instrumentalen Laserstrahlanwendung auftretenden geschilderten Schwierigkeiten einen weiteren Lösungsweg aufzuzeigen, der bei geringem technischem Aufwand praktisch unabhängig von der speziellen Strahlanwendung beschritten werden kann.

Ausgehend von einer Optik zur Fokussierung eines kohärenten Lichtstrahls für die instrumentale Strahlanwendung eines Lasers, insbesondere auf dem GebieU: der Materialbcarbeitung, 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 den Brennpunkt bzw. den Brennfleck des Strahls in Strahlrichlung bewegenden Wobbelvorrichtung ausgerüstet ist.

Wie umfangreiche, der Erlindung zugrunde liegende Unterteilungen ergehen haben, geht das sowohl in der Amplitude als auch in der Zeit regellose Schwingverhalten (Spikes) der Laserstrahlung auf den Aufhciz- und Abtragmechanismus sehr stark ein. Das regellose Schw ingverhalten eines im allgemeinen impulsförmigen Laserstrahls, das insbesondere bei Festkörperlasern auftritt, hat seine Ursache in der gleichzeitigen Anregung der Strahlung in einer Vielzahl \on Moden, insbesondere transversalen Moden. Diese Vielzahl von Moden treten nach außen in der Weise in Erscheinung, daß ein vom Laser angegebener Impuls sich aus einer Vielzahl von zeitlich aufeinar.derfolaenclen Einzelimpulscn zusammensetzt, die sich voneinander sowohl in ihrer Amplitude als auch in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge unterscheiden. Da der Abtragmechanisiiiih nach einem anfänglichen Inuialpro/eß weitgehend Min thermischen und hydromechanischen Effekten bestimmt wird, wirken diese aU Spikes bezeichneten, in ihrer Gesamtheit den impulsförmigen Strahl darstellenden Fm/elimpulse jeweils für sich nach Richtung und Zeit verschieden.

Durch die erlindungsgemäi.len Maßnahmen lassen Mch die einzelnen Wirkungen eines Spikes nach Richtung und Zeil unterdrücken, weil dadurch die Energie der einzelnen Spikes über den Auflreffort hinweg \erschmiert wird. 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. Derartice Maßnahmen bedingen jedoch im allgemeinen erhebliche Verluste der vom Laser an sich lieferbaren Strahlenergie, was mit Rücksicht auf die hei Bearbeiumgsvorgängen erforderliche hohe Strahllcistung im allgemeinen vermieden werden muß.

Wie einschlägige Untersuchungen gezeigt haben, beträgt der Divergenzwinkel der einen Spike darstellenden Strahlung etwa eine Winkclminuie. Es handelt sich dabei um praktisch beugungsbegrcnzte Strahlung, die nur transversale Moden nullter Ordnung aufweist. Der von ein°m solchen Strahianteil über die Eokussierungsoptik erreichbare Bremifleck minimalen Durchmessers d ist hierbei durch die Beziehung

gegeben, worin \ der Divergenzwinkel und /die Brennweite der Fokussierungsoptik ist. Der Divergenzwinkel χ von einer Winkelminute hat im Bogenmaß den Wert 0,00029. Auf empirischem Weg wurde gefunden, dall die minimale Ablenkgeschwindigkeit des Brennllecks. in Sirahirichume, im Sinne der gewünschten Verschmierung der Spikes über den Auftreffort, wenigstens m> groß sein muß, daß während der Dauer eines Spikes die Strecke el durchwandert wird. Mit anderen Worten ist die Wobbelvorrichtung für eine mittlere Geschwindigkeit ν der Brennpunkt- bzw. Brennfleckbewegung des Laserstrahls zu bemessen, die der Ungleichung

ίο

genügt. Hierin bedeutet to die mittlere Spikedauer, die in der Größenordnung von 10 ^r< see liegt. Mit dem oben angegebenen Divcrgenzwi:ikel \ ergibt sich damit für die Geschwindigkeit r

O.OOO29
10 Msec!

■ / [mm] 290· /"

mm

see

Die Gleichung IM zeigt, daß die Geschwindigkeit ι der Brennweite/ der Bearbeitungsoptik proportional ist. Je kleiner die Brennweite/ bzw. je größer der ίο Kehrwert der Brennweite 1 /. die Brechkrafl, der Materialoptik gewühlt wird, desto geringer wird die erforderliche Minimal-Ablenkgeschwindigkeit.

Bei dieser Sachlage ist es zweckmäßig, als Optik ein zwei- oder mehrliiisiges System mit sehr großem Aperturwinkel vorzusehen. Große Apcruirwinkel bedingen Linsen relativ großer Dicke, was wiederum zu größeren Linsenfehlern AnIaIi gibt. Um diesen Schwierigkeiten aus (tem Wo· ίι gehen, ist es sinnvoll, als Ohjektivlinse der Optik, ire den großen Aperuirwinkel bestimmt, ein als Fresiielzonenlmse ausgestaltete Sammellinse vorzusehen. Die sphärischen Aberrationen derartiger Linsen lassen siv_h gut korrigieren. Auch sind ihre Fokussierungscigensehaften gut. sofern nur die Stufenbreite der Ringzonen ausreichend klein gewählt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform v\eist die

Optik zwei Linsen auf, von d^nen die erste Linse in Strahldurcligangsrichtung eine Zerstreuungslinse und

die ihr nachfolgende zweite Linse eine Sammellinse ist.

Die Wobbelvorrichtung selbst kann eine mechanische, eleklrostriktive oder piezoelektrische Sehwingcinrichumg sein, die die Optik bzw. Teile hiervon in Richtung der optischen Achse im Rhythmus der Schwingfrequenz der Schwmgeinrichtung bewegt.

Bei einer aus zwei Linsen bestehenden Optik der oben angegebenen bevorzugten Art ist es sinnvoll, lediglich die Zerstreuungslinse mit der Schvvingeinrichtung 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.

Bei Verwendung einer Fresnelzonenlinse treten durch die Slörflanken 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 Strahlanteiie im Brennpunkt des- Systems fokussierender Spiegel geeigneter Formgebung vorzusehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist die Wobbelvorrichtung ein im Strahlengang der Optik angeordnetes, in seinem Brechung;^:ndex gesteuertes transparentes Medium.

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.

An Hund von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. I ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, F i g. 2 ein weiteres AusFühriingsheispiel nach der Erfindung,

F i g. 3 eine Variante der Ausführungsbeispicle nach den F i g. 1 und 2.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 besteht die Optik aus einer Zerstreuungslinse Ll und einer, eine Fresnelzonenlinse darstellenden Sammellinse Ll. Beide Linsen sind in der optischen Achse hintereinander angeordnet und haben voneinander den Abstand e. Das von links ankommende parallele Licht des Laserstrahls St divergiert hinter der Zerstreuungslinse Ll in Richtung auf die Sammellinse Ll und wird nach Durchgang durch die Sammellinse im Punkt P fokussiert. Die Zerstreuungslinse Ll ist mechanisch fest mit einer nicht näher dargestellten Schwingeinrichtung verbunden und wird entsprechend den angegebenen Pfeilen Pf in der optischen Achse im Rhythmus 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. Wird der Kehrwert der Brennweite der Zerstreuungslinse mit ψ\ und der Kehrwert der Brennweite der Sammellinse Ll mit ψΐ bezeichnet, dann ergibt sich für die Brechkraft Φ der Optik die Beziehung

Φ — ψ\ Ι φΐ — ΐ'φΐφΐ

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 Φ dessen Hin- und Herbewegung längs der optischen Achse im Sinne der Unterdrückung der den Bearbeilungsvorgang störenden Einzelwirkungen der Spikes.

Die Ausführungsform nach F i g. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach F i g. 1 lediglich dadurch, daß hier die Störflanken // der Fresnelzonenlinse Ll' als polierte Flächen ausgestaltet sind und, optisch gesehen, Strahldivergenzeigenschaften haben. Um diesen Sachverhalt in F i g. 2 zu verdeutlichen, ist ein schmaler Ausschnitt S/' des Laserstrahls angegeben, der über eine solche SlörHankc in die Sammellinse LT 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 // durch die Sammellinse Ll' hindurchtretende Strahlung in gewünschter Weise im Brennpunkt P fokussiert wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß die an sich durch die Störfianken verursachten Strahlverluste weitgehend vermieden werden.

Bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1 und 2 ist davon ausgegangen, daß die Brichkriftvariation der Optik durch eine periodisch: Hin- ui.l Herbewegung der Zerstreuungslinse Ll mit Hilf;ein;rS;hwingeinrichtung vorgenomm;n ist. Die Brechkraftvariation kann auch, wie das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 zeigt, auf andere Weise vorgenommen werden, und zwar durch ein in seinem Brechungsindex steuerbares transpaientes Medium. In diesem Falle ist dann der gegenseitige Abstand der beiden Linsen fest vorgcgeben.

Nach F i g. 3 ist die Zerstreuungslinse LV, die zusammen mit der Sammellinse Ll bzw. LT nach den F i g. 1 und 2 die crfindungsgemiß; Optik abgibt. Teil einer das transparente Medium M enthaltenden Küvette K. Die Zerstreuungslinse Ll' bildet dabei das linke transparente Fenster dieser Küvette auf scitcn des als paralleles Licht ankommenden Laserstrahls St. Das zweite transparente Fenster auf der gegenüberliegenden Seite bildet eine planparallele, vorzugsweise

ao vergütete Glasplatte Pl. Die Oberseite der Küvette wird von einem piezoelektrischen Schwinger Sw gebildet, der mit seiner Unterseite an der Zerstreuungslinse LV befestigt ist und an der Oberseite eine Abdeckplatte Ap aufweist. Die Abdeckplatte Ap erstreckt

»5 sich über die gesamte Tiefe der Küvette und ist mit der Glasplatte Pl elastisch verbunden. Über die elektrischen Anschlüsse α wird dem piezoelektrischen Schwinger oiv 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 Divcrgenzwinkels ist durch unterbrochene Linien angedeutet.

An Stslle der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform kann auch die Küvette mit dem in seinem Brechungsindex steuerbaren Medium 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 transparente Fenster von der anderen Linse gebildet wird. Die Variation der Brechkraft kann auch in d:r Weise vorgenommen sein, daß sich im Raum des Mediums unter der Einwirkung von Druck- oder Schallwellen stehende Wellen ausbilden, die für die durchgehende Strahlung ein fiequenzabhängiges Beugungsgitter darstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Optik zur Fokussierung eines kohärenten Lichtstrahls für die instrumentale Strahlanwendung eines Lasers, insbesondere auf dem Gebiet der Matcrialbearbeiumg. dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung des bei der Slrahlanwendung störenden Einflusses des sowohl in der Amplitude als auch in der Zeit regellosen Schwingverhaltens (Spikes) des Laserstrahls (.S'') die Optik (/.17.2) mit einer den Brennpunkt (P) bzw. den Brennfleck des Strahls in Strahlrichtung bewegenden Wobbelvorrichtung ausgerüstet ist.

2. Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wobbelvorrichtung für eine mittlere '..eschwindigkeit r der Brennpunkt- (P) b/w. Bremifleckbewegung des Laserstrahls (Si) bemessen ist. die der Ungleichung