DE202013004724U1 - Adaptive mirror for a laser processing device - Google Patents
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Abstract
Adaptiver Spiegel (28a) für eine Laserbearbeitungsvorrichtung (10), mit
a) einem Gehäuse (56b),
b) einer in dem Gehäuse angeordneten Druckkammer (58b), in die eine Anschlussleitung (60b) mündet, die mit einer Druckquelle (32b) verbindbar ist,
c) einem Spiegelsubstrat (52b; 52b', 52b'', 52b'''), das die Druckkammer begrenzt und fest in dem Gehäuse eingespannt ist, und
wobei ein Innendruck in der Druckkammer so mit Hilfe der Druckquelle veränderbar ist, dass sich das Spiegelsubstrat in Abhängigkeit vom Innendruck in der Druckkammer verformt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spiegelsubstrat eine Steifigkeit hat, die zumindest in einem ringförmigen Bereich (72b''; 72b'''), der die geometrische Mitte (68b''; 68b''') des Spiegelsubstrats umschließt, zur geometrischen Mitte hin zunimmt.Adaptive mirror (28a) for a laser processing device (10), with
a) a housing (56b),
b) a pressure chamber (58b) arranged in the housing into which a connecting line (60b) opens, which can be connected to a pressure source (32b),
c) a mirror substrate (52b, 52b ', 52b'',52b''') defining the pressure chamber and fixedly mounted in the housing, and
wherein an internal pressure in the pressure chamber is variable with the aid of the pressure source such that the mirror substrate deforms as a function of the internal pressure in the pressure chamber,
characterized in that
the mirror substrate has a rigidity which increases towards the geometric center at least in an annular region (72b ", 72b"') which encloses the geometric center (68b ", 68b"') of the mirror substrate.
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft einen adaptiven Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, mit der sich Werkstücke schweißen, schneiden oder in sonstiger Weise bearbeiten lassen.The invention relates to an adaptive mirror for a laser processing device, with which workpieces can be welded, cut or otherwise processed.
2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the Related Art
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst üblicherweise eine Laserstrahlungsquelle, bei der es sich z. B. um einen Nd:YAG-Laser, einen Faser-Laser, einen Scheiben-Laser oder einen CO2-Laser handeln kann. Zu einer Laserbearbeitungsvorrichtung gehören ferner ein Bearbeitungskopf, der die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in einem Brennfleck fokussiert. Eine Strahlzuführungseinrichtung führt die von der Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung dem Bearbeitungskopf zu. Vor allem wenn die Laserstrahlung eine relativ geringere Strahlqualität hat, wird sie dem Bearbeitungskopf in der Regel als kollimierter Strahl mit einem relativ großen Durchmesser (20 mm bis 100 mm) zugeführt. Zur Umlenkung der Laserstrahlung werden meist Umlenkspiegel mit planen oder gekrümmten Flächen vorgesehen. Der Bearbeitungskopf kann an einem beweglichen Roboterarm befestigt sein, während sich die Laserstrahlungsquelle außerhalb des Roboters befindet.A laser processing device usually comprises a laser radiation source, which may be, for. Example, a Nd: YAG laser, a fiber laser, a disc laser or a CO 2 laser can act. A laser processing device further includes a processing head which focuses the laser radiation generated by the laser radiation source in a focal spot. A beam feed device feeds the laser radiation generated by the laser radiation source to the processing head. Especially when the laser radiation has a relatively lower beam quality, it is usually supplied to the machining head as a collimated beam having a relatively large diameter (20 mm to 100 mm). For deflecting the laser radiation deflection mirrors are usually provided with flat or curved surfaces. The machining head may be attached to a movable robot arm while the laser radiation source is outside the robot.
Zur Fokussierung der Laserstrahlung in einem Brennfleck enthält der Bearbeitungskopf in der Regel eine Fokussieroptik. Insbesondere wenn die Fokussieroptik Linsen und andere lichtdurchlässige optische Elemente wie Schutzscheiben enthält, führt die unvermeidbare Restabsorption in den verwendeten optischen Materialien dazu, dass sich die Elemente erwärmen.For focusing the laser radiation in a focal spot of the machining head usually includes a focusing optics. In particular, when the focusing optics include lenses and other translucent optical elements such as shields, the inevitable residual absorption in the optical materials used causes the elements to heat up.
Damit geht infolge der thermischen Ausdehnung eine Formveränderung einher. Auf diese Weise können sogar Schutzscheiben, die bei Zimmertemperatur optisch als planparallele Platte wirken, nach der Erwärmung eine Sammelwirkung haben.This is accompanied by a change in shape due to the thermal expansion. In this way, even protective glass, which act optically at room temperature as a plane-parallel plate, after heating have a collecting effect.
Durch die Erwärmung verändert sich die Brechkraft der betreffenden optischen Elemente, was sich auf die Form und vor allem auf die axiale Lage des von der Fokussieroptik erzeugten Brennflecks auswirkt. Durch die unbeabsichtigte Verlagerung des Brennflecks können die Werkstücke nicht mehr in der gewünschten Weise bearbeitet werden.As a result of the heating, the refractive power of the relevant optical elements changes, which has an effect on the shape and, in particular, on the axial position of the focal spot produced by the focusing optics. Due to the unintentional shift of the focal spot, the workpieces can not be processed in the desired manner.
Um den Ort und die Form des Brennflecks während des Betriebs der Laserbearbeitungsvorrichtung konstant halten zu können, müssen zum einen die Veränderungen des Brennflecks messtechnisch erfasst werden. In einem zweiten Schritt müssen optische Elemente so verstellt werden, dass sie die thermisch induzierten Veränderungen in der Fokussieroptik kompensieren.In order to keep the location and shape of the focal spot constant during operation of the laser processing device, on the one hand, the changes in the focal spot must be detected by measurement. In a second step, optical elements must be adjusted so that they compensate for the thermally induced changes in the focusing optics.
Zur Erfassung von Veränderungen des Brennflecks ist bekannt, Messlicht, bei dem es sich auch um ausgekoppelte Laserstrahlung handeln kann, auf die Fokussieroptik zu richten und anschließend mit Lichtsensoren zu erfassen. Beispiele hiefür sind in der
Zur Kompensation der von der Fokussieroptik verursachten Verlagerungen des Brennflecks werden im allgemeinen adaptive Spiegel eingesetzt. Eine Verformung eines adaptiven Spiegels mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen, wie sie die bereits erwähnte
Um die Wirkungen thermisch induzierter Verformungen in der Fokussieroptik zu kompensieren, haben sich deswegen adaptive Spiegel durchgesetzt, die ein Spiegelsubstrat haben, das eine mit einem Fluid, zum Beispiel Luft oder einer Flüssigkeit, gefüllte Druckkammer begrenzt. Der Innendruck in der Druckkammer kann mit Hilfe einer Druckquelle verändert werden. Das Spiegelsubstrat ist so dünn, dass es sich, zusammen mit einer ggf. davon getragenen reflektierenden Beschichtung, in Abhängigkeit vom Innendruck in der Druckkammer verformt.In order to compensate for the effects of thermally induced deformations in the focusing optics, adaptive mirrors have become established which have a mirror substrate which delimits a pressure chamber filled with a fluid, for example air or a liquid. The internal pressure in the pressure chamber can be changed by means of a pressure source. The mirror substrate is so thin that, together with any reflective coating carried thereon, it deforms depending on the internal pressure in the pressure chamber.
Derartige adaptiven Spiegel sind aus der
Diese bekannten adaptiven Spiegel haben allerdings auch einige gravierende Nachteile. Durch die einwertige Lagerung wird die Abdichtung der Druckkammer gegen das Fluid konstruktiv sehr aufwendig. Hinzu kommt, dass derartige adaptive Spiegel häufig mit einer Wasserkühlung versehen sind, was zu zusätzlichen Dichtungsproblemen führt.However, these known adaptive mirrors also have some serious disadvantages. Due to the monovalent storage, the sealing of the Pressure chamber against the fluid structurally very expensive. In addition, such adaptive mirrors are often provided with water cooling, which leads to additional sealing problems.
Ein weiterer Nachteil der bekannten adaptiven Spiegel besteht darin, dass die gewünschte sphärische Deformation trotz der einwertigen Lagerung nur in einem relativ kleinen Zentralbereich erreicht wird. Der adaptive Spiegel muss deswegen bei einem gegebenen Durchmesser der Laserstrahlung relativ groß sein, um thermisch induzierte Verlagerungen des Brennflecks so kompensieren zu können, dass dabei keine untolerierbaren Wellenfrontdeformationen entstehen.Another disadvantage of the known adaptive mirrors is that the desired spherical deformation is achieved despite the monovalent storage only in a relatively small central area. The adaptive mirror must therefore be relatively large for a given diameter of the laser radiation in order to compensate for thermally induced displacements of the focal spot so that no intolerable wavefront deformations occur.
Aus der
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, einen adaptiven Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung anzugeben, der sich über einen großen Bereich hinweg annähernd sphärisch verformt, aber trotzdem konstruktiv einfach aufgebaut ist.The object of the invention is to provide an adaptive mirror for a laser processing device, which deforms approximately spherically over a large area, but is nevertheless structurally simple.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen adaptiven Spiegel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse angeordneten Druckkammer, die in eine Anschlussleitung mündet, die mit einer Druckquelle verbindbar ist, und mit einem Spiegelsubstrat, das die Druckkammer begrenzt und fest in dem Gehäuse eingespannt ist. Ein Innendruck in der Druckkammer ist so mit Hilfe der Druckquelle veränderbar, dass sich das Spiegelsubstrat, ggf. zusammen mit einer davon getragenen reflektierenden Beschichtung, in Abhängigkeit vom Innendruck in der Druckkammer verformt. Erfindungsgemäß hat das Spiegelsubstrat eine Steifigkeit, die zumindest in einem ringförmigen Bereich, der die geometrische Mitte des Spiegelsubstrats umschließt, zur geometrischen Mitte kontinuierlich oder stufenweise zunimmt.This object is achieved by an adaptive mirror for a laser processing apparatus having a housing, a pressure chamber arranged in the housing, which opens into a connecting line, which is connectable to a pressure source, and with a mirror substrate, which limits the pressure chamber and firmly clamped in the housing is. An internal pressure in the pressure chamber can be changed with the aid of the pressure source in such a way that the mirror substrate, possibly together with a reflective coating carried therefrom, deforms as a function of the internal pressure in the pressure chamber. According to the invention, the mirror substrate has a rigidity which increases continuously or stepwise at least in an annular region which encloses the geometric center of the mirror substrate to the geometric center.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, dass bei einem Spiegelsubstrat, das nicht einwertig gelagert, sondern fest in das Gehäuse eingespannt ist, eine annähernd sphärische Deformation erreicht wird, wenn die Steifigkeit des Spiegelsubstrats über einen ringförmigen Bereich des Spiegelsubstrats, der dessen geometrische Mitte umschließt, zunimmt. Torsionsmomente, die durch die dreiwertige Lagerung des Spiegelsubstrats im Randbereich entstehen und ansonsten zu einer asphärischen Deformation des unter Druck stehenden Spiegelsubstrat führen, werden durch dieses Dickenprofil so kompensiert, dass sich das Spiegelsubstrat sphärisch deformiert. Die sphärische Deformation stellt sich dabei über einen großen Flächenanteil des Spiegelsubstrats ein, so dass bis zu 70% der Fläche des Spiegelsubstrats optisch genutzt werden kann. Wegen der festen Einspannung in das Gehäuse kann der erfindungsgemäße adaptive Spiegel gleichzeitig konstruktiv sehr einfach aufgebaut sein. Die schwierigen Dichtungsprobleme, die typisch für einwertig gelagerte Spiegelsubstrate sind, stellen sich bei der festen Einspannung nicht. Dies gilt auch dann, wenn eine zusätzliche Wasserkühlung des Spiegelsubstrats vorgesehen ist.The invention is based on the surprising discovery that in the case of a mirror substrate which is not stored monovalently but firmly clamped in the housing, an approximately spherical deformation is achieved if the rigidity of the mirror substrate encloses an annular region of the mirror substrate which encloses its geometric center , increases. Torsional moments that result from the trivalent storage of the mirror substrate in the edge region and otherwise lead to an aspheric deformation of the pressurized mirror substrate are compensated by this thickness profile so that the mirror substrate deforms spherically. The spherical deformation adjusts itself over a large surface portion of the mirror substrate, so that up to 70% of the surface of the mirror substrate can be used optically. Because of the fixed restraint in the housing, the adaptive mirror according to the invention can be constructively very simple at the same time. The difficult sealing problems typical of monovalent mirror substrates do not arise with the fixed fixture. This also applies if additional water cooling of the mirror substrate is provided.
Die geometrische Mitte des Spiegelsubstrats ist definiert als eine Achse, die den geometrischen Schwerpunkt einer ebenen Fläche durchsetzt, die vom Umfang des Spiegelsubstrats begrenzt wird. Im Falle eines kreisförmigen Umfangs verläuft diese Achse durch die Mitte des Kreises und bei einem elliptischen Umfang durch den Punkt, an dem sich die lange und kurze Halbachse der Ellipse schneiden.The geometric center of the mirror substrate is defined as an axis passing through the geometric center of gravity of a flat surface bounded by the perimeter of the mirror substrate. In the case of a circular circumference, this axis passes through the center of the circle and, in the case of an elliptical circumference, through the point at which the long and short half-axes of the ellipse intersect.
Zumindest bei kleineren Spiegelsubstraten kann dieses eine Steifigkeit haben, die in einem geschlossenen Bereich, der die geometrische Mitte des Spiegelsubstrats enthält, zur geometrischen Mitte hin zunimmt. In diesem Fall nimmt die Steifigkeit somit kontinuierlich von einer Umfangslinie des besagten Bereichs, die mit dem Umfang des Spiegelsubstrats zusammenfallen kann, aber nicht notwendigerweise muss, bis zur geometrischen Mitte des Spiegelsubstrats hin kontinuierlich zu.At least for smaller mirror substrates, this may have a rigidity that increases toward the geometric center in a closed area containing the geometric center of the mirror substrate. In this case, the rigidity thus continuously increases from a peripheral line of said area, which may coincide with the circumference of the mirror substrate, but does not necessarily have to, continuously up to the geometric center of the mirror substrate.
Berechnungen haben gezeigt, dass bei größeren Spiegelsubstraten die Steifigkeit nicht bis zur geometrischen Mitte hin kontinuierlich zunehmen sollte. Eine sphärische Deformation wird bei größeren Spiegelsubstraten nur dann erreicht, wenn der ringförmige Bereich einen Zentralbereich umschließt, in dem die Steifigkeit konstant ist oder sogar zur geometrischen Mitte hin abfällt.Calculations have shown that with larger mirror substrates the stiffness should not increase continuously up to the geometric center. Spherical deformation is only achieved with larger mirror substrates if the annular region encloses a central region in which the stiffness is constant or even drops towards the geometric center.
Die erfindungsgemäße Verteilung der Steifigkeit über die Fläche des Spiegelsubstrats hinweg kann auf verschiedene Weise erreicht werden. So kann beispielsweise die Dicke des Spiegelsubstrats konstant sein und die örtlich variierende Steifigkeit durch Erzeugen einer variierenden Temperaturverteilung in dem Spiegelsubstrat generiert werden. Viele Werkstoffe, und zwar insbesondere Metalle wie Stahl oder Aluminium, haben die Eigenschaft, dass sich ihre Steifigkeit nach einer Erwärmung verringert oder nach einer sich daran anschließenden raschen Abkühlung erhöht. Wird in dem Spiegelsubstrat einmalig vor dem Zusammenbau des adaptiven Spiegels eine bestimmte Temperaturverteilung erzeugt, so wird dadurch die Steifigkeitsverteilung dauerhaft verändert.The distribution of rigidity according to the invention over the surface of the mirror substrate can be achieved in various ways. For example, the thickness of the mirror substrate may be constant and the locally varying stiffness generated by generating a varying temperature distribution in the mirror substrate. Many materials, in particular metals such as steel or aluminum, have the property that their stiffness is reduced after heating or increased after a subsequent rapid cooling. If a specific temperature distribution is generated in the mirror substrate once before the assembly of the adaptive mirror, the stiffness distribution is thereby permanently changed.
Genauer lässt sich die gewünschte Verteilung der Steifigkeit einstellen, wenn die örtlich variierende Steifigkeit die Folge einer örtlich variierenden Dicke des Spiegelsubstrats ist. Durch Anwenden der Finite-Elemente-Methode lässt sich ein Dickenprofil für das Spiegelsubstrat berechnen, das zu der gewünschten Verformung führt. Vorgegeben werden dabei insbesondere der Elastizitätsmodul des Materials, aus dem das Spiegelsubstrat besteht, die maximale Auslenkung des Spiegelsubstrats, der Innendruck der Druckkammer, bei dem die maximale Auslenkung erreicht werden soll, sowie die Außenkontur des Spiegels. More specifically, the desired distribution of stiffness can be adjusted if the locally varying stiffness is the result of a locally varying thickness of the mirror substrate. By applying the finite element method, it is possible to calculate a thickness profile for the mirror substrate which leads to the desired deformation. In particular, the modulus of elasticity of the material constituting the mirror substrate, the maximum deflection of the mirror substrate, the internal pressure of the pressure chamber at which the maximum deflection is to be achieved, and the outer contour of the mirror are specified.
Bei Spiegeln mit einer kreisförmigen Außenkontur wird das Dickenprofil im Allgemeinen rotationssymmetrisch bezüglich der geometrischen Mitte sein. Adaptive Spiegel werden allerdings häufig als Umlenkspiegel eingesetzt, die den Laserstrahl um 90° umlenken. Eine Flächennormale in der geometrischen Mitte des adaptiven Spiegels muss dann in einem Winkel von 45° zur optischen Achse angeordnet sein. Wenn die Laserstrahlung einen kreisförmigen Querschnitt hat, leuchtet sie auf einem so angeordneten Spiegel eine elliptische Fläche aus, wobei die Halbachsen der Ellipse in einem Verhältnis von
In einem solchen Fall sollte auch das Spiegelsubstrat nicht kreisförmige eingefasst sein, sondern in einer Ebene, in der es in dem Gehäuse eingespannt ist, in orthogonalen Richtungen X und Y maximale Abmessungen dx bzw. dy ≠ dx haben. Wenn
Bei elliptischen Spiegelsubstraten nimmt in dem ringförmigen Bereich die Steifigkeit entlang den Richtungen X und Y unterschiedlich stark zur geometrischen Mitte hin zu. Ein Spiegelsubstrat mit einer solchen Steifigkeitsverteilung deformiert sich bei einer Veränderung des Innendrucks in der Druckkammer nicht sphärisch, sondern so, dass zumindest ein größerer Teil der Oberfläche des Spiegelsubstrats annähernd die Form eines Torusausschnittes annimmt. Der Torus hat dabei unterschiedliche Kreisradien in orthogonalen Richtungen. Der größere Kreisradius wird dabei in der Richtung der längeren Halbachse des elliptischen Umfangs erreicht. Dieser größere Kreisradius trägt der Tatsache Rechnung, dass in dieser Ebene die Umlenkung der optischen Achse um 90° erfolgt. Die sammelnde oder zerstreuende Wirkung des adaptiven Spiegels auf die umgelenkte Laserstrahlung ist deswegen in allen Richtungen gleich, so dass die Wirkung auf die Laserstrahlung rotationssymmetrisch bezüglich der optischen Achse ist.In the case of elliptic mirror substrates, in the annular region, the rigidity increases along the directions X and Y at different degrees to the geometric center. A mirror substrate having such a stiffness distribution deforms non-spherically when the internal pressure in the pressure chamber changes, but such that at least a larger part of the surface of the mirror substrate approximately assumes the shape of a torus cut-out. The torus has different circular radii in orthogonal directions. The larger circle radius is achieved in the direction of the longer half-axis of the elliptical circumference. This larger circle radius takes into account the fact that in this plane, the deflection of the optical axis by 90 °. The collecting or dispersing effect of the adaptive mirror on the deflected laser radiation is therefore the same in all directions, so that the effect on the laser radiation is rotationally symmetrical with respect to the optical axis.
Durch eine gezielte Verstimmung der Steifigkeit des Spiegelsubstrats entlang den Richtungen X und Y kann eine gewünschte Abweichung von dieser Rotationssymmetrie erzielt werden. Der adaptive Spiegel kann dann zusätzlich einen bereits vorhandenen Astigmatismus korrigieren oder einen Astigmatismus im Sinne eines Vorhalts erzeugen, z. B. um die astigmatische Wirkung eines optischen Elements zu kompensieren, das im optischen Lichtweg folgt. Dabei müssen die am Spiegel auftretenden Einfallwinkel der Laserstrahlung und die Spiegelkontur aufeinander abgestimmt werden.By a deliberate detuning of the rigidity of the mirror substrate along the directions X and Y, a desired deviation from this rotational symmetry can be achieved. The adaptive mirror can then additionally correct an already existing astigmatism or produce an astigmatism in the sense of a Vorhalts, z. B. to compensate for the astigmatic effect of an optical element that follows in the optical light path. In this case, the incident angle occurring at the mirror of the laser radiation and the mirror contour must be matched to one another.
Günstig ist es, wenn das Spiegelsubstrat bei genau einem Innendruck eine von der Druckkammer weg weisende plane Außenfläche und eine zur Druckkammer hin weisende Innenfläche hat, welche die Form eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Ellipsoids hat. Eine solche Form der Innenfläche führt zu der vorstehend erläuterten unterschiedlichen sphärischen Deformation des Spiegelsubstrats entlang den Richtungen X und Y, wie dies bei einem Umlenkspiegel im Allgemeinen erwünscht ist.It is advantageous if the mirror substrate at exactly one internal pressure has a planar outer surface pointing away from the pressure chamber and an inner surface facing the pressure chamber, which has the shape of a section of a surface of an ellipsoid. Such a shape of the inner surface leads to the above-described different spherical deformation of the mirror substrate along the directions X and Y, as is generally desirable in a deflection mirror.
Da die Herstellung einer ellipsoidförmigen Innenfläche aufwendig ist, kann das Spiegelsubstrat bei genau einem Innendruck eine von der Druckkammer wegweisende plane Außenfläche und eine zur Druckkammer hinweisende Innenfläche haben, wobei das Spiegelsubstrat in einer Richtung senkrecht zu den Richtungen X und Y derart gestuft ist, dass die Innenfläche die Form eines Ausschnitts einer Oberfläche eines Ellipsoids annähert. Eine solche gestufte Form der Innenfläche lässt sich leichter herstellen.Since the production of an ellipsoidal inner surface is complicated, the mirror substrate can have a plane outer surface facing away from the pressure chamber and an inner surface facing the pressure chamber at exactly one inner pressure, the mirror substrate being stepped in a direction perpendicular to the X and Y directions such that the Inner surface approximates the shape of a section of a surface of an ellipsoid. Such a stepped shape of the inner surface is easier to produce.
Wenn der Innendruck, bei dem die Außenfläche plan ist, größer als der Normaldruck ist, erhält man eine konkave Außenfläche, wenn der Innendruck in der Druckkammer auf den Normaldruck absinkt. Dies hat steuerungstechnische Vorteile, da eine Druckverringerung im Allgemeinen leichter einzustellen ist, wenn nicht vom Normaldruck, sondern von einem gegenüber dem Normaldruck erhöhten Druck ausgegangen wird.When the inner pressure at which the outer surface is flat is greater than the normal pressure, a concave outer surface is obtained when the inner pressure in the pressure chamber falls to the normal pressure. This has control advantages, since a pressure reduction is generally easier to adjust, if it is not assumed that normal pressure, but from a relative to normal pressure increased pressure.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung von Laserstrahlung, einem Bearbeitungskopf, einer Strahlzuführungseinrichtung, die im optischen Weg zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Bearbeitungskopf angeordnet ist, und einem mit der Druckquelle verbundenen und in der Strahlzuführungseinrichtung angeordneten erfindungsgemäßen adaptiven Spiegel.The invention also relates to a laser processing apparatus having a laser radiation source for generating laser radiation, a processing head, a beam delivery device, which is arranged in the optical path between the laser radiation source and the processing head, and an inventive adaptive mirror connected to the pressure source and arranged in the beam supply device.
Wenn in dem Bearbeitungskopf eine Fokussieroptik und eine Messeinrichtung zur Messung der Brennweite der Fokussieroptik während der Laserbearbeitung enthalten ist, kann die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Steuereinrichtung für den adaptiven Spiegel aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den adaptiven Spiegel so in Abhängigkeit von Messsignalen der Messeinrichtung zu steuern, dass der adaptive Spiegel eine von der Messeinrichtung gemessene Veränderung der Brennweite der Fokussieroptik kompensiert. Solche Veränderungen der Brennweite sind im Allgemeinen ungewollt und können insbesondere thermisch induziert sein.If a focusing optics and a measuring device for measuring the focal length of the focusing optics during the laser machining is included in the machining head, the laser machining device can have a control device for the adaptive laser Have mirror, which is adapted to control the adaptive mirror in response to measurement signals of the measuring device that the adaptive mirror compensates for a measured by the measuring device change the focal length of the focusing optics. Such changes in the focal length are generally unwanted and may in particular be thermally induced.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of the embodiments with reference to the drawings. Show:
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Die
Zur Laserbearbeitungsvorrichtung
1. Strahlzuführeinrichtung1. Beam feeder
Die
Der erste adaptive Spiegel
Beide Druckquellen
Beispiele für eine geeignete Messeinrichtung
Die von der Messeinrichtung
Bevor das Zusammenwirken der Messeinrichtung
2. Aufbau der adaptiven Spiegel2. Structure of adaptive mirrors
Die
Gemeinsam mit dem Gehäuse
Bei dem in der
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Spiegelsubstrat
Sinkt der Druck in der Druckkammer
Die
Die
Man erkennt, dass die zur Druckkammer
Eine ähnliche Zunahme der Steifigkeit wird erzielt, wenn anstelle des kontinuierlichen Dickenprofils, wie es in der
Die Vorteile des in den
Man erkennt, dass die Annäherung an eine sphärische Deformation bei einer einwertigen Lagerung (strichpunktierte Linie) besonders bei großen Innendrücken (vgl. das Linienpaar c)) über einen größeren Bereich hinweg gelingt als bei einer festen Einspannung am Umfang. Sollen große Deformationshübe möglich sein, so muss deswegen die Gesamtfläche des Spiegelsubstrats bei einer dreiwertigen Lagerung (d. h. feste Einspannung) größer sein als bei einer einwertigen Lagerung.It can be seen that the approximation to a spherical deformation in monovalent storage (dot-dashed line), especially for large internal pressures (see the line pair c)), succeeds over a larger area than with a fixed restraint on the circumference. If large deformation strokes are to be possible, the total area of the mirror substrate must therefore be greater in the case of trivalent storage (that is to say fixed clamping) than in the case of monovalent storage.
Durch das erfindungsgemäße Dickenprofil, wie es in den
Der zweite adaptive Spiegel kann somit wegen der festen Einspannung sehr einfach konstruiert und mit geringer Größe dimensioniert werden. Trotzdem ist eine annähernd sphärische Deformation mit großen Deformationshüben möglich.The second adaptive mirror can thus be designed very simply and dimensioned with small size because of the fixed clamping. Nevertheless, an approximately spherical deformation with large deformation strokes is possible.
Wenn vorstehend von einer sphärischen Deformation die Rede ist, so gilt dies streng genommen bei dem in den
Durch gezielte Verstimmungen des Dickenprofils entlang den Richtungen X und Y kann auch eine rotationsasymmetrische Wirkung erzielt werden, um beispielsweise einen Astigmatismus zu korrigieren oder gezielt einzuführen.By deliberately detuning the thickness profile along the directions X and Y, a rotationally asymmetric effect can also be achieved in order, for example, to correct astigmatism or introduce it in a targeted manner.
Berechnungen haben gezeigt, dass bei besonders großen Spiegelsubstraten die Steifigkeit nicht bis zur geometrischen Mitte des Spiegelsubstrats hin zunehmen sollte. Die
Das in der
3. Steuerung3. Control
Im Folgenden wird erneut Bezug genommen auf die
Da sich eine Verformung des ersten adaptiven Spiegels
Erfasst die Messeinrichtung
Auf diese Weise kann über alle Betriebszustände hinweg eine axial konstante Lage des Brennflecks
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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