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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Graustufenlasermarkieren (Markieren, Beschriften, Kennzeichnen) eines Werkstücks, aufweisend mindestens einen Stablaser mit einem aktiven Lasermedium, der einen Laserstrahl emittiert und resistent gegenüber Rückreflexionen des Laserstrahls ist, eine optische Ablenkeinheit zur ein- oder zweidimensionalen Ablenkung des emittierten Laserstrahls, und eine Optik zur Fokussierung des abgelenkten Laserstrahls auf das Werkstück.
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Unter einem gegenüber Rückreflexionen resistenten Stablaser wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Stablaser verstanden, bei dem Rückreflexionen zurück in den Laser allenfalls zu einer Schwankung der optischen Parameter, jedoch nicht zu einem Ausfall oder zur Zerstörung des Lasers führen.
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Eine derartige Lasermarkierungsvorrichtung mit einem Galvanometerspiegel und einem optischen F-Theta Linsensystem ist aus
US 7,405,114 B2 bekannt geworden.
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Zum Markieren, Beschriften oder Kennzeichnen von Gegenständen werden häufig sogenannte Markierungslaser eingesetzt. Dabei trifft ein gebündelter und durch eine Ablenkeinheit ablenkbarer Laserstrahl auf den zu markierenden Gegenstand und verändert im Bereich seines Auftreffens die optischen Oberflächeneigenschaften des Gegenstands. Mithilfe der Ablenkeinheit lässt sich der Laserstrahl nacheinander auf verschiedene Punkte des Gegenstands fokussieren, was ein Anbringen von komplexen Beschriftungen auf dem Gegenstand ermöglicht. Mit Markierungslasern lassen sich schnell, kostengünstig und dauerhaft beispielsweise Barcodes, QR-Codes oder alphanumerische Beschriftungen auf beinahe beliebigen Objektoberflächen anbringen.
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Aus der
DE 4429110 C2 ist eine Laserbeschriftungsanlage für Ausweiskarten oder dergleichen bekannt, in der ein Laserstrahl über eine Zweikoordinatenstrahlablenkung auf die zu bearbeitende Ausweiskarte gerichtet ist. Die Laserbeschriftungsanlage weist eine einstellbare Blende zur Änderung der Intensität und der Querschnittsfläche des Laserstrahls auf, um eine verbesserte Qualität der aufzuzeichnenden Bilder oder Beschriftungen auf der Ausweiskarte zu erreichen.
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Die aus der eingangs genannten
US 7,405,114 B2 bekannte Vorrichtung zur Laserbestrahlung kann eine Energieänderung aufgrund einer Transmissionsänderung der F-Theta Linse ausgleichen und einen Laserstrahl ablenken, wobei die Schwankung der Energie auf einem Substrat (dem zu bestrahlenden Gegenstand) unterdrückt wird.
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Weiter werden in der
DE 10 2007 017 363 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen mit Strahlung eines Faser-, Scheiben- oder Stablasers beschrieben. Eine Schutzvorrichtung schützt die jeweilige Laserlichtquelle vor zurückreflektierender Strahlung, um die Effektivität beim Einsatz zu erhöhen. Dabei wird die von einer Faser- oder Scheibenlaserlichtquelle emittierte Strahlung auf einen Strahlteiler gerichtet, der für die auf einen Bearbeitungsbereich eines Bauteils gerichtete Strahlung transparent und für die vom Bearbeitungsbereich zurückreflektierte Strahlung reflektierend ist. Solche Schutzvorrichtungen, welche eine Laserlichtquelle vor zurückreflektierender Strahlung schützen, werden nur bei Faserlasern hoher Leistung sowie bei Diodenlasern und Scheibenlasern eingesetzt, da dort Rückreflexionen zu einem temporären Funktionsausfall oder sogar zu einer Zerstörung des Lasers führen können. Markierungslaser arbeiten üblicherweise in einem Leistungsbereich des Laserstrahls, welcher im Vergleich zu den in
DE 10 2007 017 363 A1 beschriebenen Lasern deutlich geringer ist und solche Schutzvorrichtungen nicht erfordert.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass Markierungslaser bei der Bearbeitung verschiedener reflektierender Materialien auf Grund der Laserrückreflexionen kein optimales Markierungsergebnis erzielen. Zwar führen die Rückreflexionen in den Laser nicht zu starken Schwankungen der optischen Eigenschaften des Laserstrahls oder kurzzeitigen Ausfällen des Lasers oder gar zu dessen Zerstörung, was gleichbedeutend mit einem störungsfreien Betrieb des Lasers ist, aber durch die Laserrückreflexionen treten bei der Markierung eines Objektes insbesondere Inhomogenitäten in der Mitte des Markierungsfeldes auf. Derartige Inhomogenitäten wurden unter anderem bei der Markierung von Objekten aus Kupfer- oder Messingmaterial sowie bei der Beschriftung von für die Laserbeschriftung geeigneten ID-Karten nachgewiesen, welche dadurch schwerer lesbar und unansehnlich wurden. Ein inhomogenes Markierungsergebnis fällt besonders gravierend bei Materialien auf, bei denen bereits kleine Änderungen in den optischen Eigenschaften des zur Markierung verwendeten Laserstrahls zu einer starken sichtbaren (Farb-) Änderung der Markierung führen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das zu bearbeitende Material in unterschiedlichen Schattierungen bzw. Graustufen markiert werden soll, da nicht oberhalb einer Prozessschwelle, sondern innerhalb eines Graustufenverlaufs gearbeitet wird. Hier wirken sich bereits geringe Unterschiede in den Laserparametern, beispielsweise in der Laserstrahlleistung, oder den Laserpulseigenschaften, wie z. B. Pulsenergie, Pulsform, Pulsdauer und/oder Pulsspitzenleistung, deutlich auf die auszubildende Graustufe aus.
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Aus
US 7,405,114 B2 ist es zwar bekannt, dass die Leistung des Markierungslasers in Abhängigkeit der Position des Laserstrahls schwanken kann, was auf die Transmissionseigenschaften des Objektivs zurückzuführen ist, und dass diese Schwankungen durch eine Anpassung der Laserleistung mit Hilfe einer drehbaren λ/2-Verzögerungsplatte in Kombination mit einem polarisierenden Strahlteiler teilweise ausgeglichen werden können. Jedoch ist die Vorrichtung zum Ausgleich der Schwankungen kompliziert, insbesondere wenn die Transmission des Objektivs nicht nur eine radiale Abhängigkeit aufweist. Zudem haben genauere Untersuchungen ergeben, dass sich neben der mittleren Leistung auch weitere Parameter des Laserstrahls, insbesondere die Laserpulsform, ändern. Die
US 7,405,114 B2 liefert deshalb kein befriedigendes Verfahren für eine Laserbeschriftung empfindlicher Materialien in Graustufen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen graustufenfähigen Markierungslaser bereitzustellen, der Objekte aus verschiedenen Materialien homogen und in einer hohen Qualität markiert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum rückreflexionsunabhängigen Graustufenlasermarkieren im Strahlengang zwischen dem Stablaser und der optischen Ablenkeinheit eine optische Strahlstabilisierungseinrichtung angeordnet ist, welche die vom Werkstück zurück in Richtung des Stablasers ausgehenden Rückreflexionen des Laserstrahls mindestens abschwächt und/oder die Polarisation der Rückreflexionen ändert.
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Aufgrund der Abschwächung und/oder der Änderung der Polarisationsrichtung der Rückreflexionen können diese nicht zu Schwankungen der Strahleigenschaften des Laserstrahls führen, welcher das zu markierende Werkstück bearbeitet. Selbst bei einer senkrechten Reflexion des Laserstrahls am zu markierenden Werkstück sorgt die optische Strahlstabilisierungseinrichtung für eine gleichbleibend hohe Markierungsqualität, welche nicht von den Rückreflexionen beeinflusst wird. Insbesondere kann durch die optische Strahlstabilisierungseinrichtung keine Kopplung des vom Stablaser emittierten Laserstrahls mit den Rückreflexionen auftreten, welche die Bildung von zwei gekoppelten Laserresonatoren und eine sich verändernde Dynamik des Lasers mit veränderten Eigenschaften der emittierten Laserpulse zur Folge hätte. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher zum Markieren, Beschriften oder Kennzeichnen einer Vielzahl von Werkstücken in Graustufen. Neben nichtmetallischen Werkstücken können vorteilhaft auch hochreflektierende metallische Werkstücke, beispielsweise aus Kupfer oder Messing, bearbeitet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung durch eine Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/4-Verzögerungsplatte, gebildet. Beim Hindurchtreten des vom Stablaser emittierten Laserstrahls durch die Verzögerungsplatte wird dessen lineare Polarisation in eine zirkulare Polarisation umgewandelt. Nach der Reflexion des Laserstrahls am Werkstück trifft der reflektierte Laserstrahl erneut auf die Verzögerungsplatte. Nun wird beim Hindurchtreten des reflektierten Laserstrahls die zirkulare Polarisation in eine lineare Polarisation umgewandelt, welche jedoch um 90° zu der ursprünglichen Polarisation des emittierten Laserstrahls gedreht ist. Zwar gelangt anschließend ein Teil des reflektierten Laserstrahls in den Resonator; aufgrund der um 90° gedrehten Polarisation kann er jedoch nicht mit dem direkt emittierten Laserstrahl interferieren. Eine für die optischen Eigenschaften nachteilige Kopplung zwischen emittiertem und reflektiertem Laserstrahl wird dadurch vorteilhaft vermieden. Die Verwendung einer Verzögerungsplatte zur Stabilisierung der optischen Eigenschaften des Laserstrahls ist kostengünstig, da eine Verzögerungsplatte nur eine geringe Baugröße aufweist und aufgrund ihres einfachen Aufbaus den Markierungslaser nur unwesentlich komplizierter gestaltet. Vorteilhaft kann die Verzögerungsplatte auch modular von außen an den Laserkopf eines bestehenden Systems angefügt werden. Bestehende Systeme zur Lasermarkierung lassen sich somit leicht nachrüsten.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung durch einen polarisierenden Strahlteiler und eine Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/4-Verzögerungsplatte, gebildet. Bei dieser Ausführungsform tritt der vom Stablaser emittierte Laserstrahl zunächst durch den polarisierenden Strahlteiler hindurch, ohne an diesem reflektiert zu werden. Beim anschließenden Hindurchtreten durch die Verzögerungsplatte wird die lineare Polarisation des Laserstrahls in eine zirkulare Polarisation umgewandelt. Nach der Reflexion des Laserstrahls am Werkstück breitet sich dessen Rückreflexion entlang des optischen Pfades des emittierten Laserstrahls in entgegengesetzter Richtung aus und tritt durch die Verzögerungsplatte hindurch. Dabei wird die zirkulare Polarisation der Rückreflexion in eine lineare Polarisation umgewandelt, welche jedoch um 90° zu der ursprünglichen Polarisation des emittierten Laserstrahls gedreht ist. Die Rückreflexion wird nun am polarisierenden Strahlteiler abgelenkt und kann sich nicht weiter entlang des optischen Pfades des emittierten Laserstrahls ausbreiten. Vorteilhaft wird eine erneute Reflexion der Rückreflexionen am Auskoppelspiegel, wodurch die Rückreflexionen erneut auf das zu bearbeitende Werkstück gelenkt werden, verhindert. Ebenso können sich die Rückreflexionen nicht im Laserresonator ausbreiten und es kann keine weitere Rückkopplung entstehen, welche zu einem mit dem Laserresonator des Stablasers gekoppelten Laserresonator führen würde, welcher durch das reflektierende Werkstück und den nicht durchlässigen Spiegel des Stablasers gebildet wäre.
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Vorzugsweise weist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung einen Absorber auf, der die durch den polarisierenden Strahlteiler abgelenkten und seitlich aus diesem austretenden Rückreflexionen mindestens teilweise absorbiert.
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Vorzugsweise weist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung eine drehbare Verzögerungsplatte, insbesondere eine drehbare λ/2-Verzögerungsplatte, auf, die im Strahlengang zwischen dem Stablaser und dem polarisierendem Strahlteiler angeordnet ist. Durch eine Drehung der drehbaren Verzögerungsplatte kann vorteilhaft die mittlere Leistung des zur Markierung verwendeten Laserstrahls in einem weiten Bereich bequem eingestellt werden. Dabei können die Drehung der Verzögerungsplatte und die damit verbundene Einstellung der Laserleistung automatisch und/oder manuell erfolgen. Die Laserleistung des Markierungslasers lässt sich somit optimal auf das zu markierende Werkstück anpassen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung durch einen optischen Isolator, insbesondere einen optischen Faraday-Isolator, gebildet. Optische Isolatoren lassen Licht nur in eine Richtung passieren. Das Licht des vom Stablaser emittierten Laserstrahls kann zwar den optischen Isolator passieren; die am Werkstück entstandenen Laserrückreflexionen werden jedoch vom optischen Isolator blockiert.
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Besonders bevorzugt ist das aktive Lasermedium des Stablasers ein mit Neodym dotierter stabförmiger Yttrium-Vanadat-Kristall oder ein mit Neodym dotierter stabförmiger Gadolinium-Vanadat-Kristall. Diese Laserkristalle sind besonders geeignet, da sie bereits von sich aus einen polarisierten Laserstrahl liefern und folglich eine ansonsten erforderliche Polarisierung des Laserstrahls mithilfe von zusätzlichen optischen Elementen wie beispielsweise Dünnschichtpolarisatoren oder Brewsterplatten entfallen kann. Außerdem sind diese Laserkristalle kostengünstig, unempfindlich und haben einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum rückreflexionsunabhängigen Graustufenlasermarkieren eines Werkstücks;
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2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen einer in 1 gezeigten optischen Strahlstabilisierungseinrichtung; und
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5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum rückreflexionsunabhängigen Graustufenlasermarkieren eines Werkstücks.
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In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum rückreflexionsunabhängigen Graustufenlasermarkieren eines Werkstücks 2 dargestellt. Die Vorrichtung 1 verwendet als Laserlichtquelle einen Stablaser 3 mit einem aktiven Lasermedium 4. Das aktive Lasermedium 4 ist stabförmig und kann beispielsweise durch einen mit Neodym dotierten Yttrium-Vanadat-Kristall (Nd:YVO4) oder einen mit Neodym dotierten stabförmigen Gadolinium-Vanadat-Kristall (Nd:GdVO4) gebildet sein. Es können jedoch auch andere aktive Stablasermedien, beispielsweise ein mit Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall (Nd:YAG) oder ein mit Titan-Ionen dotierter Saphir-Kristall (Ti3+:Al2O3), verwendet werden. Bei dem Stablaser 3 handelt es sich um einen gütegeschalteten Stablaser im Pulsbetrieb, bevorzugt mit Pulsdauern im Bereich von 1 ns bis 500 ns. Die mittlere optische Ausgangsleistung liegt bevorzugt im Bereich von 100 mW bis 100 W. Für spezielle Anwendungen, beispielsweise die Markierung besonders empfindlicher Werkstücke oder eine besonders schnelle Werkstückbeschriftung, können auch Stablaser mit mittleren optischen Ausgangsleistungen außerhalb dieses Leistungsbereichs im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden.
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Der Stablaser 3 emittiert einen Laserstrahl 5, der linear polarisiert ist, was durch eine geeignete Auswahl und Anordnung der optischen Bauteile des Stablasers 3 erreicht werden kann. Besonders geeignet zur Erzeugung linear polarisierter Laserstrahlen sind Nd:YVO4- und Nd:GdVO4-Laserkristalle, da diese von sich aus linear polarisierte Laserstrahlung emittieren.
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Der vom Stablaser 3 emittierte Laserstrahl 5 trifft auf eine optische Strahlstabilisierungseinrichtung 6, die im Strahlengang zwischen dem Stablaser 3 und einer optischen Ablenkeinheit 7 angeordnet ist. Die Polarisationsrichtung des Laserstrahls 5 und die Ausrichtung der Strahlstabilisierungseinrichtung 6 sind in 1 so gewählt, dass der Laserstrahl 5 die Strahlstabilisierungseinrichtung 6 möglichst ohne Reflexions- und Absorptionsverluste passieren kann.
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Die optische Ablenkeinheit 7 ist aus einem ersten Galvanometerantrieb 8a mit einem daran befestigten ersten Ablenkspiegel 9a und einem zweiten Galvanometerantrieb 8b mit einem daran befestigten zweiten Ablenkspiegel 9b gebildet. Die Ablenkeinheit 7 ermöglicht es, den Laserstrahl 5 zweidimensional abzulenken und somit einen Flächenbereich des Werkstücks markieren zu können. Statt der in 1 dargestellten zweidimensionalen Ablenkeinheit 7 kann auch eine eindimensionale Ablenkeinheit vorgesehen sein, die den Laserstrahls nur in eine Raumdimension ablenkt. Eine zweidimensionale Markierung des Werkstücks kann dann dadurch erfolgen, dass das Werkstück verschiebbar gelagert ist. Neben Galvanometerantrieben mit Ablenkspiegeln sind zur Ablenkung des Laserstrahls 5 auch andere Einrichtungen denkbar, beispielsweise akustooptische oder elektrooptische Modulatoren.
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Der abgelenkte Laserstrahl 5 trifft auf eine Optik 10, welche zur Fokussierung des Laserstrahls 5 auf das Werkstück 2 dient und dafür typischerweise eine ebene Fokusfläche liefert, um eine gleichmäßige Markierung auf einer ebenen Markierfläche zu ermöglichen. Die Optik 10 kann beispielsweise durch ein F-Theta-Objektiv oder durch eine bewegliche Linse realisiert sein.
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Der durch die Optik 10 fokussierte Laserstrahl 5 trifft auf das Werkstück 2 und verändert im Bereich seines Auftreffens je nach Werkstoffart die chemische und/oder die physikalische Beschaffenheit des Werkstoffs, beispielsweise eine Änderung der Farbe oder einen Abtrag von Material. Der fokussierte Laserstrahl 5 wird jedoch nicht vollständig vom Werkstück 2 absorbiert, sondern ein Teil der Laserstrahlung wird in Form von Rückreflexionen 11 reflektiert. Abhängig vom Einfallswinkel, unter dem der Laserstrahl 5 auf das Werkstück 2 auftrifft, ergibt sich der Ausfallswinkel, unter dem die Rückreflexionen 11 vom Werkstück 2 reflektiert werden. Trifft, wie in 1 dargestellt, der Laserstrahl 5 nahezu senkrecht auf das Werkstück 2, so breiten sich die Rückreflexionen 11 in entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl 5 durch die Vorrichtung 1 aus. Die Rückreflexionen 11 passieren daher zunächst die Optik 10 und die Ablenkeinheit 7, bevor sie auf die optische Strahlstabilisierungseinrichtung 6 treffen, die die Rückreflexionen 11 abschwächt bzw. vollständig eliminiert und/oder deren Polarisationsrichtung so ändert, dass eine Kopplung des vom Stablaser emittierten Laserstrahls mit den Rückreflexionen zumindest weitestgehend vermieden wird. Die Eigenschaften des auf das Werkstück 2 treffenden Laserstrahls 5 werden somit nicht bzw. weniger von den Rückreflexionen 11 beeinflusst, was zu einer deutlichen Verbesserung der Graustufenmarkierung führt.
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In 2 ist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung 6 durch eine optische λ/4-Verzögerungsplatte 12 gebildet. Auf die λ/4-Verzögerungsplatte 12 trifft der Laserstrahl 5, der vom aktiven Lasermedium 4 des Stablasers 3 mit linearer Polarisation emittiert wird. Die λ/4-Verzögerungsplatte 12 ist so beschaffen und ausgerichtet, dass die lineare Polarisation des Laserstrahls 5 beim Hindurchtreten in eine zirkulare Polarisation geändert wird. Der durch die λ/4-Verzögerungsplatte 12 hindurchgetretene Laserstrahl 5 wird an dem Werkstück 2 reflektiert, und die vom Werkstück 2 ausgehenden Rückreflexionen 11 treffen nun in der zum Laserstrahl 5 entgegengesetzten Richtung auf die λ/4-Verzögerungsplatte 12. Beim Hindurchtreten der Rückreflexionen 11 wird deren zirkulare Polarisation durch die λ/4-Verzögerungsplatte 12 in eine lineare Polarisation geändert, welche jedoch um 90° gegenüber der ursprünglichen linearen Polarisation des Laserstrahls 5 gedreht ist. Neben λ/4-Verzögerungsplatten können auch Verzögerungsplatten höherer Ordnung, beispielsweise (5/4)λ-Verzögerungsplatten, oder andere geeignete optische Elemente eingesetzt werden. Die nun linear polarisierten Rückreflexionen 11 werden zum Teil am Auskoppelspiegel des Stablasers 3 reflektiert; der verbleibende Teil gelangt durch den teildurchlässigen Auskoppelspiegel in das aktive Lasermedium 4. Da die lineare Polarisation der Rückreflexionen 11 um 90° gedreht ist, können keine Kopplungs- oder Interferenzeffekte zwischen dem Laserstrahl 5 und den Rückreflexionen 11 im aktiven Lasermedium 4 des Stablasers 3 auftreten. Insbesondere wird die Bildung eines parasitären Resonators bestehend aus dem undurchlässigen Spiegel des Stablasers 3 und dem als Spiegel wirkenden reflektierenden Werkstück 2 zuverlässig verhindert.
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In 3 ist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung 6 durch einen polarisierenden Strahlteiler 13, eine λ/4-Verzögerungsplatte 12, einen Absorber 14 und eine drehbare λ/2-Verzögerungsplatte 15 gebildet. Der Laserstrahl 5 trifft mit linearer Polarisation zunächst auf die drehbare λ/2-Verzögerungsplatte 15. Abhängig von dem durch eine Drehung einstellbaren Winkel zwischen der optischen Achse der λ/2-Verzögerungsplatte 15 und der Polarisationsrichtung 6 des Laserstrahls 5 wird beim Hindurchtreten des Laserstrahls 5 dessen Polarisationsrichtung gedreht. Der Laserstrahl 5 trifft nun auf den polarisierenden Strahlteiler 13. Dieser ist so angeordnet, dass der Laserstrahl 5 den polarisierenden Strahlteiler 13 ohne Reflexionen passieren kann, wenn die λ/2-Verzögerungsplatte 15 so gedreht ist, dass keine Änderung der Polarisationsrichtung des Laserstrahls 5 beim Hindurchtreten stattfindet. Wird, wie in 3 nicht dargestellt ist, die λ/2-Verzögerungsplatte 15 gedreht, so passiert abhängig von der ursprünglichen Polarisationsrichtung des Laserstrahls 5 ein erster Anteil den polarisierenden Strahlteiler 13, wohingegen ein verbleibender zweiter Anteil am Strahlteiler reflektiert wird und seitlich austritt. Der zweite Anteil kann durch einen weiteren Absorber (in 3 nicht dargestellt) absorbiert werden. Durch eine entsprechende Drehung der λ/2-Verzögerungsplatte 15 lässt sich somit die zur Markierung eines Werkstücks verwendete mittlere Laserleistung einstellen.
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Nachdem der Laserstrahl 5 den polarisierenden Strahlteiler 13 passiert hat, trifft er auf die λ/4-Verzögerungsplatte 12. Beim Hindurchtreten durch die λ/4-Verzögerungsplatte 12 wird die lineare Polarisation des Laserstrahls 5 in eine zirkulare Polarisation geändert. Die vom Werkstück 2 ausgehenden, zirkular polarisierten Rückreflexionen 11 des Laserstrahls 5 treffen nun in der zum Laserstrahl 5 entgegengesetzten Richtung auf die λ/4-Verzögerungsplatte 12. Beim Hindurchtreten der Rückreflexionen 11 durch die λ/4-Verzögerungsplatte 12 wird deren zirkulare Polarisation in eine lineare Polarisation geändert, welche jedoch um 90° gegenüber der ursprünglichen linearen Polarisation des Laserstrahls 5 gedreht ist. Aufgrund ihrer nun um 90° gedrehten Polarisation werden die Rückreflexionen 11 am polarisierenden Strahlteiler 13 reflektiert, treten seitlich in Richtung des Absorbers 14 aus, an dem sie absorbiert werden. Die Rückreflexionen 11 können somit weder am teildurchlässigen Spiegel des Stablasers 3 reflektiert werden noch in das aktive Lasermedium 4 gelangen.
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In 4 ist die optische Strahlstabilisierungseinrichtung 6 durch einen optischen Isolator 16, beispielsweise einen Faraday-Isolator, gebildet. Der optische Isolator 16 ist dabei so zwischen dem Stablaser 3 und der Ablenkeinheit 7 angeordnet, dass der vom Stablaser 3 emittierte und linear polarisierte Laserstrahl 5 den optischen Isolator 16 möglichst ungehindert passieren kann. Die Rückreflexionen 11 werden jedoch im optischen Isolator 16 abgelenkt und/oder absorbiert und können nicht in das aktive Lasermedium 4 des Stablasers 3 gelangen.
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In 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum rückreflexionsunabhängigen Graustufenlasermarkieren dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lasereinheit 17 mit einem optischen Isolator 16, der als Strahlstabilisierungseinrichtung 6 dient. Da optische Isolatoren nur bei kleinen Strahldurchmessern verwendet werden können, ist der Isolator 16 in die Lasereinheit 17 mit integriert und optisch direkt an den Ausgang des verwendeten Stablasers 3 angefügt. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 einen Bearbeitungskopf 18 mit einer integrierten Strahlablenkeinheit 7. Eine Fokussierungsoptik 10 in Form eines F-Theta-Objektivs ist am Bearbeitungskopf 18 angebracht und fokussiert den durch die Strahlablenkeinheit 7 abgelenkten Laserstrahl 5 auf das zu bearbeitende Werkstück 2.
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Erfindungsgemäß kann die Bearbeitung des Werkstücks 2 in einem graustufenfähigen Markieren, Beschriften oder Kennzeichnen bestehen. Ebenso ist ein graustufenfähiges Belichten eines photoempfindlichen Werkstücks 2 mit der in 5 dargestellten Vorrichtung 1 möglich. Die bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 mit dem Laserstrahl 5 entstehenden Rückreflexionen 11 haben selbst bei einem senkrechten Einfall des Laserstrahls 5 auf das Werkstück 2 keinen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität. Zwar breiten sich die Rückreflexionen 11 genau in entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl 5 aus, werden aber im optischen Isolator 16 absorbiert und gelangen nicht in das aktive Lasermedium 4 des in der Lasereinheit 17 verwendeten Lasers 3. Eine Beeinflussung der optischen Parameter des Laserstrahls 5 aufgrund von Rückreflexionen 11 in das aktive Lasermedium und eine daraus resultierende Verstärkung der Rückreflexionen 11 oder eine Kopplung mit dem Laserstrahl 5 tritt daher nicht auf. Bei dem Werkstück 2 in 5 handelt es sich beispielsweise um eine laserbeschriftbare ID-Karte, welche in verschiedenen Graustufen beschriftet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7405114 B2 [0003, 0006, 0009, 0009]
- DE 4429110 C2 [0005]
- DE 102007017363 A1 [0007, 0007]
