DE202015009112U1

DE202015009112U1 - Mehrstrahllasereinrichtung zur Materialbearbeitung

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Publication number: DE202015009112U1
Application number: DE202015009112.1U
Authority: DE
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Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2016-10-11
Anticipated expiration: 2025-10-02
Also published as: DE102015116642A1

Abstract

Mehrstrahllasereinrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Hauptoszillator mit einem Erweiterungsbaustein des Laserbündels, einem Mehrkanalverstärker und Laserabtastköpfen und/oder anderen optischen Elementen, die die verstärkte Strahlung auf ein zu bearbeitetes Material ausrichten, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker aus einer Vielzahl der gekreuzten Laserplatten zusammengesetzt ist, dass jede Platte aus einem oder mehreren der gleichläufig mit der Plattenlängsachse gestreckten engen aktiven Kernen und einer daran angrenzenden inaktiven Hülle besteht, dass die Platten nacheinander an einer Achse in mehreren Parallelreihen angeordnet sind, dass die breiten Flächen der geraden und ungeraden Platten dabei relativ zueinander um einen gleichen Winkel gedreht sind, und dass die angrenzenden engen Längsflächen einander so zugewandt sind, dass die von der Seite einer freien engen Längsfläche kommende Pumpstrahlung zwischen die breiten Flächen einiger Platten folgerichtig passieren kann.

Description

Das Gebrauchsmuster bezieht sich auf die Lasertechnik und insbesondere auf Bearbeitung von Großteilen mittels Laser bzw. auf Bearbeitung von hoher Stückzahl der Werkstücke in einer Laseranlage.
Bei manchen Laseranwendungen ist es erwünscht, dass mehrere Laserstrahlen auf ein Ziel gleichzeitig ausgerichtet werden bzw. dass mehrere Ziele gleichzeitig bearbeitet werden. Dabei muss eine gleichmäßige Auslastung und hohe Positioniergenauigkeit jedes Laserstrahls sichergestellt werden.
Ein der möglichen Verfahren zur Erzeugung von mehreren Laserbündeln ist in der Patentschrift [1] beschrieben und wird als Stand der Technik gegenüber dem beanspruchten Gebrauchsmuster betrachtet. Dieses Verfahren sieht Aufteilung des Laserbündels von einer leistungsstarken Quelle mittels eines Splitters in mehrere Strahle vor und umfasst unter anderem Folgende Schritte: Einteilung des Arbeitsraums in zahlreiche Bereiche, Beschichtung des Arbeitsfeldes mit einer Materialschicht und Ausrichtung der zahlreichen Laserstrahlen je nach der Konfiguration der Bereiche zwecks Materialbearbeitung. Dieser Stand der Technik ist dadurch bemängelt, dass die Leistung infolge der Teilung des ursprünglichen Laserbündels schlagartig abfällt und dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt wird. Das liegt daran, dass der Umfang der zu bearbeiteten Oberfläche unter den Bereichen in der Regel ungleichmäßig verteilt ist. Daher werden manche Laserbündel, die nicht ins Überlappungsgebiet des Bereichs mit dem größten Bearbeitungsumfang fallen, nicht mit voller Leistung benutzt.
Eine Alternative der Strahlungsspaltung in einem Lasersystem mit einem Leistungsverstärker ist die Aufteilung der Ausgangsstrahlung eines Hauptoszillators und der Einsatz von mehreren Leistungsverstärkern. Dieser Ansatz ist in einer aus der Patentschrift [2] bekannten Lasereinrichtung realisiert und ist als Prototyp des vorliegenden Gebrauchsmusters gewählt. Der Mangel des Prototyps besteht darin, dass jeder Verstärkerkanal mit eigenen Pump- und Abkühlsystemen versehen ist. Das vergrößert die Abmessungen und die Kosten des Mehrstrahllasersystems und ermöglicht es nicht, die Strahlenmenge auf mehrere Dutzende oder Hunderte von Strahlen in einer Einrichtung mit vernünftigen Abmessungen zu bringen.
Um die Mängel der bekannten Einrichtungen zu überwinden, wird im beanspruchten Gebrauchsmuster Folgendes eingesetzt:

– ein Mehrkanalverstärker mit für alle Kanäle gemeinsamen Pump- und Abkühlsystemen;
– ein System von Sensoren, um die genaue Positionierung der Laserstrahlen sicherzustellen;
– mehrfache Überlappung der Abtastgebiete der Laserstrahlen für ihre gleichmäßige Auslastung.

Um jedes Laserbündel zu verstärken, werden gekreuzte dünne Platten mit einem oder mehreren aktiven Kernen verwendet. Ihre Querabmessung ist ungefähr gleich der Querschnitt des zu verstärkenden Laserbündels. Diese Platten sind in 1a und 1b abgebildet. Die gekreuzte aufeinanderfolgende Anordnung der Platten ermöglicht es, einen engen durchsichtigen Kanal mit einem verstärkenden Kern zu schaffen. Alle unnötigen Strahlungsmoden sowie die verstärkte spontane Strahlung und die unerwünschte Strahlung (Störemission) gehen von diesem Kanal aus über die geöffneten Partien der Plattenstirnflächen. Diese Strahlungen fallen unter einem Winkel zur Verstärkerkanalachse ein. Die verstärkte spontane Strahlung und die unerwünschte Strahlung breiten sich über die gesamte Kanallänge die Achse des verstärkenden Kerns entlang aus und werden infolge einer relativ hohen Leistungsdichte des erweiterten Strahlungsbündels eines Hauptoszillators unterdrückt. Die Unterdrückung erfolgt aufgrund einer Regel, dass die Wahrscheinlichkeit einer erzwungenen Emission in einem erregten aktiven Medium proportional zur Leistungsdichte des dadurch passierenden Strahlungsbündels ist [4]. Bei Impulsbetriebszuständen muss dieser Anteil der spontanen und der unerwünschten Strahlung durch den Einsatz von Güteschaltern (Q-Schaltern) unterdrückt werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um akustooptische Platten handeln, die in Reihen der Verstärkerplatten eingebaut werden. Die Aufgabe der Erzeugung von Dutzenden und Hunderten von leistungsstarken Laserbündeln mit einer hohen Strahlungsqualität wird dadurch gelöst, dass eine große Menge an Laserplatten eine nach der anderen in einigen Parallelreihen angeordnet wird, wie es in 2a und 2b dargestellt ist. Dabei sind die breiten Flächen der geraden und ungeraden Platten um einen gleichen Winkel relativ zueinander gedreht, und die engen Längsflächen in angrenzenden Reihen sind einander so zugewandt, dass die seitens einer freien engen Längsfläche in einer Randreihe kommende Pumpstrahlung zwischen die breiten Flächen einiger Platten folgerichtig passieren kann. Der Raum zwischen allen Platten wird mit Wärmeableitelementen gefüllt. Die Pumpstrahlung wird durch Ketten von Laser-LED erzeugt und über die freien engen Längsflächen der Platten zugeführt. Die Form und die Abmessungen des Querschnitts des aktiven Kerns werden je nach der Konzentration einer aktivierenden Beimischung so gewählt, dass bei einer Soll-Leistungsdichte der Pumpstrahlung ein hinreichender Erregungsgrad des gesamten aktiven Mediums sichergestellt ist. Dieser Erregungsgrad wird durch eine Strahlung erreicht, die durch mehrere Platten folgerichtig passiert. Einige Ausführungsformen der aktiven Kerne sind in 3 dargestellt. Somit wird das wirksame Pumpen sichergestellt, ohne dass zusätzliche Optik eingesetzt werden muss. Eine wirksame Wärmeableitung wird dadurch erreicht, dass alle breiten Flächen der Platte für das Wärmeableitmedium frei zugänglich sind.
Die Sensoren werden auf einem Rahmen angebaut, dessen Kanten in ungenutzten Überschneidungen der Randabtastgebiete jedes Strahlenpaars liegen. Die erste Gruppe der Sensoren ist abtastkopfseitig ausgerichtet. Sie wird benutzt, um die Korrekturen zu berechnen, welche die Justierfehler dieser Abtastköpfe ausgleichen. Die zweite Gruppe der Sensoren ist zur Seite des zu bearbeiteten Materials ausgerichtet. Sie wird benutzt, um den laufenden Zustand des Bearbeitungsvorgangs auszuwerten.
Um alle Strahlen gleichmäßig auszulasten, kann das Arbeitsfeld in dreieckige, quadratische oder rechteckige Abschnitte (Sektoren) aufgeteilt werden. Die Austrittsfenster der Laser-Abtastköpfe werden gegenüber von den Spitzen jedes Abschnitts auf einer Höhe angebracht, die nach der Formel h ≥ d/tgα berechnet wird, wobei d die Länge der Diagonale eines quadratischen oder rechteckigen Abschnitts bzw. die Länge einer Seite des dreieckigen Abschnitts und α der größte Abtastwinkel ist. Solche Anordnung stellt sicher, dass jeder Strahl jeweils mehrere Abschnitte abdeckt. Die Materialbearbeitung erfolgt schrittweise. Bei jedem der Schritte werden die Austrittsstrahlen der Laserköpfe auf einen Abschnitt mit dem größten Umfang des unbearbeiteten Materials ausgerichtet. Ist die Bearbeitung aller einem gewissen Strahl zugeordneten Abschnitte früher abgeschlossen als die Bearbeitung der den anderen Strahlen zugeordneten Abschnitte, so tastet der die Bearbeitung fertiggestellte Strahl in einem defokussierten Zustand jene Abschnitte weiter, denen während der Bearbeitung die kleinste elektromagnetische Energiemenge zugefallen ist. Somit ermöglicht das beanspruchte Gebrauchsmuster es, Materialien mit einer Vielzahl an gleichzeitig genutzten Strahlen und zwar parallel in mehreren Bearbeitungsabschnitten zu bearbeiten und/oder mehrere Strahlen in einem Punkt jedes Abschnitts zu konzentrieren (zusammenzubringen).
Es zeigen:
1a – Verbundstoffplatten, um 90 Grad gedreht
1b – Platten mit zwei Kernen, um 120 Grad gedreht
2a und 2b – Anordnung der Verbundstoffplatten in einem aktiven Element einer Mehrstrahllaserlichtquelle
3 – Laserplatten mit einem aktiven Kern unterschiedlicher Ausführungsformen
4a – Mehrstrahllaserlichtquelle
4b – Mehrstrahllaserlichtquelle und ein Laserabtastkopf
5 – Mehrstrahlverstärker für Laseremission
6 – Anordnung der Verbundstoff-Laserplatten
7 – eine Reihe von Laserplatten mit einem Paar der Flächen in Form von einem Parallelogramm
8 – eine Reihe von Laserplatten mit wachsender Kerngröße
9 – eine Platte mit einem optischen Gitter und ihre Funktionsweise
10 – Verstärker mit folgerichtigem Durchgang durch die Reihen der Laserplatten
11 – Einbaustellen der Sensoren
12 – Mehrstrahllasereinrichtung zur Bearbeitung eines Materials, dessen Oberfläche in quadratische oder rechteckige Abschnitte aufgeteilt ist
13 – Mehrstrahllasereinrichtung zur Bearbeitung eines Materials, dessen Oberfläche in dreieckige Abschnitte aufgeteilt ist
14 – doppelter Laserabtastkopf
Bezugszeichenliste

1: Hauptoszillator
2: Austrittstrahlungsbündel eines Hauptoszillators
3: Erweiterungsbaustein für Laseremission
4: Austritt-Laserstrahlungsbündel des Erweiterungsbausteins
5: Array von Austritt-Laserstrahlungsbündeln einer Mehrstrahllaserlichtquelle
7: Mehrstrahl-Laserverstärker
8: Spiegel
9: Laserabtaster
10: Laserplatte
11: aktiver Kern
12: Reihe von nacheinander angeordneten Laserplatten
13: enge Längsfläche
14: breite Fläche
15: Beugungsgitter
17: inaktive Hülle
18: Reflexionsprisma
21: Wärmeableitplatte
22: Kühlflüssigkeitssammler
23: Stutzen
24: durchgehende Löcher, um die Kühlflüssigkeit durchzupumpen
25: Ein-/Austrittsblende des Mehrstrahl-Laserverstärkers
31: Kette der Laser-LED
32: Array der Ketten von Laser-LED
91: Abtastgebiet
92: periphere Abtastgebiete, die für jedes Strahlenpaar gemein sind und bei Materialbearbeitung nicht benutzt werden
93: optische Reflexionselemente
100: Grundgestell
102: Raster mit quadratischen, rechteckigen oder dreieckigen Abschnitten
103: Rahmen zum Einbau der Sensoren
104: Sensoren

Gemäß einer der Ausgestaltungen der Mehrstrahllasereinrichtung zur Materialbearbeitung, die in 4a dargestellt ist, wird ein Array der Laserstrahlen 5 durch eine Mehrstrahllaserlichtquelle geschaffen. Die Mehrstrahllaserlichtquelle besteht aus einem Hauptoszillator 1, einem Erweiterungsbaustein, um Laserbündel 3 zu erweitern, und einem Mehrkanalverstärker 7. Die Laserstrahlung wird auf ein zu bearbeitetes Material zum Beispiel mit Hilfe von Spiegeln 8 und Laser-Abtastköpfe 9 ausgerichtet, wie es in 4b dargestellt ist. Anstelle der Spiegel können Reflexionsprismen oder Lichtfaser eingesetzt werden. Der Mehrkanalverstärker 7 ist in 5 abgebildet. Er umfasst mehrere Arrays der Ketten von Laser-Pumpdioden 32 mit einem eigenen Abkühlsystem und Stromversorgungsdrivern (Treiberschaltungen für Stromversorgung?) (diese sind in 4 und 5 nicht abgebildet) sowie Wärmeableitelemente 21, 22, 23 und ein aktives Mehrkanalelement aus 6. Bei diesem Mehrkanalelement handelt es sich um einen Satz von Parallelreihen 12, die aus einer Serie von Laserplatten 10 mit aktiven Kernen 11 bestehen. Bei dieser Ausgestaltung hat jede Platte je einen aktiven Kern und die breiten Flächen der angrenzenden Platten in jeder Reihe sind um 90 Grad zueinander gedreht. Die Strahlungsbündel 5 werden vom Ausgang des Verstärkers 7 aus an die Eintrittsfenster der Laser-Abtastköpfe 9 mittels der Spiegel 8 gerichtet. Um die Zeichnung zu vereinfachen, zeigt 4b nur eine der Vielzahl der benutzten Laser-Abtastköpfe.
Die Funktionsweise der Mehrstrahllasereinrichtung nach dieser Ausgestaltung ist wie folgt.
Der Hauptoszillator 1 für Laseremission erzeugt ein wenig divergierendes Bündel 2 der elektromagnetischen Strahlung, die zum Eingang des Erweiterungsbausteins 3 kommt. Das breite Strahlungsbündel 4 wird vom Ausgang des Erweiterungsbausteins 3 aus in einzelne Fragmente aufgeteilt, indem es über die Blenden 25 im ersten Kühlflüssigkeitssammler 22 durchläuft. Diese Fragmente werden getrennt verstärkt, indem sie die langen durchsichtigen Kanäle mit einem verstärkenden Kern passieren. Diese Kanäle werden durch die nacheinander angeordneten gekreuzten Platten 10 gebildet. Die Leistungsdichte des erweiterten Laserbündels der ununterbrochenen Strahlung 4 soll dafür ausreichen, um solche Bedingungen zu schaffen, bei denen sie auf dem Gebiet des aktiven Kerns über die anderen in dieses Gebiet fallenden Strahlungen dominiert. Die verstärkten Strahlungsbündel 5 werden über Blenden 25 im zweiten Kühlflüssigkeitssammler 22 hinausgeführt.
Alle breiten Flächen 14 der Verbundstoff-Laserplatten 10 stehen im Wärmekontakt mit Wärmeableitelementen 21. Die Wärmeableitelemente haben durchgehende Löcher 24 zum Durchpumpen der Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit unter Druck kommt über Stutzen 23 in den Eintrittssammler 22 und wird über Löcher 24 in den Wärmeableitelementen 21 an den Austrittssammler 22 durchgepumpt. Die erwärmte Flüssigkeit wird über Stutzen 23 an einen Chiller zwecks Abkühlung abgeleitet und wird dann wieder verwendet oder entsorgt. Um das aktive Medium zu pumpen, werden die zu Arrays 32 zusammengefassten Ketten von Laser-LED 31 verwendet. Die Pumpstrahlung kommt in das aktive Mehrkanalmedium über die freien engen Längsflächen 13 der Platte 10 und passiert infolge der vollständigen Innenreflexion an breiten Flächen durch mehrere Platten 10, deren enge Längsflächen 13 einander zugewandt sind. Gleichzeitig geht die Pumpstrahlung durch die Kerne der Platten und erregt das aktive Material der Platten. Das stellt die Verstärkung der über den aktiven Kern passierenden Strahlung sicher. Die verstärkten Strahlungsbündel 5 werden mittels Spiegel 8 auf die Eintrittsfenster der Laser-Abtastköpfe gerichtet. Die Austrittsstrahlen der Laserköpfe 9 werden auf das zu bearbeitete Material gerichtet, welches auf dem Arbeitsfeld der Einrichtung angeordnet ist.
Eine andere Ausgestaltung des Gebrauchsmusters sieht vor, dass die Laserplatten in Form von abgeschrägten Parallelepipeden gefertigt sind, wie es in 7 dargestellt ist, um den Einfluss der Reflexionen zu vermindern. Bei dieser Ausgestaltung hat ein Teil der Platten 10 in jeder Reihe, zum Beispiel geradzahlige Platten, ein Paar von breiten Flächen 14 in Form von einem Parallelogramm und die alternativen Platten haben ein Paar von engen Längsflächen 13 in Form von einem Parallelogramm, wobei die entsprechenden Winkel dieser Parallelogramme gleich sind. Der spitze Winkel der Parallelogramme kann dem Brewsterscher Winkel gleich sein. Um den eventuellen Astigmatismus zu beseitigen, der aufgrund des schrägen Strahleneinfalls entsteht, können am Eingang und am Ausgang des Mehrkanalverstärkers optische Keile angeordnet werden oder die Platten, deren Stirnflächen dem Aus- und Eingang jedes Kanals zugewandt sind, können eine solche Form aufweisen.
Um den Einfluss der Beugungseffekte zu vermindern, indem ein apodisierendes Querprofil des Verstärkerkanals erzeugt wird, sieht die dritte Ausgestaltung des Gebrauchsmusters vor, dass die Größe des Querschnitts des aktiven Kerns 11 in Laserplatten 10 in jeder Reihe mit der Annäherung der Laserplatten an den Ausgang des Verstärkers stufenlos oder stufenweise zunimmt, wie es in 8 dargestellt ist.
Gemäß der vierten Ausgestaltung des Gebrauchsmusters, die in 9 dargestellt ist, haben Platten 10 je ein optisches Gitter 15 mit symmetrischen Furchen und mit einer großen Ganghöhe der Furchen an jeder engen Querfläche, um den Einfluss der Beugungseffekte zu vermindern. Dank der Brechung an seinen Flächen teilt das Gitter die normal einfallende Strahlung in symmetrische Wellenmoden auf. Diese Wellenmoden breiten sich die optische Achse der jeweiligen Platte entlang aus, indem sie sich an den breiten Flächen reflektieren. Gemäß dieser Ausgestaltung kann der Kern in vier Teile geteilt werden, die in Form von dünnen Schichten an breiten Flächen der Platte 10 in einem unmittelbaren Kontakt mit Wärmeableitelementen 21 angeordnet werden. Um die Polarisationsverluste beim folgerichtigen Durchgang durch die Gitter mit unterschiedlicher Ausrichtung der Furchen zu vermindern, können optische Elemente zwischen die geraden und ungeraden Platten angebaut werden. Diese optischen Elemente drehen die Polarisationsebene um den Drehwinkel der Platten. Beim Schneiden der Gitterfurchen unter einem Winkel, der dem Brewsterschen Winkel ungefähr gleich ist, werden minimale Verluste sichergestellt. Diese Ausgestaltung des Gebrauchsmusters zeichnet sich durch die besten Bedingungen für die Abkühlung der aktiven Kerne bei einer beliebigen Stärke von Platte 10 sowie durch die besten Bedingungen für das Querpumpen von einer hohen Menge der Kerne. Das ermöglicht es, sehr leistungsstarke Mehrstrahlsysteme mit Dutzenden, Hunderten und sogar Tausenden an Laserbündeln hoher Qualität mit einem relativ großen Querschnitt zu erzeugen.
Um das Spektrum der verstärkbaren Frequenzen zu erweitern, sieht die fünfte Ausgestaltung des Gebrauchsmusters vor, dass der aktive Kern in verschiedenen Platten sein eigenes Dotierungsmittel hat, welches sich von den in anderen Platten anwendbaren Dotierungsmitteln unterscheidet. Das kann bei der Bearbeitung der Verbundstoffe nutzvoll sein, die aus Komponenten mit verschiedenen Absorptionsspektren für Laseremission bestehen.
Bei der sechsten Ausgestaltung des Gebrauchsmusters sind anstelle des Hauptoszillators 1 und des Bündelerweiterungsbausteins 3 Reflexionselemente eingebaut, die es ermöglichen, den Verstärker bei einer ausreichenden Länge aller Platten in jeder Reihe auf einen Betriebszustand der Superlumineszenzstrahlung umzustellen. Solche Strahlung zeichnet sich durch eine niedrige zeitliche Kohärenz und einen breiteren Spektralbereich aus. Die Leistungsdichteverteilung in einem fokussierten Laserspot gemäß dieser Ausgestaltung erfolgt gleichmäßiger aufgrund der Kontrastverminderung der Speckle-Struktur. Dies kann bei der Bearbeitung mancher Materialien nutzvoll sein.
Die siebte Ausgestaltung des Gebrauchsmusters, die in 10 dargestellt ist, verwendet ein aktives Element mit einem folgerichtigen Strahlungsdurchgang durch mehrere Parallelreihen. Um dies zu realisieren, sind Reflexionsprismen 18 an der Seite der freien engen Stirnflächen der Platte angebaut. Die Reflexionsprismen 18 stellen einen seriell-parallelen Durchgang der verstärkbaren Strahlung über die Reihe der Platten sicher.
Um den Bearbeitungsvorgang zu steuern und die Bearbeitungsgenauigkeit zu steigern, sieht die achte Ausgestaltung des Gebrauchsmusters in einer Einrichtung, die gemäß einer beliebigen der vorherigen Ausgestaltungen ausgeführt ist, vor, dass zwischen dem Arbeitsfeld und den Abtastköpfen (wie in 11) Sensoren 104 auf einem Rahmen 103 angebaut sind, dessen Kanten in ungenutzten Überschneidungen 92 der Randabtastgebiete jedes Strahlenpaars angeordnet sind. Die erste Gruppe der Sensoren ist abtastkopfseitig ausgerichtet und wird eingesetzt, um die Korrekturen zu berechnen, welche die Justierfehler dieser Abtastköpfe ausgleichen, zum Beispiel, wie es die Patentschrift [3] vorschlägt. Die zweite Gruppe der Sensoren ist zur Seite des zu bearbeiteten Materials ausgerichtet und wird benutzt, um den laufenden Zustand des Bearbeitungsvorgangs auszuwerten.
Die neunte und die zehnte Ausgestaltungen des Gebrauchsmusters sind in 12 und 13 dargestellt. Gemäß diesen Ausgestaltungen ist das Arbeitsfeld in quadratische oder rechteckige Abschnitte 102 wie in 12 oder in dreieckige Abschnitte wie in 13 aufgeteilt. Gegenüber von Spitzen jedes Abschnitts sind Austrittsfenster der Laser-Abtastköpfe in einem Abstand zum Arbeitsfeld angeordnet. Der Abstand wird nach der Formel h ≥ d/tgα berechnet, wobei d die Länge der Diagonale eines quadratischen oder rechteckigen Abschnitts oder die Länge einer Seite des dreieckigen Abschnitts und α der größte Abtastwinkel ist. Um die Zeichnung in 13 zu vereinfachen, ist der Rahmen mit Sensoren nicht abgebildet, und der Strahlenverlauf ist nur für ein Laserbündel aus dem gesamten Array dargestellt, welches durch eine Mehrstrahllaserlichtquelle erzeugt wird. Bei der Einteilung des Arbeitsfeldes in quadratische oder rechteckige Abschnitte kann das Abtastgebiet 91 des Austrittsstrahls jedes Abtastkopfes 9 bis zu vier Abschnitte völlig abdecken. Dabei können bis zu vier Strahlen auf einen Punkt in jedem Abschnitt gerichtet werden. Wenn das Arbeitsfeld in dreieckige Abschnitte eingeteilt ist, kann das Abtastgebiet 91 des Austrittsstrahls jedes Abtastkopfes 9 bis zu sechs Abschnitte völlig abdecken. Dabei können bis zu drei Strahlen auf einen Punkt in jedem Abschnitt gerichtet werden. Die Materialbearbeitung wird schrittweise durchgeführt. In jedem der Schritte werden die Austrittsstrahlen der Laserköpfe 9 auf einen Abschnitt mit maximalem Umfang des unbearbeiteten Materials gerichtet. Ist die Bearbeitung aller einem gewissen Strahl zugeordneten Abschnitte früher abgeschlossen, als die Bearbeitung der den anderen Strahlen zugeordneten Abschnitte, so tastet der die Bearbeitung fertig gestellte Strahl in einem defokussierten Zustand die Abschnitte weiter ab, die die kleinste Menge der elektromagnetischen Energie während der Bearbeitung bekommen haben.
Die elfte Ausgestaltung des beanspruchten Gebrauchsmusters sieht vor, dass oberhalb der Spitzen der Abschnitte, in die das Arbeitsfeld eingeteilt ist, je zwei oder mehr Abtastköpfe angebaut sind, deren Abtastgebiete sich mit Hilfe von Reflextionselementen 93 überlappen, wie es in 14 dargestellt ist. Solche Anordnung der Laserköpfe ermöglicht es, die Laserstrahlen von den Köpfen, die oberhalb der Abschnitte mit einem kleinen Bearbeitungsumfang stehen, an die Köpfe, die oberhalb der Abschnitte mit einem großen Materialbearbeitungsumfang stehen, umzuleiten.
Die hier beschriebenen Ausgestaltungen decken nicht alle denkbaren Ausführungsbeispiele des beanspruchten Gebrauchsmusters ab. Ein Fachmann wird verstehen, wie diese leistungsstarke Einrichtung mit breiten Funktionsmöglichkeiten oder mehrere solche Einrichtungen im Rahmen der modernen fertigungstechnischen oder Forschungssysteme eingesetzt werden können.
Verwendete Literatur

1. US 201301112672
2. US 7443903
3. US 7916375
4. Koechner, W., Solid-State Laser Engineering, Sixth Revised and Updated Edition, 2006, W. T. Rhodes et al., eds., Springer Science + Business Media.

Claims

Mehrstrahllasereinrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Hauptoszillator mit einem Erweiterungsbaustein des Laserbündels, einem Mehrkanalverstärker und Laserabtastköpfen und/oder anderen optischen Elementen, die die verstärkte Strahlung auf ein zu bearbeitetes Material ausrichten, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker aus einer Vielzahl der gekreuzten Laserplatten zusammengesetzt ist, dass jede Platte aus einem oder mehreren der gleichläufig mit der Plattenlängsachse gestreckten engen aktiven Kernen und einer daran angrenzenden inaktiven Hülle besteht, dass die Platten nacheinander an einer Achse in mehreren Parallelreihen angeordnet sind, dass die breiten Flächen der geraden und ungeraden Platten dabei relativ zueinander um einen gleichen Winkel gedreht sind, und dass die angrenzenden engen Längsflächen einander so zugewandt sind, dass die von der Seite einer freien engen Längsfläche kommende Pumpstrahlung zwischen die breiten Flächen einiger Platten folgerichtig passieren kann.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar der Flächen jeder Platte in Form von einem Parallelogramm ausgebildet ist, dass zum Beispiel die geraden Platten ein Paar von breiten Flächen in Form von einem Parallelogramm haben, und dass die alternativen Platten ein Paar von engen Längsflächen in Form von einem Parallelogramm haben, wobei die spitzen Winkel dieser Parallelogramme gleich sind.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Querschnitts des aktiven Kerns in Laserplatten in jeder Reihe stufenlos oder stufenweise mit ihrer Annäherung an den Verstärkeraustritt zunimmt.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten an jeder engen Querfläche ein durchsichtiges optisches Gitter mit einem symmetrischen dreieckigen Furchenprofil mit haben, wobei das optische Gitter dank der Brechung an seinen Flächen die normal einfallende Strahlung in symmetrische Wellenmoden aufteilt, dass die Wellenmoden sich die optische Achse der Platten entlang infolge der Reflexion an den breiten Flächen ausbreiten, dass der aktive Kern in vier Teile geteilt werden kann, die in Form von dünnen Schichten an breiten Flächen angeordnet werden, so dass ein unmittelbarer Kontakt mit einem Wärmeableitmedium möglich ist, und dass dabei zwischen den gekreuzten nacheinander angeordneten Platten mit Gittern an Stirnflächen optische Elemente angebaut sind, die die Polarisationsebene der verstärkbaren Strahlung um einen Drehwinkel der Platten drehen.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Partien der Stirnflächen von Ein- und Austrittsplatten Reflexionsprismen angebaut sind, die dafür sorgen, dass die verstärkbare Strahlung durch die Plattenreihen seriell parallel durchgeht.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, um das Spektrum der verstärkbaren Frequenzen zu erweitern, manche Platten aktive Kerne haben, die aus einem Material mit einem Dotierungsmittel gefertigt sind, welches sich von den in den Kernen anderer Platten anwendbaren Dotierungsmitteln unterscheidet.
Mehrstrahllaserlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Eingängen des Mehrkanalverstärkers anstelle von einem Hauptoszillator mit einem Erweiterungsbaustein Reflexionselemente angebaut sind, dass die gemeinsame Länge und die Pumpbedingungen der aktiven Kerne in jeder Reihe der Platten dabei einen Betriebszustand der Superlumineszenzstrahlung der Verstärkerkanäle sicherstellen.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Arbeitsfeld mit einem zu bearbeiteten Material und den Laserabtastköpfen Sensoren auf einem Rahmen angebaut sind, dessen Kanten in ungenutzten Überschneidungen der Randabtastgebiete jedes Strahlenpaars liegen, dass ein Teil der Sensoren dabei abtastkopfseitig ausgerichtet ist und benutzt wird, um die Korrekturen zu berechnen, welche die Justierfehler dieser Abtastköpfe ausgleichen, und dass ein anderer Teil der Sensoren zur Seite des zu bearbeiteten Materials ausgerichtet ist und benutzt wird, um den laufenden Zustand des Bearbeitungsvorgangs auszuwerten.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfeld mit dem zu bearbeiteten Material in Abschnitte in Form von gleichseitigen Dreiecken aufgeteilt ist, dass oberhalb der Spitzen dieser Dreiecke Austrittsfenster der Laserabtastköpfe auf einer Höhe ausgebildet sind, die nach der Formel h ≥ L/tgα berechnet wird, wobei L die Länge einer Seite des dreieckigen Abschnitts und α der größte Abtastwinkel ist, dass jeder Strahl dabei das Material in den am Strahl anliegenden Abschnitten nach einem vorgegebenen Programm bearbeitet, dass die Prioritätsabtastung in solchen Abschnitten vorgenommen wird, die den größten Umfang des unbearbeiteten Materials enthalten, dass wenn im Abtastgebiet des Strahls keine Abschnitte mit dem unbearbeiteten Material vorhanden sind, so tastet der Strahl in einem defokussierten Zustand das Material in jenen Abschnitten ab, die während der Bearbeitung die kleinste Menge der elektromagnetischen Energie bekommen haben.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei oder mehr Abtastköpfe oberhalb der Spitzen der dreieckigen Abschnitte abgebaut sind, in die das Arbeitsfeld aufgeteilt ist, dass die Abtastgebiete der Abtastköpfe sich mit Hilfe von optischen Reflextionselementen überlappen.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfeld mit dem zu bearbeiteten Material in quadratische oder rechteckige Abschnitte eingeteilt ist, oberhalb deren Spitzen Austrittsfenster der Laserabtastköpfe auf einer Höhe angeordnet sind, die nach der Formel h ≥ d/tgα berechnet wird, wobei d die Länge der Diagonale eines Abschnitts und α der größte Abtastwinkel ist.
Mehrstrahllasereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Spitzen der quadratischen oder rechteckigen Abschnitte, in die das Arbeitsfeld eingeteilt ist, je zwei oder mehr Abtastköpfe angebaut sind, deren Abtastgebiete sich mit Hilfe von optischen Reflextionselementen überlappen.