DE2040140C3

DE2040140C3 - Bearbeitungslaser

Info

Publication number: DE2040140C3
Application number: DE2040140A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Baum; Hartmut Dipl.-Phys.Dr.Rer.Nat. Buyken; Werner Raetzel; Gerhard Dipl.-Phys. Rauscher; Achim Dipl.-Phys. Reichelt; Gerhard Dipl.-Ing. Winzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-08-12
Filing date: 1970-08-12
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DE2040140A1; DE2040140B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bearbeitungslaser, dessen fokussierter und auf die Bearbeitungss.'elle am Werkstück gerichteter kohärenter

ίο Strahl bezüglich seinem am Werkstück wirksam werdenden Strahlquerschnitts einstellbar ist.

Mit einem Laserstrahl läßt sich eine außerordentlich hohe Leistungsdichte erreichen. Für viele Anwendungszwecke ist diese Leistungsdichte nicht erforder-

lieh. Man ordnet dann, beispielsweise beim Laserschweißen, das Werkstück um ein definiertes Maß unterhalb des Brennpunktes der Fokussieroptik an (Defokussierung). Auf diese Weise wird die Energie des Laserstrahles auf die Fläche des gewünschten Schweiß-

ao punktes verteilt. Eine Veränderung der Strahlenein wirkzone durch Veränderung des Abstandes der Werkstückoberfläche vom Strahlenbrennpunkt oder über das optische System ist z. B. in dem Artikel »Laserschweißen in der Mikroelektronik«, erschienen im

as »Elektroanzeiger«, Bd. 22, Nr. 12 vom 9.4.1969 auf S. 4 !,beschrieben.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 8, Nr. 6, Nov. !965, S. 882 wird ein Bearbeitungslaser beschrieben, der zum Bohren von Löchern bestimmt ist. Dabei wird der Laserstrahl durch eine Ablenkeinheit auf die verschiedenen Bearbeitungsplätze gelenkt, ohne daß der Querschnitt des Laserstrahles auf den verschiedenen Bearbeitungsplätzen variiert wird.

Bei derartigen Bearbeitungslasern treten immer noch Unregelmäßigkeiten in der Strahlenverteilung auf. Dadurch wird ein regelmäßiger und kontrollierbarer Ablauf des gesamten Behandlungsprozesses, z. B. Schweißprozesses, in dem der Wärmetransport von der bestrahlten Oberfläche aus eine wesentliche Rolle spielt, verhindert.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Intensitätsverteilung eines Bearbeitungslaserstrahles in vorgegebener Weise in Abhängigkeit vom Behandlungsobjekt zu steuern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Strahlengang des Laserstrahles ein Modulator angeordnet ist, der den wirksam werdenden Strahlquerschnitt im Sinne einer Strahlaufweitung oder -auffächerung optisch steuert.

J₀ Die Modulation kann erfolgen durch Beugung, Brechung (auch Doppelbrechung), Streuung oder Reflexion oder durch eine Kombination dieser Verfahren, wobei der Transmissionsgrad möglichst nahe bei 1 liegen sollte.

Ein geeigneter Modulator besteht insbesondere aus einem Phasengitter, z. B. einem Phasenstrichgitter. Durch Wahl des Phasenhubes kann die Intensitätsverteilung der Beugungsordnungen in gewünschter Weise beeinflußt werden. Durch Wahl der Gitterkonstanten

So läßt sich außerdem der Ort der Beugungsordnungen in der Schweißebene definiert einstellen.

Durch Überlagerung mehrerer derartiger Phasengitter auf einem gemeinsamen transparenten Substrat oder durch Reihenschaltung lassen sich polygonförmige Verteilungen erreichen, die den gewünschten zentralsymmetrischen weitgehend nahekommen, wenn die Einzelgitter verschiedene Winkel zueinander einschließen.

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Andere, ζ. B. elliptische Verteilungen können durch entsprechende Wahl der Gitterkonstanten der einzelnen Gitter erzeugt werden. Es ist insbesondere auch möglich, durch kontinuierliche örtliche Änderung der Gitterkonstanten die Beugungsordnungen lückenlos ineinander übergehen zu lassen. Derartige Phasengitter lassen sich beispielsweise durch Zweistrahlinterferenz (Holografie) herstellen, wenn eine der beiden interferierenden Wellen als ebene Welle, die andere als Zylinderwelle vorgegeben werden.

Derartige Phasengitter lassen sich in einfacher Weise optisch mittels Fotoemulsionen, Fotolacken, dichromatisierter Gelatine sowie durch Ätz-, Ritz- und Prägetechnik oder auch mit Elektronenstrahlen in Thermoplasten und ähnlichen herstellen, wobei vorausgesetzt werden muß, daß diese Substanzen eine vernachlässigtare Absorption für die benutzte Laserwellenlänge besitzen.

Es ist jedoch auch möglich, die Phasengitter zunächst als binäre Amplitudenstruktur mittels eines Plotters zu ao zeichnen und zur Erzeugung eines annähernd sinusförmigen Transmissionsverlaufs auf Fotomaterial mit einer solchen Kennlinie umzukopieren, die die starke Rechteckstruktur nichtlinear verschmiert. Die hierbei hergestellte Maske dient als Vorlage für die Überlage- as rung von Gittern verschiedener Richtungen, die in geeignetem Maßstab verkleinert, wiederum durch Fotomaskierung ein Phasenvielfach-Strichgitter erzeugen.

Zur Herstellung komplizierter Strahlenintensitätsverteilungen müssen die Fouriertransformierten dieser Verteilungen zunächst mit Hilfe einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage für den Plotter aufgearbeitet, berechnet werden.

Weiterhin ist es möglich, den Laserstrahl an laufenden Ultraschallwellen zu beugen und dadurch zu modutieren. Als Modulator wird hierbei zweckmäßigerweise ein wassergefülltes Gefäß verwendet, in dem zwei senkrecht zueinander laufende Ultraschallwellen erzeugt werden. Für den senkrecht dazu einfallenden Laserstrahl wirken diese laufenden Ultraschallwellen wie ein Phasengitter. In der Brennebene der dahinter aufgestellten Fokussierlinse wird eine Anordnung von Beugungsmaxima erzeugt, die als Strahlverteilung für die Laserstrahlbehandlung verwendet werden kann. Die Frequenz der Ultraschallwellen wird vorzugsweise im Bereich von 2 bis 4 MHz gewählt. Macht man die Frequenz bzw. die Amplitude der Ultraschallwelle variabel, so kann beispielsweise bei einer Schweißbehandlung durch eine Steigerung der Frequenz am Ende des Schweißvorganges der Strahlenquerschnitt vergrößert und auf diese Weise eine langsame Abkühlung der Schweißstelle erreicht werden.

Es ist ferner zweckmäßig, die dem Resonator des Bearbeitungslasers zugewandte Glasscheibe des Wasserbehälters als Auskoppelspiegel auszubilden.

Im Vergleich zur Laserstrahlfrcquenz stellen die Ultraschallwellen eine niedrige Modulationsfrequenz dar. Eine schnellere Änderung der Intensitätsverteilung kann durchgeführt werden, wenn der Strahl zeitlich nacheinander in verschiedenen Richtungen abgelenkt wird, so daß sich die erwünschte Intensitätsverteilung ais zeitlicher Mittelwert der tatsächlichen Strahlung ergibt. Es ist hierbei erforderlich, daß die Ablenkung schneller erfolgt, als die thermische Integrationskonstan'e des bestrahlenden Objekts. In den Figuren sind einzelne Ausführungsbeispiele dargestellt, die im folgenden näher beschrieben werden.

F i g. 1 zeigt einen Bearbeitungslaser nach der vorliegenden Erfindung, in dessen Strahlengang ein Modulator angeordnet ist,

F i g. 2 zeigt eine Anordnung, bei der mit Hilfe laufender Schallwellen eine Modulation des Laserstrahls erfolgt.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung, wobei zwischen Laser und Fokussierlinse 1 ein Modulator 4 angeordnet ist, wodurch eine zeitabhängige Intensitätsverteilung auftritt, die derart durch entsprechende Bemessung des Modulators 2 gesteuert werden kann, daß sich eine gewünschte, z. B. gleichförmige Verteilung als Mittelwert über die Zeit gerechnet ergibt.

F i g. 2 zeigt eine Anordnung, wobei ein Laserstrahl 5 durch ein mit Wasser gefülltes Gefäß hindurchgeleitet wird und senkrecht zu der Richtung des Laserstrahls 5 eine Schallwelle, z. B. eine Ultraschallwelle 7, in dem Wasser läuft. Eine solche laufende Ultraschallwelle wirkt wie ein Phasengitter, wobei sich für einen Frequenzbereich der Ultraschallwelle von 2 bis 4 MHz eine Gitterkonstante von 0,3 bis 0,8 mm ergibt. Hierdurch wird der Laserstrahl in verschiedene Ordnungen gebeugt. Der Pfeil 8 zeigt die nullte Ordnung, die Pfeile 9 zeigen die erste Ordnung und die Pfeile 10 schematisch die zweite Ordnung an.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bearbeitungslaser, dessen fokussierter und auf die Bearbeitungsstelle am Werkstück gerichteter kohärenter Strahl bezüglich seines am Werkstück wirksam werdenden Strahlquerschnitts einstellbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Laserstrahles ein Modulator angeordnet ist, der den wirksam werdenden Strahlquerschnitt im Sinne einer Strahlaufweitung oder -auffächerung optisch steuert.

2. Bearbeitungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Beugung des Laserstrahles erfolgt.

3. Bearbeitungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Brerhung des Laserstrahles erfolgt.

4. Bearbeitungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Streuung des Laserstrahles erfolgt.

5. Bearbeitungslaser nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Reflexion des Laserstrahles erfolgt.

6. Bearbeitungslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus einem Phasengitter besteht.

7. Bearbeitungslaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus einem Phasenstrichgitter besteht.

8. Bearbeitungslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus mehreren auf ein transparentes Substrat übertragenen Phasengittern besteht.

9. Bearbeitungslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus mehreren hintereinander geschalteten Phasengittern besteht.

10. Bearbeitungslaser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelgitter verschiedene Winkel miteinander einschließen.

11. Bearbeitungslaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten der einzelnen Gitter so gewählt sind, daß eine elliptische Verteilung erzeugt wird.

12. Bearbeitungslaser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten sich örtlich kontinuierlich ändern, derart, daß die erzeugten Beugungsordnungen lückenlos ineinander übergehen.

13. Bearbeitungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation des Laserstrahles laufende Ultraschallwellen verwendet sind.

14. Bearbeitungslaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulator ein wassergefülltes Gefäß verwendet wird, in dem zwei senkrecht zueinander 'aufende Ultraschallwellen erzeugt werden.

15. Bearbeitungslaser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallfrequenz im Bereich von 2 bis 4 MHz verwendet wird.

16. Bearbeitungslaser nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz bzw. die Amplitude der Ultraschallwelle variabel ist.

17. Bearbeitungslaser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Resonator zugewand

te Glasscheibe des Wasserbehälters als Auskoppelspiegel ausgebildet ist.