DE3317022C2

DE3317022C2 -

Info

Publication number: DE3317022C2
Application number: DE3317022A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 8033 Krailling De Opower
Original assignee: Heraeus Industrielaser GmbH
Current assignee: Heraeus Holding GmbH
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1989-09-14
Also published as: GB8408736D0; GB2139936A; US4551608A; DE3317022A1; GB2139936B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialbearbeitungsanlage mit einem gefalteten Laser-Resonator, der zwischen zwei Resonator-End-Spiegeln wenigstens einen Resonator-Umlenk-Spiegel aufweist, wobei dem Laser eine den Laserstrahl um seine Achse drehende Bilddreheinrichtung nachgeordnet ist mit einer im opti schen Strahlengang des Laserstrahls liegenden ungeraden Anzahl, mindestens jedoch drei, vollreflektierenden Spiegeln, wobei mindestens einer dieser Spiegel zur Achse des Austrittsstrahles des Lasers versetzt liegt und die Spiegel um diese Achse drehbar sind, und wobei im Strahlengang ein den Laser strahl auf das Werkstück richtender Umlenkspiegel angeordnet ist.

Aus der DE-OS 31 14 979 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Form schneiden von Werkstücken mit einem in verschiedenen Koordinatenrichtungen über das Werkstück bewegbaren polarisierten Laserstrahl bekannt, wobei das Werkstück mit einem elliptisch polarisierten Laserstrahl geschnitten wird. Diese Anordnung weist einen Polarisator auf, der aus drei oder vier Spiegeln besteht, und der starr oder bewegbar sein kann, wobei die Bewegung durch Drehung oder Schwenkung ausgeführt wird. Mit diesem Polarisator soll ggf. das elliptische Licht erzeugt und in der jeweiligen Schnittrichtung nachgeführt werden, um so eine Winkeldifferenz zwischen der Polarisationsebene und der Schnittrichtung zu vermeiden. Bei dem Laser handelt es sich um einen CO₂-Laser mit gefaltetem Resonator.

Materialbearbeitungsanlagen mit Lasern, mit denen präzise Bearbeitungen, wie Schneid- oder Schweißvorgänge, an einem Werkstück durchzuführen sind, müssen eine hohe Strahlintensität in einem möglichst kleinen, seinen Umrissen nach genau definierten und reproduzierbaren Querschnitt auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks aufbringen. In vielen Fällen, wie beim Schneiden von Metallen, ist auch die Einhaltung einer bestimmten Polarisationsrichtung erwünscht.

Üblicherweise versucht man diese Forderungen dadurch zu erfüllen, daß man laserseitig ein Strahlenbündel mit rotationssymmetrischem Querschnitt, wenn möglich, sogar mit einer Gauß'schen Intensitätsverteilung, anstrebt. Auf diese Weise sind für alle Richtungen des Bearbeitungsweges auf dem Werkstück gleiche Verhältnisse gewährleistet. Die Anforderungen an die Polarisationsrichtung wird in ähnlicher Weise durch Einführung eines starren Spiegelsystems erfüllt, das die den Laser verlassende, linear polarisierte Strahlung in zirkular polarisierte Strahlung umwandelt.

Die Forderung nach Rotationssymmetrie ist aber bei Hochleistungslasern, z. B. bei CO₂-Lasern mit einer Leistung von mehr als 1000 Watt, nur sehr schwer in reproduzierbarer Weise zu erfüllen, so daß die bekannten, leistungsstarken Laser, insbesondere für präzise Schneidaufgaben, nur unzureichend geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Materialbearbeitungsanlagen mit Hoch leistungslasern im Multikilowattbereich in der Bearbeitungsfläche stets eine, dem Bearbeitungsweg angepaßte, optimale und reproduzierbare Intensitätsver teilung und Polarisation zu gewährleisten.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der gefaltete Laser-Resonator ein instabiler optischer Resonator ist, wobei die Resonator-Spiegel mindestens drei vollreflektierende Zylinder-Spiegel sind und die Krümmungsebenen der den Resonator begrenzenden End-Spiegel parallel zueinander verlaufen und der dritte Spiegel oder jeder weitere Spiegel zur Umlenkung der Strahlen im Strahlengang zwischen den beiden Resonator-End-Spiegeln eine zylindrisch gekrümmte Spiegelfläche aufweist mit einer konkaven Krümmung in der gegenüber den Resonator-End-Spiegel senkrechten Ebene, und daß die Bilddreheinrichtung im Strahlengang dem Umlenkspiegel nachgeordnet ist.

Mit einer solchen Bilddreheinrichtung ist es möglich, daß auch ein ursprüng lich unsymmetrisches Laserstrahlbündel in stets gleicher Weise auf die Rich tung des Bearbeitungsweges ausgerichtet wird, so daß für alle Richtungen die gleichen und optimalen Ergebnisse erzielt werden. Eine solche Bilddreheinrich tung bewirkt auch eine entsprechende Drehung der Polarisationsebene der Laser strahlung, so daß damit auch die Forderung hinsichtlich der optimalen Polarisationsrichtung erfüllt wird.

Insbesondere hat sich die Bilddreheinrichtung in Kombination mit einem Hochleistungslaser bewährt, der einen instabilen optischen Resonator mit mindestens drei vollreflektierenden Spiegel mit zylindrischer Krümmung besitzt, wobei die Spiegel, deren Krümmungsebenen zueinander parallel ver laufen, den optischen Resonator begrenzen und der dritte Spiegel oder jeder weitere Spiegel in einer gegenüber den den Resonator begrenzenden Spiegel senkrechten Ebene konkav gekrümmt ist. Ein solcher Hochleistungslaser ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 33 15 620.4 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird.

Bei diesem Hochleistungslaser besitzen die Spiegel vorteilhafterweise recht eckigen Querschnitt und die den optischen Resonator begrenzenden Spiegel bilden einen konfokalen Resonator. Die vollreflektierenden Spiegel sind vor teilhafterweise metallische Spiegel.

In der einfachsten Ausführung besteht die Bilddreheinrichtung aus drei ebenen Spiegeln, wobei zwei Spiegel stumpfwinklig zueinander angeordnet sind und der dritte Spiegel der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegt.

Eine wesentliche Vereinfachung, verbunden mit einer Verminderung der Zahl der optischen Elemente, wird bei einer erfindungsgemäßen Materialbearbeitungs anlage dadurch erreicht, daß die Bilddreheinrichtung auch die Aufgabe der Fokussierung übernimmt. Dabei besteht die Bilddreheinrichtung vorteilhafter weise aus drei Spiegeln, wovon mindestens einer der Spiegel den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche fokussiert. In einer bevorzugten Ausführung der Bilddreheinrichtung sind zwei Spiegel eben und stumpfwinklig zueinander angeordnet und der dritte Spiegel, der der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegt, weist eine konkave Krümmung auf. Diese Krümmung wird zweckmäßigerweise zur Vermeidung von Bildfehlern asphärisch sein.

Die Bildfehlerfreiheit kann auch dadurch erreicht werden, daß der den Laserstrahl fokussierende Spiegel sphärisch und wenigstens einer der übrigen zwei Spiegel der Bilddreheinrichtung schwach zylindrisch gekrümmt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Strahlgang einer Materialbearbeitungsanlage mit Bilddreheinrichtung und nachgeordneter Fokussier einrichtung,

Fig. 2 den Strahlengang einer Materialbearbeitungsanlage bei der Bilddreheinrichtung und Fokussiereinrichtung zu einem Bauelement zusammengefaßt sind,

Fig. 3 eine Bilddreheinrichtung für eine Materialbearbeitungs anlage gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Bilddreheinrichtung und Fokussiereinrichtung für eine Materialbearbeitungsanlage gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist die Bezugsziffer 1 dem Laserresonator zuge ordnet mit den drei Spiegeln 10, 11, 12, die zylindrisch gekrümmt sind. Die Spiegel 10, 12, deren Krümmungsebenen zu einander parallel verlaufen, begrenzen den optischen Resonator und der Spiegel 11 ist in einer gegenüber den den Resonator begrenzenden Spiegeln 10, 12 senkrechten Ebene, konkav gekrümmt. Das den Resonator verlassende Strahlenbündel 4 wird mittels des Spiegels 2 umgelenkt und gelangt über die Bilddreheinrichtung 5 und die Fokussiereinrichtung 13 als fokussierter Strahl auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 3. Die Bilddreheinrichtung 5 wird über den Antrieb 14 gedreht. Der Antrieb 14 ist mittels der Steuereinheit 15 elektronisch steuerbar.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten im wesentlichen dadurch, daß die Bilddreheinrichtung und die Fokussiereinrichtung zu einem Bauelement 5′ zusammengefaßt sind und die die Bilddreheinrich tung verlassende Strahlung konvergent und ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Elemente auf das Werkstück 3 gelangt.

Die in Fig. 3 dargestellte Bilddreheinrichtung 5 ist um die optische Achse 6 des Strahlenbündels 4, wie durch Pfeil 15 dargestellt, drehbar. Die Bilddreheinrichtung weist die drei ebenen Spiegel 7, 8 und 9 auf, wobei die Spiegel 7 und 8 stumpfwinklig zueinander angeordnet sind und der Spiegel 9 der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegt.

Wie die in Fig. 4 dargestellte Anordnung zeigt, bilden die Bilddreheinrichtung und die Fokussiereinrichtung ein Bau element 5′. Dieses Bauelement ist ebenfalls, wie durch Pfeil 15 angedeutet, um die optische Achse 6 des optischen Strahlen ganges 4 drehbar. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Bauelement 5′ zwei ebene Spiegel 7 und 8, die stumpfwinklig zueinander angeordnet sind und der der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegende Spiegel 9′ weist eine konkave Krümmung auf, so daß das Strahlenbündel nach Verlassen des Bauelementes 5′ auf die Oberfläche des Werkstoffes 3 fokussiert ist. In bevorzugter Ausführung ist der Spiegel 9′ sphärisch gekrümmt und wenigstens einer der Spiegel 7, 8 schwach zylindrisch gekrümmt. Auf die Darstellung dieser speziellen Ausführung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

Claims

1. Materialbearbeitungsanlage mit einem gefalteten Laser Resonator, der zwischen zwei Resonator-End-Spiegeln wenigstens einen Resonator-Umlenk-Spiegel aufweist, wobei dem Laser eine den Laserstrahl um seine Achse drehende Bilddreheinrichtung nachgeordnet ist mit einer im optischen Strahlengang des Laserstrahls liegenden ungeraden Anzahl, mindestens jedoch drei, vollreflektierenden Spiegeln, wobei mindestens einer dieser Spiegel zur Achse des Austrittsstrahles des Lasers versetzt liegt und die Spiegel um diese Achse drehbar sind, und wobei im Strahlengang ein den Laserstrahl auf das Werkstück richtender Umlenkspiegel angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der gefaltete Laser-Resonator ein instabiler optischer Resonator ist, wobei die Resonator-Spiegel (10, 11, 12) mindestens drei vollreflektierende Zylinder-Spiegel sind und die Krümmungsebenen der den Resonator begrenzenden End-Spiegel (10, 12) parallel zueinander verlaufen und der dritte Spiegel (11) oder jeder weitere Spiegel zur Umlenkung der Strahlen im Strahlengang (4) zwischen den beiden Resonator-End-Spiegeln (10, 12) eine zylindrisch gekrümmte Spiegelfläche aufweist mit einer konkaven Krümmung in der gegenüber den Resonator-End-Spiegeln (10, 12) senkrechten Ebene, und daß die Bilddreheinrichtung (5; 5′; 7, 8, 9, 9′) im Strahlengang (4) dem Umlenkspiegel (2) nachgeordnet ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Spiegel (7, 8, 9) der Bilddreheinrichtung den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes (3) fokussiert.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Laserstrahl fokussierende Spiegel (9′) sphärisch und wenigstens einer der übrigen zwei Spiegel (7, 8) schwach zylindrisch gekrümmt sind.