DE4034744A1 - Anordnung zur variablen laserstrahlteilung und fuehrung der teilstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die die Strahlteilung eines Laserstrahles, insbesondere eines intensiven CO₂-Laserstrahles, bei in weiten Grenzen variablem Teilungsverhältnis, wobei diese Variation wahlweise auch sehr schnell in Zeiten 1 ms erfolgen kann, sowie die dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßte Führung der erzeugten Teilstrahlen ermöglicht. Vorrangige Anwendungsgebiete der Erfindung sind Materialbearbeitungsaufgaben, die spezielle Intensitätsprofile mit rasch veränderlicher Intensitätsverteilung oder spezielle Polarisationseigenschaften erfordern, z. B. die Bearbeitung von unterschiedlichen Materialien, insbesondere Metallen, bei höchster Qualität der Bearbeitungsparameter durch optimale Steuerung des Bearbeitungsprozesses.

Es gibt zahlreiche bekannte Anordnungen zur Aufteilung von Laserstrahlung einerseits und zur Bestrahlung des zu bearbeitenden Werkstückes mit mehreren Teilstrahlen andererseits. Die Aufteilung der Laserstrahlen erfolgt dabei i. a. durch unterschiedlichste Anordnungen passiver optischer Elemente, insbesondere Spiegelanordnungen, deren wesentlichster Nachteil das fest vorgegebene bzw. nur sehr eingeschränkt variable Teilungsverhältnis ist. So wird z. B. im DD-WP 1 19 915 in einer Vorrichtung zur Teilung der Strahlungsenergie eines Gaslasers ein Spiegelpolygen als Umlenkspiegel eingesetzt.

Eine spezifische Anordnung zur Aufspaltung eines CO₂-Laserstrahles und der Anwendung der Teilstrahlen zur Bearbeitung von Thermoplastwerkstücken wird in der US-PS 39 89 774 beschrieben. Hier wird der Laserstrahl einfach mittels einer Teilerplatte aufgespalten, und anschließend werden beide Teilstrahlen getrennt durch Planspiegel auf das Werkstück gelenkt.

Eine Anordnung zur Erzeugung mehrerer Arbeitsstrahlenbündel eines CO₂-Hochleistungslasers bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung wird im DD-WP 2 48 229 beschrieben, bei der durch das genutzte Modulatorprinzip auf der Basis eines Fabry-Perot-Interferometers zwar eine hohe Variabilität der Strahlteilung gewährleistet ist, jedoch sämtliche erzeugten Teilstrahlen einzeln einer Arbeitsaufgabe zugeführt werden. Möglichkeiten zur Führung der Teilstrahlen auf ein einziges Werkstück werden nicht gegeben.

Da es für zahlreiche Applikationen günstig ist, das Werkstück mit zwei Teilstrahlen zu beaufschlagen, die unterschiedliche Eigenschaften, insbesondere unterschiedliches räumliches oder zeitliches Intensitätsverhalten aufweisen, befaßt sich eine Reihe von Lösungen mit diesem Problem. In den einfachsten Varianten werden die getrennten Teilstrahlen mit separaten Fokussieroptiken in das gleiche Bearbeitungsvolumen fokussiert (vgl. US-PS 36 04 890 und DD-WP 2 31 522). Diese Anordnungen besitzen den gravierenden Nachteil, daß beide Strahlen gegeneinander geneigt das Werkstück treffen, so daß von vornherein eine Anisotropie in der Bearbeitungsebene in Kauf genommen werden muß.

Deshalb versucht man, mit speziellen Anordnungen die Teilstrahlen wieder zu vereinigen und kollinear auf das Werkstück zu schicken. I. a. werden dazu durchbohrte Optiken verwendet. So werden im DD-WP 2 51 097 Möglichkeiten für das Ineinanderführen von Laserstrahlen sowohl bei Verwendung von Fokussierlinsen als auch bei Verwendung von Hohlspiegeln beschrieben, wobei jedoch die Teilstrahlen nach der Vereinigung stark unterschiedliche Divergenz besitzen, so daß eine gemeinsame Führung über größere Wegstrecken unmöglich ist.

In der Anordnung gemäß der DE-OS 27 08 039 kann dieser Nachteil zwar umgangen werden, dafür ist jedoch für die Modenstruktur der Teilstrahlen die einschneidende Voraussetzung zu erfüllen, daß einer der Strahlen eine ringförmige Energieverteilung aufweisen muß.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen, insbesondere intensiver CO₂-Laserstrahlung, um einerseits solche Materialbearbeitungsaufgaben wie das Schneiden, Ritzen, Bohren und Abtragen spröder Werkstoffe, z. B. Glas, Keramik usw., mit hoher Effektivität und Qualität durchführen zu können und andererseits durch optimale Steuerung des Bearbeitungsprozesses z. B. beim Schneiden von Metallen eine wesentliche Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine entsprechende Anordnung einen Laserstrahl, insbesondere den intensiven Strahl eines CO₂-Hochleistungslasers, aufzuteilen mit in weiten Grenzen variablem Teileverhältnis, wobei die Variation des Teilerverhältnisses auch wahlweise sehr schnell, z. B. in Zeiten 1 ms, erfolgen kann, und die anschließend noch in ihren Eigenschaften modifizierten Teilstrahlen so dem Bearbeitungsort zuzuführen, daß dort Laserstrahlung mit einem veränderten, dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßten und insbesondere schnell variierbarem Intensitätsprofil oder Polarisationsverhalten entsteht, so daß unterschiedlichste Anforderungen im Hinblick auf die Optimierung der jeweiligen Einsatzparameter erfüllt werden können.

Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist also folgender: Die Elemente der Anordnung sollen die gewünschten Strahlungseigenschaften in drei Etappen realisieren; in der ersten Etappe erfolgt die variable Strahlaufteilung, in der zweiten Etappe erfolgt die Modifizierung der räumlichen Ausbreitungseigenschaften bzw. der Polarisation eines Teilstrahles, und in der dritten Etappe erfolgt die Führung der Teilstrahlen zum Bearbeitungsort, insbesondere die Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlen zu einem Gesamtstrahl mit neuen Eigenschaften.

Konkret wird dies mit folgender Anordnung realisiert. Die Strahlung des Hochleistungslasers wird zunächst auf einen an sich bekannten Modulator geschickt, der auf dem Prinzip eines Fabry-Perot-Interferometers (FPI) beruht, also einer Anordnung, welche die auftreffende Strahlung definiert in einen reflektierten Anteil der Leistung P_R und einen transmittierten Anteil der Leistung P_T bei verschwindend kleinen Verlusten im Modulator selbst aufteilt. Das Teilerverhältnis P_R/P_T zwischen diesen beiden Anteilen kann nun im durch die Reflektivität R der beiden Interferometerplatten festgelegten Intervall 0 P_R/P_T 4R/(1-R)² durch mehr oder weniger schnelle Änderungen des Abstandes d dieser Platten variiert werden, wobei je nach der Bauart des Modulators Frequenzen bis in den kHz-Bereich erzielt werden können.

Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen wird nun gemäß der Erfindung der transmittierte Strahlungsanteil durch optische Mittel in seinen Ausbreitungseigenschaften, d. h. entweder seiner Divergenz oder seinem Strahldurchmesser oder seiner Polarisation, entsprechend der gewünschten Wirkung im Bearbeitungsprozeß verändert und anschließend durch die Interferometeranordnung "zurückgeschickt", so daß neben dem reflektierten Strahl der Leistung P_R ein zweiter, ein "doppelt-transmittierter" Strahl der Leistung P_DT für Arbeitsaufgaben zur Verfügung steht. Da dieser Strahl durch geeignete Anordnung der optischen Mittel genau richtungsgleich dem reflektierten Strahl überlagert werden kann, steht ein Arbeitsstrahl mit neuen, für zahlreiche Applikationen außerordentlich günstigen Eigenschaften zur Verfügung. Insbesondere lassen sich auf diese Weise neuartige kombinierte Intensitätsprofile bzw. Polarisationseigenschaften erzeugen, deren besonderen Vorzug ihre der jeweiligen Aufgabe anpaßfähige rasche Variabilität darstellt. Wahlweise kann der doppelt-transmittierte Strahl auch in eine vom reflektierten Strahl abweichende Richtung geschickt werden, so daß mit beiden oder je nach Einsatzfall auch nur einem, z. B. dem doppelt-transmittierten Strahl gearbeitet werden kann. Eine wesentliche Voraussetzung für die Funktion der Anordnung ist die Realisierung eines möglichst kleinen Neigungswinkels zwischen der optischen Achse des Modulators und der Achse des Laserstrahles. Der Neigungswinkel muß einerseits groß genug sein, damit sich das vom Modulator reflektierte Bündel gut separieren läßt, insbesondere nicht in den Laserresonator zurückgekoppelt wird, und andererseits so klein sein, daß die Funktion des Modulators nicht durch mangelhafte Interferenz beeinträchtigt wird. Die letzte Forderung kann bei CO₂-Laserstrahlung (λ = 10,6 m) bis zu Neigungswinkeln von etwa 5° gut erfüllt werden, wenn der Abstand d der Interferometerplatten 0,1 mm nicht überschreitet. Da dieser Winkel auch für die Bündelseparation völlig ausreicht, läßt sich die Anordnung problemlos realisieren.

Zu beachten ist, daß auch der doppelt-transmittierte Strahl, unabhängig von seiner gezielten Beeinflussung, innerhalb dieses Winkelbereiches die Interferometeranordnung durchsetzen muß, damit unerwünschte Verluste vermieden werden.

Beim zweiten Durchgang der transmittierten Strahles durch das FPI tritt ein weiterer reflektierter Strahlungsteil auf. Je nach gewählter Anordnung überlagert sich dieser Strahl, der einen relativ geringen Anteil an der Gesamtstrahlungsleistung aufweist, dem transmittierten Strahl, oder er kann separiert werden. In keinem Falle wird die Funktion der Anordnung merklich beeinträchtigt.

Im Falle seiner Separierbarkeit ist dieser reflektierte Strahlungsanteil für eine Diagnose der Gesamtanordnung gut geeignet.

Für die Wahl der optischen Mittel zur gezielten Formung des transmittierten Strahles gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten. Die gesamte Palette der Strahlformungsvarianten läßt sich bei ausgezeichneter Abbildungsqualität durch eine Anordnung von drei justierbaren Spiegeln realisieren, wobei die Reflexionen einerseits unter sehr kleinen Winkeln zu den optischen Achsen und damit mit geringen Abbildungsfehlern erfolgen und andererseits zwei der Spiegel als Teleskop ausgebildet werden können mit den drei Optionen Einengung, Aufweitung und gezielte Divergenzänderung für das transmittierte Bündel. Durch Ersetzen eines Spiegels durch einen Phasendreher und geeignete Anordnung können darüber hinaus die Polarisationseigenschaften des transmittierten Bündels gezielt beeinflußt und damit im Gesamtstrahl so modifiziert und schnell variiert werden, daß neuartige Wirkungen z. B. in der Materialbearbeitung erzielt werden können.

Bei einer vereinfachten Variante der Anordnung genügt ein justierbarer Spiegel zur Rückreflexion des transmittierten Bündels, der z. B. mit einem definierten Radius versehen werden kann, um die räumlichen Ausbreitungseigenschaften des doppelt-transmittierten Strahles im gewünschten Maße zu beeinflussen.

Verzichtet man auf die Justierbarkeit dieses Spiegels und legt man sich auf eine Richtung für den modifizierten Arbeitsstrahl fest, kann die Austrittsfläche des FPI, also die Außenseite der zweiten FPI-Platte, als dieser rückreflektierende Spiegel ausgebildet werden.

Alle Varianten weisen einen weiteren Vorzug auf. Der beschriebene Modulator auf dem FPI-Prinzip besitzt in den herkömmlichen Einsatzfällen zwei Charakteristiken P (Δ d) für die Leistungsmodulation, die Reflexionscharakteristik und die Transmissionscharakteristik, die beide durch die Reflektivität R der beiden Interferometerplatten fixiert werden. Durch die "Doppeltransmission" entsteht nun eine dritte Charakteristik, da die Transmissionscharakteristik praktisch noch einmal mit sich selbst multipliziert wird. Sie zeichnet sich insbesondere durch einen wesentlich höheren Kontrast gegenüber der einfachen Transmissionscharakteristik aus und besitzt wie letztere den großen Vorzug, daß T_max = 1 gilt! Dadurch wird die Anwendungsbreite der Anordnung wesentlich erweitert. Mit der Nutzung des doppelt-transmittierten Strahles stellt sie für viele Applikationen die günstigste Anordnung dar.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Anordnungsvariante mit drei Spiegeln zur Formung und Führung des transmittierten Strahls;

Fig. 2 eine Anordnungsvariante mit zwei Spiegeln;

Fig. 3 eine Anordnungsvariante mit einem Spiegel;

Fig. 4 eine Anordnungsvariante mit als Spiegel ausgebildeter FPI-Austrittsfläche;

Fig. 5 T (Δ d)-Charakteristiken für Einfachtransmission (I) und Doppeltransmission (II) eines FPI mit R = 0,3;

Fig. 6 einige typische modifizierte Intensitätsprofile des aus der kollinearen Überlagerung des reflektierten und des doppelt-transmittierten Anteiles resultierenden Gesamtstrahles.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel fällt die Strahlung 2 des CO₂-Hochleistungslasers 1 auf die von der Versorgungseinrichtung 4 angesteuerte Interferometeranordnung 3, die vorzugsweise durch den Modulator gemäß DD-WP 2 34 208 gebildet wird. Dessen optische Achse 5 ist unter einem Winkel α gegen die Richtung des Laserstrahles 2 geneigt. Der Modulator spaltet diesen Strahl auf in den reflektierten Anteil 6 und den transmittierten Anteil 7, der durch ein von den Spiegeln 8 und 9 gebildetes Teleskop geformt und mittels des justierbaren Spiegels 10 ein zweites Mal durch das FPI geschickt wird. Der doppelt-transmittierte Anteil 11 kann dann wahlweise dem reflektierten Strahl 6 überlagert oder separat der Bearbeitungsaufgabe zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Variante mit zwei Spiegeln 12 und 13. Bei abbildender Funktion dieser Spiegel sind sie wegen der großen Reflexionswinkel als off-axis-Spiegel auszubilden. Die Darstellung illustriert für diese Anordnungsvariante die Nutzung des zweiten reflektierten Strahlungsanteiles 17 zur Strahlungsdiagnostik mittels eines Detektors 18.

In Fig. 3 ist die Anordnungsvariante mit einem Spiegel 14 dargestellt.

Fig. 4 illustriert die Nutzung der Außenseite 15 der zweiten FPI-Platte 16 als rückreflektierendes Element.

Fig. 5 verdeutlicht den Unterschied in den T(Δd)-Charakteristiken für Einfachtransmission (Kurve I) und Doppeltransmission (Kurve II) eines FPI mit R = 0,3.

Bei den in Fig. 6 dargestellten typischen Intensitätsprofilen des aus der kollinearen Überlagerung des reflektierten Strahles 6 mit dem doppelt-transmittierten Strahl 11 resultierenden Gesamtstrahles wurde eine Einengung des transmittierten Strahles durch das Teleskop angenommen. Profil a) entspricht dann dem Fall T = 1 des FPI, Profil c) entspricht T = T_min und Profil b) zeigt einen Zwischenzustand.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 CO₂-Hochleistungslaser
 2 Laserstrahlung
 3 Interferometeranordnung
 4 Versorgungseinrichtung der Interferometeranordnung
 5 Optische Achse
 6 Reflektierter Anteil der Laserstrahlung
 7 Transmittierter Anteil der Laserstrahlung
 8 Teleskopspiegel
 9 Teleskopspiegel
10 Justierbarer Umlenkspiegel
11 Doppelt-transmittierter Anteil der Laserstrahlung
12 Justierbarer Umlenkspiegel
13 Justierbarer Umlenkspiegel
14 Justierbarer Umlenkspiegel
15 Als Spiegel ausgebildete Außenseite der zweiten Interferometerplatte
16 Zweite Interferometerplatte
17 Zweiter reflektierter Strahlungsanteil
18 Strahlungsdetektor

Claims (5)

1. Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen, insbesondere für CO₂-Hochleistungslaserstrahlen, bei der die Strahlung des Lasers auf einen Modulator fällt, der als Interferometeranordnung mit wahlweise schnell variierbarer Reflektivität ausgebildet ist und unter einem Winkel zwischen seiner optischen Achse und der Richtung der Laserstrahlung angeordnet ist, der einerseits so klein ist, daß die Interferenzfähigkeit des Modulatorsystems nur unwesentlich beeinflußt wird und andererseits so groß ist, daß eine unerwünschte Rückkopplung des vom Modulator reflektierten Strahlungsanteils mit dem Laserresonator ohne die Verwendung optischer Hilfsmittel vermieden und eine Weiterleitung dieses Strahlenanteils entweder direkt oder über einen Hilfsspiegel zum Bearbeitungsort möglich ist dadurch gekennzeichnet, daß der transmittierte Strahlungsanteil (7) durch die geeignete Anordnung optischer Mittel in seinen räumlichen Ausbreitungseigenschaften, insbesondere seiner Divergenz, seinem Strahlungsdurchmesser oder seiner Polarisation in gewünschter Weise geändert und auf eine solche Weise wieder durch den Modulator (4) zurückgeschickt wird, daß dieser doppelt-transmittierte Strahl (11) wahlweise dem reflektierten Strahl (6) überlagert bzw. in einer beliebigen, dem winkelmäßigen Arbeitsbereich des Modulators (4), vorzugsweise einem Winkelbereich, der 5° Neigung gegen die Modulatorachse nicht überschreitet, entsprechenden Richtung dem gewünschten Bearbeitungsort zugeführt werden kann, wobei das Leistungsverhältnis zwischen diesen beiden Arbeitsstrahlen in von den Parametern des Modulators (4) vorgegebenen Grenzen und mit Frequenzen innerhalb des ebenfalls durch den Modulator (4) vorgegebenen Bereiches beliebig variiert werden kann.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der transmittierte Strahlungsanteil (7) mittels eines einzigen Spiegels (14) zur Doppeltransmission durch den Modulator (4) zurückgeschickt wird, wobei dieser Spiegel so nahe wie möglich am Interferometer angeordnet und mit einem Krümmungsradius versehen wird, der die jeweils gewünschte Divergenz des doppelt-transmittierten Strahles (11) realisiert und andererseits justierbar ist, so daß der doppelt-transmittierte Strahl (11) in eine beliebige gewünschte Richtung innerhalb der in Anspruch 1 angeführten Grenzen gelenkt werden kann.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rückreflektierende Spiegel gebildet wird durch die Außenseite (15) der zweiten Interferometerplatte (16), die wahlweise als ebener paralleler, ebener gekippter oder mit einem Krümmungsradius versehener Spiegel ausgeführt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückreflexion des transmittierten Strahlungsanteils (7) mittels zweier Spiegel (12) und (13) erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückreflexion des transmittierten Strahlungsanteils (7) mittels dreier Spiegel (8), (9) und (10) erfolgt, die so angeordnet sind, daß die Reflexionen unter möglichst kleinen Winkeln zu den Spiegelnormalen erfolgen und zwei von ihnen eine Teleskopanordnung bilden zur wahlweisen Aufweitung, Einengung bzw. Divergenzänderung des doppelt-transmittierten Strahls (11) und Möglichkeiten zur Justierung vorgesehen sind, die eine Direktion des doppelt-transmittierten Strahls (11) in eine beliebige gewünschte Richtung innerhalb der in Punkt 1 angeführten Grenzen gestattet.