DE4328894A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung und zugehöriges Verfahren - Google Patents

Laserbearbeitungsvorrichtung und zugehöriges Verfahren

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Löchern in einem Werkstück unter Verwendung mehrerer konzentrierter Laserstrahlen.
Eine konventionelle Vorrichtung verwendet konzentrierte, gepulste Laserstrahlen zur Herstellung sehr kleiner Luftzirkulationslöcher in Filterverpackungspapier. Eine derartige Vorrichtung ist in den japanischen Patentveröffentlichungen mit den Veröffentlichungsnummern 42200 von 1980, 9784 von 1983 und 180290 von 1991 beschrieben. Weiterhin ist eine Vorrichtung wohlbekannt, welche konzentrierte, gepulste Laserstrahlen zur Erzeugung sehr kleiner Löscher verwendet, um Verpackungsmaterialien für Textilien oder Lebensmittel, Gewürze etc. herzustellen, die atmen können und das Auspacken erleichtern.
Derartige, im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen erzeugen eine Löcherkette in einem bandförmigen Material durch Konzentrieren und das Aufbringen gepulster Laserstrahlen auf das Material, während sich das Material mit hoher Geschwindigkeit bewegt.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung einer Laserschneidvorrichtung aus dem Stand der Technik. Fig. 13 erläutert die zeitlichen Änderungen des ausgegebenen, Impulslaserstrahls und die Fig. 14a und 14b stellen eine Aufsicht und eine Seitenansicht eines Konzentrationsstatusdiagramms eines Laserstrahls dar.
In diesen Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Laseroszillator, 2 einen gepulsten Laserstrahl, 3 einen Strahlteiler, 4 Ablenkspiegel, 5 Kondensorlinsen, 6 ein bandförmiges Material, 7 Transportrollen, 8 konzentrierte Strahlpunkte, und 9 in dem Material 6 erzeugte Löcher. In Fig. 14b ist durch die Bezugsziffer 10 eine räumliche Energieverteilung des gepulsten Laserstrahls angegeben. Fig. 14b zeigt die Energieverteilung in einem Einzelmode, also eine Gauß-Verteilung mit einem einzigen Peak.
Nachstehend wird unter Bezug auf diese Zeichnungen der Betrieb der konventionellen Vorrichtung beschrieben. Das Ausgangssignal des gepulsten Laserstrahls 2 von dem Laseroszillator 1 ist eine intermittierende, annähernd rechteckförmig verlaufende Welle, wie in Fig. 13 gezeigt. Es gibt eine große Anzahl von Impulsverfahren, die im Stand der Technik wohl bekannt sind, beispielsweise ein Verfahren, bei welchem die Anregung der Laseroszillation selbst gepulst wird, sowie ein Verfahren, bei welchem eine kontinuierliche Oszillation mechanisch zerhackt wird, um Impulse zu erzeugen, und daher werden diese Verfahren hier nicht im einzelnen erläutert. Der gepulste Laserstrahl 2 wird durch den Strahlteiler 3 aufgeteilt und entlang getrennter Wege geschickt. In einem Fall wie in Fig. 12 wird der Strahl 2 in vier Teile aufgeteilt, und die vier gepulsten Ausgangssignale werden durch die entsprechenden Ablenkspiegel 4 abgelenkt und gelangen auf die zugehörigen Linsen 5. Die auf diese Linsen 5 auftreffenden, gepulsten Laserstrahlen werden konzentriert und bilden strahlkonzentrierte Punkte 8 auf dem bandförmigen Material 6. Währenddessen wird das bandförmige Material 6 oder ein Werkstück durch die Rollen 7 in der Richtung des Pfeils transportiert, und die Löcherketten werden in dem bandförmigen Material 6 in Abständen erzeugt, die durch die Laserstrahlimpulsfrequenz und die Bewegungsgeschwindigkeit des bandförmigen Materials 6 festgelegt sind.
Falls eine höhere Produktionsleistung gewünscht ist, kann die Bewegungsgeschwindigkeit erhöht werden, jedoch muß das gepulste Licht bei höherer Frequenz betrieben werden, wenn eng beabstandete Löcher gewünscht sind. Hierzu wurde eine Vorgehensweise vorgeschlagen, nämlich den Strahl nach dem Durchgang durch die Kondensorlinse 5 zu unterteilen, unter Verwendung einer (nicht gezeigten) Strahlteiler-Prismenlinse. Fig. 15 erläutert Ausgangskonturlinien, die erzeugt werden, wenn eine derartige Strahlteiler-Prismenlinse unter der Linse 5 in Fig. 12 dazu verwendet wird, den gepulsten Laserstrahl aufzuteilen, der eine Einzelmode-Energieverteilung aufweist, und zwar bei der in Fig. 12 gezeigten Laserschaltvorrichtung. Wenn der Einzelmode-Laserstrahl durch die Prismenlinse aufgeteilt wird, werden wie gezeigt Beugungsmuster 13a, 13b auf dem Werkstück durch gebeugtes Licht erzeugt, zusätzlich zu den beiden strahlkonzentrierten Punkten, die durch 8a, 8b bezeichnet sind. Da die Beugungsmuster nicht zur Lochherstellung beitragen, tritt ein Verlust an Ausgangsleistung auf, und die Locherzeugungsgeschwindigkeit wird wesentlich verringert.
Die wie voranstehend beschrieben aufgebaute Laserschneidvorrichtung kann die Transportgeschwindigkeit des bandförmigen Materials erhöhen, um die Produktionsleistung zu vergrößern. Allerdings kann bei einer derartigen konventionellen Vorrichtung eine Erhöhung der Ausgangsleistung des impulsförmigen Laserstrahls erforderlich werden, um die Anstiegs- und Abfallzeiten des Ausgangssignals zu verkürzen. Daher ist ein großer Laseroszillator erforderlich, um die Laserausgangsleistung zu erhöhen, was zu hohen Kosten führt. Zusätzlich gibt es Begrenzungen wegen des Prinzips der Laseroszillation, sowie Begrenzungen aufgrund des mechanischen Ausbaus des mechanischen Zerhackers, der den gepulsten Strahl erzeugt, und diese Begrenzungen begrenzen die Anstiegs- und Abfallzeiten des Ausgangssignals und die Impulsfrequenz, wodurch eine Verbesserung des Produktionswirkungsgrads verhindert wird.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten dadurch zu überwinden, eine Laserschneidvorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Verfügung zustellen, welche wesentlich den Produktionswirkungsgrad erhöhen, ohne die Transportgeschwindigkeit eines bandförmigen Materials zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Laserschneidvorrichtung zur Herstellung von Löchern in einem sich bewegenden, bandförmigen Material zur Verfügung, welche die Herstellung mehrerer Löcherketten und von mehr Löchern ermöglicht, ohne die Transportgeschwindigkeit des bandförmigen Materials zu erhöhen, wodurch der Produktionswirkungsgrad erhöht wird.
Im einzelnen erzeugen die Vorrichtung und das Verfahren einen gepulsten Laserstrahl einer Energieverteilung, welche mehrere Peaks aufweist, und so auf ein optisches System auffällt. Das System kombiniert optische. Strahlkonzentrationselemente und Mehrfachstrahlteiler-Prismenelemente, so daß die Peaks (Spitzenwerte) der Energieverteilung der Laserstrahlmode entsprechend auf die Schneidoberflächen jedes der Mehrfachstrahlteiler-Prismenelemente auftreffen. Dies führt dazu, daß mehrere gepulste, konzentrierte Laserstrahlpunkte erzeugt werden.
Weiterhin verwendet die vorliegende Erfindung Fresnel-Linsen oder Meniskuslinsen als optische Strahlkonzentrationselemente, wodurch die Energiedichte der konzentrierten Strahlpunkte verbessert wird.
Zusätzlich kann die Umfangskante auf der Seite der geschliffenen Fläche des Prismas jeder Mehrfachstrahlteiler- Prismenlinse in der Vorrichtung so ausgelegt sein, daß sie eine flache Form aufweist, die orthogonal zu einer Zwischenachse verläuft. Durch diese Anordnung werden die optischen Elemente stabil und verläßlich gehalten, und es kann eine Kühlwirkung verbessert werden.
Weiterhin ist ein Kohlendioxyd-Gasimpulslaseroszillator bei einem Entladungsanregungsverfahren in der Vorrichtung so ausgelegt, daß er einen gepulsten Laserstrahl in einem System ausstrahlt, in welchem eine Entladungsrichtung, eine Lasergas-Strömungsrichtung und eine Laserschwingungsrichtung orthogonal zueinander verlaufen. Dies führt dazu, daß die Vorrichtung die Herstellung von Löcherketten ermöglicht, ohne die Transportgeschwindigkeit des bandförmigen Materials zu erhöhen, und der Produktionswirkungsgrad wesentlich erhöht werden kann.
Weiterhin verwendet die vorliegende Erfindung einen Laseroszillator mit einem schnellen Axialfluß, welcher einen Laserstrahl erzeugt, dessen Energieverteilung der Lasermode mehrere Peaks aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weiter Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Laserschneidvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Strahlkonzentrations-Statusdiagramm eines zwei Peaks aufweisenden Laserstrahls in der Vorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 eine Aufsicht auf Fig. 2;
Fig. 4a und 4b eine Aufsicht beziehungsweise eine Perspektivansicht eines optischen Vierfachstrahlteiler/Konzentrationselements gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit einer Angabe der Beziehung zwischen einem optischen Strahlteiler/Konzentrationssystem und einer Laserstrahlmode;
Fig. 5 ein Strahlkonzentrations-Statusdiagramm eines Laserstrahls bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 ein Strahlkonzentrations-Statusdiagramm eines Laserstrahls bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 ein Strahlkonzentrations-Statusdiagramm eines Laserstrahls zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform einer Laserstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 8 ein Strahlkonzentrations-Statusdiagramm eines Laserstrahls zur Erläuterung einer Ausführungsform der Laserschneidvorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Strahlteiler- Prismenlinsenanordnung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Kohlendioxyd- Gaslaseroszillators zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 11 eine Schnittansicht von Fig. 10;
Fig. 12 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Laserlocherzeugungsvorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig. 13 eine Beziehung zwischen der Laserstrahlimpulszeit und dem Laserausgangssignal;
Fig. 14a und 14b ein Strahlkonzentrations-Statusdiagramm eines im Einzelmode in der konventionellen Vorrichtung betriebenen Laserstrahls; und
Fig. 15 eine Erläuterung, wie der Einzelmode-Laserstrahl durch eine Zweifachstrahlteiler-Prismenlinse aufgeteilt wird.
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist eine Darstellung der Anordnung einer Laserschneidvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 zeigt den Konzentrationsstatus eines Laserstrahls, Fig. 3 ist eine Aufsicht auf Fig. 2. In diesen Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 2 einen Laserstrahl, 3 einen Strahlteiler, 4 Ablenkspiegel und 5 Linsen, die in diesem Fall allgemein Flachkonvexlinsen sind. Eine Prismenlinse 11 ist in der Nähe des Bodens der Linsen 5 vorgesehen und weist eine Prismenform auf, bei welcher eine scheibenförmige Bodenoberfläche in zwei sich gegenseitig schneidende Ebenen aufgeschnitten ist, und welche zur Erzeugung zweier getrennter Strahlen dient. Fig. 2 zeigt eine Strahl im TEM01-Modus, in welchem die räumliche Energieverteilung 12 des gepulsten Laserstrahls 2 zwei Peaks aufweist. Die Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls mit einer Verteilung gemäß TEM01 oder anderen Mehrfachpeakverteilungen ist im Stand der Technik wohlbekannt. Wie bei den Figuren zum Stand der Technik bezeichnet die Bezugsziffer 6 ein bandförmiges Material, 7 bezeichnet Transportrollen, 8a und 8b bezeichnen konzentrierte Strahlpunkte, und 9a und 9b bezeichnen in dem Material 6 erzeugte Löcher.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird nunmehr der Betrieb der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Der gepulste Laserstrahl 2, der von dem Laseroszillator 1 ausgegeben wird, wird durch den Strahlteiler 3 so aufgeteilt, daß mehrere Strahlen zur Verwendung bei der gleichzeitigen Herstellung von Löcherketten erzeugt werden. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Fall kann der Laserstrahl 2 in vier Ausgangssignale aufgeteilt werden, von denen jedes dann durch einen entsprechenden Ablenkspiegel 4 abgelenkt wird und auf eine zugehörige Linse 5 auftrifft. Obwohl in Fig. 1 nur zwei der vier Ausgangssignale und ihr entsprechender Aufbau dargestellt sind, verwendet die bevorzugte Ausführungsform der beschriebenen Vorrichtung vier Ausgangssignale und erzeugt gleichzeitig bis zu acht Löcherketten.
Der gepulste Laserstrahl 2 stellt eine Energieverteilung 12 im TEM01-Modus zur Verfügung, so daß jeder der Peaks der Energieverteilung entsprechend auf die beiden geschliffenen Oberflächen am Boden der Zweifachstrahlteiler-Prismenlinsen 11 auftreffen, die wie in Fig. 2 gezeigt unter der Linse 5 vorgesehen sind. Der Laserstrahl ist so ausgelegt, daß er im rechten Winkel in zwei Strahlen aufgeteilt wird, bei der durch einen Pfeil angedeuteten Bewegungsrichtung des bandförmigen Materials 6. Die konzentrierten Strahlpunkte 8a und 8b sind um eine Entfernung d voneinander getrennt und erzeugen Löcherketten 9a und 9b, wenn das Material über die Punkte bewegt wird, während die Strahlen gepulst sind. Die Linse 5 stellt ein optisches Strahlkonzentrationselement dar, und die Zweifachstrahlteiler-Prismenlinse 11 ist ein optisches Strahlteilerelement.
Die Kettenbreite d zwischen den konzentrierten Strahlpunkten 8a und 8b und zwischen den Löchern 9a und 9b, welche durch Konzentration und Aufspaltung der Strahlen erzeugt wird, wird durch den Ausdruck w = 2(n-1)αf bestimmt, wobei n der Brechungsindex ist, der durch die Wellenlänge des Laserstrahls und das Material der Elemente festgelegt wird, f die Brennweite der Linse 5 ist, und α der Oberflächenwinkel der geschliffenen Seite der Strahlteilerprismenlinse 11 ist. Da das bandförmige Material durch die Rollen 7 in der Richtung des Pfeils in bezug auf die konzentrierten Strahlpunkte 8a, 8b usw. befördert wird, die durch den Laserstrahl erzeugt werden, werden die Löcherketten 9a, 9b usw. in dem bandförmigen Material 6 erzeugt.
Die Tabelle 1 stellt eine Vergleichstabelle bezüglich der Locherzeugungsleistungseigenschaften zwischen der konventionellen Vorrichtung und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, kann die Locherzeugungsgeschwindigkeit um 20% verringert werden, jedoch die Anzahl erzeugter Bänder verdoppelt werden, da die Anzahl der Löcherketten erhöht werden kann, und der Gesamtproduktionswirkungsgrad kann auf das 1,6fache erhöht werden, verglichen mit dem der konventionellen Vorrichtung.
Tabelle 1
Nachstehend wird eine weitere Ausführungsform beschrieben, die in den Fig. 4a und 4b dargestellt ist. Die Bezugsziffer 14 bezeichnet einen Laserstrahlmode höherer Ordnung, bei welchem radial vier Peaks der Energieverteilung vorhanden sind. Ein optisches Strahlteiler/Konzentrationssystem 15 besteht aus einer Kombination einer Vierfachstrahlteiler-Prismenlinse 16 und einer Flachkonvexlinse 5. Die Linsen 15 und 16 sind als einstückiges Teil in der Figur dargestellt, können jedoch getrennt ausgebildet sein. Weiterhin kann die Strahlteiler/Konzentrationssequenz des Systems und dessen Form so wie bei dem in Fig. 2 gezeigten optischen Strahlkonzentrations/Strahlteilersystem ausgebildet sein. Der gepulste Strahl 14 mit einem Mode höherer Ordnung, der vier Peaks aufweist, wird wie in der Figur gezeigt eingesetzt, so daß die Peaks entsprechend auf die vier Spaltoberflächen der Vierfachstrahlteiler-Prismenlinse 16 auftreffen, wodurch vier konzentrierte Strahlpunkte 8a, 9b, 8c und 8d des gepulsten Laserstrahls erzeugt werden. Diese Lochherstellungsvorrichtung, welche die Herstellung von mehr Löcherketten ermöglicht, verglichen mit dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Laserstrahlenmode, führt zu einer weiteren Verbesserung der Lochherstellungsfähigkeiten.
Eine in Fig. 5 gezeigte Anordnung ist ähnlich aufgebaut wie in Fig. 2, verwendet jedoch eine Fresnel-Linse 17 als optisches Strahlkonzentrationselement statt des Elements 5. Die Fresnel-Linse 17, die stufenweise bearbeitet wurde, um Beugungsverluste zu verringern, während sie einen Strahl auf der Grundlage der Wellenlänge des Laserstrahls konzentriert, verbessert die Strahlkonzentrationscharakteristik und erhöht darüber hinaus die Energiedichte der konzentrierten Strahlpunkte 8a und 8b. Daher kann eine Laser- Locherzeugungsvorrichtung erhalten werden, die bei höheren Werkstücktransportgeschwindigkeiten betrieben werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, daß der TEM01-Mode 12 und die Zweifachstrahlteiler-Prismenlinsen 11, die voranstehend beschrieben wurden, durch einen Laserstrahlmode ersetzt werden können, welcher mehrere Energieverteilungspeaks aufweist, sowie durch Mehrfachstrahlteilerlinsen, um eine identische Wirkung zur Verfügung zu stellen.
Eine in Fig. 6 gezeigte Anordnung ist ähnlich wie die Anordnung von Fig. 5, verwendet jedoch eine Meniskuslinse 18 als optisches Strahlkonzentrationselement. Die Meniskuslinse 18, die so bearbeitet wurde, daß zum Zeitpunkt der Strahlkonzentration durch die Linse sphärische Aberrationen verringert werden, führt zu denselben Wirkungen wie in Fig. 5 und Fig. 6, so daß also eine Fresnel-Linse oder eine Meniskuslinse einen höheren Wirkungsgrad zur Verfügung stellt.
Nachstehend werden die Fig. 7 und 8 beschrieben, welche Ausführungsformen zeigen, die sich von den Ausführungsformen der Laserlocherzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden, die voranstehend beschrieben wurden. In Fig. 7 ist ein optisches Strahlkonzentrationselement 19 des Transmissionstyps vorhanden, welches den Strahl 2 im TEM01-Mode mit einer Energieverteilung 12 mit zwei Peaks empfängt, und einen konzentrierten Strahl für ein Strahlteiler-Prismenelement 21 des Reflexionstyps zur Verfügung stellt. Fig. 8 zeigt ein Strahlteiler- Prismenelement 20 des Transmissionstyps, welches den Strahl 2 empfängt, den Strahl unterteilt und jeden der Teilstrahlen zu einem optischen Strahlkonzentrationselement 22 des Reflexionstyps überträgt. In jedem Fall wird der Laserimpuls mit der Energieverteilung 12 des TEM01-Modes eingesetzt, so daß die Peaks der Energieverteilung entsprechend auf die Spaltoberflächen des Mehrfachstrahlteiler-Prismenelements auftreffen, wodurch der Strahlkonzentrationsvorgang des optischen Strahlkonzentrationselements konzentrierte Strahlpunkte 8a, 8b erzeugt.
Zwar wird bei der vorliegenden Ausführungsform der TEM01-Mode als der Laserstrahlmode eingesetzt, jedoch können entsprechende Mehrfachstrahlenteiler-Prismenelemente in einem Mode verwendet werden, welcher mehrere Energieverteilungspeaks aufweist.
Nachstehend wird Fig. 9 beschrieben, welche eine Ausführungsform einer Strahlteilerprismenlinse zeigt, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Bezugsziffer 23 bezeichnet eine scheibenförmige Mehrfachstrahlteiler- Prismenlinse, die so bearbeitet wurde, daß sie eine flache Form aufweist, wobei die Umfangskante 23a auf der Prismenspaltseitenoberfläche am Boden orthogonal zur optischen Achse der Linse verläuft, dargestellt durch die gestrichelte Linie. Eine Linsenhalterung 24, kreisringförmige Wärmeverteilungsbleche 25, die oben und unten auf die Mehrfachstrahlteilerlinse 23 aufgepaßt sind, und eine Halteschraube 26 bilden Teile dieser Anordnung. Wenn die Umfangskante an der Spaltoberflächenseite nicht flach ist, so kann die scheibenförmige Prismenlinse nicht sicher gehaltert oder präzise ausgerichtet werden. Darüber hinaus wäre infolge eines kleinen Berührungsbereiches der Linse und der Linsenhalterung 24 eine Linsenkühlungswirkung niedrig. Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten durch Bereitstellung einer Vorrichtung, welche die Strahlteiler- Prismenlinsen sicher und exakt haltert und einen hohen Linsenkühlungswirkungsgrad zur Verfügung stellt.
Wie bei der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform kann die Strahlkonzentration und die Strahlaufteilung in jeder gewünschten Reihenfolge durchgeführt werden, kann jedes Element entweder vom Transmissions- oder Reflexionstyp sein, und weiterhin aus getrennten oder einstückigen Bestandteilen aufgebaut sein.
Fig. 10 zeigt schematisch die Anordnung eines gepulsten Laseroszillators, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und Fig. 11 ist eine Schnittansicht im rechten Winkel zur optischen Achse in Fig. 10. In diesen Zeichnungen bezeichnen die Bezugsziffern 27a, 27b ein Paar von Entladungselektroden, die in der Vertikalrichtung angeordnet sind, und 28 bezeichnet Pfeile, welche die Richtung anzeigen, in welcher ein Lasergas einschließlich eines CO2-Gases zwischen dem Paar der Entladungselektroden 27a und 27b fließt. Die Bezugsziffer 29 bezeichnet einen Teilreflektor, und 30 einen Totalreflektor, zwischen denen der Laserstrahl erregt und verstärkt wird, und dann wird der gepulste Laserstrahl 2 von dem Teilreflektor 29 aus abgegeben. Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, verlaufen drei Achsen orthogonal zueinander, nämlich die in der Entladungserregungsrichtung (vertikal) der gepulsten Oszillation, die Lasergas-Flußrichtung und die Laseroszillationsrichtung. Im Stand der Technik ist bekannt, daß dieses System Vorteile bezüglich einer erhöhten Ausgangsleistung des Oszillators bietet. Besondere Vorteile dieses Systems bestehen darin, daß Laserphotonen hoher Oszillationsdichte in der Nähe der Entladungselektroden 27a, 27b vorhanden sind, welche die Entladung und Anregung durchführen, daß zwei Energieverteilungspeaks näher an den Elektroden vorhanden sind als an der optischen Achse, wie in Fig. 11 gezeigt ist, und daß die Erzeugung einer Energieverteilung 12 in dem TEM01-Mode den Wirkungsgrad des Oszillatorbetriebs des gepulsten Laserstrahls verbessert.
In einem Laseroszillator mit schnellem Axialfluß (nicht gezeigt), bei welchem die Lasergasflußrichtung und die Laseroszillationsrichtung zusammenfallen, wird einfach ein Laserstrahl erzeugt, dessen Lasermode axialsymmetrisch bezüglich einer Achse ist (radial), und hierbei ist es besonders vorteilhaft, den in Fig. 4 gezeigten Energieverteilungstyp zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Laserschneidvorrichtung beschränkt, welche Löcher in einem sich bewegenden, bandförmigen Material erzeugt, und einen gepulsten Laserstrahl aufweist, wie er bezüglich der verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde, sondern kann auch zum Schweißen, Markieren usw. unter Verwendung eines kontinuierlichen Laserstrahls eingesetzt werden.
Darüber hinaus wird deutlich, daß ein zu bearbeitendes Werkstück nicht auf das bandförmige Material beschränkt ist, und daß ein stationäres Werkstück mit konzentrierten Strahlpunkten bearbeitet oder geschnitten werden kann, die sich bewegen oder stationär gehalten werden. Weiterhin sind die Strahlteilerelemente nicht auf die optischen Prismen beschränkt, die bei den genannten Ausführungsformen eingesetzt werden, und eine Strahlaufteilung kann durch eine andere Vorgehensweise durchgeführt werden, beispielsweise mit einer Faseroptik.

Claims (27)

1. Laserbearbeitungsvorrichtung zur Herstellung von Löchern in einem Werkstück mit einem Laserstrahl, gekennzeichnet durch:
einen Laseroszillator zur Ausgabe des Laserstrahls in einem Energieverteilungsmode, welcher mehrere Peaks aufweist;
und Strahlteilerelemente, die mehrere Spaltoberflächen aufweisen und so angeordnet sind, daß die mehreren Peaks des Laserstrahls jeweils auf das zugehörige Element auftreffen und mehrere konzentrierte Strahlpunkte auf dem Werkstück erzeugen.
2. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin eine Bewegungseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung des Werkstücks und der Positionen vorgesehen ist, in welchen die konzentrierten Laserstrahlpunkte erzeugt werden.
3. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Strahlkonzentrationselemente oder der Strahlteilerelemente ein Strahlkonzentrations- oder Strahlteilerelement des Reflexionstyps ist, um die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls zu ändern.
4. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Strahlkonzentrationselemente oder der Strahlteilerelemente ein Strahlkonzentrations- oder Strahlteilerelement des Reflexionstyps ist, um die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls zu ändern.
5. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilerelemente Prismenlinsen aufweisen, welche eine Prismenspaltseitenoberfläche mit einem Außenumfang aufweisen, wobei der Umfang so bearbeitet ist, daß er eine Oberflächenform aufweist, die bezüglich einer optischen Achse axialsymmetrisch ist.
6. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilerelemente Prismenlinsen aufweisen, welche eine Prismenspaltseitenoberfläche mit einem Außenumfang aufweisen, wobei der Umfang so bearbeitet ist, daß er eine Oberflächenform aufweist, die axialsymmetrisch bezüglich einer optischen Achse ist.
7. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilerelemente Prismenlinsen aufweisen, welche eine Prismenspaltseitenoberfläche mit einem Außenumfang aufweisen, wobei der Umfang so bearbeitet ist, daß er eine Oberflächenform aufweist, die bezüglich einer optischen Achse axialsymmetrisch ist.
8. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator ein drei orthogonale Achsen aufweisender Oszillator ist, wobei die Entladungserregungsrichtung, die Lasermediumflußrichtung und die Laseroszillatorrichtung orthogonal zueinander angeordnet sind, und der Oszillator einen Laserstrahlenergieverteilungsmode mit mehreren Peaks aufweist.
9. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch zur gleichzeitigen Verarbeitung eines Werkstücks an mehreren Orten durch die Energie von einem einzigen Laserstrahl, gekennzeichnet durch:
einen Laseroszillator zur Ausgabe eines ersten Laserstrahls in einem Energieverteilungsmode, welcher mehrere Peaks aufweist;
eine Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des ersten Laserstrahls in mehrere zweite Laserstrahlen auf der Grundlage der Energieverteilungspeaks; und
eine Konzentrationseinrichtung zum Konzentrieren der zweiten Laserstrahlen zur Erzeugung mehrerer konzentrierter Strahlpunkte auf dem Werkstück.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung eine Fresnel-Linse aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung eine Meniskuslinse aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung und die Strahlteilereinrichtung zu einem einstückigen Aufbau integriert sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung und die Strahlteilereinrichtung getrennte Anordnungen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung eine Mehrfachstrahlteiler- Prismenlinse ist.
15. Laserbearbeitungsvorrichtung zur gleichzeitigen Bearbeitung eines Werkstücks an mehreren Orten durch die Energie eines einzigen Laserstrahls, gekennzeichnet durch:
einen Laseroszillator zur Ausgabe eines ersten Laserstrahls in einem Energieverteilungsmode, welcher mehrere Peaks aufweist;
eine Konzentrationseinrichtung zum Konzentrieren des ersten Laserstrahls; und
eine Strahlteilereinrichtung zur Unterteilung des konzentrierten ersten Laserstrahls in mehrere zweite Laserstrahlen auf der Grundlage der Energieverteilungspeaks, und zur Erzeugung mehrerer konzentrierter Strahlpunkte auf dem Werkstück.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung eine Fresnel-Linse aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung eine Meniskuslinse aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung und die Strahlteilereinrichtung zu einem einstückigen Aufbau zusammengefügt sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationseinrichtung und die Strahlteilereinrichtung getrennte Anordnungen sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilereinrichtung eine Mehrfachstrahlteiler- Prismenlinse ist.
21. Verfahren zur Laserbearbeitung zur gleichzeitigen Bearbeitung eines Werkstücks an mehreren Orten und Wiederverwendung der Energie von einem einzigen Laser, mit folgenden Schritten:
Erzeugung eines ersten Laserstrahls, der einen Energieverteilungsmode mit mehreren Peaks aufweist;
Aufteilen des Strahls in mehrere zweite Strahlen auf der Grundlage der Energieverteilung; und
Richten konzentrierter zweiter Strahlen auf das Werkstück als konzentrierte Strahlpunkte zur Bearbeitung.
22. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin die zweiten Strahlen nach dem Aufteilungsschritt konzentriert werden.
23. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin der erste Strahl vor dem Aufteilungsschritt konzentriert wird.
24. Laserschneidverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin das Werkstück und die Positionen relativ zueinander bewegt werden, in welchen der Laserstrahl konzentrierte Strahlpunkte erzeugt.
25. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrationsschritt entweder mittels Durchlassen oder Reflektieren der Strahlen durchgeführt wird.
26. Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufteilungsschritt entweder mittels Durchlassen oder Reflektieren der Strahlen durchgeführt wird.
27. Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laseroszillator ein Laseroszillator mit schnellem Axialfluß ist, wobei der Oszillator einen Laserstrahl erzeugt, dessen Lasermodeenergieverteilung mehrere Peaks aufweist.
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