DE9215361U1

DE9215361U1 - Bearbeitungslaser mit Strahlbeeinflussungsanordnung

Info

Publication number: DE9215361U1
Application number: DE9215361U
Authority: DE
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1992-11-11
Filing date: 1992-11-11
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2002-11-12

Description

DGm 3R9

Fg/He

DIEHL GMBH & CO., D-8500 Nürnberg

Bearbeitunqslaser mit Strahlbeeinflussungsanordnung

Der gattungsgemäße Laser ist aus der EP 0 048 715 Bl in Form einer Prismenanordnung mit variablen Spalt zur Beeinflussung der Laserschwingung oder aus der EP 0 143 743 Al in Form einer mechanisch austauschbaren Blende zur Modenänderung in Anpassung an das Betriebsverhalten des Lasers bekannt .

Solche Maßnahmen zeigen aber keine bzw. keine ausreichende Wirkung gegen betriebsabhängige Einflüsse, die abträglich für die strahlengeometrische Qualität eines Bearbeitungs-Laserstrahles sind. Denn Bearbeitungslaser, und insbesondere Festkörperlaser, weisen nur bei niedriger bis mittlerer Strahlleistung ein für die Fokussierung günstiges Produkt aus dem Radius der unvermeidlichen Strahltaille und dem Strahldivergenzwinkel auf, Parameter die in der DE-OS 41 08 419 näher erörtert sind. Für die Materialbearbeitung werden aber zunehmend Festkörperlaser höherer Strahlleistung gefordert, bei denen desto schwerer ins Gewicht fällt, daß nur mit einem Laserstrahl hoher Qualität optimale Arbeitsergebnisse erzielbar sind. Denn die Strahlqualität bestimmt entscheidend die Fokussierung des Laser-Strahles auf den Einwirk-Durchmesser am Werkstück und beeinflußt damit unter anderem die Bearbeitungsqualität und -

dauer. Festkörperlaser hoher Ausgangsleistung liefern aufgrund interner thermischer Effekte, hervorgerufen durch inhomogene Kühlung und ungleichmäßige Bestrahlung des Laserkristalles von den Lichtquellen der Pumpeinrichtung, grundsätzlich eine schlechtere Qualität des zur Bearbeitung verfügbaren Laserstrahles.

Die wichtigsten Effekte, die zu einer Degradierung der Strahlqualität insbesondere beim Festkörper-Bearbeitungslaser führen, sind einmal ein thermischer Linseneffekt und zum anderen eine ungleichmäßige Kristallbeleuchtung. Der thermische Linseneffekt wird hervorgerufen durch ungenügende Wärmeabfuhr aus dem Mittenbereich des angeregten Festkörper-Resonators (Kristallstabes), was im Verlaufe des Betriebes eine Veränderung von Lage und Durchmesser der Strahltaille gegenüber dem unbelasteten Resonator führt. Denn der Brechungsindex des Laserkristalles ist temperaturabhängig, d. h. mit der Erwärmung ändert sich die wirksame optische Weglänge zwischen den bieden Endspiegeln des Resonators, was weitgehend einer variablen Linsenwirkung entspricht. Eine ungleichmäßige Beleuchtung des Laserkristalles durch die Lichtquellen führt zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Festkörperresonator, die im wesentlichen eine Verkippung des Strahles und Astigmatismuseffekte hervorruft. Auf den inhomogenen Pumpprozeß geht auch das Anschwingen parasitärer Lasermoden zurück.

Schließlich ist eine Verschlechterung der theoretisch erzielbaren Strahlqualität auch darauf zurückzuführen, daß der aktuell erzielte Lasermode nicht optimal an das Medium in der Laserkavität (beim Festkörperlaser also an das Kristallvolumen) angepaßt ist.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Laser, insbesondere einen Festkörper-Materialbearbeitungslaser, in seiner Kavität selbst mit

einer derartigen Strahlbeeinflussungsanordnung auszustatten, daß außerhalb der Strahlquelle ein möglichst gut und zeitkonstant fokussierbarer Laserstrahl für Materialbearbeitungsaufgaben verfügbar ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der gattungsgemäße Laser mit einer Strahlbeeinflussungsanordnung nach dem Kennzeichnungsteil des Hauptanspruches ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung kann direkt in die Laserkavität ein apparativ relativ einfach sphärisch verformbarer Spiegel, der vorzugsweise zugleich der total reflektierende Endspiegel ist, eingesetzt werden, um wenigstens die thermischen Linseneffekte zu kompensieren. Wenn es sich nicht um einen auf Fluid-Überdruck hinter der Spiegelfläche basierenden Korrekturspiegel handelt, genügt ein einziger elektromechanischer Aktuator hinter dem Zentrum der Spiegelfläche, um eine hinreichend sphärische Auswölbung in der Umgebung des Zentrums hervorzurufen. Wenn mehrere solche individuell ansteuerbare Aktuatoren gegeneinander versetzt hinter der Spiegelfläche angreifen, dann können mit dieser adaptiven Optik auch die im Resonator auftretenden Effekte der Strahlverkippung und des Astigmatismus korrigiert werden.

Bei einer noch größeren Anzahl individuell beeinflußbarer Spiegelteilflächen eröffnet sich sogar die Möglichkeit, zusätzlich den aktuell anschwingenden Lasermode durch Korrekturmoden höherer Ordnung an das Kristallvolumen der Laserkavität zu optimieren.

Wenn die Stellgrößen für die Beeinflussung der Spiegelplatten-Topographie Regelgrößen sind, die nach Maßgabe des jeweils aktuellen Laserstrahles modifiziert werden, ergibt sich durch diese Regelung ein zeitlich stabiler optisch optimierter Laserstrahl für längere Bearbeitungsaufgaben, die dann mit gleichförmiger Qualität ausgeführt werden können.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in beiliegender Kurzfassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert und nicht maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Axial-Längsschnitt eine Laser-Kavität mit adaptivem Spiegel zu Erhöhung der geometrischen Qualität des Laserstrahles zur Werkstück-Bearbeitung.

Der skizzierte Bearbeitungslaser 11 weist als Strahlquelle eine Kavität 12 mit einer Strahlbeeinflussungsanordnung 13 auf, die in die Kavität 12 hineinragt. Diese Anordnung 13 ist vorzugsweise der totalreflektierende Spiegel 14, der in der Kavität 12 dem teilreflektierenden Auskoppelspiegel 15 gegenüber angeordnet ist. Bei externer Anordnung über eine Pumpeinrichtung 16 wird ein Laserstrahl 17 ausgekoppelt, der in als solcher bekannter Weise nach einer Fokussierung im Arbeitskopf (vgl. DE-OS 41 08 419) der Materialbearbeitung etwa in Form von Trennen, Verbinden oder Oberflächenbehandlung dient. Vorzugsweise handelt es sich beim Bearbeitungslaser 11 um einen Festkörperlaser, der also in seiner Kavität 12 mit einem Festkörperresonator 18 ausgestattet ist.

Zur Kompensation der eingangs geschilderten thermischen Linseneffekte im Festkörperlaser genügt es, den als Strahlbeeinflussungsanordnung 13 dienenden Endspiegel 14 wenigstens angenähert sphärisch zu verformen. Dazu kann ein adaptiver Endspiegel 14 mit geringfügig verwölbbarer Spiegelfläche vorgesehen sein, wie es durch Überdruck hinter der Spiegelfläche erzielbar ist. Bevorzugt wird hierfür jedoch ein Stellglied 19 mit zentral hinter der Spiegelfläche an-

greifendem Druckelement eingesetzt, bei dem es sich um einen elektromechanischen Linearaktuator, bevorzugt in der Ausführung eines Piezo-Aktuators, handeln kann. Solch eine adaptive Optik in Form eines aufgrund eines zentralen Aktuators deformierbaren Spiegel ist in der schon erwähnten DE-OS 41 08 419 unter Bezugnahme auf ältere eigene Anmeldungen näher erläutert. Der adaptive Spiegel bewirkt, daß der wirksame optische Abstand zwischen den Spiegeln 14 - 15 praktisch unverändert bleibt. Die AbstandsSchwankung zwisehen dem Stirnende des Kristalles 18 und dem variablen Endspiegel 14 ist gering und kann jedenfalls dann in erster Näherung vernachlässigt werden, wenn dieser Abstand klein ist.

Wenn durch die Strahlbeeinflussungsanordnung 13 im Resonator des Festkörperlasers nicht nur thermische Linseneffekte kompensiert werden sollen, sondern auch die ebenfalls fokussierungsabträglichen Effekte einer Strahlverkippung und des Astigmatismus, dann sind hinter der Spiegelfläche des Endspiegels 14 mehrere (etwa fünf bis sieben) Stellglieder 19 gegeneinander versetzt anzuordnen, vorzugsweise punktsymmetrisch um einen Zentralaktuator herum verteilt. Eine solche prozeßoptimierende Optik mit mehreren Aktuatoren zur individuellen Beeinflussung der Spiegeloberfläche ist etwa in der DE-OS 39 16 264 näher beschrieben.

Wenn die Anzahl der Stellglieder 19 weiter erhöht wird, kann zusätzlich zu den genannten Korrekturen der Betrieb des Festkörper-Bearbeitungslasers 11 in der Anschwingphase eine Optimierung dahingehend erfahren, daß durch Korrekturmoden höherer Ordnung eine Optimierung des aktuell anschwingenden Lasermodes im Volumen des Festkörperresonators 18 erzwungen wird.

Da die erwähnten und durch die adaptive Optik zu korrigierenden, auf die Fokussierbarkeit des Laserstrahles 17 ab-

träglichen Störeinflüsse nicht stationär sondern betriebszeitabhängig sind, ist zweckmäßigerweise ein Regler 20 für die Optimierung der momentanen Einstellung der Strahlbeeinflussungsanordnung 13, also der Topographie der Spiegeloberflache, vorgesehen. Für Liefern einer entsprechenden Regelgröße 21 an die Stellglieder 19 bezieht der Regler 20 einen Istwert 22 von einem Detektor 23 nach Maßgabe der momentanen Parameter des Laserstrahles 17. Der Detektor 23 kann dafür die Ausgangsleistung des Bearbeitungslasers Il messen, oder aber die im Laserstrahl 17 enthaltene Phasenfront, wofür jeweils über einen Auskoppler 24 (etwa einen geneigt zur Achse des Laserstrahles 17 orientierten teildurchlässigen Spiegel) ein Teilstrahl 25 aus der Kavität 12 abgezweigt wird. Der Strahlteiler 24 ist so gewählt, daß das resonatorinterne Feld nur mgl. wenig bedämpft wird. Deshalb kommt eine Platte im Brewsterwinkel in Frage, oder auch ein dichroitischer Strahlteiler 24 mit Antireflex-Coating. Seblst niedrig reflektierende Strahlteiler 24 reflektieren noch genügend Leistung für die Rückkoppelung. Bei Kühlproblemen aufgrund hoher Laserleistung kann ein feines Gitter oder eine Gitterzone in einen Umlenkspiegel geritzt werden, der einen Bruchteil des Laserlichtes zum WeI-lenfrontsensor 23 auskoppelt, um im Regler 20 dann für die Optimierung der gemesssenen Wellenfront die Aktuatorhülle zu berechnen.

Zur Optimierung der Ausgangsleistung des Bearbeitungslaser 11 wird also (wie in der Zeichnung im Detail nicht berücksichtigt) dieser Teilstrahl 25 z. B. durch eine Blende oder ggf. über eine Aufweitungsoptik 26, sowie ggf. über einen Wobbelspiegel, auf den Detektor 23 geleitet. Die dort meßbare Strahlpunktintensität bzw. Wellenfront am Detektorarray ist ein Maß der momentanen Einstellung des Korrekturspiegels 14. Bei optimaler Detektor-Anregung infolge linearer Wellenfront liegt auch auf dem vom Laserstrahl 17 zu bearbeitenden Werkstück eine maximale Laserleistung. Die

Zahl der Subaperturen des Wellenfrontsensors 23 ist der Zahl der Aktuatoren 19 anzupassen. Die Bandbreite des Reglers 20 kann ohne weiteres den in der Praxis auftretenden typischen Störfrequenzen in der Arbeitsweise des Bearbeitungslasers 11 angepaßt werden.

Wenn über den deformierbaren Spiegel 14 eine Korrektur von Fehlern in der Phasenfront des Laserstrahles 17 dahingehend erfolgen soll, daß optimale Strahlqualität und damit gute Fokussierung auf dem Werkstück erzielbar werden, dann ist der Detektor 23 zur Ermittlung von Wellenfront-Daten ausgelegt, wie etwa in der DE-OS 40 07 321 näher erläutert. Zur direkten Messung weist der Wellenfront-Detektor 23 im vorliegenden Falle jedoch zweckmäßiger ein Linsenarray mit CCD-Kamera auf.

Wenn jedoch die Phasenfront-Korrektur auf Basis eines interferometrisch gewonnenen Istwertes 22 erfolgen soll, dann werden abweichend von der Zeichnung zwei Teilstrahlen 25 aus dem Laserstrahl 17 hinter der Kavität 12 ausgekoppelt und in den Detektor 23 übertragen. Das dort resultierende Interferogramm kann dann mit einer CCD-Kamera aufgenommen werden, um daraus mittels eines Digitalrechners die Wellenfront- oder Phaseninformationen zu gewinnen, die dann den Istwert 22 für die Regelgröße 21 des deformierbaren Spiegels 14 darstellen.

Claims

Ansprüche

1. Bearbeitungslaser (11) mit Strahlbeeinflussungsanordnung (13) in seiner Kavität (12), dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlbeeinflussungsanordnung (13) ein deformierbarer Spiegel ist.

2. Bearbeitungslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der deformierbare Spiegel der totalreflektierende Endspiegel (14) in der Kavität (12) ist.

3. Bearbeitungslaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der deformierbare Spiegel hinter seiner Spiegelplatte wenigstens ein Stellglied (19) mit elektromechanischen! Mikr&ogr;-Aktuator aufweist.

4. Bearbeitungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der deformierbare Spiegel als Endspiegel (14) hinter einem Festkörperresonator (18) angeordnet ist.

5. Bearbeitungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüehe,

dadurch gekennzeichnet,

daß der deformierbare Spiegel hinter dem Zentrum seiner Spiegelfläche ein Stellglied (19) für geringförmige guasi-sphärische Verformung des Zentrums seiner Spiegelfläche aufweist.

6. Bearbeitungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere Stellglieder (19) um das zentrale Stellglied (19) herum hinter der Spiegelfläche angreifen.

7. Bearbeitungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche, ■

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Vielzahl an Stellgliedern für die ortsselektive Verformung der Spiegelfläche vorgesehen ist.

8. Bearbeitungslaser nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß der deformierbare Spiegel über einen Leistungs-Regler (20) nach Maßgabe eines hinter der Kavität (12) aus dem Laserstrahl (179 abgezweigten Teilstrahles (25) ansteuerbar ist.

9. Bearbeitungslaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß der deformierbare Spiegel über einen Wellenfront-Regler (20) ansteuerbar ist.

10. Bearbeitungslaser nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Regler (20) über einen Wellenfront-Detektor (23) gespeist ist, der einen in der Nähe des deformierbaren Spiegels in den Resonator integrierten Auskoppler (24) zum Bestrahlen eines Linsenarray-Wellenfrontsensors (23) aufweist.

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