EP4705052A1

EP4705052A1 - Laseroptik und verfahren zum laserschneiden mittels einer ringförmigen intensitätsverteilung und entsprechend eingerichtetes lasersystem

Info

Publication number: EP4705052A1
Application number: EP24720811.9A
Authority: EP
Inventors: Daniel FLAMM; Nicolai Speker; Tim Hesse
Original assignee: Trumpf Laser Ag
Current assignee: Trumpf Laser Ag
Priority date: 2023-05-02
Filing date: 2024-04-18
Publication date: 2026-03-11
Also published as: KR20260051000A; CN121079175A; WO2024227625A1; DE102023111329A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem (1), eine Optik (7) dafür und ein Verfahren zum Betreiben des Lasersystems (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (2). Die Optik (7) umfasst einen Lichtleiter (5) zum gleichzeitigen koaxialen Transportieren eines ersten Laserstrahls (18) als Singlemode- oder quasi-Singlemode-Laserstrahl (18) und eines zweiten Laserstrahls (21) als Multimode-Laserstrahl (21). Weiter umfasst die Optik (7) eine im Strahlweg des ersten Laserstrahls (18) angeordnete optische Einrichtung (14) zum Aufprägen einer Phasensingularität und/oder einer Polarisationssingularität auf den ersten Laserstrahl (18) zum Erzeugen einer ringförmigen Intensitätsverteilung (18) des ersten Laserstrahls (18) mit einem zentralen Intensitätsminimum (19) auf der optischen Achse (13) der Optik (7).

Description

Laseroptik und Verfahren zum Laserschneiden mittels einer ringförmigen Intensitätsverteilung und entsprechend eingerichtetes Lasersystem

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Lasertechnik. Dabei betrifft die Erfindung eine Optik für ein Lasersystems, das insbesondere für das Laserschneiden vorgesehen ist. Weiter betrifft die Erfindung ein solches Lasersystem und ein Verfahren, um damit ein Werkstück zu bearbeiten, insbesondere zu schneiden.

Laser bieten vielfältige nützliche Möglichkeiten zur berührungslosen Materialbearbeitung, also etwa für einen Materialabtrag oder das Schneiden eines Werkstücks oder dergleichen. Dabei kann durch die Einwirkung von Laserlicht Material aufgeschmolzen und/oder verdampft werden, womit beispielsweise durch Führen eines Laserstrahls über ein Werkstück ein Schnittspalt erzeugt werden kann. Das Schneidverhalten und/oder Eigenschaften des Schnittspalts bzw. einer resultierenden Schnittkante des zurückbleibenden Werkstoffmaterials können dabei beeinflusst werden durch Anpassungen des Lasersystems und des Laserlichts.

Beispielsweise beschreibt die WO 2019 / 150 071 A1 eine Vorrichtung für eine Laserbearbeitung eines Materials. Diese Vorrichtung umfasst dabei einen Druckmechanismus zum Zusammendrücken einer periodisch strukturierten Oberfläche und einer optischen Faser. Damit können eine erste optische Mode und eine zweite optische Mode von in der optischen Faser propagierender Laserstrahlung miteinander gekoppelt werden. Das resultierende Laserlicht soll eine Materialbearbeitung ermöglichen, bei der die von anderen laserbasierten Materialbearbeitungsmethoden bekannten Nachteile oder unerwünschten Effekte reduziert sind.

Einen ähnlichen Ansatz beschreibt auch die WO 2019 / 150 070 A1. Dort ist eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Materials beschrieben, die einen Laser, eine optische Faser und einen Koppler aufweist. Die optische Faser ist dabei derart ausgestaltet, dass darin Laserstrahlung in einer ersten optischen Mode, einer zweiten optischen Mode und einer dritten optischen Mode propagieren kann, wobei die Modenordnung der dritten optischen Mode am größten und die Modenordnung der ersten optischen Mode am kleinsten ist. Der Koppler ist dazu konfiguriert, Laserstrahlung, die in der ersten optischen Mode propagiert, in Laserstrahlung, die in der zweiten optischen Mode propagiert, zu wechseln. Weiter ist der Koppler dazu konfiguriert, in der zweiten optischen Mode propagierende Laserstrahlung in Laserstrahlung zu wechseln, die in der dritten optischen Mode propagiert. Auch damit soll im Ergebnis eine laserbasierte Materialbearbeitung ermöglicht werden, die bekannte Nachteile und unerwünschte Effekte reduziert.

Trotz der verschiedenen bekannten Ansätze zum Optimieren der laserbasierten Materialbearbeitung kann bisher noch kein optimales Ergebnis zuverlässig erzielt werden, beispielsweise hinsichtlich einer präzise wunschgemäß geformten Schnittspaltgeometrie und/oder hinsichtlich thermischer Effekten aufgrund eines Temperaturgradienten zwischen dem durch das Laserlicht beaufschlagten Material und dieses umgebendem Material und/oder dergleichen mehr.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Schneidleistung und Schnittspalt Qualität beim Laserschneiden zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.

Die erfindungsgemäße Optik kann insbesondere in einem Lasersystem zum Laserschneiden von Werkstücken oder Materialien vorteilhaft eingesetzt werden. Ebenso können aber andere Anwendungsfälle möglich sein. Eine Optik im vorliegenden Sinne kann dabei insbesondere verstanden werden als Anordnung oder Kombination mehrerer Bauteile oder Komponenten zum Transportieren, Führen und Beeinflussen bzw. Formen oder Konditionieren von Licht, insbesondere von Laserlicht bzw. wenigstens eines Laserstrahls. Die erfindungsgemäße Optik umfasst einen Lichtleiter zum gleichzeitigen koaxialen Transportieren, also Führen oder Leiten eines ersten Laserstrahls als Singlemode- oder quasi-Singlemode-Laserstrahl und eines zweiten Laserstrahls als Multimode-Laserstrahl. Mit anderen Worten ist der Lichtleiter also dazu ausgelegt beispielsweise einen dem ersten Laserstrahl entsprechenden ersten Anteil von eingangsseitig in den Lichtleiter eingekoppeltem Licht in der Grundmode oder zumindest nahe oder größtenteils in der Grundmode und einen dem zweiten Laserstrahl entsprechenden zweiten Anteil von eingangsseitig in den Lichtleiter eingekoppeltem Licht weiter von der Grundmode entfernt in einer Vielzahl von verschiedenen Moden zu transportieren. Anders ausgedrückt kann der erste Laserstrahl eine kleinere Beugungsmaßzahl M², also eine größere oder höhere Strahlqualität, aufweisen als der zweite Laserstrahl. Der Lichtleiter kann insbesondere ein Lichtwellenleiter bzw. ein Lichtleitkabel, also eine optische Faser oder Glasfaser sein oder umfassen. Die Laserstrahlen können in dem Lichtleiter beispielsweise ganz oder teilweise überdeckend oder voneinander getrennt bzw. separat geführt werden. Der Lichtleiter kann beispielsweise einen Lichtführungsbereich für beide Laserstrahlen aufweisen, in den die bereits unterschiedlichen Laserstrahlen eingangsseitig eingekoppelt werden können. Ebenso kann der Lichtleiter beispielsweise mehrere Lichtführungsbereiche aufweisen. Damit kann dann beispielsweise der erste Laserstrahl nur oder hauptsächlich in einem ersten Lichtführungsbereich des Lichtleiters geführt werden, während der zweite Laserstrahl beispielsweise nur oder hauptsächlich in einem anderen zweiten Lichtführungsbereich oder beispielsweise teilweise in dem ersten Lichtführungsbereich und teilweise in dem zweiten Lichtführungsbereich geführt werden kann. Die Lichtführungsbereiche können unmittelbar beispielsweise aneinander angrenzen oder durch ein sogenanntes Cladding voneinander getrennt bzw. beabstandet sein. Dies ist an anderer Stelle noch näher erläutert. Eine Dicke dieses gegebenenfalls vorgesehenen Claddings in radialer Richtung kann beispielsweise je nach Ausgestaltung bzw. je nach Anforderungen im Einzelfall gewählt werden.

Weiter umfasst die erfindungsgemäße Optik eine optische Einrichtung zum Aufprägen einer Phasensingularität und/oder einer Polarisationssingularität auf den ersten Laserstrahl, also auf den Singlemode- oder quasi-Singlemode-Anteil des in dem Lichtleiter geführten bzw. aus dem Lichtleiter ausgangsseitig ausgetretenen Lichts. Damit ist diese optische Einrichtung dazu eingerichtet bzw. ausgestaltet, eine ringförmige Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls mit einem zentralen Intensitätsminimum auf der optischen Achse der Optik zu erzeugen. Mit anderen Worten kann diese optische Einrichtung also eine beispielsweise zumindest im Wesentlichen gaußförmige Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls in eine ringförmige Intensitätsverteilung umwandeln. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diesen Effekt zu erreichen, also entsprechend verschiedene Möglichkeiten, die optische Einrichtung konkret auszugestalten, die an anderer Stelle näher erläutert werden. Beispielsweise kann die optische Einrichtung eine Spiralphasenplatte und/oder eine einen räumlichen Lichtmodulator, wie beispielsweise ein Flüssigkristalldisplay oder ein DMD (Digital Micromirror Device) zum Aufprägen der Phasensingularität und/oder eine S- Verzögerungsplatte zum Aufprägen der Polarisationssingularität sein oder umfassen. Die jeweils entsprechend aufgeprägte Phasen- oder Polarisationssingularität kann auch messtechnisch überprüft werden, je nach Ausgestaltung beispielsweise mittels eines Interferometers oder mittels eines Flüssigkristalldisplays in Kombination mit einer Kamera oder mittels eines rotierenden Polarisationsfilters oder dergleichen.

Die optische Einrichtung ist in der erfindungsgemäßen Optik im bestimmungsgemäßen Licht- bzw. Strahlweg zumindest des ersten Laserstrahls angeordnet. Entlang der Längsrichtung dieses Strahlwegs, also in oder entlang der bestimmungsgemäßen Strahlausbreitungsrichtung des ersten Laserstrahls in der Optik bzw. durch die Optik betrachtet ist die optische Einrichtung dabei nach dem Lichtleiter angeordnet. Die optische Einrichtung kann also unmittelbar an einem ausgangsseitigen Ende des Lichtleiters angeordnet sein, etwa durch Aufstecken oder Aufspleißen oder dergleichen, oder von dem ausgangsseitigen Ende des Lichtleiters beabstandet angeordnet sein, sodass der in dem Lichtleiter transportierte erste Laserstrahl aus dem Lichtleiter austreten und danach in die optische Einrichtung eintreten bzw. diese durchstrahlen kann. Die optische Einrichtung kann dabei je nach Ausgestaltung ein einzelnes optisch aktives Element oder Bauteil oder eine Anordnung oder Kombination mehrerer Bauteile sein oder umfassen.

Die optische Einrichtung kann ebenso im Strahlweg des zweiten Laserstrahls angeordnet sein, also im Betrieb von diesem durchstrahlt werden. In der Praxis wird jedoch nur der Singlemode- oder quasi-Singlemode-Anteil des die optische Einrichtung durchstrahlenden Laserlichts durch die optische Einrichtung signifikant beeinflusst. Somit wird also durch die optische Einrichtung dem ersten Laserstrahl die Phasen- und/oder Polarisationssingularität aufgeprägt und dadurch die ringförmige Intensitätsverteilung erzeugt, während der zweite Laserstrahl die optische Einrichtung zumindest im Wesentlichen unverändert oder unbeeinflusst durchstrahlen und somit seine ursprüngliche, also vor der optischen Einrichtung gegebene Intensitätsverteilung beibehalten und somit auch nach der optischen Einrichtung aufweisen kann.

Der erste Laserstrahl kann hier zum eigentlichen Schneiden bzw. zum Aufschmelzen des jeweiligen mit dem Laserstrahl beaufschlagten Materials dienen. Mittels des ersten Laserstrahls kann also der eigentliche Schnittspalt gebildet werden. Dabei kann der erste Laserstrahl besonders effektiv und gezielt auf diese Aufgabe optimiert werden, hier beispielsweise durch entsprechende Ausgestaltung bzw. Anpassung der optischen Einrichtung für eine jeweilige Situation oder einen jeweiligen Anwendungsfall, beispielsweise das zu schneidende Material.

Gleichzeitig kann der zweite Laserstrahl damit für andere Aufgaben oder Effekte zur Verfügung stehen bzw. genutzt werden. So kann der zweite Laserstrahl beispielsweise auch oder nur außerhalb des eigentlichen Schnittspalts auf das jeweilige Werkstück oder Material auftreffen oder zumindest im Wesentlichen im Eintrittsbereich des Schnittspalts absorbiert werden. Dadurch kann beispielsweise die ansonsten, also beispielsweise bei alleiniger Verwendung des ersten Laserstrahls scharfkantige Geometrie der oberen, also eintrittsseitigen Schnittkante des Schnittspalts abgerundet oder verrundet werden. Eine solche Verrundung kann besonders strömungsgünstig sein und somit beispielsweise einen effektiveren oder effizienteren Abtransport von aufgeschmolzenem oder verdampftem Material aus dem Schnittspalt ermöglichen. Mit anderen Worten kann also durch den zweiten Laserstrahl der obere Bereich des Schnittspalts im Querschnitt betrachtet zu einer Art Einlauftrichter geformt werden. Zudem kann durch Bestrahlung eines den eigentlichen Schnittspalt umgebenden Bereichs mittels des zweiten Laserstrahls beispielsweise ein Temperaturgradient in dem jeweiligen Werkstück oder Material abgeflacht oder eingestellt werden. Dadurch können entsprechende unerwünschte thermische Effekte oder Spannungen oder dergleichen vermieden oder reduziert werden.

Durch die gemeinsame koaxiale Führung der Laserstrahlen in dem Lichtleiter ist dabei stets ohne weiteres eine zuverlässige und konsistente Überdeckung bzw. räumliche Relation zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl gegeben. Da der zweite Laserstrahl jedoch im Gegensatz zu dem ersten Laserstrahl ein Multimode-Laserstrahl ist, kann durch die Optik eine unterschiedliche bzw. selektive Beeinflussung der beiden Laserstrahlen ermöglicht werden. Damit können also trotz der überlagerten oder koaxialen oder konzentrischen Anordnung bzw. Führung der beiden Laserstrahlen letztlich unterschiedliche individuelle Intensitätsverteilungen der beiden Laserstrahlen realisiert werden. Dies ermöglicht eine besonders einfache und flexible Anpassung an unterschiedliche Anforderungen oder Anwendungsfälle.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass bei der durch die optische Einrichtung, also durch das Aufprägen der Phasen- und/oder Polarisationssingularität erzeugten ringförmigen Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls diese bzw. deren zentrales Intensitätsminimum nicht nur im zentralen Fokuspunkt gegeben ist, sondern in Längsrichtung, also in Licht- bzw. Strahlausbreitungsrichtung entlang des Strahlwegs betrachtet über mehr als eine Rayleighlänge propagieren, also erhalten bleiben kann. Insbesondere kann die Ringform ausgehend vom zentralen Fokuspunkt in positive und negative Längsrichtung bzw. Strahlausbreitungsrichtung für jeweils wenigstens eine Rayleighlänge, also insgesamt über wenigstens zwei Rayleighlängen hinweg, propagieren bzw. erhalten bleiben. Somit kann die ringförmige Intensitätsverteilung bzw. deren zentrales Intensitätsminimum je nach Anwendungsfall über eine Länge erreicht bzw. aufrechterhalten werden, die im Bereich der Dicke des zu schneidenden Werkstücks oder Materials liegen kann. Dies ist bei bisherigen Ansätzen zum Erzeugen bzw. Verwenden einer ringförmigen Intensitätsverteilung eines Schneidlaserstrahls typischerweise nicht der Fall und kann in der Praxis einen bedeutenden Vorteil darstellen. Durch die vorliegende Erfindung können auf der Absorptionsfront dann - in engeren Grenzen als bei bisherigen Ansätzen - besonders homogene, also gleichbleibende absorbierte Intensitäten erreicht werden. Damit kann beispielsweise beim Laserschneiden von Blech, insbesondere bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten, eine verbesserte Gratfreiheit des resultierenden Schnittspalts bzw. einer resultierenden Schnittkante erreicht werden. Somit werden durch die vorliegende Erfindung also gleichzeitig eine besonders hohe Schnittspaltqualität und eine besonders hohe Vorschubgeschwindigkeit, also eine besonders hohe Schneidleistung ermöglicht.

Zudem bietet die vorliegende Erfindung damit die Möglichkeit zur gezielten Formung des Schnittspalts in der Tiefe bzw. im unteren Bereich, also im Austrittsbereich. Der untere Bereich bzw. Austrittsbereich ist hier derjenige Bereich des Schnittspalts, der auf einer im Betrieb von der Optik abgewandten Seite des jeweiligen Werkstücks oder Materials angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung kann also durch entsprechende Parametrierung bzw. Anpassung des ersten Laserstrahls mittels der entsprechend gestalteten optischen Einrichtung einen weiteren Freiheitsgrad zur Formung des Schnittspalts bereitstellen. Damit kann beispielsweise auch der Bereich des Schnittspalts, der unterhalb der gegebenenfalls durch den zweiten Laserstrahl eingangsseitig erzeugten Verrundung liegt, angepasst bzw. gezielt geformt werden.

Die Optik kann auch weitere Komponenten aufweisen bzw. umfassen, wie beispielsweise eine Kollimationsoptik, also eine Teiloptik zum Kollimieren des aus dem Lichtleiter austretenden Laserlichts und/oder eine Fokussierungsoptik, also eine Teiloptik zum Fokussieren des - gegebenenfalls kollimierten - Laserlichts in einen Fokuspunkt oder Fokusbereich bzw. auf das jeweils zu schneidende oder zu bearbeitende Werkstück oder Material, und/oder ein ausgangsseitiges oder umgebendes Schutzglas und/oder eine Verstelleinrichtung zum Einstellen oder Anpassen der Optik, etwa durch Verschieben wenigstens einer optischen Komponente entlang der optischen Achse, also in Licht- bzw. Strahlausbreitung des Laserstrahls, und/oder senkrecht dazu, und/oder entsprechende Halterungen zum Fixieren der genannten Komponenten und/oder ein die genannten Komponenten umgebendes Gehäuse und/oder dergleichen mehr.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Lichtleiter dazu eingerichtet bzw. ausgelegt, den ersten Laserstrahl mit einer Beugungsmaßzahl M² <2, insbesondere M²< 1 ,7, und den zweiten Laserstrahl mit einer Beugungsmaßzahl M² > 2 bzw. M² > 1 ,7 zu führen. Mit anderen Worten kann der erste Laserstrahl in dem Lichtleiter also zumindest nahezu beugungsbegrenzt bzw. an der Beugungsgrenze und der zweite Laserstrahl nicht beugungsbegrenzt, also weiter von der Beugungsgrenze entfernt geführt werden. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Materialien für Lichtführungsbereiche, also lichtführende Kernbereiche, und diese umgebende Mantelbereiche (englisch: cladding) und/oder den Durchmesser des Lichtführungsbereichs oder der Lichtführungsbereiche erreicht werden - gegebenenfalls abhängig von der verwendeten Wellenlänge oder den verwendeten Wellenlängen der Laserstrahlen.

Beispielsweise kann der erste Laserstrahl bei M² < 1 ,3 als reiner Singlemode-Laserstrahl und bei M² < 1 ,5 als quasi-Singlemode-Laserstrahl gelten. Die hier vorgeschlagenen unterschiedlichen Beugungsmaßzahl M² bzw. die entsprechenden Stahlqualitäten für die beiden Laserstrahlen haben sich in der Praxis als nützlich erwiesen. Beispielsweise kann damit auch bei einem Durchstrahlen der optischen Einrichtung durch beide Laserstrahlen zuverlässig erreicht werden, dass nur oder zumindest primär der erste Laserstrahl beeinflusst, also hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung verändert wird, während der zweite Laserstrahl zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben kann.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Lichtleiter einen inneren Kern- bzw. Lichtführungsbereich zum Transportieren des ersten Laserstrahls und einen äußeren Kern- bzw. Lichtführungsbereich zum Transportieren des zweiten Laserstrahls auf. Der äußere Lichtführungsbereich umgibt dabei den inneren Lichtführungsbereich ringförmig, sodass sich eine den ersten Laserstrahl entsprechend ringförmig umgebende Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls ergibt. Diese ringförmige Intensitätsverteilung des zweiten Laserstrahls resultiert hier also aus der ringförmigen bzw. röhrenförmigen Gestalt des äußeren Lichtführungsbereichs. Der innere Lichtführungsbereich kann hingegen beispielsweise eine vollzylindrische Gestalt aufweisen, im Querschnitt also kreisscheibenförmig sein. Der innere Lichtführungsbereich kann dabei insbesondere das Zentrum des Lichtleiters bilden. Der äußere Lichtführungsbereich kann das Zentrum, also die Mittellängsachse des Lichtleiters hingegen koaxial bzw. konzentrisch umgeben. Da der zweite Laserstrahl durch die optische Einrichtung zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben oder sich an dieser vorbei ausbreiten kann, ergibt sich somit nach der optischen Einrichtung eine Ring-in-Ring Intensitätsverteilung der beiden Laserstrahlen mit einem inneren Ring und einem diesen umgebenden äußeren Ring. Dabei wird der innere Ring der Intensitätsverteilung durch den ersten Laserstrahl und der diesen konzentrisch umgebende äußere Ring der Intensitätsverteilung durch den zweiten Laserstrahl gebildet.

Dazu kann der Lichtleiter beispielsweise als sogenannte 2-in-1 Faser oder n-in-1 Faser mit n > 2 bzw. als sogenannte Multiclad-Faser ausgestaltet sein bzw. eine solche optische Faser umfassen. Dabei kann in der senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung bzw. zur Längsrichtung des Strahlwegs bzw. zur Strahlausbreitungsrichtung der Laserstrahlen stehenden Querschnittsebene in radialer Richtung zwischen dem inneren Lichtführungsbereich und dem äußeren Lichtführungsbereich ein Mantelmaterial bzw. Mantelbereich angeordnet sein. Ebenso kann der äußere Lichtführungsbereich von einem solchen Mantelmaterial oder Mantelbereich umgeben sein. Durch diese Ausgestaltung kann eine unerwünschte Kopplung der beiden Laserstrahlen vermieden werden. Damit kann beispielsweise eine Beeinflussung des zentralen oder tieferen Bereichs des Schnittspalts durch den zweiten Laserstrahl vermieden werden. Dies wiederum kann eine besonders einfache Einstellung oder Realisierung der im jeweiligen Anwendungsfall gewünschten Beeinflussung des jeweiligen Werkstücks oder Materials ermöglichen. So kann beispielsweise die Intensität oder Leistung bzw. Leistungsdichte im Zentrum des Schnittspalts allein durch entsprechende Anpassung des ersten Laserstrahls - und damit besonders einfach - eingestellt bzw. angepasst werden.

Durch einen Mantelbereich, also ein Cladding um den zum Führen des ersten Laserstrahls vorgesehenen inneren bzw. ersten Lichtführungsbereich kann ein Übertreten von Photonen des ersten Laserstrahls in den zum Führen des zweiten Laserstrahls vorgesehenen umgebenden äußeren bzw. zweiten Lichtführungsbereich vermieden oder zumindest im Vergleich zu einem Aufbau ohne ein solches Cladding zwischen den Lichtführungsbereichen reduziert werden. Damit kann eine entsprechend höhere Leistungsdichte des ersten Laserstrahls und eine bessere Kontrolle bzw. Einsteilbarkeit der Leistung in dem primär durch den zweiten Laserstrahl gebildeten äußeren Ring der gesamten Intensitätsverteilung ermöglicht werden. Damit kann eine besonders flexible bzw. vielfältige Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Optik bzw. des entsprechenden Lasersystem ermöglicht werden. Ebenso kann aber ein Aufbau des Lichtleiters mit dem zum Führen des ersten Laserstrahls vorgesehenen inneren bzw. ersten Lichtführungsbereich und dem diesen ringförmig umgebenden, zum Führen des zweiten Laserstrahls vorgesehenen äußeren bzw. zweiten Lichtführungsbereich, aber ohne zwischen diesen Lichtführungsbereichen angeordnetes Cladding verwendet werden. Dabei können die Lichtführungsbereiche dann also beispielsweise unmittelbar aneinander angrenzen. In diesem Fall müsste der äußere bzw. zweite Lichtführungsbereich gegebenenfalls nicht eingangsseitig separat mit Laserlicht beaufschlagt werden. Dies kann gegebenenfalls einen einfacheren Aufbau eines entsprechenden Lasersystems ermöglichen und einen praktikablen Ansatz beispielsweise für ein Laserschneiden von Bauteilen oder Materialien in Kombination mit einer Warmumformung (englisch: hot forming) darstellen.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Optik wenigstens eine Fokussierungseinrichtung zum Fokussieren der Laserstrahlen in einen ausgangsseitig außerhalb der Optik liegenden Fokuspunkt bzw. Fokusbereich auf. Diese Fokussierungseinrichtung ist dabei in Längsrichtung des Strahlwegs bzw. in Strahlausbreitungsrichtung der Laserstrahlen betrachtet nach dem Lichtleiter in dem Strahlweg angeordnet. Insbesondere kann die Fokussierungseinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sie sowohl von dem ersten Laserstrahl als auch von dem zweiten Laserstrahl durchstrahlt wird. Die Fokussierungseinrichtung kann beispielsweise eine Fokussierungslinse sein oder umfassen. Die Fokussierungseinrichtung kann also ein einzelnes Fokussierungselement sein oder als eine mehrteilige, also gegebenenfalls mehrere optische Elemente umfassende, Teiloptik der erfindungsgemäßen Optik ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Fokussierungseinrichtung dazu eingerichtet bzw. ausgelegt sein, für den ersten Laserstrahl einen Fokusdurchmesser von höchstens 600 pm, bevorzugt von höchstens 300 pm, zu erzeugen. Durch die Fokussierungseinrichtung kann beispielsweise ein besonders effektives und effizientes Laserschneiden ermöglicht werden. Durch die hier vorgeschlagenen Fokusdurchmesser kann dabei eine strömungsdynamische Anpassung und Optimierung der Schnittspaltgeometrie erreicht werden.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die optische Einrichtung, also das Element oder die Baugruppe zum Erzeugen der ringförmigen Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls, in dessen Strahlausbreitungsrichtung, also entlang des Strahlwegs betrachtet zwischen zumindest einem Teil der Fokussierungseinrichtung und dem Fokuspunkt bzw. Fokusbereich angeordnet. Die hier vorgeschlagene Anordnung der optischen Einrichtung kann einen besonders einfachen Aufbau der Optik ermöglichen. So können dadurch beispielsweise die Fokussierungseinrichtung oder auch eine gegebenenfalls vorgesehene Kollimierungseinrichtung bzw. Kollimationslinse besonders nah am Ausgang oder Ende des Lichtleiters angeordnet werden. Dadurch kann ohne weiteres eine unnötig große Aufweitung der Laserstrahlen vermieden werden. Dabei muss die optische Einrichtung auch nicht notwendigerweise in der 2f-Ebene der Fokussierungseinrichtung, das heißt in einer der doppelten Brennweite entsprechenden Entfernung zu dieser, angeordnet sein. Somit wird hier also auch eine besonders flexible bzw. an die jeweilige Bauraumgegebenheiten im jeweiligen Anwendungsfall angepasste Anordnung der optischen Einrichtung und somit also ein entsprechend flexibler Aufbau der Optik insgesamt ermöglicht.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Optik ein ausgangsseitig in dem Strahlweg angeordnetes Schutzglas auf. Dieses Schutzglas kann also insbesondere entlang Strahlausbreitungsrichtung der Laserstrahlen, also entlang der Längsrichtung des Strahlwegs betrachtet der Fokussierungseinrichtung nachgeordnet, aber vor dem außerhalb der Optik liegenden Fokusbereich angeordnet sein. Durch ein solches Schutzglas kann beispielsweise ein Eintrag von Straub oder Schmutz in die Optik vermieden oder minimiert werden. Weiter ist hier vorgesehen, dass die optische Einrichtung zum Erzeugen der ringförmigen Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls an diesem Schutzglas angeordnet oder in diesem Schutzglas ausgebildet ist. In ersterem Fall kann das Schutzglas also beispielsweise als Halter oder Träger für die optische Einrichtung fungieren. In letzterem Fall kann die optische Einrichtung beispielsweise durch entsprechende Formung oder Bearbeitung des Schutzglases, insbesondere von dessen Oberfläche, ausgebildet sein. In beiden Fällen kann also beispielsweise eine zusätzliche Halterung für die optische Einrichtung eingespart und eine besonders robuste und dauerhaft zuverlässige Positionierung der optischen Einrichtung ermöglicht werden.

In einer anderen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die optische Einrichtung zum Erzeugen der ringförmigen Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls an einer Längsposition entlang des Strahlwegs angeordnet, an welcher zumindest der erste Laserstrahl seinen größten Durchmesser aufweist. Dies bezieht sich zumindest auf den Bereich der erfindungsgemäßen Optik, also beispielsweise den Bereich von dem Lichtleiter bis zu dem ausgangsseitig außerhalb der Optik liegenden Fokuspunkt bzw. Fokusbereich. Da die Leistung des ersten Laserstrahls jeweils vorgegeben ist, ist an der Stelle mit dem größten Durchmesser die Flächenenergiedichte des ersten Laserstrahls am geringsten. Durch die Anordnung der optischen Einrichtung an dieser Stelle entlang des Strahlwegs wird somit jedes Flächenelement der optischen Einrichtung mit möglichst wenig Intensität bzw. Leistung des ersten Laserstrahls beaufschlagt. Damit kann die entsprechende Belastung der optischen Einrichtung minimiert werden, um beispielsweise Beschädigungen zu vermeiden oder die Lebensdauer zu erhöhen. Beispielsweise kann die optische Einrichtung hier entlang des Strahlwegs betrachtet auf der dem Lichtleiter zugewandten Seite der an anderer Stelle genannten Fokussierungseinrichtung, insbesondere zwischen dieser und der an anderer Stelle genannten Kollimierungseinrichtung angeordnet sein.

In einer anderen möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Optik ein unmittelbar an einem ausgangsseitigen Ende des Lichtleiters angeordnetes Endelement auf. Dieses Endelement kann also beispielsweise auf das ausgangsseitige Ende des Lichtleiters aufgesteckt oder gespleißt sein oder dergleichen. Beispielsweise kann es sich bei dem Endelement um einen Faserendstecker handeln, wenn es sich bei dem Lichtleiter um eine optische Faser handelt. Weiter ist hier vorgesehen, dass die optische Einrichtung zum Erzeugen der ringförmigen Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls in diesem Endelement angeordnet bzw. ausgebildet ist. Ebenso kann das Endelement ein ausgangsseitiger Endbereich des Lichtleiters sein. In diesem Fall kann die optische Einrichtung beispielsweise unmittelbar auf oder in dem ausgangsseitigen Ende, also der entsprechenden Stirnseite des Lichtleiters ausgebildet sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann ohne Weiteres erreicht werden, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl beim Eintritt die optische Einrichtung bereits präzise und gleichbleibend relativ zueinander angeordnet bzw. einander überlagert sind. Somit kann dann gegebenenfalls auf eine entsprechende zusätzliche Strahlformung oder Strahlführung verzichtet werden. Zudem kann hier erreicht werden, dass zumindest der erste Laserstrahl immer, also beispielsweise auch bei Erschütterungen oder dergleichen, in gleicher weise, also beispielsweise im selben Bereich und in derselben Richtung, die optische Einrichtung durchstrahlt. Dadurch kann eine dauerhaft konsistente, also gleichbleibende Intensitätsverteilung und somit eine besonders hohe Konsistenz und Zuverlässigkeit der Eigenschaften der Optik bzw. des damit ausgestatteten Lasersystems erreicht werden. Das Endelement kann in der Längsrichtung bzw. in der Strahlausbreitungsrichtung beispielsweise eine Ausdehnung bis zu einigen Zentimetern aufweisen.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst das Endelement einen bearbeiteten Endbereich des Lichtleiters. Die optische Einrichtung ist dann durch einen auf der ausgangsseitigen Stirnfläche, durch die also im Betrieb das Laserlicht in der Längsrichtung bzw. der Strahlausbreitungsrichtung hindurchtritt, geformtes Höhenprofil gebildet. Ein solches Höhenprofil kann beispielsweise auf bzw. in die Stirnfläche des Lichtleiters geätzt oder durch selektiven Materialabtrag, also beispielsweise mittels eines laserlithografischen Verfahrens oder dergleichen, hergestellt sein. Durch die hier vorgeschlagene Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Optik aus besonders wenigen Bauteilen und besonders robust aufgebaut sein. Beispielsweise wird so eine Relativbewegung zwischen dem Lichtleiter und der optischen Einrichtung ausgeschlossen. Dadurch können besonders robuste und dauerhaft konsistente ausgangsseitige Strahleigenschaften erreicht werden. Je nach Größe und Ausgestaltung des Lichtleiters und je nach verfügbaren Fertigungsverfahren kann das die optische Einrichtung bildende Höhenprofil über die gesamte Stirnfläche des Lichtleiters hinweg oder nur im Bereich des den ersten Laserstrahl transportierenden Lichtführungsbereichs ausgebildet sein. Die erstere Variante kann besonders einfach zu fertigen sein, während die letztere Variante eine Beeinflussung des zweiten Laserstrahls durch die optische Einrichtung vollständig vermeiden kann.

Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist oder umfasst die optische Einrichtung eine Spiralphasenplatte. Durch eine solche Spiralphasenplatte kann dem ersten Laserstrahl eine Phasensingularität aufgeprägt werden. Ein durch eine solche Spiralphasenplatte erzeugtes ringförmiges Intensitätsprofil kann, insbesondere für Laserstrahlen mit Beugungsmaßzahl M² < 1,5, über eine besonders große Länge bzw. Wegstrecke in Strahlausbreitungsrichtung bzw. in Längsrichtung des Strahlwegs propagieren, also erhalten bleiben. Damit kann eine entsprechend gleichmäßige Intensitätsbeaufschlagung innerhalb des Schnittspalts also auch bei besonders großen Materialstärken des zu schneidenden Werkstücks erreicht werden. Ebenso kann dadurch ein besonders großer Abstand zwischen der Optik und dem zu schneidenden bzw. zu bearbeitenden Werkstück oder Material gewählt werden, ohne das Schneid- oder Bearbeitungsergebnis dadurch negativ zu beeinflussen. Dies kann eine entsprechend einfache und sichere relativ Positionierung zwischen Optik bzw. Lasersystem und Werkstück bzw. Material sowie ein besonders effektives und effizientes Abtransportieren von aufgeschmolzenem oder verdampftem Material zur Seite hin ermöglichen. Die Verwendung einer Spiralphasenplatte für oder als die optische Einrichtung kann eine besonders einfache Anpassung an unterschiedliche Anforderungen oder Anwendungsfälle ermöglichen. Beispielsweise können dazu die Anzahl der 2TT-Phasensprünge, also die sogenannte topologischen Ladung, und/oder die Anzahl der Höhenstufen und/oder die Modulationstiefe der Spiralphasenplatte variiert werden. Beispielsweise kann für praktische Anwendungen ein Betrag der topologischen Ladung m im Bereich von 1 bis 50, insbesondere im Bereich von 1 bis 5, gewählt werden. Insbesondere kann der Betrag der topologischen Ladung kleiner als die größte azimutale Modenordnung des zweiten Laserstrahls gewählt bzw. eingestellt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der zweite Laserstrahl nicht oder nicht signifikant durch die optische Einrichtung, hier also die Spiralphasenplatte, beeinflusst wird.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Spiralphasenplatte wenigstens 16 Stufen, also Höhenstufen bzw. unterschiedliche Höhenniveaus, insbesondere wenigstens 32 oder wenigstens 64 Stufen, auf. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass ebenso zwar prinzipiell weniger Stufen für die Spiralphasenplatte, beispielsweise 4 oder 8 Stufen oder dergleichen, verwendet werden können, eine größere Anzahl von Stufen jedoch eine größere Effizienz ermöglicht. So kann beispielsweise mit wenigstens 32 Stufen eine Effizienz von wenigstens 97 % erreicht werden.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist oder umfasst die optische Einrichtung eine S-Verzögerungsplatte (englisch: s-waveplate). Diese kann insbesondere ein Bauteil oder Material mit ortsabhängigen Doppelbrechungseigenschaften sein oder umfassen. Damit kann dem ersten Laserstrahl eine Polarisationssingularität aufgeprägt werden, beispielsweise durch Formung einer radialen oder azimutalen Polarisation oder eines Mischzustands daraus. Eine S-Verzögerungsplatte kann beispielsweise eine lineare Polarisation in eine radiale oder azimutale Polarisation umwandeln oder eine zirkulare Polarisation in einen optischen Vortex, also eine ringförmige Intensitätsverteilung umwandeln. Mit einer solchen S-Verzögerungsplatte können besonders günstige Propagationseigenschaften für die Intensitätsverteilung des ersten Laserstrahls erreicht werden. Zudem bewirkt auch die S-Verzögerungsplatte keine oder nur eine marginale bzw. vernachlässigbare Beeinflussung des zweiten Laserstrahls. Ebenso kann hier zum als die optische Einrichtung oder als Teil davon beispielsweise ein segmentierter Polarisationskonverter oder ein geometrisches Phasenhologramm (GPH, geometric-phase hologram) verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Lasersystem, das insbesondere zum Laserschneiden eingerichtet sein kann. Das erfindungsgemäße Lasersystem weist wenigstens eine Laserquelle, die erfindungsgemäße Optik und eine Einkoppeleinrichtung zum Einkoppeln verschiedener Laserlichtanteile oder Laserstrahlen in den Lichtleiter der Optik auf. Das erfindungsgemäße Lasersystem kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Optik genannte Lasersystem sein oder diesem entsprechen. Das erfindungsgemäße Lasersystem kann ebenso weitere Komponenten aufweisen. So kann das Lasersystem beispielsweise eine Leistungsverteilungseinrichtung zum Einstellen einer Leistungsverteilung bzw. eines Leistungsverhältnisses zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl aufweisen. Diese kann insbesondere eingerichtet sein für eine stufenlose Einsteilbarkeit der Leistung bzw. des Leistungsanteils des ersten Laserstrahls und/oder des zweiten Laserstrahls jeweils zwischen 0 % und 100 % der jeweils verfügbaren Leistung. Ebenso kann das Lasersystem beispielsweise eine Regeleinrichtung, insbesondere einen geschlossenen Regelkreis, aufweisen, womit die Leistung des ersten Laserstrahls und/oder des zweiten Laserstrahls automatisch regelbar ist, beispielsweise in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit, mit der die Optik bzw. der Fokusbereich relativ zu dem jeweils zu bearbeitenden Werkstück oder Material bewegt wird. Ebenso kann das Lasersystem beispielsweise ein Schneid- oder Prozessgassystem zum Erzeugen und zu den Laserstrahlen koaxialen Führen eines Schneid- oder Prozessgasstroms, dessen Strömungsrichtung der Propagationsrichtung, also der Lichtausbreitungsrichtung der Laserstrahlen entspricht, aufweisen. Ein solches Prozessgassystem kann beispielsweise eine Regeleinheit zum Führen und Stabilisieren eines Gasdrucks des Schneid- bzw. Prozessgases und/oder eine Gasdüse und/oder dergleichen mehr aufweisen. Die Gasdüse kann beispielsweise die Laserstrahlen in Propagationsrichtung betrachtet nach der Optik umgeben. Ebenso kann das Lasersystem eine Abstandssensorik zum Überwachen eines Abstands zwischen dem jeweils zu bearbeitenden Werkstück oder Material und einem vordefinierten zu dem Lasersysteme lagefesten Referenzpunkt, beispielsweise einem bestimmten Bauteil bzw. Bauteilpunkt des Lasersystems, wie etwa der Gasdüse, aufweisen. Damit kann beispielsweise eine Regeleinrichtung bzw. ein geregelter Antrieb gekoppelt sein, um das Lasersystem bzw. den jeweiligen Referenzpunkt oder das jeweilige Bauteil, also beispielsweise die Gasdüse oder die Optik, in einem vorgegebenen Abstand zu dem jeweiligen Werkstück oder Material zu führen bzw. zu halten. Ebenso kann das Lasersystem einen Antrieb bzw. eine Verstelleinrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Lasersystem, insbesondere der Optik, und dem jeweils zu schneidenden oder zu bearbeitenden Werkstück oder Material aufweisen.

In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Lasersystem dazu eingerichtet, unterschiedliche Wellenlängen und/oder unterschiedliche Polarisationszustände des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls zu erzeugen. Mit anderen Worten können also der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl im Betrieb des Lasersystems sich voneinander unterscheidende Wellenlängen und/oder Polarisationszustände aufweisen. Die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen kann eine Nutzung maximaler Absorptionsbedingungen bzw. eine Anpassung an maximale Absorptionsbedingungen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen primär vorliegenden Strahleinfallsbedingungen der beiden Laserstrahlen auf dem jeweiligen Werkstück ermöglichen. So kann der erste Laserstrahl primär streifend, also beispielsweise mit in einem Winkel zwischen 70° und etwa 87°, einfallen. Der zweite Laserstrahl kann hingegen primär orthogonal, also beispielsweise in einem Winkel zwischen 0° und 45°, einfallen. Für eine maximale Absorption unter den primär streifenden Strahleinfallsbedingungen des ersten Laserstrahls kann beispielsweise eine Wellenlänge im nahen Infrarot besonders günstig sein. Für eine maximale Absorption unter den primär orthogonalen Strahl Einfallsbedingungen des zweiten Laserstrahls kann hingegen eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich besonders günstig sein. Beispielsweise kann für den ersten Laserstrahl eine Wellenlänge im Bereich von 0,8 pm bis 2,1 pm verwendet werden. Für den zweiten Laserstrahl kann beispielsweise eine Wellenlänge im Bereich von 0,2 pm bis 0,8 pm verwendet werden.

Je nach Ausgestaltung und Anwendungsfall können für die beiden Laserstrahlen unterschiedliche Polarisationszustände verwendet werden, beispielsweise zirkulare oder azimutale oder radiale oder stochastisch verteilte Polarisationszustände oder Kombinationen daraus. Durch die Wahl bzw. Verwendung geeigneter, also an die jeweiligen Bedingungen oder den jeweiligen Anwendungsfall angepasster Polarisationszustände kann die Absorptionseffizienz bzw. die energetische Effizienz gesteigert werden. Ebenso kann durch Anpassung der Polarisationszustände gezielt Einfluss auf ein sich ergebendes Temperaturprofil der Absorptionsfront genommen werden. Damit bietet eine entsprechende Anpassung oder Einsteilbarkeit des Lasersystems eine entsprechende Flexibilität bzw. Anpassbarkeit an unterschiedliche Situationen und Anwendungsfälle.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bearbeiten, insbesondere zum Schneiden, eines Werkstücks bzw. Materials. In dem Verfahren wird mittels wenigstens einer Laserquelle Laserlicht erzeugt. Weiter wird ein erster Anteil des Laserlichts als Singlemode- oder quasi- Singlemode-Laserstrahl und ein zweiter Anteil des Laserlichts als Multimode-Laserstrahl Laserstrahl mit ringförmiger Intensitätsverteilung in dem Lichtleiter zu der Optik transportiert. Zumindest mit dem Singlemode- oder quasi-Singlemode-Laserstrahl wird die optische Einrichtung durchstrahlt und dadurch eine koaxiale bzw. konzentrische Ring-in-Ring Intensitätsverteilung erzeugt, bei der die durch die optische Einrichtung erzeugte ringförmige Intensitätsverteilung des Singlemode- oder quasi-Singlemode-Laserstrahl ringförmig von der dazu koaxialen größeren ringförmigen Intensitätsverteilung des Multimode-Laserstrahls umgeben ist. In dem Verfahren werden die beiden Laserstrahlen auf das zu bearbeitende, insbesondere zu schneidende, Werkstück fokussiert und das Werkstück mittels der Ring-in- Ring Intensitätsverteilung bearbeitet, insbesondere geschnitten. Dabei wird also die optische Einrichtung zwischen der Laserquelle und dem werkstückseitigen Fokus der Laserstrahlen zumindest von dem ersten Laserstrahl durchstrahlt. Zum Bearbeiten bzw. Schneiden des Werkstücks kann dabei eine Relativbewegung zwischen dem Fokus der Laserstrahlen und dem jeweiligen Werkstück erzeugt, also effektiv der Fokus der Laserstrahlen über das Werkstück geführt werden, beispielsweise entlang einer im jeweiligen Anwendungsfall vorgegebenen Bahn.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines Lasersystems zum Schneiden eines Werkstücks unter Verwendung einer Ring-in-Ring Laserintensitätsverteilung; und

Fig. 2 eine Querschnittdarstellung einer entsprechenden simulierten Ring-in-Ring Laserintensitätsverteilung.

Fig. 1 zeigt eine ausschnittweise schematische Darstellung zum Veranschaulichen eines Laserschneidens mittels eines Lasersystems 1. Damit kann hier beispielhaft ein schematisch angedeutetes Werkstück 2 geschnitten oder bearbeitet werden. Das Lasersystem 1 umfasst mindestens eine Strahl- bzw. Laserquelle 3. Dieser Laserquelle 3 nachgeschaltet oder nachgeordnet ist eine Einkoppeleinrichtung 4 zum Einkoppeln von mittels der Laserquelle 3 erzeugten Laserstrahlen in einen hier ebenfalls schematisch angedeuteten Lichtleiter 5 des Lasersystems 1. Der Lichtleiter 5 kann beispielsweise eine optische Faser sein. Dabei kann es sich insbesondere um eine 2-in-1 -Faser mit einem inneren Lichtführungsbereich und einem diesen umgebenden äußeren Lichtführungsbereich handeln. An einem ausgangsseitigen, also entlang der Lichtausbreitungsrichtung betrachtet der Einkoppeleinrichtung 4 gegenüberliegenden Ende des Lichtleiters 5 kann aus diesem hier schematisch angedeutet Laserlicht 6 austreten. Um damit effektiv das Werkstück 2 bearbeiten zu können, umfasst das Lasersystem 1 hier auch weitere, dem Lichtleiter 5 für nachgeordnete optische Elemente bzw. Einrichtungen. Diese können hier zusammen mit dem Lichtleiter 5 zusammenfassend als Optik 7 bezeichnet werden. Insbesondere umfasst die Optik 7 eine Kollimierungseinrichtung, die hier in Form einer Kollimationslinse 8 angedeutet ist. Weiter umfasst die Optik 7 eine der Kollimationslinse 8 nachgeordnete Fokussierungseinrichtung, die hier als Fokussierungslinse 9 angedeutet ist. Mittels der Kollimationslinse 8 kann das Laserlicht 6 zunächst kollimiert werden. Mittels der Fokussierungslinse 9 kann das kollimierte Laserlicht 6 dann in einen außerhalb des Lasersystems 1 liegenden Fokusbereich 10 fokussiert werden. In diesem Fokusbereich 10 kann also die maximale Intensität bzw. Energiedichte des Laserlichts 6 erreicht und dadurch in dem Werkstück 2 ein Schnittspalt 11 erzeugt werden. Die Optik 7 kann wie hier angedeutet als Transmissionsoptik, aber ebenso ganz oder teilweise als reflektive Optik ausgestaltet werden.

Aus Sicherheitsgründen und zum Schutz der Komponenten kann das Lasersystem 1 ausgangsseitig beispielsweise ein Schutzglas 12 aufweisen, welches von dem Laserlicht 6 durchstrahlt werden kann. Je nach Ausgestaltung kann das Schutzglas 12 beispielsweise der Optik 7 nachgeordnet oder Teil der Optik 7 sein.

Je nach Anforderungen oder Anwendungsfall kann das Lasersystem 1 bzw. dessen Laserquelle 3 unterschiedlich ausgestaltet sein, beispielsweise als CO2-Laser, als Festkörperlaser, also etwa als Scheibenlaser oder Faserlaser oder Diodenlaser, oder dergleichen mehr. Für typische Anwendungen zum Laserschneiden kann das Lasersystem 1 bzw. die Laserquelle 3 beispielsweise eine Laserleistung, insbesondere eine Dauerstrichleistung, im Bereich von mehreren Kilowatt aufweisen. Damit können beispielsweise 3D-Bleche mit einer Dicke von mehreren Millimetern geschnitten werden. Ebenso können aber andere Anwendungen bzw. Leistungen möglich sein.

Um in dem Werkstück 2 nicht nur eine punktförmige Bohrung, sondern den längserstreckten Schnittspalt 11 erzeugen zu können, kann eine hier der Übersichtlichkeit halber nicht explizit dargestellte Verstell- oder Verlagerungseinrichtung verwendet werden, um eine Relativbewegung zwischen dem Fokusbereich 10 und dem Werkstück 2 zu erzeugen. Damit kann beispielsweise das Werkstück 2 bewegt werden. Zusätzlich oder alternativ kann damit das Lasersystem 1 oder dessen Optik 7 bewegt oder gekippt oder verstellt werden.

Darüber hinaus kann das Lasersystem 1 ein Schneid- oder Prozessgassystem umfassen, das hier ebenfalls der Übersichtlichkeit halber nicht explizit dargestellt ist. Damit kann ein Schneid- oder Prozessgasstrom auf den Schnittspalt 11 gelenkt werden. Insbesondere kann dieser Schneid- oder Prozessgasstrom koaxial zu einer hier schematisch angedeuteten optischen Achse 13 der Optik 7 geführt werden. Diese optische Achse 13 entspricht hier der Längsrichtung des Strahlwegs, also der primären Licht- bzw. Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts 6 - zumindest nach Verlassen des Lichtleiters 5. Dazu kann beispielsweise außenseitig an dem Lasersystem 1 eine Gasdüse angeordnet sein, die das durch das Schutzglas 12 austretende Laserlicht 6 umgeben kann. Die Strömungsrichtung des Schneidoder Prozessgasstrom kann damit also der primären Ausbreitungsrichtung des Laserlichts 6 entsprechen.

Das Lasersystem 1 ist hier dazu eingerichtet, um eine besonders hohe Güte oder Qualität des Schnittspalts 11 bei gleichzeitig besonders hoher Schneidleistung zu erreichen bzw. zu ermöglichen. Dazu wird eine Ring-in-Ring-Form des Laserlichts 6 zumindest in dem Fokusbereich 10 erzeugt bzw. verwendet. Fig. 2 zeigt eine entsprechende simulierte Ring-in- Ring Intensitätsverteilung 17 in einer senkrecht zu der optischen Achse 13 stehenden Querschnittsebene. Zum besseren Verständnis ist hier auch eine Intensitätsskala dargestellt. Die Intensitätsverteilung 17 umfasst hier einen Innenring 18 mit einem zentralen Intensitätsminimum 19, das insbesondere auf der optischen Achse 13 bzw. im Zentrum des Schnittspalts 11 liegen kann. Der Innenring 18 ist umgeben von einem ringförmigen Intensitätsminimum 20. Nochmals außerhalb davon befindet sich ein Außenring 21. Der Innenring 18 und der Außenring 21 sind also Bereiche, in denen das Laserlicht 6 propagiert.

Ein letztlich den Innenring 18 bildender Anteil des Laserlichts 6 kann in dem inneren Lichtführungsbereich des Lichtleiters 5 geführt werden, während der letztlich den Außenring 21 bildende Anteil des Laserlichts 6 in dem äußeren Lichtführungsbereich des Lichtleiters 5 geführt werden kann. Dabei kann der den Innenring 18 bildende Anteil des Laserlichts, der hier auch als erster Laserstrahl bezeichnet wird, beugungsbegrenzt oder zumindest relativ nahe oder näher an der Beugungsgrenze geführt werden, beispielsweise als Singlemodeoder quasi-Singlemode-Laserstrahl mit einer Beugungsmaßzahl von M² < 1 ,5. Der erste Laserstrahl kann also in dem Lichtleiter 5 zumindest primär in der gaußförmigen oder gaußähnlichen Grundmode geführt werden. Der den Außenring 21 bildende Anteil des Laserlichts 6, der hier auch als zweiter Laserstrahl bezeichnet wird, kann hingegen als Multimode- Laserstrahl in dem Lichtleiter 5 geführt werden. Dabei kann der äußere Lichtführungsbereich des Lichtleiters 5 bereits eine ringförmige Gestalt aufweisen, woraus sich ohne Weiteres unmittelbar der Außenring 21 ergeben kann. Der zweite Laserstrahl kann in dem Lichtleiter 5 nicht beugungsbegrenzt, also weiter von der Beugungsgrenze entfernt als der erste Laserstrahl geführt werden, insbesondere mit einer Beugungsmaßzahl von M² > 1,5.

Mittels der Einkoppeleinrichtung 4 können entsprechende Moden selektiv anregbar oder einkoppelbar sein. Insbesondere können damit variabel einstellbar verschiedene Leistungsanteile für den Innenring 18 und den Außenring 21 eingestellt, also beispielsweise entsprechend verschiedene Leistungsanteile in den inneren Lichtführungsbereich und den äußeren Lichtführungsbereich des Lichtleiters 5 eingekoppelt werden. Dabei können jeweils Leistungsanteile von 0 % bis 100 % möglich sein. Im regulären Betrieb des Lasersystems 1 können aber sowohl Leistungsanteile von mehr als 0 % für den Innenring 18 als auch den Außenring 21 vorgesehen sein, also beispielsweise gleichzeitig sowohl der innere Lichtführungsbereich als auch der äußere Lichtführungsbereich mit Leistung, also von der Laserquelle 3 erzeugtem Laserlicht 6 beaufschlagt werden.

Um nun den ersten Laserstrahl in den Innenring 18 zu formen, weist das Lasersystem 1 ein Singularitätselement 14 auf. Damit kann dem ersten Laserstrahl eine Phasensingularität oder eine Polarisationssingularität aufgeprägt werden. Dazu kann das Singularitätselement 14 beispielsweise als Spiralphasenplatte oder als S-Verzögerungsplatte ausgestaltet sein. Wie in Fig. 1 angedeutet ist, kann das Singularitätselement 14 beispielsweise innenseitig an dem Schutzglas 12 angeordnet oder ausgebildet sein. Ebenso sind aber andere Anordnungen möglich, die hier angedeutet sind als eine erste Alternativposition 15 zwischen der Kollimationslinse 8 und der Fokussierungslinse 9 sowie als eine zweite Alternativposition 16 am ausgangsseitigen Ende des Lichtleiters 5 bzw. zwischen diesem und der Kollimationslinse 8.

Durch das Singularitätselement 14 kann also der erste Laserstrahl zu dem Innenring 18 geformt werden, während der zweite Laserstrahl zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben kann. Dabei ergibt sich die Ring-in-Ring Intensitätsverteilung 17, die in dem Fokusbereich 10 in Richtung entlang der optischen Achse 13 beispielsweise über wenigstens zwei Rayleighlängen, also beispielsweise über mehrere Millimeter hinweg erhalten bleiben kann. Damit kann diese Intensitätsverteilung 17 insbesondere zumindest über einen Großteil der Dicke bzw. Mate rial stärke des Werkstücks 2 hinweg vorliegen. Je nach Anwendungsfall können das Lasersystem, insbesondere die Eigenschaften des Laserlichts 6 bzw. der Intensitätsverteilung 17 bedarfsgerecht angepasst oder eingestellt werden. Beispielsweise kann ein Faserlaser mit einer mittleren Leistung von etwa 3 kW bei einer Wellenlänge von etwa 1070 nm verwendet werden. Für die Optik 7 kann beispielsweise eine Kollimationslinse 8 mit Brennweite von f = 200 mm und eine Fokussierungslinse 9 mit Brennweite von f = 300 mm verwendet werden. Durch die Wahl eines für den jeweiligen Anwendungsanwendungsfall geeigneten Fokusdurchmessers kann eine strömungsdynamische Anpassung und Optimierung der letztlichen Schnittspaltgeometrie erfolgen. Beispielsweise kann in dem Fokusbereich 10 ein Durchmesserverhältnis zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl, also das Verhältnis des Durchmessers des Innenrings 18 zu dem Durchmesser des Außenrings 21 von höchstens 1 :8, bevorzugt von höchstens 1:4 eingestellt werden. Beispielsweise kann in dem Fokusbereich 10 für den ersten Laserstrahl, also für den Innenring 18 ein Durchmesser von höchstens 600 pm, insbesondere höchstens 150 pm eingestellt werden.

Hinsichtlich der Leistung kann beispielsweise eine Leistungsverteilung bzw. ein Leistungsverhältnis zwischen dem Innenring 18 und dem Außenring 21 von etwa 2:1 eingestellt werden. Ebenso können aber beispielsweise bis zu 95 % der gesamten verfügbare Laserleistung in dem Innenring 18 geführt werden. Der größere Anteil der Laserleistung in dem Innenring 18 kann ein besonders effektives und schnelles Aufschmelzen oder Verdampfen des Materials des Werkstücks 2 ermöglichen. Der kleinere Anteil der Laserleistung in dem Außenring 21 kann hingegen ausreichend sein, um an einem dem Lasersystem 1 zugewandten Ende des Schnittspalts 11 einen Radius, also einer Verrundung zu erzeugen. Dadurch kann das Schneid- oder Prozessgas besonders effektiv und effizient in den Schnittspalt 11 gelangen. Damit kann letztlich eine besonders glatte, also gratfreie Schnittkante, also eine besonders hohe Qualität des Schnittspalts 11 erreicht werden. Dies gilt dabei sowohl für relativ geringe als auch für relativ große Vorschubleistungen bzw. Vorschubgeschwindigkeiten.

Ebenso können für den Innenring 18 und den Außenring 21 geeignete, insbesondere unterschiedliche, Polarisationszustände gewählt oder eingestellt werden. Dies kann eine Optimierung der Absorptionseffizienz bzw. der energetischen Effizienz bei dem Laserschneiden mittels des Lasersystems 1 sowie eine Einflussnahme auf ein Temperaturprofil der Absorptionsfront bzw. des Werkstücks 2 im Bereich des Schnittspalts 11 ermöglichen. Insbesondere bei Verwendung einer Spiralphasenplatte als das Singularitätselement 14 kann beispielsweise der erste Laserstrahl, also der Innenring 18 linear polarisiert sein, während der zweite Laserstrahl, also der Außenring 21 unpolarisiert sein kann. Insbesondere bei Verwendung einer S-Verzögerungsplatte kann beispielsweise der erste Laserstrahl, also der Innenring 18 radial oder azimutal polarisiert sein, während der zweite Laserstrahl, also der Außenring 21 unpolarisiert sein kann.

Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie ein Ring-in-Ring Strahlprofil für Laseranwendungen realisiert und zur Erzielung verbesserter Schneid- oder Bearbeitungsergebnisse angewendet werden kann.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Lasersystem

2 Werkstück

3 Laserquelle

4 Einkoppeleinrichtung

5 Lichtleiter

6 Laserlicht

7 Optik

8 Kollimationslinse

9 Fokussierungslinse

10 Fokusbereich

11 Schnittspalt

12 Schutzglas

13 optische Achse

14 Singularitätselement

15 erste Alternativposition

16 zweite Alternativposition

17 Intensitätsverteilung

18 Innenring

19 zentrales Intensitätsminimum

20 ringförmiges Intensitätsminimum

21 Außenring

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Optik (7) für ein Lasersystem (1) zum Laserschneiden, wobei die Optik (7) einen Lichtleiter (5) zum gleichzeitigen koaxialen Transportieren eines ersten Laserstrahls (18) als Singlemode- oder Quasi-Singlemode-Laserstrahl (18) und eines zweiten Laserstrahls (21) als Multimode-Laserstrahl (21) sowie eine im Strahlweg des ersten Laserstrahls (18) und in dessen Strahlausbreitungsrichtung betrachtet nach dem Lichtleiter (5) angeordnete optische Einrichtung (14) zum Aufprägen einer Phasensingularität und/oder einer Polarisationssingularität auf den ersten Laserstrahl (18) zum Erzeugen einer ringförmigen Intensitätsverteilung (18) des ersten Laserstrahls (18) mit einem zentralen Intensitätsminimum (19) auf der optischen Achse (13) der Optik (7) aufweist.

2. Optik (7) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (5) dazu ausgelegt ist, den ersten Laserstrahl (18) mit einer Beugungsmaßzahl M² < 2, insbesondere M² < 1 ,7, und den zweiten Laserstrahl (21) mit einer Beugungsmaßzahl M² > 2 zu führen.

3. Optik (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (5) einen inneren Lichtführungsbereich zum Transportieren des ersten Laserstrahls (18) und einen diesen ringförmig umgebenden äußeren Lichtführungsbereich zum Transportieren des zweiten Laserstrahls (21) aufweist, sodass sich eine den ersten Laserstrahl (18) ringförmig umgebende Intensitätsverteilung (21) des zweiten Laserstrahls (21) ergibt.

4. Optik (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (7) ein in der Strahlausbreitungsrichtung betrachtet nach dem Lichtleiter (5) in dem Strahlweg angeordnetes Fokussierungseinrichtung (9) zum Fokussieren der Laserstrahlen in einen ausgangsseitig außerhalb der Optik (7) liegenden Fokusbereich (10) aufweist, insbesondere dazu ausgelegt, für den ersten Laserstrahl (18) einen Fokusdurchmesser von höchstens 600 pm, bevorzugt von höchstens 300 pm, zu erzeugen.

5. Optik (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (14) in der Strahlausbreitungsrichtung betrachtet zwischen der Fokussierungseinrichtung (9) und dem Fokusbereich (10) angeordnet ist.

6. Optik (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (7) ein ausgangsseitig in dem Strahlweg angeordnetes Schutzglas (12) aufweist und die optische Einrichtung (14) an diesem Schutzglas (12) angeordnet oder in diesem Schutzglas (12) ausgebildet ist.

7. Optik (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (14) an einer Längsposition (15) entlang des Strahlwegs angeordnet ist, an welcher zumindest der erste Laserstrahl (18) seinen größten Durchmesser aufweist.

8. Optik (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (7) ein unmittelbar an einem ausgangsseitigen Ende des Lichtleiters (5) angeordnetes Endelement aufweist und die optische Einrichtung (14) in diesem Endelement angeordnet ist.

9. Optik (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Endelement einen bearbeiteten Endbereich des Lichtleiters (5) umfasst und die optische Einrichtung (14) durch ein auf der ausgangsseitigen Stirnfläche des Lichtleiters (5) geformtes Höhenprofil gebildet ist.

10. Optik (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (14) eine Spiralphasenplatte umfasst.

11. Optik (7) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralphasenplatte wenigstens 16 Stufen, insbesondere wenigstens 32 Stufen, aufweist.

12. Optik (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (14) eine S-Verzögerungsplatte umfasst.

13. Lasersystem (1), aufweisend wenigstens eine Laserquelle (3), eine Optik (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Einkoppeleinrichtung (4) zum Einkoppeln verschiedener Laserlichtanteile (18, 21) in den Lichtleiter (5) der Optik (7).

14. Lasersystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem dazu eingerichtet ist, unterschiedliche Wellenlängen und/oder unterschiedliche Polarisationszustände des ersten Laserstrahls (18) und des zweiten Laserstrahls (21) zu erzeugen.

15. Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems (1) nach Anspruch 13 oder 14 zum Bearbeiten, insbesondere Schneiden, eines Werkstücks (2), wobei

- mittels einer Laserquelle (3) Laserlicht (6) erzeugt wird,

- ein erster Anteil (18) des Laserlichts (6) als ein Singlemode- oder Quasi- Singlemode-Laserstrahl (18) und ein zweiter Anteil (21) des Laserlichts (6) als Multimode-Laserstrahl (21) mit ringförmiger Intensitätsverteilung (21) in dem Lichtleiter (5) zu der Optik (7) transportiert werden,

- zumindest mit dem Singlemode- oder Quasi-Singlemode-Laserstrahl (18) die optische Einrichtung (14) durchstrahlt und dadurch eine konzentrische Ring-in-Ring Intensitätsverteilung (17) erzeugt wird, bei der die durch die optische Einrichtung (14) erzeugte ringförmige Intensitätsverteilung (18) des Singlemode- oder Quasi- Singlemode-Laserstrahls (18) ringförmig von der größeren ringförmigen Intensitätsverteilung (21) des Multimode-Laserstrahls (21) umgeben ist,

- die beiden Laserstrahlen (18, 21) auf das zu bearbeitende, insbesondere zu schneidende, Werkstück (2) fokussiert werden und das Werkstück (2) mittels der Ring-in-Ring Intensitätsverteilung (17) bearbeitet, insbesondere geschnitten, wird.