NL8902485A

NL8902485A - Apparatus for providing a beam of laser radiation with a homogeneous energy distribution.

Info

Publication number: NL8902485A
Application number: NL8902485A
Authority: NL
Original assignee: Optische Ind De Oude Delft Nv
Priority date: 1989-10-06
Filing date: 1989-10-06
Publication date: 1991-05-01
Also published as: AU6415190A; WO1991004829A1

Description

Titel: Inrichting voor het verschaffen van een bundel laserstraling met een homogene energieverdeling.Title: Device for providing a beam of laser radiation with a homogeneous energy distribution.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het verschaffen van een bundel laserstraling met een homogene energieverdeling, omvattende een optisch element voor het focusseren van een door een laserbron afgegeven stralings-bundel en een pijpvormig element met reflecterende binnenwanden voor het ontvangen van de door het optisch element gefocusseerde straling en het na het tegen de binnenwanden reflecteren van tenminste een gedeelte van de straling afgeven van een stralingsbundel met een radiaal tenminste in hoofdzaak homogene energieverdeling.The invention relates to a device for providing a beam of laser radiation with a homogeneous energy distribution, comprising an optical element for focusing a radiation beam emitted by a laser source and a tubular element with reflective inner walls for receiving the optical radiation element focused radiation and, after reflecting at least a portion of the radiation against the inner walls, emitting a radiation beam with a radially at least substantially homogeneous energy distribution.

Een dergelijke inrichting is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.744.615. Bij deze bekende inrichting wordt een bundel laserstraling, welke bundel bijv. een Gaussische radiale energieverdeling bezit, door een optisch element in de vorm van een convex-planaire lens gefocusserd in een focus, die gelegen is tussen het optisch element en de ingangsopening van het pijpvormig element. Het grootste gedeelte van de vanuit de focus divergerende straling treedt via de pijpopening het pijpvormig element binnen en wordt door de binnenwanden daarvan een aantal malen weerkaatst. De uit de uitgangsopening van het pijpvormige element tredende stralingsbundel blijkt dan een meer homogene radiale energieverdeling te hebben dan de door de laserbron afgegeven bundel.Such a device is known from US patent 4,744,615. In this known device, a beam of laser radiation, which beam, for example, has a Gaussian radial energy distribution, is focused by an optical element in the form of a convex-planar lens in a focus located between the optical element and the entrance opening of the pipe-shaped element. Most of the radiation diverging from the focus enters the pipe-shaped element via the pipe opening and is reflected a number of times by the inner walls thereof. The radiation beam emerging from the exit opening of the tubular element then appears to have a more homogeneous radial energy distribution than the beam emitted by the laser source.

Een bezwaar van de bekende inrichting is dat in de praktijk is gebleken dat voor een redelijk homogene radiale energieverdeling aan de uitgang van het pijpvormige element, d.w.z. een energieverdeling waarvan de radiale homogeniteit bijv. beter is dan 10%, binnen het pijpvormige element de stralen een groot aantal malen tegen de pijpwand moeten reflecteren. Dit betekent dat het pijpvormig element een relatief grote lengte moet hebben, hetgeen nadelig is voor de compactheid van de inrichting en voor de kostprijs daarvan.A drawback of the known device is that it has been found in practice that for a reasonably homogeneous radial energy distribution at the output of the tubular element, ie an energy distribution of which the radial homogeneity is, for example, better than 10%, the rays within the tubular element have a reflect against the pipe wall many times. This means that the pipe-shaped element must have a relatively great length, which is disadvantageous for the compactness of the device and for the cost price thereof.

Het voornaamste bezwaar van het grote aantal benodigde reflecties tegen de binnenwanden van het pijpvormig element is echter dat, tengevolge van de niet ideale reflectie-eigenschappen van die wanden, bij iedere reflectie energie verloren gaat, zodat bij veel reflecties een ongewenst groot energieverlies optreedt.The main drawback of the large number of required reflections against the inner walls of the pipe-shaped element is, however, that due to the non-ideal reflective properties of those walls, energy is lost with every reflection, so that with many reflections an undesirably large energy loss occurs.

De uitvinding beoogt een inrichting te verschaffen die dit bezwaar niet heeft en voorziet daartoe in een inrichting van voornoemde soort waarbij het optische element van het type is dat ieder ringvormig, concentrisch t.o.v, de optische as invallend stralingsbundelgedeelte afbeeldt in een ander, op die optische as gelegen focus.The object of the invention is to provide a device which does not have this drawback, and for that purpose provides a device of the above-mentioned type, wherein the optical element is of the type that each annular, concentric with respect to the optical axis incident radiation beam portion in another, on that optical axis located focus.

De uitvinding berust op het inzicht dat de bezwaren van de bekende inrichting in hoofdzaak veroorzaakt worden doordat de door het middelpunt van het planair-convexe optisch element passerende laserstralen niet worden afgebogen, maar rechtdoor het pijpvormig element binnentreden en zonder enige reflectie tegen de wanden aan de uitgang naar buiten treden. Deze stralen, die, bij eén laserbron waarvan de stralingsbundel een Gaussische radiale energieverdeling bezit, juist de grootste energie bezitten, beïnvloeden de radiale homogeniteit van de energieverdeling aan de uitgang van het pijpvormig element op nadelige wijze.The invention is based on the insight that the drawbacks of the known device are mainly caused by the fact that the laser beams passing through the center of the planar-convex optical element are not deflected, but enter straight through the pipe-shaped element and without any reflection against the walls on the exit the exit. These rays, which, with one laser source whose radiation beam has a Gaussian radial energy distribution, have the greatest energy, affect the radial homogeneity of the energy distribution at the output of the tubular element.

Een voorbeeld van een optisch element met een focusafstand die afhankelijk is van de plaats waar de stralen het optisch element binnentreden is op zich bekend onder de naam axicon lens en is bijv. beschreven in het Amerikaanse octrooi 3.419.321. Dit octrooi beschrijft de toepassing van een axicon om een laserbundel te verkrijgen waarvan de energie geconcentreerd is in een ringvormig gebied. Er is daarbij dus geen sprake van het homogeen maken van de radiale energie verdeling van een bundel laserstralen, maar juist van het tegendeel.An example of an optical element with a focus distance depending on where the rays enter the optical element is known per se under the name axicon lens and is described, for example, in U.S. Patent 3,419,321. This patent describes the use of an axicon to obtain a laser beam whose energy is concentrated in an annular region. There is therefore no question of making the radial energy distribution of a beam of laser beams homogeneous, but of the opposite.

Opgemerkt wordt dat alhoewel een axicon bijzonder geschikt is voor toepassing in de inrichting volgens de uitvinding, in principe ieder optisch element met een focusafstand die afhankelijk is van de plaats waar de stralen op het optisch element invallen, toepasbaar is, zodat bijv. ieder optisch element met een aanmerkelijke ssferische abberatie kan worden toegepast.It is noted that although an axicon is particularly suitable for use in the device according to the invention, in principle any optical element with a focus distance depending on the location of the rays on the optical element is applicable, so that for example any optical element can be applied with a significant spherical aberration.

Wanneer de uit het pijpvormig element tredende homogene laserbundel wordt gebruikt voor een dynamische materiaalbewerking, bijv. het snijden van een metaalplaat, heeft het pijpvormig element bijvoorkeur een rechthoekige en meestal een vierkante dwarsdoorsnede. Verder is het mogelijk het pijpvormig element van de ingangsopening naar de uitgangsopening taps te laten toelopen, waardoor aan de uitgang een energieconcentratie wordt verkregen, onder behoud van de goede homogene radiale energieverdeling.When the homogeneous laser beam emerging from the tubular element is used for a dynamic material processing, e.g. cutting a metal sheet, the tubular element preferably has a rectangular and usually a square cross section. Furthermore, it is possible to taper the pipe-shaped element from the inlet opening to the outlet opening, whereby an energy concentration is obtained at the outlet, while retaining the good homogeneous radial energy distribution.

In plaats van een hol, al dan niet taps toelopend pijpvormig element, met reflecterende binnenwanden is het ook mogelijk om gebruik te maken van een massief pijpvormig element uit een materiaal met een brekingsindex > 1, bijv. uit NaCl of KC1. In een dergelijke massieve pijp treden in principe geen verliezen bij interne reflecties op, terwijl toch door de reflecties in de pijp de stralingsbundel aan de uitgang van het pijpvormig element de beoogde homogene radiale energieverdeling heeft.Instead of a hollow, tapered or tapered pipe element, with reflective inner walls, it is also possible to use a solid pipe element made of a material with a refractive index> 1, e.g. from NaCl or KCl. In principle, no losses occur with internal reflections in such a massive pipe, while the reflections in the pipe nevertheless ensure that the radiation beam at the outlet of the tubular element has the intended homogeneous radial energy distribution.

De uitvinding zal in het hiernavolgende nader worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden onder verwijzing naar de tekening, hierin toont: figuur 1: een schematisch zijaanzicht van een inrichting volgens de uitvinding, en figuur 2: een schematisch zijaanzicht van een variant van de inrichting volgens figuur 1.The invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the drawing, in which: figure 1 shows a schematic side view of a device according to the invention, and figure 2 shows a schematic side view of a variant of the device according to figure 1.

Figuur 1 toont een laserbron 10, bijv. een C02_laser, die een in hoofdzaak evenwijdige bundel laserstraling 11 afgeeft, aangenomen wordt dat deze bundel een diameter D bezit. De bundel 11 bezit in radiale richting, d.w.z. in het vlak loodrecht op het vlak van de tekening, een niet homogene enrgieverdeling. De energie in de bundel 11 kan Gaussisch, of ook op een andere niet-homogene wijze verdeeld zijn. De bundel 11 wordt overeenkomstig de uitvinding geleid door een optisch element 12, dat een focusafstand bezit die afhankelijk is van de plaats waar de laserstralen uit de bundel 11 op het optisch element 12 invallen. Bijvoorkeur wordt daarvoor een axicon lens 12 toegepast met een kegelvormig voorvlak waarvan de lijnen 13, 13', die de snijlijn vormen met het vlak van de tekening, elk een hoek β insluiten met een vlak dat loodrecht op de as van de axicon lens 12 is gelegen, deze hoek β wordt aangeduid met de term hellingshoek. De axicon lens 12 heeft verder een achtervlak 14, dat in wezen loodrecht op de invalsrichting van de bundel 11 staat. De bundel 11 met diameter D wordt door het axicon 12 afgebeeld als een ringvormige bundel, met een ringbreedte * D/2. In het gebied waar de door resp. de vlakken 13 en 13' afgebogen bundelgedeelten elkaar kruisen is de maximale bundelbreedte » D/2 en op die plaats is de ingangsopening 15 geplaatst van een pijpvormig element 16, dat een uitgangsopening 17 bezit. De hellingshoek β is bijvoorkeur klein gekozen, bijv. enkele graden. In de praktijk is een waarde van = 3° gunstig gebleken om een minimale inwendige reflectie in de axicon lens te verkrijgen en om de uit de axicon lens tredende stralingsbundel weinig te doen divergeren. Een afbeeldende optiek 18 dient om de uit de het pijpvormig element tredende stralingsbundel te focusseren op een werkstuk.Figure 1 shows a laser source 10, e.g. a CO2 laser, which emits a substantially parallel beam of laser radiation 11, assuming that this beam has a diameter D. The beam 11 has a non-homogeneous energy distribution in the radial direction, i.e. in the plane perpendicular to the plane of the drawing. The energy in the beam 11 may be distributed Gaussian or in some other non-homogeneous manner. According to the invention, the beam 11 is guided by an optical element 12, which has a focusing distance which depends on the location where the laser beams from the beam 11 incident on the optical element 12. Preferably, an axicon lens 12 is used for this purpose with a conical front surface, the lines 13, 13 'of which intersect with the plane of the drawing each enclose an angle β with a plane perpendicular to the axis of the axicon lens 12 located, this angle β is referred to as the slope angle. The axicon lens 12 further has a rear surface 14 which is essentially perpendicular to the incident direction of the beam 11. The bundle 11 of diameter D is depicted by the axicon 12 as an annular bundle, with a ring width * D / 2. In the area where the door resp. the planes 13 and 13 'deflected beam portions intersect is the maximum beam width D / 2 and in that place the entrance opening 15 of a pipe-shaped element 16 having an exit opening 17 is placed. The angle of inclination β is preferably chosen to be small, e.g. a few degrees. In practice, a value of = 3 ° has proved to be favorable in order to obtain a minimal internal reflection in the axicon lens and to make the radiation beam emerging from the axicon lens diverge little. An imaging optic 18 serves to focus the beam of radiation emerging from the tubular element onto a workpiece.

Omdat tengevolge van de specifieke eigenschappen van de axicon lens ieder gedeelte van de stralingsbundel 11 wordt afgebogen en er geen stralen rechtdoor het pijpvormig element 16 binnentreden, worden ook alle stralen door de binnenwanden van het pijpvormig element weerkaatst, zodat met een pijpvormig element met een relatief geringe lengte, waarin de meeste stralen bijv. slechts tweemaal worden weerkaatst, aan de uitgang van het pijpvormig element reeds een stralingsbundel wordt verkregen met een zeer goede homogeniteit.Since, due to the specific properties of the axicon lens, each portion of the radiation beam 11 is deflected and no rays enter straight through the tubular element 16, all rays are reflected from the inner walls of the tubular element, so that with a tubular element having a relatively short length, in which most rays are reflected, for example, only twice, a radiation beam with very good homogeneity is already obtained at the outlet of the pipe-shaped element.

Figuur 2 toont een variant van de uitvinding, waarin gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers zijn aangegeven als in figuur 1. Bij de uitvoeringsvorm volgens figuur 2 is voorzien in een van de ingangsopening naar de uitgangsopening taps toelopend pijpvormig element 17'. Tengevolge van het taps toelopen van het pijpvormig element 17’ treden de laserstralen aan de uitgang daarvan onder een grotere hoek uit dan in het geval van een pijpvormig element met een constante afmeting van de dwarsdoorsnede. Een dergelijke sterker divergerende uitgangsbundel kan bij bepaalde toepassingen gewenst zijn om een grotere vrijheid te hebben in de keuze van de afbeeldende optiek 18 en/of de afstand tussen de uitgang van het pijpvormig element en het te bewerken voorwerp.Figure 2 shows a variant of the invention, in which like parts are indicated with the same reference numerals as in Figure 1. In the embodiment according to Figure 2, a tubular element 17 'tapered from the entrance opening to the exit opening is provided. Due to the tapering of the pipe-shaped element 17 ', the laser beams emanate at its exit at a greater angle than in the case of a pipe-shaped element of constant cross-sectional size. Such a more divergent output beam may be desirable in certain applications to have greater freedom in the choice of imaging optics 18 and / or the distance between the output of the tubular element and the object to be processed.

Indien men wenst dat alle uit de axicon lens 12 tredende stralen ook werkelijk door de binnenwanden van het pijpvormig element 17 of 17' gereflecteerd worden, dient voldaan te worden aan de voorwaarde, dat de hellingshoek li van de axicon lens groter is dan de openingshoek van het pijpvormig element 17 of 17', welke openingshoek bepaald wordt door de verhouding tussen de diameter van de uitgangsopening van het pijpvormig element en de lengte van het pijpvormig element. Bovendien dient dan vanzelfsprekend ook de diameter van de ingangs-opening van het pijpvormig element een zodanige afmeting te hebben dat alle van de axicon lens afkomstige stralen het pijpvormige element ook werkelijk binnentreden.If it is desired that all rays emerging from the axicon lens 12 are actually reflected by the inner walls of the tubular element 17 or 17 ', the condition that the angle of inclination li of the axicon lens is greater than the opening angle of the pipe-shaped element 17 or 17 ', which opening angle is determined by the ratio between the diameter of the outlet opening of the pipe-shaped element and the length of the pipe-shaped element. Moreover, the diameter of the entrance opening of the tubular element must then of course also have a dimension such that all rays originating from the axicon lens actually enter the tubular element.

Voor bepaalde toepassingen kan het ook gewenst zijn het pijpvormig element 17' juist naar de uitgangsopening toe te laten divergeren.For certain applications, it may also be desirable to cause the tubular element 17 'to diverge right toward the exit opening.

Zoals bovenstaand reeds vermeld is, kan het pijpvormig element 17 of 17' ook massief zijn uit een materiaal met een brekingsindex > 1, bijv. uit NaCl of KCl. Hierdoor kunnen de verliezen tengevolge van de inwendige reflecties in het pijpvormig element verder verkleind worden. Tevens biedt een massief pijpvormig element de mogelijkheid om het ingangsvlak daarvan door kromming een bepaalde optische sterkte te geven, waardoor opnieuw een grotere vrijheid in de keuze van de diverse componenten van de inrichting en in hun onderlinge afstand en de afstand t.o.v. een te bewerken voorwerp wordt verkregen.As already mentioned above, the pipe-shaped element 17 or 17 'can also be solid from a material with a refractive index> 1, e.g. from NaCl or KCl. This allows the losses due to the internal reflections in the pipe-shaped element to be further reduced. A solid pipe-shaped element also offers the possibility of giving the entrance surface thereof a certain optical strength by curvature, which again gives a greater freedom in the choice of the various components of the device and in their mutual distance and the distance from an object to be processed. obtained.

Claims

Device for providing a beam of laser radiation with a homogeneous energy distribution, comprising an optical element for focusing a radiation beam emitted by a laser source and a tubular element with reflective inner walls for receiving the radiation focused by the optical element and emitting a radiation beam with a radially at least substantially homogeneous energy distribution after reflecting at least a part of the radiation against the inner walls, characterized in that the optical element is of the type which depicts each annular radiation beam portion incident concentrically with respect to the optical axis in another focus located on that optical axis.

2. Device according to claim 1, characterized in that the optical element is an axicon lens.

Device according to claim 2, characterized in that the axicon lens has an angle of inclination (β) of a few degrees.

Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the pipe-shaped element has a cross section with constant dimensions.

Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the pipe-shaped element has a tapered shape.

6. Device according to claim 5, characterized in that the pipe-shaped element tapers from the entrance opening to the exit opening.

Device according to at least one of claims 2 to 6, characterized in that the angle of inclination (β) of the axicon lens is greater than the opening angle of the pipe-shaped element, which is determined by the ratio of the diameter at the exit opening of the pipe-shaped element and its length.

Device according to at least one of claims 2 to 7, characterized in that the pipe-shaped element consists of a solid, optically permeable material.

Device according to claim 8, characterized in that the entry face of the tubular element is curved.

10. Device according to at least one of claims 4-9, characterized in that the pipe-shaped element has a rectangular cross-section.