NL8902485A

NL8902485A - Inrichting voor het verschaffen van een bundel laserstraling met een homogene energieverdeling.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Voor bepaalde toepassingen kan het ook gewenst zijn het pijpvormig element 17' juist naar de uitgangsopening toe te laten divergeren.

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.

Claims

1. 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, met het kenmerk dat het optische element van het type is dat iedere ringvormig, concentrisch t.o.v. de optische as invallend stralingsbundelgedeelte afbeeldt in een ander, op die optische as gelegen focus.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het optisch element een axicon lens is.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk dat de axicon lens een hellingshoek (β) bezit van enkele graden.

4. Inrichting volgens conclusie 1,2 of 3, met het kenmerk dat het pijpvormig element een dwarsdoorsnede bezit met constante afmetingen.

5. Inrichting volgens conclusie 1,2 of 3, met het kenmerk dat het pijpvormig element een tapse vorm bezit.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk dat het pijpvormig element van de ingangsopening naar de uitgangs-opening taps toeloopt.

7. Inrichting volgens tenminste een der conclusies 2-6, met het kenmerk dat de hellingshoek (β) van de axicon lens groter is dan de openingshoek van het pijpvormig element, die is bepaald door de verhouding tussen de diameter aan de uitgangsopening van het pijpvormig element en de lengte daarvan.

8. Inrichting volgens tenminste een der conclusies 2-7, met het kenmerk dat het pijpvormig element uit een massief, optisch doorlatend materiaal bestaat.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk dat het ingangsvlak van het pijpvormig element gekromd is.

10. Inrichting volgens tenminste een der conclusies 4-9, met het kenmerk dat het pijpvormig element een rechthoekige dwarsdoorsnede bezit.