WO2000013840A1 - Vorrichtung zur modulation von laserstrahlen - Google Patents

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WO2000013840A1
WO2000013840A1 PCT/DE1999/002792 DE9902792W WO0013840A1 WO 2000013840 A1 WO2000013840 A1 WO 2000013840A1 DE 9902792 W DE9902792 W DE 9902792W WO 0013840 A1 WO0013840 A1 WO 0013840A1
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channel modulator
output beams
optical
beams
laser
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PCT/DE1999/002792
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Inventor
Heinrich Jürgensen
Original Assignee
Heidelberger Druckmaschinen Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
    • B23K26/0676—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing into dependently operating sub-beams, e.g. an array of spots with fixed spatial relationship or for performing simultaneously identical operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing

Definitions

  • the invention relates to a device for modulating laser beams, in particular for material processing.
  • At least one laser beam of high radiation power modulated in a modulation device is guided over a processing area, and the laser beam bundled in a processing spot produces material changes on the processing area.
  • several machining spots i.e. worked with several modulated laser beams.
  • the information to be printed by means of a modulated laser beam is recorded on a printing form, for example on the surface of a printing cylinder or an offset printing plate.
  • a modulation device is already known from US Pat. No. 5,418,871 A, in which a laser beam is split into several partial beams and the partial beams are selectively modulated.
  • Such a modulation device consists of waveguides, which are manufactured by so-called integrated optics.
  • the known modulation device has the advantage that a large number of separately modulatable laser beams are available, which enable the production of very fine structures on a processing surface during material processing.
  • the known modulation device has the disadvantage, however, that only laser beams with low radiation power can be modulated with the waveguides and that laser radiation not directed onto the processing surface is absorbed within the modulation device, which can result in thermal problems at higher radiation powers.
  • the object of the present invention is therefore to improve a device for modulating laser beams, in particular for material processing, in such a way that a large number of separately modulatable laser beams of high radiation power are generated without thermal problems for the device.
  • the object of the present invention is therefore to improve a device for modulating laser beams, in particular for material processing, in such a way that a large number of separately modulatable laser beams of high radiation power are generated without thermal problems for the device.
  • Fig. 1 shows a basic block diagram for a device for modulating laser beams
  • Fig. 2 is a schematic representation of the device.
  • FIG. 1 shows a basic block diagram for a device for modulating laser beams.
  • At least one laser beam (2) is generated in a laser radiation source (1) and coupled into the input of a beam splitter arrangement (3).
  • the laser beam (2) is generated in the laser radiation source (1) preferably by means of at least one fiber laser.
  • the output of the fiber laser is coupled directly to the input of the beam splitter arrangement (3).
  • the coupling point can be designed as a welded connection.
  • Such fiber lasers are specified in the applicant's German patent application P 19840 926.5.
  • the beam splitter arrangement (3) consists of a multiplicity of beam splitters (4) optically connected to one another, for example in the form of double beam splitters, each with one input and two outputs.
  • the laser beam (2) is branched (3) into a plurality of partial beams
  • the double beam splitters (4) are arranged in a tree structure in "m" rows and possibly in several levels, so that the beam splitter arrangement (3) has 2 m outputs in this case.
  • the radiation power of the laser beam (2) is advantageously reduced in such a way that subsequent components are not overdriven and thus are not thermally overloaded.
  • the beam splitters (4) of the beam splitter arrangement (3) are constructed, for example, as fiber splitters.
  • Commercially available fiber fusion couplers are preferably used, which are offered, for example, in the general catalog G3, page 16, order number 650020 from Spindler and Hoyer, Göttingen.
  • the 2 m partial beams (5) generated in the beam splitter arrangement (3) are fed to a corresponding number of modulation inputs of an optical multi-channel modulator (6).
  • the multichannel modulator (6) has a multiplicity of beam splitters (7), according to FIG. 1 two beam splitters (7) in the form of double beam splitters.
  • the multi-channel modulator (6) also has paired optical modulators (9, 9 ') which can be switched on and off alternately by control signals S.
  • the inputs of the paired optical modulators (9, 9 ') are each connected to the outputs of an end beam splitter (7), while the outputs of the optical modulators (9, 9') each have first and second modulation outputs (10, 10 ') form the multi-channel modulator (6).
  • the paired optical modulators (9, 9 ') and the associated first and second modulation outputs (10, 10') are each arranged adjacent.
  • the beam splitters (7) and the optical modulators (9, 9 ') of the multichannel modulator (6) are preferably produced as optical waveguides, which are applied to a carrier substrate at precise distances using known methods of integrated optics and are arranged such that a appropriate splitting and modulation of the laser radiation takes place.
  • the laser beams to be modulated can be easily coupled into the waveguides by means of fibers and the modulated laser beams can be coupled out of the waveguides.
  • Such waveguides are described in the book "Optoelectronics: An Introduction", pages 412 ff, Prentice-Hall, ISBN 0-13-638353 X (PBK).
  • the optical modulators can be controlled by low control voltages, which are advantageously generated in circuits integrated with the waveguides.
  • the output beams (8) emerging from the first modulation outputs (10) of the multi-channel modulator (6) are used as working beams, while the unused output beams (8 ') emerging from the second modulation outputs (8') are rendered harmless.
  • optical modulators (9, 9 ') assigned in pairs are switched on and off as a function of the control signals S as follows:
  • the optical modulator (9) is switched on and the assigned optical modulator (9 ') is switched off.
  • the output beams (8) are switched on at the first modulation outputs (10) and the unused output beams (8 ') are switched off at the second modulation outputs (10').
  • the optical modulator (9) is switched off and the assigned optical modulator (9 ') is switched on.
  • the output beams (8) used at the first modulation outputs (10) are switched off and the unused output beams (8 ') at the second modulation outputs (10') are switched on.
  • the output beams (8) of the multi-channel modulator (6) used are used for material processing and are directed onto a processing surface (11) on which they generate a large number of processing points (12). Suitable measures ensure that the radiation powers of the output beams (8) used are approximately the same, as a result of which uniform material processing is achieved.
  • the output beams (8) used can be guided to the processing surface (11) via fibers (not shown).
  • the output beams (8) directed onto the processing surface (11) can be optically see means between the multi-channel modulator (6) and the processing surface (11) are influenced by changing the distance between the processing points (12) on the processing surface (11) or by superimposing the individual output beams (8) into a processing spot on the processing surface (11).
  • the unused output beams (8 ') of the optical multichannel modulator (6) are directed into a radiation sump (13) in the exemplary embodiment shown, so that they do not produce a processing effect on the processing surface (11).
  • an at least one-stage optical beam combiner (14) can be arranged, which brings the unused output beams (8 ') together in such a way that ultimately a combined output beam (8 ') is passed into the radiation sump (13).
  • the optical means for influencing the used and unused output beams (8, 8 ') can be designed as fibers and / or as waveguides produced using integrated optics methods.
  • a radiation sump (13) can be dispensed with.
  • the unused output beams (8 ') are also directed onto the processing surface (11), their power density being reduced by defocusing in such a way that there is no material influence on the processing surface (11).
  • Defocusing can be done, for example, by means of scatter masks etched onto the waveguide.
  • the device according to the invention for modulating laser beams has the advantage that, by reducing the radiation power of the laser beam (2) in the upstream optical beam splitter arrangement (3) in the multi-channel modulator (6), waveguides can be used advantageously for beam splitting and modulation, as a result of which output beams with high beam quality, which is desirable for a high depth of field with very small processing points.
  • the device can also be used for the targeted modulation of the radiation power which is conducted into the radiation sump, the large number of modulators enabling high-resolution, digitally quantized amplitude modulation of the radiation.
  • FIG. 2 again illustrates the device according to the invention for modulating laser beams in a schematic form.
  • the laser beam (2) generated in the laser radiation source (1) is branched into partial beams by means of the beam splitters (4) arranged in rows in a fan shape.
  • the partial beams are split into the output beams (8, 8 ') by means of the beam splitters (7) arranged in rows in a fan-like manner.
  • the output beams (8, 8 ') are modulated in the optical modulators (9, 9') in the area (C).
  • the output beams (8) used are directed onto the processing surface (11) on which they generate the processing points (12).
  • the unused output beams (8 ') are combined in the multi-stage beam combiner (14) to form a beam which is directed into the radiation sump (13).

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen. Ein in einer Laserstrahlungsquelle (1) erzeugter Laserstrahl (2) wird in eine Strahlverzweigeranordnung (3) mit Strahlverzweigern (4) zur Erzeugung von Teilstrahlen (5) eingekoppelt. Ein an die Strahlverzweigeranordnung (3) angeschlossener optischer Mehrkanalmodulator (6) weist Strahlverzweiger (7) zur weiteren Verzweigung der Teilstrahlen (5) in Ausgangsstrahlen (8, 8') auf. Der Mehrkanalmodulator (6) enthält paarweise zugeordnete, ein- und ausschaltbare optische Modulatoren (9, 9'). Die Ausgänge der optischen Modulatoren (9, 9') bilden jeweils erste und zweite Modulationsausgänge (10, 10'). Die aus den ersten Modulationsausgängen (10) austretenden Ausgangsstrahlen (8) werden zur Materialbearbeitung auf einer Bearbeitungsfläche (11) genutzt, während die aus den zweiten Modulationsausgängen (10') austretenden Ausgangsstrahlen (8') in einem Strahlungssumpf (13) vernichtet werden. Die Modulatoren (9, 9') werden derart ein- und ausgeschaltet, dass jeweils nur die genutzten oder die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8, 8') aus dem Mehrkanalmodulator (6) austreten.

Description

Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen, insbesondere für die Materialbearbeitung.
Bei der Materialbearbeitung mit Lasern wird mindestens ein in einer Modulationsvorrichtung modulierter Laserstrahl hoher Strahlungsleistung über eine Bearbeitungsfläche geführt, und der in einem Bearbeitungsfleck gebündelte Laserstrahl erzeugt dabei Materialveränderungen auf der Bearbeitungsfläche. Um einen Bear- beitungsvorgang zu beschleunigen, wird gleichzeitig mit mehreren Bearbeitungsflecken, d.h. mit mehreren modulierten Laserstrahlen, gearbeitet. Bei der Druckformherstellung wird die mittels eines modulierten Laserstrahls zu druckende Information auf einer Druckform, beispielsweise auf der Oberfläche eines Druckzylinders oder einer Offsetdruckplatte, aufgezeichnet.
Aus der US 5,418,871 A ist bereits eine Modulationsvorrichtung bekannt, in der ein Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und die Teilstrahlen selektiv moduliert werden. Eine solche Modulationsvorrichtung besteht dort aus Wellenleitern, die nach Verfahren der sogenannten integrierten Optik hergestellt sind. Die be- kannte Modulationsvorrichtung hat den Vorteil, daß eine große Anzahl von getrennt modulierbaren Laserstrahlen zur Verfügung steht, welche bei der Materialbearbeitung die Erzeugung sehr feiner Strukturen auf einer Bearbeitungsfläche ermöglichen. Die bekannte Modulationsvorrichtung hat aber den Nachteil, daß mit den Wellenleitern nur Laserstrahlen mit geringer Strahlungsleistung moduliert werden können und daß nicht auf die Bearbeitungsfläche gerichtete Laserstrahlung innerhalb der Modulationsvorrichtung absorbiert wird, wodurch bei höheren Strahlungsleistungen thermischen Probleme entstehen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen, insbesondere für die Materialbearbeitung, derart zu verbessern, daß eine große Anzahl von getrennt modulierbaren Laserstrahlen hoher Strahlungsleistung ohne thermische Probleme für die Vorrichtung erzeugt wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen, insbesondere für die Materialbearbeitung, derart zu verbessern, daß eine große Anzahl von getrennt modulierbaren Laserstrahlen hoher Strahlungsleistung ohne thermische Probleme für die Vorrichtung erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild für eine Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild für eine Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen. In einer Laserstrahlungsquelle (1 ) wird mindestens ein Laserstrahl (2) erzeugt und in den Eingang einer Strahlverzweigeranordnung (3) eingekoppelt. Der Laserstrahl (2) wird in der Laserstrahlungsquelle (1 ) vorzugsweise mittels mindestens eines Fiberlasers erzeugt. In diesem Fall wird der Ausgang des Fi- berlasers direkt an den Eingang der Strahlverzweigeranordnung (3) gekoppelt. Die Koppelstelle kann als Schweißverbindung ausgebildet sein. Derartige Fiberlaser sind in der deutschen Patentanmeldung P 19840 926.5 des Anmelders angegeben.
Die Strahlverzweigeranordnung (3) besteht aus einer Vielzahl von miteinander optisch verbundenen Strahlverzweigem (4), beispielsweise in Form von Zweifach- strahlverzweigem mit jeweils einem Eingang und zwei Ausgängen. In der Strahl- Verzweigeranordnung (3) wird der Laserstrahl (2) in eine Vielzahl von Teilstrahlen
(5) aufgeteilt, beispielsweise gemäß Fig. 1 in einem Zweifachstrahlverzweiger (4) in zwei Teilstrahlen (5).
Wie in Fig. 2 näher dargestellt, sind die Zweifachstrahlverzweiger (4) in einer Baumstruktur in "m" Reihen und gegebenenfalls in mehreren Ebenen angeordnet, so daß die Strahlverzweigeranordnung (3) in diesem Fall 2m Ausgänge aufweist. Durch die Aufspaltung des Laserstrahls (2) in 2m Teilstrahlen (5) wird die Strahlungsleistung des Laserstrahls (2) in vorteilhafter Weise derart reduziert, daß nachfolgende Bauteile nicht übersteuert und damit thermisch nicht überlastet werden. Sind die Zweifachstrahlverzweiger (4), wie in Fig. 2 angedeutet, beispielsweise in m = 4 Reihen angeordnet, sinkt die Strahlungsleistung der 16 Teilstrahlen (5) an den Ausgängen der Strahlverzweigeranordnung (3) auf jeweils 1/16 der Strahlungsleistung des eintretenden Laserstrahls (2).
Die Strahlverzweiger (4) der Strahlverzweigeranordnung (3) sind beispielsweise als Faserverzweiger aufgebaut. Vorzugsweise werden im Handel erhältliche Fa- serschmelzkoppler verwendet, die beispielsweise in dem Gesamtkatalog G3, Seite 16, Bestellnummer 650020 der Fa. Spindler und Hoyer, Göttingen, angeboten werden.
Die in der Strahlverzweigeranordnung (3) erzeugten 2m Teilstrahlen (5) werden einer entsprechenden Anzahl von Modulationseingängen eines optischen Mehrkanalmodulators (6) zugeführt. Der Mehrkanalmodulator (6) weist eine Vielzahl von Strahlverzweigern (7), gemäß Fig. 1 zwei Strahlverzweiger (7) in Form von Zwei- fachstrahlverzweigern, auf.
Wie in Fig. 2 angedeutet, sind die Strahlverzweiger (7) des Mehrkanalmodulators
(6) ebenfalls in einer Baumstruktur in "n" Reihen und gegebenenfalls in mehreren Ebenen angeordnet, so daß sich die dem Mehrkanalmodulator (6) zugeführten 2m
Teilstrahlen (5) in 2m+n Ausgangsstrahlen (8, 8') verzweigen. Der Mehrkanalmodulator (6) weist außerdem paarweise einander zugeordnete optische Modulatoren (9, 9') auf, welche durch Steuersignale S wechselseitig ein- und ausschaltbar sind. Die Eingange der paarweise zugeordneten optischen Modulatoren (9, 9') sind jeweils mit den Ausgängen eines End-Strahlverzweigers (7) verbunden, während die Ausgänge der optischen Modulatoren (9, 9') jeweils erste und zweite Modulationsausgänge (10, 10') des Mehrkanalmodulators (6) bilden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die paarweise zugeordneten optischen Modulatoren (9, 9') und die zugehörigen ersten und zweiten Modulationsausgänge (10, 10') jeweils benachbart angeordnet.
Die Strahlverzweiger (7) und die optischen Modulatoren (9, 9') des Mehrkanalmodulators (6) werden in bevorzugter Weise als optische Wellenleiter hergestellt, die mittels bekannten Verfahren der integrierten Optik auf ein Trägersubstrat mit präzisen Abständen aufgebracht und derart angeordnet sind, daß eine entsprechende Aufspaltung und Modulation der Laserstrahlung erfolgt. Die zu modulierenden Laserstrahlen lassen sich auf einfache Weise mittels Fasern in die Wellenleiter einkoppeln und die modulierten Laserstrahlen sich aus den Wellenleitern auskoppeln. Derartige Wellenleiter sind in dem Buch "Optoelectronics: An Introduction", Seiten 412 ff, Prentice-Hall, ISBN 0-13-638353 X (PBK), beschrieben. Die optischen Mo- dulatoren lassen sich durch niedrige Steuerspannungen steuern, die in vorteilhafter Weise in mit den Wellenleitern integrierten Schaltkreisen erzeugt werden.
Erfindungsgemäß werden die aus den ersten Modulationsausgängen (10) des Mehrkanalmodulators (6) austretenden Ausgangsstrahlen (8) als Arbeitsstrahlen genutzt, während die aus den zweiten Modulationsausgängen (8') austretenden nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') unschädlich gemacht werden.
Das Ein- und Ausschalten der paarweise zugeordneten optischen Modulatoren (9, 9') in Abhängigkeit von den Steuersignalen S geschieht folgendermaßen:
a) Der optischer Modulator (9) ist eingeschaltet und der zugeordnete optischer Modulator (9') ausgeschaltet. In diesem Fall sind die genutzten Ausgangs- strahlen (8) an den ersten Modulationsausgängen (10) eingeschaltet und die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') an den zweiten Modulationsausgängen (10') ausgeschaltet.
b) Der optischer Modulator (9) ist ausgeschaltet und der zugeordnete optischer Modulator (9') eingeschaltet. In diesem Fall sind die genutzten Ausgangsstrahlen (8) an den ersten Modulationsausgängen (10) ausgeschaltet und die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') an den zweiten Modulationsausgängen (10') eingeschaltet.
Somit ist in jedem Schaltzustand der optischen Modulatoren (9, 9') jeweils nur die Hälfte der gesamten 2m+n Ausgangsstrahlen (8, 8') eingeschaltet, wobei die Summe der Strahlungsleistungen der eingeschalteten Ausgangsstrahlen (8, 8'), vermindert um die Verluste, annähernd der Strahlungsleistung des Laserstrahls (2) entspricht.
Sind die Strahlverzweiger (7) in n = 5 Reihen angeordnet, ergeben sich somit 512 Ausgangsstrahlen (8, 8') an 512 Modulationsausgängen (10, 10'), von denen in jedem Schaltzustand der optischen Modulatoren (9, 9") jeweils nur 256 Ausgangs- strahlen (8, 8') eingeschaltet sind.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die genutzten Ausgangsstrahlen (8) des Mehrkanalmodulators (6) zur Materialbearbeitung verwendet und auf eine Bearbeitungsfläche (11) gerichtet, auf der sie eine Vielzahl von Bearbeitungs- punkten (12) erzeugen. Durch geeignete Maßnahmen wird dafür gesorgt, daß die Strahlungsleistungen der genutzten Ausgangsstrahlen (8) annähernd gleich sind, wodurch eine gleichmäßige Materialbearbeitung erreicht wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Vorrichtung können die genutzten Ausgangs- strahlen (8) über nicht dargestellte Fasern zu der Bearbeitungsfläche (11 ) geleitet werden. In einerweiteren Ausgestaltung der Vorrichtung können die auf die Bearbeitungsfläche (11 ) gerichteten Ausgangsstrahlen (8) durch nicht dargestellte opti- sehe Mittel zwischen Mehrkanalmodulator (6) und Bearbeitungsfläche (11 ) beeinflußt werden, indem der Abstand der Bearbeitungspunkte (12) auf der Bearbeitungsfläche (11 ) verändert wird oder die einzelnen Ausgangsstrahlen (8) zu einem Bearbeitungsfleck auf der Bearbeitungsfläche (11 ) überlagert werden.
Die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') des optischen Mehrkanalmodulators (6) werden in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einen Strahlungssumpf (13) geleitet, so daß sie auf der Bearbeitungsfläche (11 ) keinen Bearbeitungseffekt hervorrufen. Zwischen dem Mehrkanalmodulator (6) und dem Strahlungssumpf (13) kann ein mindestens einstufiger optischer Strahlvereiniger (14), wie in Fig. 2 gezeigt, angeordnet werden, welcher die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') stufenweise derart zusammenführt, daß letztlich ein vereinigter Ausgangsstrahl (8') in den Strahlungssumpf (13) geleitet wird. Die optischen Mittel zur Beeinflussung der genutzten und nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8, 8') können als Fa- sern und/oder als mit Verfahren der integrierten Optik hergestellte Wellenleiter ausgebildet sein.
In einer anderen Ausgestaltung der Vorrichtung kann auf einen Strahlungssumpf (13) verzichtet werden. In diesem Fall werden die nicht genutzten Ausgangsstrah- len (8') ebenfalls auf die Bearbeitungsfläche (11 ) gerichtet, wobei ihre Leistungsdichte durch Defokussierung derart reduziert wird, daß keine Materialbeeinflussung auf der Bearbeitungsfläche (11) erfolgt. Die Defokussierung kann beispielsweise durch auf die Wellenleiter aufgeätzte Streumasken erfolgen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen hat den Vorteil, daß durch die Reduzierung der Strahlungsleistung des Laserstrahls (2) in der vorgeschalteten optischen Strahlverzweigeranordnung (3) in dem Mehrkanalmodulator (6) in vorteilhafter Weise Wellenleiter zur Strahlteilung und Modulation verwendet werden können, wodurch Ausgangsstrahlen mit hoher Strahlqualität er- zeugt werden, was für eine hohe Schärfentiefe bei sehr kleinen Bearbeitungspunkten wünschenswert ist. Die Vorrichtung kann erfindungsgemäß auch zur gezielten Modulation der Strahlungsleistung, die in den Strahlungssumpf geleitet wird, verwendet werden, wobei die große Anzahl von Modulatoren eine hoch aufgelöste, digital quantisierte Amplitudenmodulation der Strahlung ermöglicht.
Fig. 2 verdeutlicht noch einmal die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen in schematischer Form. In dem Bereich (A) erfolgt die Verzweigung des in der Laserstrahlungsquelle (1 ) erzeugten Laserstrahls (2) in Teilstrahlen mittels der in Reihen fächerartig angeordneten Strahlverzweiger (4). In dem Bereich (B) werden die Teilstrahlen mittels der in Reihen fächerartig angeordneten Strahlverzweiger (7) in die Ausgangsstrahlen (8, 8') aufgespalten. In dem Bereich (C) erfolgt die Modulation der Ausgangsstrahlen (8, 8') in den optischen Modulatoren (9, 9'). Die genutzten Ausgangsstrahlen (8) werden auf die Bearbeitungsfläche (11 ) geleitet, auf der sie die Bearbeitungspunkte (12) erzeugen. In dem Bereich (D) werden die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') in dem mehrstufigen Strahlvereiniger (14) zu einem Strahl vereinigt, der in den Strahlungssumpf (13) geleitet wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Modulation von Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß - mindestens ein in einer Laserstrahlungsquelle (1 ) erzeugter Laserstrahl (2) an den Eingang einer optischen Strahlverzweigeranordnung (3) mit mindestens einem Strahlverzweiger (4) gekoppelt ist, um den Laserstrahl (2) in Teilstrahlen (5) geringerer Strahlungsleistung aufzuspalten,
- ein an die optische Strahlverzweigeranordnung (3) angeschlossener opti- scher Mehrkanalmodulator (6) vorhanden ist, der eine der Anzahl Teilstrahlen (5) entsprechende Anzahl von Modulationseingängen aufweist,
- der Mehrkanalmodulator (6) für jeden Modulationseingang mindestens einen optischen Strahlverzweiger (7) zur weiteren Verzweigung der Teilstrahlen (5) in Ausgangsstrahlen (8, 8') aufweist, - der Mehrkanalmodulator (6) paarweise einander zugeordnete optische Modulatoren (9, 9') aufweist, welche durch Steuersignale (S) wechselseitig ein- und ausschaltbar sind und
- die Eingänge der paarweise zugeordneten Modulatoren (9, 9') jeweils mit den Ausgängen der Strahlverzweiger (7) verbunden sind und - die Ausgänge der paarweise zugeordneten Modulatoren (9, 9') jeweils erste und zweite Modulationsausgänge (10, 10') des Mehrkanalmodulators (6) bilden, wobei
- die aus den ersten Modulationsausgängen (10) austretenden Ausgangsstrahlen (8) genutzt werden, - die aus den zweiten Modulationsausgängen (10') austretenden Ausgangsstrahlen (8') nicht genutzt werden und
- die paarweise zugeordneten Modulatoren (9, 9') derart ein- und ausgeschaltet werden, daß jeweils nur die genutzten oder die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8, 8') aus dem Mehrkanalmodulator (6) austreten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlverzweiger (4) der Strahlverzweigeranordnung (3) als Faserverzweiger (Faserschmelzkoppler) ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlverzweiger (7) des Mehrkanalmodulators (6) als mittels der Verfahren der integrierten Optik hergestellte Wellenleiter ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß die optischen Modulatoren (9, 9') des Mehrkanalmodulators (6) als mittels der Verfahren der integrierten Optik hergestellte Wellenleiter ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, daß ein Strahlungssumpf (13) vorgesehen ist, in dem die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') des Mehrkanalmodulators (6) unschädlich gemacht werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß - zwischen Mehrkanalmodulator (6) und Strahlungssumpf (13) ein mindestens einstufiger optischer Strahlvereiniger (14) angeordnet ist, in dem die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') des Mehrkanalmodulators (6) zu einem Laserstrahl vereinigt werden und - der vereinigte Laserstrahl in dem Strahlungssumpf (13) unschädlich ge- macht wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Strahlvereiniger (14) mittels Faseroptik und/oder Verfahren zur integrierenden Optik hergestellt ist.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht genutzten Ausgangsstrahlen (8') des Mehrkanalmodulators (6) durch Defokussierung unschädlich gemacht werden.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die genutzten Ausgangsstrahlen (8) des Mehrkanalmodulators (6) zur Materialbearbeitung auf eine Bearbeitungsfläche (11 ) geleitet werden.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, daß zwischen Mehrkanalmodulator (6) und Bearbeitungsfläche (11 ) optische Mittel zur Beeinflussung der genutzten Ausgangsstrahlen (8) angeordnet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß - die optischen Mittel als mindestens ein optischer Strahlvereiniger ausgebildet sind, in dem die genutzten Ausgangsstrahlen (8) überlagert werden und - die überlagerten Ausgangsstrahlen (8) auf die Bearbeitungsfläche (11 ) gerichtet werden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel durch Faseroptik und/oder der Verfahren der integrierten Optik hergestellt ist.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlungsquelle (1) mindestens einen Fiberlaser (Faserlaser) enthält, dessen Ausgang an den Eingang der optischen Strahlverzweigeranordnung (3) gekoppelt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen Fiberlaser und dem Eingang der optischen Strahlverzweigeranordnung (3) als Schweißverbindung hergestellt ist.
PCT/DE1999/002792 1998-09-08 1999-09-03 Vorrichtung zur modulation von laserstrahlen WO2000013840A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19840937.0 1998-09-08
DE1998140937 DE19840937B4 (de) 1998-09-08 1998-09-08 Vorrichtung zur Aufspaltung und Modulation von Laserstrahlung

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