WO2011063801A1 - Abbildungsvorrichtung mit reflektiver fokussieroptik - Google Patents

Abbildungsvorrichtung mit reflektiver fokussieroptik Download PDF

Info

Publication number
WO2011063801A1
WO2011063801A1 PCT/DE2010/050082 DE2010050082W WO2011063801A1 WO 2011063801 A1 WO2011063801 A1 WO 2011063801A1 DE 2010050082 W DE2010050082 W DE 2010050082W WO 2011063801 A1 WO2011063801 A1 WO 2011063801A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
mirror
focusing
laser
imaging device
reflective
Prior art date
Application number
PCT/DE2010/050082
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Tillkorn
Martin Huonker
Gerhard Broghammer
Original Assignee
Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg filed Critical Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg
Publication of WO2011063801A1 publication Critical patent/WO2011063801A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
    • 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
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • 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
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/10—Mirrors with curved faces

Definitions

  • the present invention relates to an imaging device (e.g.
  • Laser processing head comprising an optical fiber having a fiber exit surface from which a laser beam diverges, and a reflective focusing optical system which images the divergent laser beam into a focal point.
  • transmissive optics leads to a fundamental mode
  • Rotations hyperboloid mirror (first mirror) is directed to an ellipsoidal mirror (second mirror) and into a focal point.
  • the focal points of the first and the second mirror lie on a common axis, whereby aberrations are avoided.
  • the mirror bodies of the two mirrors are made of metal, preferably of copper, wherein the actual mirror surface is formed by a sputtered gold surface.
  • This known Spiegelfokussieroptik on the one hand has the disadvantage of using a Rotationshyperboloidspiegels, which requires both an increased production and adjustment effort.
  • part of the laser radiation incident on the mirror surface is absorbed by the mirror body, so that thermally induced deformations of the mirror surface and / or changes in the refractive index can occur. These effects must be counteracted by additional cooling.
  • reflective optics made of metal have no residual transmissions, in particular in the visible spectrum, which are used for process observation or
  • Focusing optics is formed by a single reflective focusing mirror, whose Spiegeloberfikiee is designed for a point-to-point mapping of the fiber exit surface on the focal point. Due to the reduction of the invention a single reflective focusing mirror element, the adjustment and production costs and the manufacturing costs are reduced.
  • the imaging ratio A is calculated from the distances of the
  • the mirror surface of the focusing mirror element is formed by an ellipsoidal mirror surface, in one focal point of which
  • Fiber exit surface is arranged. Others are also according to the invention.
  • Spiegelgeometrie lake possible that ensure at least the same or.a least approximately the same imaging quality as an ellipsoidal mirror surface.
  • NURBS on-uniform rational B-splines
  • geometric mirror surfaces can be approximated to an ellipsoid and / or even deviations of a surface from a clearly defined geometry can be introduced either locally over the entirety of the reflective focusing unit or locally. These deviations can serve, for example, for the correction of aberrations of the optics themselves or else of other optical components located in the beam path.
  • the production of corresponding mirror surfaces preferably takes place via a freeform production process.
  • the mirror surface is formed by a coating which is applied to a mirror substrate made of a material transparent to the laser radiation.
  • Laser radiation transparent mirror substrate such. Quartz glass, ZnS, CaF2 or all other glasses (especially so-called “low-Tg glasses”)
  • Mirror substrate at least partially transmissive for a different from the laser wavelength and suitable for process observation other spectral range, in particular for the visible wavelength spectrum.
  • the mirror coating which is highly reflective at least for the laser radiation and at least partially transmissive for the other spectral range, the possibility arises
  • Process observation device may be arranged, which is preferably designed so that the caused by the focusing mirror element optical effect is compensated for the process observation.
  • this can be realized, for example, by tilting the imaging optics by preferably up to 30 °, particularly preferably up to 10 °, with respect to the optical axis. Due to an ellipsoidal mirror surface or comparable mirror surface, the process observation device also has a large imaging range
  • the process monitoring device basically includes all observation systems based on signals generated by the
  • Focusing mirror element are transmitted based. These include u.a. also systems for weld tracking, geometry detection, beam diagnostics,
  • one or more non-focusing, reflective optical elements for beam shaping and guidance can also be provided in the beam path of the imaging device, which are not separate for point-to-point imaging on the workpiece surface
  • Non-focussing, reflective optical elements for folding the laser radiation are particularly preferably provided in order to realize the most compact possible space.
  • the folding is preferably carried out via a plane-parallel deflection mirror.
  • the folding is also a Focusing mirror, in particular an ellipsoidal mirror, can be used, which also has a positive effect on the image quality.
  • the invention also relates, in a further aspect, to a reflective one
  • Focusing mirror element for focusing a laser beam having a wavelength, in particular in the range of 1030-1085 nm, 900-999 nm, 500-599 nm or in the UV range, whose mirror surface is designed for point-to-point imaging and formed by a mirror coating applied to a mirror substrate is, according to the invention, the mirror substrate is formed of a transparent material for the laser wavelength. Preference is also the
  • Mirror coating and the mirror substrate at least partially transmissive for a different from the laser wavelength and suitable for process observation spectral range.
  • Fig. 1 shows schematically a first embodiment of the invention
  • FIG 2 shows the beam path of the laser beam from the imaging device to a workpiece.
  • Fig. 4 shows a second embodiment of the invention
  • Focusing mirror element for coupling laser light from a
  • Optical fiber in another optical fiber Optical fiber in another optical fiber.
  • Fig. 1 shows the laser processing head 1 of a laser processing system for
  • the laser beam 2 is in a solid state laser (eg Nd: YAG) not shown here with a wavelength in particular in the range of 1030-1085 nm, 900-999 nm, 500-599 nm or in the UV range, generated and the laser processing head 1 via a Optical fiber 3 supplied.
  • the laser beam 2 diverges from the fiber exit surface 4 of the optical fiber 3, is folded on a plane-parallel deflection mirror 5 and then impinges on a reflective focusing optical system which images the divergent laser beam 2 into a focal point 6.
  • the fiber exit surface 4 and the reflective focusing optics are altogether as an imaging device 7
  • the reflective focusing optics is characterized by a single reflective
  • Focusing mirror 8 is formed, the mirror surface 9 is formed for a point-to-point mapping of the fiber exit surface 4 on the focal point 6.
  • the mirror surface 9 can be formed, for example, by an ellipsoidal mirror surface in whose focal point the fiber exit surface 4 is arranged. As shown schematically in Fig. 2, the mirror surface 9 by a on a
  • Mirror substrate 11 e.g., dielectric
  • the mirror substrate 10 is made of a material transparent to the laser radiation, e.g. Quartz glass, formed so that no laser light from the mirror substrate 10 is absorbed, thereby heating the laser radiation
  • Focusing mirror element 8 is minimized. Consequently, thermally induced changes in the refractive index and thermally induced deformations of the mirror substrate 10 or the mirror surface 9 are avoided or reduced to a minimum.
  • the mirror coating 11 and the mirror substrate 10 are at least
  • a spectral range other than the laser wavelength e.g., in the range of 1030 to 1085 nm
  • suitable for process observation e.g. for the visible and the NIR wavelength spectrum.
  • Laser radiation highly reflecting and for the process observation spectral range at least partially transmissive mirror coating 1 thus gives the opportunity to observe the processing of a workpiece 12 with the focused laser beam 4, so the laser processing process, through the focusing mirror 8 therethrough.
  • a camera-based process observation or teaching device 13 e.g. a CCD camera, depending on the device with means for better visual orientation, such as superimposed crosshairs and / or lateral line laser, in particular in connection with teach processes, arranged which emanating from the workpiece 12
  • the two lenses 16 of the compensation optics 15 can be tilted by up to 30 °, preferably up to 10 °, with respect to the optical axis 17 of the process light 14.
  • FIG 4 shows a second exemplary embodiment of the imaging device 7, in which the laser beam 2 divergent from the optical fiber 3 is coupled into another optical fiber 18 via the reflective focusing mirror element 8.
  • the fiber exit surface 4 of the optical fiber 3 is arranged in one and the fiber entrance surface 19 of the other optical fiber 18 in the other focal point of the sieraptelement3 8.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

Bei einer Abbildungsoptik (7), die eine Lichtleitfaser (3) mit einer Faseraustrittsfläche (4), aus der ein Laserstrahl (2) divergent austritt, und eine reflektive Fokussieroptik, die den divergenten Laserstrahl (2) in einen Fokuspunkt (6) abbildet, aufweist, ist erfindungsgemäß die reflektive Fokussieroptik durch ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement (8) gebildet, dessen Spiegeloberfläche (9) für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche (4) auf den Fokuspunkt (6) ausgebildet ist.

Description

Abbildungsvorrichtung mit reflektiver Fokussieroptik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abbildungsvorrichtung (z.B. eines
Laserbearbeitungskopfes), die eine Lichtleitfaser mit einer Faseraustrittsfläche, aus der ein Laserstrahl divergent austritt, und eine reflektive Fokussieroptik, die den divergenten Laserstrahl in einen Fokuspunkt abbildet, aufweist.
Bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks, z. B. beim Laserschweißen, -schneiden oder -abtragen, wird der eingesetzte Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf die Bearbeitungsstelle gerichtet. Gerade im Bereich von Festkörperlasern werden hierzu transmittive Optiken verwendet. Bei höheren Laserleistungen (> 6 kW), insbesondere in Kombination mit sehr guter Strahlqualität (<= 10 mm*mrad), gerade im
Grundmode, führt die Verwendung transmittiver Optiken jedoch zu einer
Veränderung der Fokusposition. Grund hierfür ist die Restabsörption transmittiver Optiken, die in einer thermisch bedingten Änderung des Brechungsindexes sowie in einer thermisch bedingten Deformation resultiert.
DE 10 2006 047 947 B3 beschreibt eine reflektive Fokussierspiegeloptik, bei der die divergent aus einer Faser austretende Laserstrahlung über einen
Rotationshyperboloidspiegel (erster Spiegel) auf einen Ellipsoidspiegel (zweiter Spiegel) und in einen Fokuspunkt gelenkt wird. Die Brennpunkte des ersten bzw. des zweiten Spiegels liegen auf einer gemeinsamen Achse, wodurch Abbildungsfehler vermieden werden. Die Spiegelkörper der beiden Spiegel bestehen aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, wobei die eigentliche Spiegeloberfläche durch eine aufgesputterte Goldoberfläche gebildet ist. Diese bekannte Spiegelfokussieroptik weist einerseits den Nachteil der Verwendung eines Rotationshyperboloidspiegels auf, der sowohl einen erhöhten Fertigungs- als auch Justageaufwand erfordert.
Andererseits wird ein Teil der auf die Spiegeloberfläche auftreffenden Laserstrahlung vom Spiegelkörper absorbiert, so dass thermisch induzierte Deformationen der Spiegeloberfläche und/oder Änderungen des Brechungsindexes auftreten können. Diesen Effekten muss durch eine zusätzliche Kühlung entgegengewirkt werden. Zudem weisen reflektive Optiken aus Metall keinerlei Resttransmissionen, insbesondere im sichtbaren Spektrum, auf, die zur Prozessbeobachtung bzw.
-Überwachung genutzt werden könnten.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer
Abbildungsvorrichtung der eingangs genannten Art den für die reflektive
Fokussieroptik notwendigen Fertigungs- und Justageaufwand zu minimieren und dadurch die Kosten der Laserbearbeitungseinheit zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die reflektive
Fokussieroptik durch ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement gebildet ist, dessen Spiegeloberfiäche für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche auf den Fokuspunkt ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung auf ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement werden der Justage- und Fertigungsaufwand und die Herstellungskosten reduziert.
Das Abbildungsverhältnis A berechnet sich dabei aus den Abständen der
Brennpunkte: A = dFokus / dFaSer- Typische Abbildungsverhältnisse sind z.B.: A = 300mm:200mm = 3:2 oder A = 400mm :200mm = 2:1. Über die Wahl der Brennweiten bzw. die Auslegung des erfindungsgemäßen Fokussierspiegelelements kann problemlos eine weite Spanne verschiedener Abbildungsverhältnisse erzeugt werden. Die Grenzen hin zu kurzen Brennweiten liegen in der Fertigungstechnik, allerdings sind kurze Brennweiten bei sehr hohen Leistungen nicht unbedingt gefragt bzw. prozesstechnisch sinnvoll einsetzbar.
Vorzugsweise ist die Spiegeloberfläche des Fokussierspiegelelements durch eine Ellipsoidspiegelfläche gebildet ist, in deren einem Brennpunkt die
Faseraustrittsfläche angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind auch andere
Spiegelgeometrieflächen möglich, die eine zumindest gleiche oder.zumindest annähernd gleiche Abbildungsqualität wie eine Ellipsoidspiegelfläche gewährleisten. Über Polynomnäherung oder NURBS( on-Uniform Rational B-Splines)-Flächen können beispielsweise geometrische Spiegeloberflächen einem Ellipsoid annähernd nachgebildet werden und/oder auch Abweichungen einer Fläche von einer eindeutig definierten Geometrie entweder über die Gesamtheit der reflektiven Fokussiereinheit oder lokal gezielt eingebracht werden. Diese Abweichungen können beispielsweise der Korrektur von Abbildungsfehlern der Optik selbst oder aber auch anderer im Strahlengang befindlicher optischer Komponenten dienen. Bevorzugt erfolgt die Herstellung entsprechender Spiegeloberflächen über einen Freiform- Herstellungsprozess.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spiegeloberfläche durch eine Beschichtung gebildet ist, die auf einem Spiegelsubstrat aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material aufgebracht ist. Durch die Verwendung eines für die
Laserstrahlung transparenten Spiegelsubstrats, wie z.B. Quarzglas, ZnS, CaF2 oder auch alle anderen Gläser (insbesondere auch so genannte„Low-Tg-Gläser"
(Pressgläser)), werden die Erwärmung und damit thermisch induzierte Änderungen des Brechungsindexes sowie thermisch induzierte Deformationen des Substrats bzw. der Spiegeloberfläche vermieden bzw. auf ein Minimum reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spiegelbeschichtung und das
Spiegelsubstrat zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge unterschiedlichen und zur Prozessbeobachtung geeigneten anderen Spektralbereich, insbesondere für das sichtbare Wellenlängenspektrum. Über die zumindest für die Laserstrahlung hoch reflektierende und für den anderen Spektralbereich zumindest teiltransmittive Spiegelbeschichtung ergibt sich somit die Möglichkeit der
Prozessbeobachtung durch das Fokussierspiegelelement hindurch. Hierfür kann hinter dem Fokussierspiegelelement eine z.B. kamerabasierte
Prozessbeobachtungseinrichtung angeordnet sein, die vorzugsweise so ausgebildet ist, dass die durch das Fokussierspiegelelement verursachte optische Wirkung auf die Prozessbeobachtung kompensiert wird. Bei Verwendung eines Ellipsoidspiegels kann dies bspw. durch eine Verkippung der Abbildungsoptiken um bevorzugt bis zu 30°, besonders bevorzugt bis zu 10°, gegenüber der optischen Achse, realisiert werden. Durch eine Ellipsoidspiegelfläche bzw. vergleichbare Spiegelfläche ist an der Prozessbeobachtungseinrichtung zudem ein großer Abbildungsbereich
realisierbar, was der Prozessbeobachtung, insbesondere auch bei Verwendung von Pyrometern, entgegenkommt. Die Prozessbeobachtungseinrichtung umfasst prinzipiell alle Beobachtungssysteme, die auf Signalen, welche durch das
Fokussierspiegelelement transmittiert werden, beruhen. Hierzu zählen u.a. auch Systeme zur Schweißnahtverfolgung, Geometrieerkennung, Strahldiagnose,
Parameterkontrolle, etc.
Neben dem reflektiven Fokussierspiegelelement können im Strahlengang der Abbildungsvorrichtung auch ein oder mehrere nicht-fokussierende, reflektive optische Elemente zur Strahlformung und -führung vorgesehen sein, die nicht zur Punkt-zuPunkt-Abbildung auf der Werkstückoberfläche, sondern separaten
Strahlformungsaufgaben, wie Strahlteilung, Veränderung der Strahlform (runder Fokus vs. Linienfokus), etc., dienen. Besonders bevorzugt sind nicht-fokussierende, reflektive optische Elemente zur Faltung der Laserstrahlung vorgesehen, um einen möglichst kompakten Bauraum zu realisieren. Die Faltung erfolgt bevorzugt über einen planparallelen Umlenkspiegel. Alternativ ist zur Faltung aber auch ein Fokussierspiegel, insbesondere ein Ellipsoidspiegel, einsetzbar, der sich zudem positiv auf die Abbildungsqualität auswirkt.
Das reflektive Fokussierspiegelelement ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen im Hochleistungsbereich ab etwa 6 kW, insbesondere in Kombination mit sehr guter Strahlquaiität (<= 10 mm*mrad), oder aber auch bei Faseriasem, insbesondere im Grund-Mode, bei kleinen Faserdurchmessern.
Das reflektive Fokussierspiegelelement kann nicht nur bevorzugt zur Abbildung eines Laserstrahls auf ein Werkstück im Rahmen einer Laserbearbeitung eingesetzt werden, sondern eignet sich ebenfalls für die Kopplung eines Laserstrahls austretend aus einer Lichtleitfaser in eine andere Lichtleitfaser sowie für weitere Anwendungen, bei denen insbesondere im Hochleistungsbereich, bevorzugt in Kombination mit sehr guter Strahlqualität (<= 10 mm*mrad), oder aber auch bei Faserlasern, insbesondere im Grund-Mode, bei kleinen Faserdurchmessern eine hohe Abbildungsqualität gefordert ist.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein reflektives
Fokussierspiegelelement zum Fokussieren eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge insbesondere im Bereich von1030-1085nm, 900-999nm, 500-599nm oder im UV- Bereich, dessen Spiegeloberfläche für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung ausgebildet ist und durch eine auf ein Spiegelsubstrat aufgebrachte Spiegelbeschichtung gebildet ist, wobei erfindungsgemäß das Spiegelsubstrat aus einem für die Laserwellenlänge transparenten Material gebildet ist. Bevorzugt sind außerdem die
Spiegelbeschichtung und das Spiegelsubstrat zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge unterschiedlichen und zur Prozessbeobachtung geeigneten Spektralbereich.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Abbildungsvorrichtung mit einem einzigen reflektiven
Fokussierspiegelelement in einer Laserbearbeitungseinheit;
Fig. 2 den Strahlengang des Laserstrahls von der Abbildungsvorrichtung bis zu einem Werkstück;
Fig. 3 den Strahlengang von vom Werkstück stammendem Prozesslicht durch das reflektive Fokussierspiegelelement hindurch zu einer
Prozessbeobachtungseinrichtung der Laserbearbeitungseinheit; und
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Abbildungsvorrichtung mit einem einzigen reflektiven
Fokussierspiegelelement zum Koppeln von Laserlicht von einer
Lichtleitfaser in eine andere Lichtleitfaser.
Fig. 1 zeigt den Laserbearbeitungskopf 1 einer Laserbearbeitungsanlage zur
Laserbearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls 2, und zwar
insbesondere für Anwendungen im Hochleistungsbereich mit einer
Laserstrahlleistung ab etwa 6 kW in Kombination mit sehr guter Strahlqualität (<= 10 mm*mrad).
Der Laserstrahl 2 wird in einem hier nicht gezeigten Festkörperlaser (z.B. Nd:YAG) mit einer Wellenlänge insbesondere im Bereich von 1030-1085 nm, 900-999 nm, 500-599 nm oder im UV-Bereich, erzeugt und dem Laserbearbeitungskopf 1 über eine Lichtleiterfaser 3 zugeführt. Wie in Fig. 2 gezeigt, tritt der Laserstrahl 2 aus der Faseraustrittsfläche 4 der Lichtleitfaser 3 divergent aus, wird an einem planparallelen Umlenkspiegel 5 gefaltet und trifft dann auf eine reflektive Fokussieroptik, die den divergenten Laserstrahl 2 in einen Fokuspunkt 6 abbildet. Die Faseraustrittsfläche 4 und die reflektive Fokussieroptik sind insgesamt als Abbildungsvorrichtung 7
bezeichnet. Die reflektive Fokussieroptik ist durch ein einziges reflektives
Fokussierspiegelelement 8 gebildet, dessen Spiegeloberfläche 9 für eine Punkt-zuPunkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche 4 auf den Fokuspunkt 6 ausgebildet ist. Die Spiegeloberfläche 9 kann beispielsweise durch eine Ellipsoidspiegelfläche gebildet sein, in deren einem Brennpunkt die Faseraustrittsfläche 4 angeordnet ist. Wie in Fig. 2 schematisch gezeigt ist, ist die Spiegeloberfläche 9 durch eine auf ein
Spiegelsubstrat 10 aufgebrachte Spiegelbeschichtung 11 (z.B. dielektrische
Beschichtung) gebildet. Das Spiegelsubstrat 10 ist aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material, wie z.B. Quarzglas, gebildet, so dass kein Laserlicht vom Spiegelsubstrat 10 absorbiert wird und dadurch die Erwärmung des
Fokussierspiegelelements 8 minimiert wird. Folglich werden thermisch induzierte Änderungen des Brechungsindexes sowie thermisch induzierte Deformationen des Spiegelsubstrats 10 bzw. der Spiegeioberfläche 9 vermieden bzw. auf ein Minimum reduziert.
Die Spiegelbeschichtung 1 1 und das Spiegelsubstrat 10 sind zumindest
teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge (z.B. im Bereich von 1030 bis 1085 nm) unterschiedlichen und zur Prozessbeobachtung geeigneten Spektralbereich, z.B. für das sichtbare und das NIR-Wellenlängenspektrum. Über die für die
Laserstrahlung hoch reflektierende und für den Prozessbeobachtungsspektralbereich zumindest teiltransmittive Spiegelbeschichtung 1 ergibt sich somit die Möglichkeit, die Bearbeitung eines Werkstücks 12 mit dem fokussierten Laserstrahl 4, also den Laserbearbeitungsprozess, durch das Fokussierspiegelelement 8 hindurch zu beobachten. Dazu ist hinter dem Fokussierspiegelelement 8 eine kamerabasierte Prozessbeobachtungs- oder Teach-Einrichtung 13, z.B. eine CCD-Kamera, je nach Einrichtung auch mit Mitteln zur besseren visuellen Orientierung, wie eingeblendete Fadenkreuze und/oder seitliche Linienlaser, insbesondere im Zusammenhang mit Teach-Prozessen, angeordnet, die das von dem Werkstück 12 ausgehende
Prozesslicht 14 detektiert. Um die dabei durch das Fokussierspiegelelement 8 verursachte optische Wirkung auf das Prozesslicht 14 zu kompensieren, ist im
Strahlengang des Prozesslichts 14 zwischen dem Fokussierspiegelelement 8 und der Prozessbeobachtungseinrichtung 13 eine entsprechende Kompensationsoptik 15 angeordnet. Im Falle einer ellipsoidförmigen Spiegeloberfläche 9 können, wie in Fig. 3 gezeigt, die beiden Linsen 16 der Kompensationsoptik 15 um bis zu 30°, bevorzugt bis zu 10°, gegenüber der optischen Achse 17 des Prozesslichts 14 verkippt sein.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Abbildungsvorrichtung 7, bei der der aus der Lichtleitfaser 3 divergent austretende Laserstrahl 2 über das reflektive Fokussierspiegelelement 8 in eine andere Lichtleitfaser 18 eingekoppelt wird. Die Faseraustrittsfläche 4 der Lichtleitfaser 3 ist im einen und die Fasereintrittsfläche 19 der anderen Lichtleitfaser 18 im anderen Fokuspunkt des Fokussierspiegelelement3 8 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1 . Abbildungsvorrichtung (7), aufweisend:
eine Lichtleitfaser (3) mit einer Faseraustrittsfläche (4), aus der ein Laserstrahl (2) divergent austritt, und
eine reflektive Fokussieroptik, die den divergenten Laserstrahl (2) in einen Fokuspunkt (6) abbildet,
dadurch gekennzeichnet,
dass die reflektive Fokussieroptik durch ein einziges reflektives
Fokussierspiegelelement (8) gebildet ist, dessen Spiegeloberfläche (9) für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche (4) auf den
Fokuspunkt (6) ausgebildet ist.
2. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloberfläche (9) des Fokussierspiegelelements (8) durch eine
Ellipsoidspiegelfläche gebildet ist, in deren einem Brennpunkt die
Faseraustrittsfläche (4) angeordnet ist.
3. Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloberfläche (9) durch eine auf ein Spiegelsubstrat (10) aufgebrachte Spiegelbeschichtung (1 1 ) gebildet ist und dass das
Spiegelsubstrat (10) aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material gebildet ist.
4. Abbildungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegeloberfläche (9) durch eine auf ein
Spiegelsubstrat (10) aufgebrachte Spiegelbeschichtung (1 1 ) gebildet ist und dass die Spiegelbeschichtung (1 1 ) und das Spiegelsubstrat (10) zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge unterschiedlichen und zur Beobachtung, insbesondere Prozessbeobachtung, geeigneten Spektralbereich sind.
5. Abbildungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektive Fokussierspiegelelement (8) für einen Hochleistungsbereich ab etwa 6 kW, insbesondere in Kombination mit einer Strahlqualität von gleich oder kleiner 10 mm*mrad, ausgelegt ist.
6. Abbildungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Abbildungsvorrichtung (7) ein oder mehrere nicht-fokussierende, reflektive optische Elemente (5) zur
Strahlformung und -führung des Laserstrahls (2) angeordnet sind.
7. Abbildungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fokuspunkt (6) des Fokussierspiegelelementes (8)
. die Fasereintrittsfläche (19) einer weiteren Lichtleitfaser (18) angeordnet ist.
8. Laserbearbeitungseinheit, insbesondere Laserbearbeitungskopf (1 ), mit einer Abbildungsvorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
9. Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Fokussierspiegelelement (8) eine
Prozessbeobachtungseinrichtung (13) angeordnet ist.
10. Laserbearbeitungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem Fokussierspiegelelement (8) und der
Prozessbeobachtungseinrichtung (13) eine Kompensationsoptik (15) angeordnet ist, die eine durch das Fokussierspiegelelement (8) verursachte optische Wirkung auf die Prozessbeobachtung kompensiert.
1 1. Reflektives Fokussierspiegelelement (8) zum Fokussieren eines Laserstrahls (2) mit einer Wellenlänge insbesondere im Bereich von1030-1085nm, 900- 999nm, 500-599nm oder im UV-Bereich, dessen Spiegeloberfläche (9) für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung ausgebildet und durch eine auf ein Spiegelsubstrat (10) aufgebrachte Spiegelbeschichtung (1 1 ) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Spiegelsubstrat (10) aus einem für die Laserwellenlänge
transparenten Material gebildet ist.
12. Reflektives Fokussierspiegelelement nach Anspruch 1 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die Spiegelbeschichtung (11 ) und das Spiegelsubstrat (10) zumindest teiltransmittiv für einen von der Laserwellenlänge
unterschiedlichen und zur Prozessbeobachtung geeigneten Spektralbereich sind.
PCT/DE2010/050082 2009-11-25 2010-11-11 Abbildungsvorrichtung mit reflektiver fokussieroptik WO2011063801A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910047105 DE102009047105B4 (de) 2009-11-25 2009-11-25 Abbildungsvorrichtung mit reflektiver Fokussieroptik, Laserbearbeitungseinheit und reflektives Fokussierspiegelelement
DE102009047105.7 2009-11-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011063801A1 true WO2011063801A1 (de) 2011-06-03

Family

ID=43589968

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2010/050082 WO2011063801A1 (de) 2009-11-25 2010-11-11 Abbildungsvorrichtung mit reflektiver fokussieroptik

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009047105B4 (de)
WO (1) WO2011063801A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9444214B2 (en) 2012-01-18 2016-09-13 Carl Zeiss Smt Gmbh Beam guidance system for the focusing guidance of radiation from a high-power laser light source toward a target and LPP X-ray source comprising a laser light source and such a beam guidance system
CN114577965A (zh) * 2022-03-25 2022-06-03 陕西周源光子科技有限公司 一种用于液相色谱仪的光电检测系统

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012201557A1 (de) * 2012-02-02 2013-08-08 Carl Zeiss Smt Gmbh Strahlführungssystem zur fokussierenden Führung von Strahlung einer Hochleistungs-Laserlichtquelle hin zu einem Target sowie LPP-Röntgenstrahlquelle mit einem derartigen Strahlführungssystem
DE102012202177B3 (de) * 2012-02-14 2012-12-27 Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg Freistrahloptische Faser-zu-Faser-Kopplungsvorrichtung
US11135676B2 (en) 2014-10-20 2021-10-05 Bystronic Laser Ag Machining head for laser machining machine, and laser machining machine
DE102017210098B4 (de) * 2017-06-16 2024-03-21 Jenoptik Optical Systems Gmbh Scanvorrichtung mit einer Scankopfvorrichtung zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner sowie Verfahren zum Reflektieren oder Transmittieren von Strahlen für einen Scanner
DE102019115554A1 (de) * 2019-06-07 2020-12-10 Bystronic Laser Ag Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57169712A (en) * 1981-04-13 1982-10-19 Mitsubishi Electric Corp Connecting device for optical fiber
JPH07116880A (ja) * 1993-10-19 1995-05-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工装置
JP2006284820A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Japan Aviation Electronics Industry Ltd 光ファイバ反射モジュール及びそれを用いた光フィルタモジュール、波長多重通信用波長分離光モジュール
US20070121104A1 (en) * 2003-04-18 2007-05-31 Hendrix James L Techniques for reducing optical noise in metrology systems
DE102006030799A1 (de) * 2006-06-30 2008-01-03 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Gaslaser mit einem instabilen Laserresonator und einer Lichtleiterfaser
DE102006047947B3 (de) 2006-10-10 2008-06-26 K.H. Arnold Gmbh & Co.Kg Fokussierspiegeloptik für Laserstrahlung
DE102007028504A1 (de) * 2007-06-18 2009-01-02 Scansonic Mi Gmbh Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5479543A (en) * 1994-06-02 1995-12-26 Reliant Technologies, Inc. Precision light-guiding terminal for optical fibers
DE19852302A1 (de) * 1998-11-12 2000-05-25 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Hochenergiestrahlung
DE10043985A1 (de) * 2000-09-05 2002-03-14 Cube Optics Ag Optischer Modifizierer und Verfahren zur Herstellung hierfür
KR100573621B1 (ko) * 2003-07-18 2006-04-25 주식회사 디지탈바이오테크놀러지 세포 개체수 계수용 장치 및 그 제조방법
DE102004007178B4 (de) * 2004-02-13 2006-01-12 Precitec Kg Laserbearbeitungskopf
US20110178409A1 (en) * 2004-02-27 2011-07-21 Optiscan Pty Ltd Optical Element

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57169712A (en) * 1981-04-13 1982-10-19 Mitsubishi Electric Corp Connecting device for optical fiber
JPH07116880A (ja) * 1993-10-19 1995-05-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工装置
US20070121104A1 (en) * 2003-04-18 2007-05-31 Hendrix James L Techniques for reducing optical noise in metrology systems
JP2006284820A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Japan Aviation Electronics Industry Ltd 光ファイバ反射モジュール及びそれを用いた光フィルタモジュール、波長多重通信用波長分離光モジュール
DE102006030799A1 (de) * 2006-06-30 2008-01-03 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Gaslaser mit einem instabilen Laserresonator und einer Lichtleiterfaser
DE102006047947B3 (de) 2006-10-10 2008-06-26 K.H. Arnold Gmbh & Co.Kg Fokussierspiegeloptik für Laserstrahlung
DE102007028504A1 (de) * 2007-06-18 2009-01-02 Scansonic Mi Gmbh Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9444214B2 (en) 2012-01-18 2016-09-13 Carl Zeiss Smt Gmbh Beam guidance system for the focusing guidance of radiation from a high-power laser light source toward a target and LPP X-ray source comprising a laser light source and such a beam guidance system
CN114577965A (zh) * 2022-03-25 2022-06-03 陕西周源光子科技有限公司 一种用于液相色谱仪的光电检测系统

Also Published As

Publication number Publication date
DE102009047105B4 (de) 2015-02-05
DE102009047105A1 (de) 2011-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011063801A1 (de) Abbildungsvorrichtung mit reflektiver fokussieroptik
EP3140609B1 (de) Vorrichtung zur messung der tiefe einer schweissnaht in echtzeit
EP2596901B1 (de) Optische Bestrahlungsvorrichtung für eine Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Werkstücken durch Bestrahlen von Pulverschichten eines Rohstoffpulvers mit Laserstrahlung
DE102007028504B4 (de) Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls
DE102013008645B3 (de) Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, Laserbearbeitungsvorrichtung sowie Verfahren zum Messen von Veränderungen der Brennweite einer in einem Bearbeitungskopf enthaltenen Fokussieroptik
DE202005015719U1 (de) F/theta-Objektiv und Scannervorrichtung damit
WO2019170412A1 (de) Vorrichtung zur bestimmung einer fokuslage eines laserstrahls in einem laserbearbeitungssystem, laserbearbeitungssystem mit derselben und verfahren zur bestimmung einer fokuslage eines laserstrahls in einem laserbearbeitungssystem
DE102010015023B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätssicherung und Prozesskontrolle bei der Laserbearbeitung von Werkstücken
DE102011119478B4 (de) Vorrichtung zur fremdbeleuchteten Visualisierung eines mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfolgenden Bearbeitungsprozesses sowie Umlenkelement
EP3313607A1 (de) Laserbearbeitungskopf und laserbearbeitungsmaschine damit
EP3801973A1 (de) Vorrichtung zur laserbearbeitung schwer zugänglicher werkstücke
DE112021002560T5 (de) Modulare Ablenkeinheiten in spiegelsymmetrischer Anordnung
EP3479161B1 (de) Variabel-astigmatische strahladaptionsvorrichtung und frequenzkonversionseinheit
EP1523693B1 (de) Optische vorrichtung zum vereinigen von lichtstrahlen
DE102006023321A1 (de) System zur Fokusüberwachung bei der Bearbeitung eines reflektierenden Substrates mittels eines Lasers
DE19825092C2 (de) Lasersystem zur Erzeugung eines fokussierten Laserstrahls mit variablem Fokusdurchmesser
WO2017042116A1 (de) VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SCHWEIßVERBINDUNG IN EINEM FÜGESPALT UND PROZESSBEOBACHTUNGSVORRICHTUNG
DE102021101658B4 (de) Laserbearbeitungskopf mit chromatischer Kompensationsvorrichtung
DE102006047947B3 (de) Fokussierspiegeloptik für Laserstrahlung
DE202013004725U1 (de) Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsvorrichtung
DE102004007178A1 (de) Laserbearbeitungskopf
DE102021111879A1 (de) Laserschweißen von Fügepartnern mit einer gekrümmten Oberfläche
WO2008061516A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verändern des strahldurchmessers eines durch ein optisches element hindurchgehenden laserstrahls mittels temperaturänderung
DE102020112403B4 (de) Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls
DE102019108084A1 (de) Zoomoptik

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10794861

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10794861

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1