WO2012035031A1 - Trepanieroptik - Google Patents

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WO2012035031A1
WO2012035031A1 PCT/EP2011/065880 EP2011065880W WO2012035031A1 WO 2012035031 A1 WO2012035031 A1 WO 2012035031A1 EP 2011065880 W EP2011065880 W EP 2011065880W WO 2012035031 A1 WO2012035031 A1 WO 2012035031A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plane
parallel plate
strahlversatzeinrichtung
light beam
parallel
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/065880
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Ashkenasi
Norbert Muller
Tristan Kaszemeikat
Original Assignee
Laser- Und Medizin- Technologie Gmbh Berlin
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Filing date
Publication date
Application filed by Laser- Und Medizin- Technologie Gmbh Berlin filed Critical Laser- Und Medizin- Technologie Gmbh Berlin
Priority to DE112011103058.4T priority Critical patent/DE112011103058B4/de
Publication of WO2012035031A1 publication Critical patent/WO2012035031A1/de

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    • 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
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
    • 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
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/042—Automatically aligning the laser beam
    • 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
    • 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
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • 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
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/389—Removing material by boring or cutting by boring of fluid openings, e.g. nozzles, jets

Definitions

  • the invention relates to a device for guiding a light beam according to the preamble of claim 1.
  • Such devices for guiding a light beam are commonly used to process solid materials by means of a laser beam.
  • the laser beam at the point at which it impinges on the material, provides for a selective energy supply, which leads to the local decomposition of the material.
  • a part of a workpiece can be separated or the surface can be processed. Since the processing takes place in each case at the point where the light beam impinges, an exact guidance of the light beam is of great importance.
  • One area of use of particular interest in the present case is the precise performance of micromachining, such as the creation of through-holes, blind holes, micro-trenches or precise contour cuts.
  • Document PCT / EP2008 / 053042 shows a device for guiding a light beam with a plane-parallel plate, which can be driven in rotation.
  • a plane-parallel plate By an oblique arrangement of the plane-parallel plate relative to the optical axis of the device is achieved that the incident light beam by means of the plane-parallel plate is offset in parallel.
  • the plane-parallel plate By rotating the plane-parallel plate, the light beam can thus be guided on a circular path, whereby a cylindrical part can be cut out of the workpiece.
  • a device for guiding a light beam according to claim 1 which has an optical axis and a first Strahlversatz driving preferably in the form of a plane-parallel plate whose surface normal occupies an acute angle to the optical axis in at least one operating state, and which are driven in rotation can.
  • the apparatus further comprises a second Strahlversatz driving in the form of a plane-parallel plate, which is arranged in the propagation direction of the light beam after the first Strahlversatzeninutter whose surface normal in at least one operating state occupies an acute angle to the optical axis, and which is driven independently of the first plane-parallel plate rotating can be.
  • Such a device with two preferably different thickness plane-parallel plates, which are tilted relative to the optical axis of the device and thus provide a parallel offset of the light beam, allows one of the two plane-parallel plates predetermines a circular path, and the light beam through the second plane-parallel plate along this circular path is guided on smaller circular paths.
  • the cutting width produced by the light beam is effectively increased in comparison to the cutting width to be achieved with a simple light beam, without the beam being widened and the beam energy correspondingly reduced.
  • the second beam offset device in the form of the plane-parallel plate causes the light beam to oscillate around the circular path defined by the first rotationally driven beam offset device, so that the desired larger cutting width results along a predefined circular path.
  • the first Strahlversatzinnate is - even if it is not a plane-parallel plate - preferably designed so that it displaces the beam by refraction, so preferably contains at least one refractory optical element. Further advantageous embodiments of the invention can be obtained from the dependent claims.
  • the optical axis of the device is preferably parallel to the propagation direction of the light beam. Particularly preferably, the device is rotationally symmetrical, wherein the optical axis is identical to a rotation axis. The optical axis may coincide with the light beam.
  • the first Strahlversatz driving is preferably a plane-parallel plate made of transparent material for the processing radiation, which has two mutually parallel surfaces. The distance of the surfaces of this plane-parallel plate defines their thickness.
  • the surface normal is a vector that is perpendicular to the two parallel faces.
  • the surface normal of the first Strahlversatinschinutter assumes an acute angle to the optical axis in at least one operating state. If the first Strahlversatz noticed is kept adjustable with respect to the angle of their surface normal to the optical axis, the first Strahlversatz nerve can also be adjusted in an operating state such that the surface normal is parallel to opti see axis. In this case, no deflection of the light beam by the first Strahlversatinutter sau, if this example is a plane-parallel plate. However, the first Strahlversatz sexual can then be set in a second operating state such that their surface normal occupies an acute angle to the optical axis.
  • the first plane-parallel plate is held such that the angle between its surface normal and the optical axis can not be changed, the first plane-parallel plate is preferably held such that its surface normal to the optical axis assumes a fixed acute angle. This angle is also referred to below as the first tilt angle.
  • the first Strahlversatz In order to drive the first Strahlversatz quietly rotating, this is preferably held in a holder such that a rotation of the holder also causes a rotation of the first Strahlversatz sensory.
  • the holder is preferably rotatably mounted, for example using ball bearings or plain bearings.
  • the drive can be effected by using an electric motor, which is preferably designed as a hollow shaft motor or transmits a rotating movement to the holder, for example by means of a belt, a chain or gears.
  • the first Strahlversatzeninutter is driven at a speed of about 3,000 to 60,000 revolutions per minute.
  • the device has a second Strahlversatz adopted in the form of a plane-parallel plate, which is arranged in the propagation direction of the light beam after the first Strahlversatz sensory.
  • the second Strahlversatincardiinutter essentially applies the mentioned for the first Strahlversatz- device. It is crucial that the second Strahlversatzinnate can be driven in rotation independently of the first Strahlversatz sexual. This means, in particular, that it can be driven at a different speed, which as a rule will presuppose either a separate motor or a drive that is under- or geared compared to the first beam-offset device by the same motor.
  • This can be achieved that even if both plane-parallel plates are arranged such that their respective surface normal occupies the same angle to the optical axis, the light beam is guided on a large circular path, which is determined by the thicker of the two plane-parallel plate, and that the cutting width is determined by the thinner of the two plane-parallel plates. The light beam is then guided on a circular path.
  • the thickness of the first plane-parallel plate is greater than the thickness of the second plane-parallel plate. This allows the installation of the first plane-parallel plate together with other components of the optical device, while the second plane-parallel plate, which dictates the cutting width, is easier to replace.
  • the respective angles of the surface normal to the optical axis - ie the tilt angle - can be adjusted to set the radius of the circular path and / or the cutting width. This is possible even if both plane-parallel plates have identical thicknesses. Similarly, a combination of different thicknesses and different angles can be used to set the path parameters.
  • the first Strahlversatz interests and / or the second Strahlversatz noise are preferably coated with an antireflection coating. This avoids disruptive multiple reflections and the resulting multiple imaging of the beam, in particular with thin plates, on the workpiece.
  • the device further comprises a wedge plate, wherein the wedge plate is formed from a first and a second optical element, and has two planar surfaces as end faces, wherein the optical elements of the wedge plate facing each other, have complementary spherical surfaces wherein the one spherical surface forms a concave surface of the first optical element and the other spherical surface forms a convex surface of the second optical element and the concave surface and the convex surface have the same radius of curvature and thus relative to each other along the facing spherical surfaces are that the flat surfaces facing away from the respective spherical surface of a respective optical element surfaces either plane-parallel or in a Wnkel each other.
  • the wedge plate between the first and the second Strahlversatz is arranged. Further preferably, the wedge plate is rotated together with the first Strahlversatzenin Vietnamese, for which purpose it is suitably held together with this in a holder. However, it can also be rotated together with the second Strahlversatz coupled or independently of the two Strahlversatz sexualen.
  • the device further comprises a focusing optics.
  • the focusing optics can be formed for example by a converging lens. With the aid of the focusing optics, the light beam can be focused on the workpiece, which leads to a particularly high selective energy output. Likewise, the focus may be however, also be adjusted so that the beam is not focused when hitting the workpiece, resulting in a larger radius of AufTrader relativelys and a concomitant distribution of energy output to a larger area.
  • the focusing optics is arranged in the propagation direction of the light beam in front of the first plane-parallel plate, so that the light beam initially strikes through the focusing optics before it strikes the first plane-parallel plate.
  • the focusing optics can also be attached to any other location of the device. The focusing optics can be driven to rotate or rigidly held in the device.
  • the first or the second plane-parallel plate is releasably held. This allows easy replacement of the respective plane-parallel plate to use, for example, plane-parallel plates of different thicknesses and thus to effect adjustment of the radius of the circular path or the cutting width.
  • the first plane-parallel plate is not releasably held, while the second plane-parallel plate is releasably held.
  • the first plane-parallel plate can be releasably held, while the second plane-parallel plate is not releasably held.
  • both plane-parallel plates can each be releasably or not releasably held. This also applies in principle to the first beam offset device, if this is not a plane-parallel plate.
  • the device is connected to a pulsed laser as the source of the light beam.
  • Pulsed lasers allow a particularly high field strength due to the concentration of their energy on particularly short pulses. This can be achieved that the material processing is done not only by local thermal action, but also by the breaking of chemical bonds in the electric field. This allows a particularly efficient removal of the material.
  • the second Strahlversatz sexual is driven at a different speed than the first Strahlversatinschin Vietnamese.
  • a spiral-shaped circular path of the light beam when hitting the workpiece is made possible.
  • a preferred speed range of the second plane-parallel plate is 300 to 6,000 revolutions per minute.
  • the second Strahlversatz sexual is driven at a lower speed than the first Strahlversatinschinraum.
  • the light beam is guided on a circular path, the diameter of which changes periodically over time, so that over time the light beam passes over an area which corresponds to a wider circular path; See also Fig. 3.
  • the second Strahlversatz ist can be driven as a plane-parallel plate but also at a higher speed than the first Strahlversatinschinraum so that light beam on the workpiece describes a pathway, which consists of the superposition of a slower larger circular path and faster, smaller Circular paths results.
  • a plurality of inventive devices can be supplied, which can be arranged on the circumference of a workpiece to be machined so as to perform several processing steps simultaneously.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows a circular path, which results in an application of the invention.
  • FIG. 1 shows a device 10 for guiding a light beam 20 onto a workpiece 30.
  • the device is divided into an upper part 100 and a lower part 200.
  • the upper part 100 has a converging lens 1 10, which serves as a focusing optics.
  • the upper part 100 further comprises a first Strahlversatz noise, which is a plane-parallel plate 120 in the embodiment, which is arranged in the propagation direction of the light beam after the converging lens 1 10.
  • the upper part 100 has a wedge plate 130, which consists of a concave part 140 and a convex part 150.
  • the wedge plate 130 is arranged in the propagation direction of the light beam after the first plane-parallel plate 120.
  • the positive lens 1 10, the first plane-parallel plate 120 and the wedge plate 130 are held by a holder 160.
  • the holder 160 is rotationally symmetrical and rotatably mounted.
  • the first plane-parallel plate 120 is held such that its surface normal makes an acute angle with an optical axis 15 of the device as the first tilt angle.
  • the concave part 140 and the convex part 150 of the wedge plate 130 are slightly shifted in the present case along the mutually facing spherical surfaces.
  • the bracket 160 is rotated by means of a motor 170 and a motor-driven wheel 180.
  • a motor 170 and a motor-driven wheel 180.
  • the converging lens 1 10 the first plane-parallel plate 120 and the wedge plate 130 rotate.
  • the lower part 200 of the device 10 has a second plane-parallel plate 220, which is held in a holder 260.
  • the thickness of the second plane-parallel plate 220 is presently less than the thickness of the first plane-parallel plate 120.
  • the holder 260 is rotated by means of a motor 270 and a wheel 280 mounted thereon.
  • the second plane-parallel plate is held so that its surface normal is inclined at a second tilt angle with respect to the optical axis.
  • Figure 2 shows an example of a web describing a light beam on the workpiece.
  • a track is formed, for example, if both plane-parallel plates 120, 220 have an identical angle of their surface normal to the optical axis, but the first plane-parallel plate 120 has a greater thickness than the second plane parallel plate 220, and in addition, when the second plane-parallel plate 220 is rotated at a significantly higher speed than the first plane-parallel plate 120.
  • the shape substantially forms a circle with radius r, the edge through an area with a thickness d is formed.
  • the radius r is predetermined by the first plane-parallel plate 120, while the thickness d is predetermined by the second plane-parallel plate 220. This makes it possible to cut out a cylindrical piece with a predetermined cutting width from the workpiece.
  • FIG. 3 shows an example of a web which describes a light beam on a workpiece
  • the first plane-parallel plate 120 is rotated at a considerably higher rotational speed than the second plane-parallel plate 220 second plane-parallel plate of the circle defined by the first plane-parallel plate continuously displaced, the laser pulses are still distributed to a predetermined cutting width around an average diameter.
  • This procedure also makes it possible to cut out a cylindrical piece with a predetermined cutting width from the workpiece.

Abstract

Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls mit einer optischen Achse, und einer ersten Strahlversatzeinrichtung mit einer Oberfläche, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt, und welche rotierend angetrieben werden kann, wobei eine zweite planparallele Platte vorgesehen ist, welche in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der ersten planparallelen Platte angeordnet ist, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt, und welche unabhängig von der ersten planparallelen Platte rotierend angetrieben werden kann.

Description

Trepanieroptik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Derartige Vorrichtungen zum Führen eines Lichtstrahls werden üblicherweise verwendet, um mit Hilfe eines Laserstrahls feste Materialien zu bearbeiten. Der Laserstrahl sorgt an der Stelle, bei welcher er auf das Material auftrifft, für eine punktuelle Energiezufuhr, was zur lokalen Zersetzung des Materials führt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Teil eines Werkstücks abgetrennt oder die Oberfläche bearbeitet werden. Da die Bearbeitung jeweils punktuell an der Stelle erfolgt, an welcher der Lichtstrahl auftrifft, ist eine exakte Führung des Lichtstrahls von hoher Wichtigkeit. Ein im vorliegenden Fall besonders interessierender Einsatzbereich ist das präzise Durchführen von Mikrobearbeitungen, wie beispielsweise das Erzeugen von Durchgangslöchern, Sacklöchern, Mikrogräben oder präzisen Konturschnitten.
Das Dokument PCT/EP2008/053042 zeigt eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls mit einer planparallelen Platte, welche rotierend angetrieben werden kann. Durch eine schräge Anordnung der planparallelen Platte relativ zur optischen Achse der Vorrichtung wird erreicht, dass der einfallende Lichtstrahl mit Hilfe der planparallelen Platte parallel versetzt wird. Durch Drehung der planparallelen Platte kann der Lichtstrahl somit auf einer Kreisbahn geführt werden, wodurch ein zylinderförmiges Teil aus dem Werkstück herausgeschnitten werden kann.
Wünschenswert wäre es, zusätzlich zum Durchmesser der gewünschten Kreisbahn die Schnittbreite einstellen zu können.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gemäß Anspruch 1 erreicht, welche eine optische Achse und eine erste Strahlversatzeinrichtung vorzugweise in Form einer planparallelen Platte aufweist, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt, und welche rotierend angetrieben werden kann. Die Vorrichtung weist ferner eine zweite Strahlversatzeinrichtung in Form einer planparallelen Platte auf, welche in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der ersten Strahlversatzeinrichtung angeordnet ist, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt, und welche unabhängig von der ersten planparallelen Platte rotierend angetrieben werden kann.
Eine derartige Vorrichtung mit zwei vorzugsweise unterschiedlich dicken planparallelen Platten, die gegenüber der optischen Achse der Vorrichtung gekippt sind und somit für einen Parallelversatz des Lichtstrahls sorgen, erlaubt es, dass eine der beiden planparallelen Platten eine Kreisbahn vorgibt, und der Lichtstrahl durch die zweite planparallele Platte entlang dieser Kreisbahn auf kleineren Kreisbahnen geführt wird. Durch diese kleineren Kreisbahnen wird effektiv die mit dem Lichtstrahl erzeugte Schnittbreite gegenüber der mit einem einfachen Lichtstrahl zu erreichenden Schnittbreite vergrößert, ohne dass der Strahl dazu aufgeweitet und die Strahlenergie entsprechend vermindert wird. Anders ausgedrückt führt die zweite Strahlversatzeinrichtung in Form der planparallelen Platte dazu, dass der Lichtstrahl um die von der ersten rotierend angetriebenen Strahlversatzeinrichtung definierte Kreisbahn herum oszilliert, sodass sich die gewünschte größere Schnittbreite entlang einer vordefinierten Kreisbahn ergibt.
Die erste Strahlversatzeinrichtung ist - auch falls sie keine planparallele Platte ist - vorzugsweise so ausgebildet, dass sie den Strahl durch Brechung versetzt, enthält also vorzugsweise wenigstens ein refraktäres optisches Element. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können aus den abhängigen Ansprüchen erhalten werden. Die optische Achse der Vorrichtung ist vorzugsweise parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung rotationssymmetrisch ausgeführt, wobei die optische Achse mit einer Drehachse identisch ist. Die optische Achse kann mit dem Lichtstrahl zusammenfallen. Die erste Strahlversatzeinrichtung ist vorzugsweise eine planparallele Platte aus für die Bearbeitungsstrahlung durchsichtigem Material, welche zwei parallel zueinander angeordnete Oberflächen hat. Der Abstand der Oberflächen dieser planparallelen Platte definiert deren Dicke. Die Oberflächennormale ist ein Vektor, welcher senkrecht auf den beiden parallelen Flächen steht. Die Oberflächennormale der ersten Strahlversatzeinrichtung nimmt in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse ein. Sofern die erste Strahlversatzeinrichtung bezüglich des Winkels ihrer Oberflächennormalen zur optischen Achse verstellbar gehalten ist, kann die erste Strahlversatzeinrichtung in einem Betriebszustand auch derart eingestellt werden, dass die Oberflächennormale parallel zur opti- sehen Achse liegt. In diesem Fall findet keine Ablenkung des Lichtstrahls durch die erste Strahlversatzeinrichtung statt, falls diese z.B. eine planparallele Platte ist. Die erste Strahlversatzeinrichtung kann dann jedoch auch in einem zweiten Betriebszustand derart eingestellt werden, dass ihre Oberflächennormale einen spitzen Winkel zur optischen Achse einnimmt. Falls die erste planparallele Platte derart gehalten ist, dass der Winkel zwischen ihrer Oberflächennormalen und der optischen Achse nicht verändert werden kann, ist die erste planparallele Platte bevorzugt derart gehalten, dass ihre Oberflächennormale zur optischen Achse einen festen spitzen Winkel einnimmt. Dieser Winkel wird im Folgenden auch als erster Kippwinkel bezeichnet.
Um die erste Strahlversatzeinrichtung rotierend antreiben zu können, ist diese bevorzugt derart in einer Halterung gehalten, dass eine Rotation der Halterung auch eine Rotation der ersten Strahlversatzeinrichtung verursacht. Die Halterung ist bevorzugt drehbar gelagert, beispielsweise unter Verwendung von Kugellagern oder Gleitlagern. Der Antrieb kann durch Verwendung eines Elektromotors erfolgen, welcher vorzugsweise als Hohlwellenmotor ausgebildet ist oder eine rotierende Bewegung auf die Halterung überträgt, beispielsweise mit Hilfe eines Riemens, einer Kette oder Zahnrädern.
Typischerweise wird die erste Strahlversatzeinrichtung mit einer Drehzahl von etwa 3.000 bis 60.000 Umdrehungen pro Minute angetrieben. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine zweite Strahlversatzeinrichtung in Form einer planparallelen Platte auf, welche in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der ersten Strahlversatzeinrichtung angeordnet ist. Für die Ausgestaltung und den Antrieb der zweiten Strahlversatzeinrichtung gilt im Wesentlichen das für die erste Strahlversatz- einrichtung erwähnte. Entscheidend ist, dass die zweite Strahlversatzeinrichtung unabhängig von der ersten Strahlversatzeinrichtung rotierend angetrieben werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass sie mit einer anderen Drehzahl angetrieben werden kann, was in der Regel entweder einen eigenen Motor oder einem im Vergleich zur ersten Strahlversatzeinrichtung unter- oder übersetzten Antrieb durch den gleichen Motor vor- aussetzen wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen enthalten.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die erste Strahlversatzeinrichtung als erste planparallele Platte und die zweite Strahlversatzeinrichtung als zweite planparallele Platte voneinander verschiedene Dicken auf. Damit kann erreicht werden, dass auch dann, wenn beide planparallele Platten derart angeordnet sind, dass ihre jeweilige Oberflächennormale den gleichen Winkel zur optischen Achse einnimmt, der Lichtstrahl auf einer großen Kreisbahn geführt wird, welche durch die dickere der beiden planparallelen Platte vorgegeben wird, und dass die Schnittbreite durch die dünnere der beiden planparallelen Platten vorgegeben wird. Der Lichtstrahl wird dann auf einer Kreisbahn geführt.
Besonders bevorzugt ist die Dicke der ersten planparallelen Platte größer als die Dicke der zweiten planparallelen Platte. Dies ermöglicht den Einbau der ersten planparallelen Platte zusammen mit anderen Komponenten der optischen Vorrichtung, während die zweite planparallele Platte, welche die Schnittbreite vorgibt, leichter auszuwechseln ist.
Alternativ können jedoch auch die jeweiligen Winkel der Oberflächennormalen zur optischen Achse - also die Kippwinkel - eingestellt werden, um den Radius der Kreisbahn und/oder die Schnittbreite einzustellen. Dies ist auch dann möglich, wenn beide planparallelen Platten identische Dicken haben. Ebenso kann eine Kombination aus unter- schiedlichen Dicken und unterschiedlichen Winkeln verwendet werden, um die Bahnparameter einzustellen. Die erste Strahlversatzeinrichtung und/oder die zweite Strahlversatzeinrichtung sind bevorzugt mit einer Antireflexbeschichtung beschichtet. Damit werden störende Mehr- fach-Reflexe und daraus resultierende Mehrfachabbildungen des Strahls, insbesondere bei dünnen Platten, auf dem Werkstück vermieden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung ferner eine Keilplatte auf, wobei die Keilpatte aus einem ersten und einem zweiten optischen Element gebildet ist, und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist, wobei die optischen Elemente der Keilplatte einander zugewandte, komplementäre, sphärische Oberflächen aufweisen, von denen die eine sphärische Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die andere sphärische Oberfläche eine konvexe Fläche des zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen, und derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen zu verschieben sind, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Ele- mentes abgewandten Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Wnkel zueinander verlaufen.
Mit Hilfe der Keilplatte kann ein Winkel, welchen der Lichtstrahl beim Verlassen der Vorrichtung relativ zur optischen Achse aufweist, eingestellt werden. Dies erfolgt unabhängig von dem Versatz des Lichtstrahls, welcher durch die beiden planparallelen Platten eingestellt wird. Durch die besondere Ausgestaltung der Keilplatte behält diese auch bei Verstellung Ihrer Elemente eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Massenverteilung, wodurch eine mögliche Unwucht der Vorrichtung minimiert wird.
Besonders bevorzugt ist die Keilplatte zwischen der ersten und der zweiten Strahlversatzeinrichtung angeordnet. Ferner bevorzugt wird die Keilplatte gemeinsam mit der ersten Strahlversatzeinrichtung rotiert, wozu sie zweckmäßigerweise zusammen mit dieser in einer Halterung gehalten wird. Ebenso kann sie jedoch auch mit der zweiten Strahlversatzeinrichtung gemeinsam oder unabhängig von den beiden Strahlversatzeinrichtungen rotiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine Fokussier- optik auf. Die Fokussieroptik kann beispielsweise durch eine Sammellinse gebildet sein. Mit Hilfe der Fokussieroptik kann der Lichtstrahl auf das Werkstück fokussiert werden, was zu einer besonders hohen punktuellen Energieabgabe führt. Ebenso kann der Fokus jedoch auch derart eingestellt werden, dass der Strahl beim Auftreffen auf das Werkstück nicht fokussiert ist, was zu einem größeren Radius des Auftreffgebiets und einer damit einhergehenden Verteilung der Energieabgabe auf eine größere Fläche führt.
Besonders bevorzugt ist die Fokussieroptik in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls vor der ersten planparallelen Platte angeordnet, sodass der Lichtstrahl zunächst durch die Fokussieroptik trifft, bevor er auf die erste planparallele Platte trifft. Damit kann der Lichtstrahl fokussiert werden, noch bevor er auf die erste planparallele Platte und weitere optische Komponenten der Vorrichtung trifft. Die Fokussieroptik kann jedoch auch an jeder anderen Stelle der Vorrichtung angebracht sein. Die Fokussieroptik kann rotierend antreibbar oder auch starr in der Vorrichtung gehalten sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste oder die zweite planparallele Platte lösbar gehalten. Dies ermöglicht ein einfaches Auswechseln der jeweiligen planparallelen Platte um beispielsweise planparallele Platten unterschiedlicher Dicke einsetzen zu können und so Einstellung des Radius der Kreisbahn oder der Schnittbreite zu bewirken. In einer Ausführungsform ist die erste planparallele Platte nicht lösbar gehalten, während die zweite planparallele Platte lösbar gehalten ist. Ebenso kann jedoch auch die erste planparallele Platte lösbar gehalten sein, während die zweite planparallele Platte nicht lösbar gehalten ist. Auch können beide planparallelen Platten jeweils lösbar oder nicht lösbar gehalten sein. Dies gilt grundsätzlich auch für die erste Strahlversatzeinrichtung, falls diese keine planparallele Platte ist.
Bevorzugt ist die Vorrichtung mit einem gepulsten Laser als Quelle für den Lichtstrahl verbunden. Gepulste Laser ermöglichen auf Grund der Konzentration ihrer Energie auf besonders kurze Pulse eine besonders hohe Feldstärke. Damit kann erreicht werden, dass die Materialbearbeitung nicht nur durch lokale thermische Einwirkung, sondern auch durch das Aufbrechen chemischer Bindungen im elektrischen Feld erfolgt. Dies ermöglicht einen besonders effizienten Abtrag des Materials.
Bevorzugt wird die zweite Strahlversatzeinrichtung mit einer anderen Drehzahl als die erste Strahlversatzeinrichtung angetrieben. Dadurch wird eine spiralförmige Kreisbahn des Lichtstrahls beim Auftreffen auf das Werkstück ermöglicht. Ein bevorzugter Dreh- zahlbereich der zweiten planparallelen Platte ist 300 bis 6.000 Umdrehungen pro Minute. Insbesondere ist bevorzugt, dass die zweite Strahlversatzeinrichtung mit einer kleineren Drehzahl als die erste Strahlversatzeinrichtung angetrieben wird. Damit wird der Lichtstrahl auf einer Kreisbahn geführt, deren Durchmesser sich über die Zeit periodisch ändert, so dass der Lichtstrahl im Laufe der Zeit eine Fläche überstreicht, die einer breite- ren Kreisbahn entspricht; siehe auch Fig. 3. Ebenso kann die zweite Strahlversatzeinrichtung als planparallele Platte jedoch auch mit einer größeren Drehzahl als die erste Strahlversatzeinrichtung angetrieben werden, so dass Lichtstrahl auf dem Werkstück eine Bahn beschreibt, die sich aus der Überlagerung einer langsameren größeren Kreisbahn und schnellerer, kleinerer Kreisbahnen ergibt. In Weiterführung des Erfindungsgedankens können durch vorherige Aufteilung des Laserstrahls mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen versorgt werden, welche am Umfang eines zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet werden können, um so mehrere Bearbeitungsschritte gleichzeitig auszuführen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Figuren:
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt eine Kreisbahn, welche sich in einem Anwendungsfall der Erfindung ergibt.
Figur 3 zeigt eine Kreisbahn, welche sich in einem weiteren Anwendungsfall der Erfindung ergibt. In Figur 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Führen eines Lichtstrahls 20 auf ein Werkstück 30 gezeigt. Die Vorrichtung ist aufgeteilt in einen oberen Teil 100 und einen unteren Teil 200. Der obere Teil 100 weist eine Sammellinse 1 10 auf, welche als Fokussieroptik dient. Der obere Teil 100 weist weiter eine erste Strahlversatzeinrichtung auf, die im Ausführungsbeispiel eine planparallele Platte 120 ist, welche in Ausbreitungsrichtung des Licht- Strahls nach der Sammellinse 1 10 angeordnet ist. Außerdem weist der obere Teil 100 eine Keilplatte 130 auf, welche aus einem konkaven Teil 140 und einem konvexen Teil 150 besteht. Die Keilplatte 130 ist in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls nach der ersten planparallelen Platte 120 angeordnet. Die Sammellinse 1 10, die erste planparallele Platte 120 und die Keilplatte 130 werden von einer Halterung 160 gehalten. Die Halterung 160 ist rotationssymmetrisch und drehbar gelagert. Die erste planparallele Platte 120 ist derart gehalten, dass ihre Oberflächennormale einen spitzen Winkel mit einer optischen Achse 15 der Vorrichtung als ersten Kippwinkel bildet. Der konkave Teil 140 und der konvexe Teil 150 der Keilplatte 130 sind vorliegend zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen leicht verschoben.
Die Halterung 160 wird mit Hilfe eines Motors 170 und eines von dem Motor angetriebenen Rads 180 in Drehung versetzt. Damit drehen sich auch die Sammellinse 1 10, die erste planparallele Platte 120 und die Keilplatte 130.
Der untere Teil 200 der Vorrichtung 10 weist eine zweite planparallele Platte 220 auf, welche in einer Halterung 260 gehalten ist. Die Dicke der zweiten planparallelen Platte 220 ist vorliegend geringer als die Dicke der ersten planparallelen Platte 120. Die Halterung 260 wird mit Hilfe eines Motors 270 und einem darauf angebrachten Rad 280 in Drehung versetzt. Die zweite planparallele Platte ist so gehalten, dass ihre Flächennormale an einem zweiten Kippwinkel gegenüber der optischen Achse geneigt ist.
Der Lichtstrahl 20, welcher von einer nicht dargestellten Lichtquelle parallel zur optischen Achse 15 auf die Vorrichtung 10 einfällt, trifft zunächst auf die Sammellinse 1 10. Dort wird nicht seine Richtung, sondern lediglich seine Fokussierung geändert. Anschließend trifft er auf die erste planparallele Platte 120, wo er um einen bestimmten Betrag parallel versetzt wird. Danach trifft er auf die Keilplatte 130, durch welche er anschließend einen kleinen Winkel zu seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung einnimmt. Danach trifft er auf die zweite planparallele Platte 220, wo er nochmals parallel versetzt wird. Anschließend trifft er auf das Werkstück 30. Zum Austausch der zweiten planparallelen Platte 220 kann die Halterung 260 aus der Vorrichtung 10 entnommen werden und durch eine andere Halterung, in welcher eine weitere planparallele Platte mit einer anderen Dicke gehalten ist, ersetzt werden.
Figur 2 zeigt ein Beispiel einer Bahn, die ein Lichtstrahl auf dem Werkstück beschreibt. Eine solche Bahn entsteht beispielsweise, wenn beide planparallele Platten 120, 220 einen identischen Winkel ihrer Oberflächennormalen zur optischen Achse aufweisen, jedoch die erste planparallele Platte 120 eine größere Dicke aufweist, als die zweite planparallele Platte 220, und wenn außerdem die zweite planparallele Platte 220 mit einer erheblich höheren Drehzahl rotiert wird als die erste planparallele Platte 120. Es ist zu erkennen, dass die Form im Wesentlichen einen Kreis mit Radius r bildet, wobei der Rand durch einen Bereich mit einer Dicke d gebildet wird. Der Radius r wird dabei durch die erste planparallele Platte 120 vorgegeben, während die Dicke d durch die zweite planparallele Platte 220 vorgegeben wird. Dies ermöglicht es, ein zylinderförmiges Stück mit einer vorgegebenen Schnittbreite aus dem Werkstück herauszuschneiden.
Figur 3 zeigt demgegenüber ein Beispiel einer Bahn, die ein Lichtstrahl auf einem Werkstück beschreibt, wenn abweichend von der Beschreibung zu Figur 2 die erste planparallele Platte 120 mit einer erheblich höheren Drehzahl rotiert wird als die zweite planparallele Platte 220. In diesem Fall wird durch die zweite planparallele Platte der durch die erste planparallele Platte definierte Kreis kontinuierlich verschoben, die Laserpulse werden trotzdem auf eine vorgegebene Schnittbreite um einen mittleren Durchmesser verteilt. Dieses Vorgehen ermöglicht es ebenfalls, ein zylinderförmiges Stück mit einer vorgegebenen Schnittbreite aus dem Werkstück herauszuschneiden.

Claims
Vorrichtung (10) zum Führen eines Lichtstrahls (20) mit
einer optischen Achse (15), und
einer ersten Strahlversatzeinrichtung (120) mit einer Oberfläche, deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse (15) einnimmt, und welche rotierend angetrieben werden kann, gekennzeichnet durch eine zweite Strahlversatzeinrichtung in Form einer planparallele Platte (220), welche in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (20) nach der ersten Strahlversatzeinrichtung (120) angeordnet ist und deren Oberflächennormale in zumindest einem Betriebszustand einen spitzen Winkel zur optischen Achse (15) einnimmt, und welche unabhängig von der ersten Strahlversatzeinrichtung (120) rotierend angetrieben werden kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ,
wobei die erste Strahlversatzeinrichtung eine erste planparallele Platte ist. Vorrichtung gemäß Anspruch 2,
wobei die erste planparallele Platte (120) und die zweite planparallele Platte (220) zueinander unterschiedliche Dicken aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3,
wobei die Dicke der ersten planparallelen Platte (120) größer ist als die Dicke der zweiten planparallelen Platte (220).
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche ferner eine Keilplatte (130) aufweist, wobei die Keilplatte aus einem ersten und einem zweiten optischen Element (140, 150) gebildet ist und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist, wobei die optischen Elemente (140, 150) der Keilplatte
einander zugewandte, komplementäre sphärische Oberflächen aufweisen, von denen die eine sphärische Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes (140) bildet und die andere sphärische Oberfläche eine konvexe Fläche des zweiten optischen Elementes (150) bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen, und derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen zu verschieben sind, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandte Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Winkel zueinander verlaufen.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5,
wobei die Keilplatte (130) zwischen der ersten und der zweiten Strahlversatzeinrichtung angeordnet ist.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche ferner eine Fokussieroptik (1 10) aufweist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7,
wobei die Fokussieroptik (1 10) in Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (20) vor der ersten Strahlversatzeinrichtung (120) angeordnet ist.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste oder die zweite Strahlversatzeinrichtung lösbar gehalten ist.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
welche mit einem gepulsten Laser ais Quelle für den Lichtstrahl (20) verbunden ist.
1 1 Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die zweite Strahlversatzeinrichtung (220) mit einer anderen Drehzahl als die erste Strahlversatzeinrichtung (120) angetrieben wird.
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