WO2014184233A1

WO2014184233A1 - VORRICHTUNG ZUR BEAUFSCHLAGUNG DER AUßENSEITE EINES ROTATIONSSYMMETRISCHEN BAUTEILS MIT LASERSTRAHLUNG

Info

Publication number: WO2014184233A1
Application number: PCT/EP2014/059828
Authority: WO
Inventors: Thomas Mitra
Original assignee: Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2014-11-20
Also published as: US20160116750A1; DE102013104986A1; US9746677B2; EP2996835A1; CN105209215B; CN105209215A

Abstract

Vorrichtung zur Beaufschlagung der Außenseite eines rotationssymmetrischen Bauteils (11) mit Laserstrahlung (13), umfassend eine Mehrzahl von Linsen (10), die derart gestaltet und/oder angeordnet sind, dass sich die Symmetrieachse (12) des Bauteils (11) im Fokus einer jeder der Linsen (10) befindet.

Description

„Vorrichtung zur Beaufschlagung der Außenseite eines rotationssymmetrischen Bauteils mit Laserstrahlung"

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur

Beaufschlagung der Außenseite eines rotationssymmetrischen

Bauteils mit Laserstrahlung.

Definitionen : In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint die mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist.

Beim Verschweißen von rotationssymmetrischen, insbesondere kreiszylindrischen Kunststoffteilen von außen werden häufig

Diodenlaser benutzt. Dabei kommen typischerweise zwei Verfahren beziehungsweise Vorrichtungstypen zum Einsatz. Bei einer ersten vorbekannten Vorrichtung wird ein Strahl um das Bauteil bewegt, beziehungsweise das Bauteil dreht sich in einem Laserstrahl. Der Nachteil derartiger Vorrichtung beruht darauf, dass Teile bewegt werden müssen und die Verschweißung nicht simultan stattfindet. Das kann sich negativ auf die Qualität der Schweißnaht auswirken.

Bei einer zweiten vorbekannten Vorrichtung beleuchten mehrere beispielsweise divergente Strahlquellen das Bauteil aus einer ringförmigen Anordnung. Fig.4 zeigt schematisch eine derartige Vorrichtung, bei der fünf Laserstrahlungen 1 aus fünf verschiedenen Richtungen auf ein rotationssymmetrisches Bauteil 2 auftreffen.

Der Nachteil derartiger Vorrichtungen beruht darauf, dass die Winkel, unter denen das Bauteil 2 bestrahlt wird, auf der Oberfläche des Bauteils 2 unterschiedlich sind. Reflexion und Absorption schwanken also über das Bauteil. Weiterhin kann eine definierte Beleuchtung nur für einen festen Durchmesser des Bauteils erreicht werden (siehe Fig. 4). Bei einem größeren Durchmessers des Bauteils 2' werden Teile 3 der Oberfläche nicht mit Laserstrahlung beaufschlagt (siehe Fig. 5). Bei einem kleineren Durchmessers des Bauteils 2" verläuft ein Teil 4 der Laserstrahlung am Bauteil 2" vorbei (siehe Fig. 6).

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Beaufschlagung mit Laserstrahlung vergleichsweise unabhängig vom Durchmesser des Bauteils ist und/oder bei der die auf die Außenseite des Bauteils auftreffende Laserstrahlung eine homogenere

Winkelverteilung aufweist.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine gattungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine

Mehrzahl von Linsen umfasst, die derart gestaltet und/oder

angeordnet sind, dass sich die Symmetrieachse des Bauteils im

Fokus einer jeder der Linsen befindet. Durch eine derartige

Anordnung kann gewährleistet werden, dass eine durch die Linsen hindurchgetretene und auf das Bauteil auftreffende Laserstrahlung eine homogene Winkelverteilung aufweist. Diese homogene

Winkelverteilung kann einerseits gewährleisten, dass die Außenseite des Bauteils in Umfangsrichtung homogen mit Laserstrahlung

beaufschlagt wird, wobei sich aufgrund der gleichen Auftreffwinkel auch die Absorption und die Reflexion der Laserstrahlung über den Umfang nicht ändert. Andererseits kann die homogene

Winkelverteilung der Laserstrahlung dazu beitragen, dass Bauteile mit unterschiedlichen Durchmessern optimal mit Laserstrahlung

beaufschlagt werden können.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung Homogenisatormittel umfasst, die die Laserstrahlung vor dem Hindurchtritt durch die

Linsen homogenisieren können. Auf diese Weise wird eine große Homogenität der auf das Bauteil auftreffenden Winkelverteilung der Laserstrahlung gewährleistet.

Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die

Homogenisatormittel bei einer Anzahl der Linsen kleiner acht derart gestaltet sind, dass die Laserstrahlung eine Top-Hat- Intensitätsverteilung mit zu den Rändern entsprechend cos² (φ) abfallender Intensität aufweist, und dass die Homogenisatormittel bei einer Anzahl der Linsen größer oder gleich acht derart gestaltet sind, dass die Laserstrahlung eine lineare Top-Hat-Intensitätsverteilung aufweist.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Homogenisatormittel ein, vorzugsweise zwei Linsenarrays oder einen Lichtleiter aufweisen.

Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Homogenisatormittel einen Wellenleiter mit einem zumindest abschnittsweise

quaderförmigen lichtleitenden Bereich aufweisen.

Dabei kann eine erste Ausdehnung des lichtleitenden Bereichs, die sich zwischen einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche des lichtleitenden Bereichs erstreckt, größer ist als eine zweite und/oder eine dritte, zu der ersten Ausdehnung senkrechte Ausdehnung des lichtleitenden Bereichs, vorzugsweise um einen Faktor von

mindestens 3, insbesondere mindestens 7, beispielsweise mindestens 10 größer ist, und/oder vorzugsweise um einen Faktor von höchstens 100, insbesondere höchstens 50, beispielsweise höchstens 40 größer ist. Durch diese Gestaltung kann beispielsweise eine homogene, jedoch zum Rand leicht abfallende, beispielsweise wie cos² (φ) abfallende Intensitätsverteilung geschaffen werden.

Es kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei oder eine jede der Linsen die gleiche Brennweite aufweisen. Durch diese Maßnahme kann die Vorrichtung koaxial zur Symmetrieachse des Bauteils aufgebaut werden, wodurch es einfacher wird, eine homogene

Winkelverteilung der auf das Bauteil auftreffenden Laserstrahlung zu erzielen.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Vorrichtung mindestens eine Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Mehrzahl von Laserlichtquellen umfasst, die Laserstrahlung für die Beaufschlagung des Bauteils erzeugen kann. Insbesondere kann einer jeder der Linsen eine

Laserlichtquelle zugeordnet werden. Als Laserlichtquellen eignen sich beispielsweise Laserdiodenbarren oder fasergekoppelte Diodenlaser.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung Optikmittel umfasst, die mindestens eine oder eine jede der Linsen mit Laserstrahlung, insbesondere mit der von der mindestens einen Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahlung beaufschlagen können. Die Optikmittel können beispielsweise abbildende oder fokussierende Linsen umfassen. Weiterhin können die Optikmittel die Homogenisatormittel umfassen. Beispielsweise können die Optikmittel und/oder die

Homogenisatormittel derart gestaltet sein, dass die Eintrittsfläche einer jeder der Linsen mit einer homogenen Ortsverteilung

beziehungsweise einer homogenen räumlichen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung beaufschlagt wird. Durch die Linsen wird aus der homogenen Ortsverteilung eine homogene Winkelverteilung.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Optikmittel und/oder die Homogenisatormittel derart gestaltet sind, dass die Eintrittsfläche einer jeder der Linsen mit einer an die Gestaltung der Linse

angepassten Ortsverteilung beziehungsweise einer an die Gestaltung der Linse angepassten räumlichen Intensitätsverteilung der

Laserstrahlung beaufschlagt wird. Beispielsweise können bei Linsen, die idealen Linsen gleichen, zu den Rändern leicht abfallende räumliche Intensitätsverteilungen auf die Linsen aufgebracht werden, die zu einer noch homogeneren Intensitätsverteilung auf dem Bauteil beitragen können. Bei anderen Gestaltungen der Linsen,

beispielsweise bei realen Linsen oder F-Theta-Linsen können andere geeignete räumliche Intensitätsverteilungen beziehungsweise

Ortsverteilungen der Laserstrahlung auf die Linsen aufgebracht werden.

Es besteht die Möglichkeit, dass die Optikmittel Kollimatormittel, insbesondere mindestens eine Linse zur Kollimation, umfassen, die derart gestaltet und in der Vorrichtung angeordnet sind, dass die Laserstrahlung mit keiner oder möglichst geringer Divergenz

beziehungsweise zumindest weitgehend kollimiert auf die Linsen auftrifft. Auch die Kollimierung der auf die Linsen auftreffenden Laserstrahlung trägt zur Erhöhung der Homogenität der auf das Bauteil auftreffenden Intensitätsverteilung bei. Es besteht die Möglichkeit, dass mindestens eine oder eine jede der Linsen Zylinderlinsen sind, deren Zylinderachsen parallel zu der Symmetrieachse des Bauteils sind. Auf diese Weise entsteht eine in Richtung der Symmetrieachse des Bauteils entsprechend der Länge der Zylinderachsen der Linsen ausgedehnte ringförmige

Intensitätsverteilung auf der Außenseite des Bauteils. Diese

Intensitätsverteilung kann beispielsweise im Rahmen eines

Bearbeitungsprozesses in Richtung der Symmetrieachse des Bauteils bewegt werden.

Es besteht alternativ die Möglichkeit, dass mindestens eine oder eine jede der Linsen eine rotationssymmetrische Krümmung aufweisen und insbesondere sphärische Linsen sind. Auf diese Weise entsteht eine sehr schmale ringförmige Intensitätsverteilung auf der Außenseite des Bauteils. Auch diese Intensitätsverteilung kann beispielsweise im Rahmen eines Bearbeitungsprozesses in Richtung der

Symmetrieachse des Bauteils bewegt werden. Weiterhin kann diese Intensitätsverteilung auch zur Erzeugung einer lokalen umlaufenden Schweißnaht verwendet werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Linsen hinsichtlich der

Symmetrieachse des Bauteils in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind, insbesondere aneinander angrenzen. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln gewährleistet werden, dass über den gesamten Umfang des Bauteils eine gleichmäßige

Intensitätsverteilung der Laserstrahlung vorliegt.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass mindestens eine oder eine jede der Linsen so angeordnet sind, dass die Richtung, in die sich die Laserstrahlung nach dem Hindurchtritt durch die mindestens eine oder eine jede der Linsen ausbreitet, hinsichtlich der Symmetrieachse des Bauteils sowohl eine radiale, als auch eine axiale Komponente aufweist. Dadurch kann erreicht werden, dass von an dem Bauteil reflektierter Laserstrahlung oder von neben dem Bauteil vorbei laufender Laserstrahlung keine der Laserlichtquellen beschädigen werden kann.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Strahlfalle aufweist, die von dem Bauteil reflektierte und/oder neben dem Bauteil vorbei laufende und/oder durch das Bauteil transmittierte Anteile der Laserstrahlung auffangen kann, wobei die Strahlfalle insbesondere ringförmig ausgebildet ist. Auch durch eine derartige Strahlfalle kann erreicht werden, dass von an dem Bauteil reflektierter Laserstrahlung oder von neben dem Bauteil vorbei laufender Laserstrahlung oder von durch ein teilweise transparentes Bauteil hindurchtretender Laserstrahlung keine der Laserlichtquellen beschädigen werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter

Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden

Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Vorrichtung mit einem ersten rotationssymmetrischen

Bauteil;

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung mit einem zweiten rotationssymmetrischen Bauteil;

Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung mit einem dritten

rotationssymmetrischen Bauteil;

Fig.4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik mit einem ersten

rotationssymmetrischen Bauteil;

Fig. 5 eine Fig.4 entsprechende Darstellung mit einem zweiten rotationssymmetrischen Bauteil;

Fig. 6 eine Fig.4 entsprechende Darstellung mit einem dritten

rotationssymmetrischen Bauteil

Fig. 7 eine Fig.1 entsprechende Darstellung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Linsen, die als plankonvexe Linsen ausgebildet sind;

Fig. 8 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ersten Ausführungsform von Homogenisatormitteln; Fig. 9 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zweiten Ausführungsform von Homogenisatormitteln;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform von Homogenisatormitteln;

Fig. 11 eine beispielhafte Intensitätsverteilung des aus den dritten

Homogenisatormitteln austretenden Lichts;

Fig. 12 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der dritten Ausführungsform von Homogenisatormitteln;

Fig. 13 eine schematische Veranschaulichung der

Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf dem Bauteil für eine ideale Linse, die mit einer linearen Top-Hat-Verteilung beaufschlagt wird;

Fig. 14 eine schematische Veranschaulichung einer zu den

Rändern abfallenden Intensitätsverteilung der

Laserstrahlung auf der idealen Linse;

Fig. 15 eine schematische Veranschaulichung der

Intensitätsverteilung der Laserstrahlung auf dem Bauteil für eine ideale Linse, die mit einer Intensitätsverteilung gemäß Fig. 15 beaufschlagt wird;.

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 bis Fig. 3 abgebildete Ausführungsform einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst fünf Linsen 10. Diese Linsen 10 sind in den Figuren nur schematisch durch jeweils eine Linie angedeutet. Bei den Linsen 10 kann es sich beispielsweise um plankonvexe oder bikonvexe oder konkavkonvexe Linsen handeln.

Es besteht die Möglichkeit, weniger als fünf Linsen, insbesondere zwei oder drei oder vier Linsen, oder mehr als fünf Linsen

vorzusehen.

Die fünf Linsen 10 sind auf den Seiten eines regelmäßigen Fünfecks parallel zu diesen Seiten so angeordnet, dass die Linsen 10 an den Ecken des Fünfecks aneinander anschließen. Dabei ist die

Brennweite einer jeder der Linsen 10 gleich groß und so gewählt, dass der Fokus beziehungsweise der Brennpunkt oder die Brennlinie sämtlicher Linsen an der gleichen Stelle angeordnet ist.

Bei mehr oder weniger Linsen wird die Anordnung entsprechend geändert, so dass beispielsweise bei vier Linsen diese auf den Seiten eines Quadrats angeordnet sind. Bei lediglich zwei Linsen werden diese parallel zueinander sowie einander gegenüberliegend und zueinander beabstandet angeordnet.

Im abgebildeten Ausführungsbeispiel können die Linsen 10 als

Zylinderlinsen ausgebildet sein, deren Zylinderachsen parallel zueinander sind und sich in die Zeichenebene hinein erstrecken. In diesem Fall weist jede der Linsen 10 eine Brennlinie oder Fokuslinie auf. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Linsen 10 jeweils eine rotationssymmetrische Krümmung aufweisen und insbesondere sphärische Linsen sind. In diesem Fall weist jede der Linsen 10 einen Brennpunkt oder einen Fokuspunkt auf.

In der Mitte zwischen den Linsen 10 ist ein rotationssymmetrisches Bauteil 11, insbesondere ein Kreiszylinder angeordnet (siehe Fig. 1), der sich ohne Querschnittsveränderung in die Zeichenebene der Fig. 1 hinein erstreckt. Dabei ist das Bauteil 11 so angeordnet, dass sich die Fokusse der Linsen 10 auf der Symmetrieachse 12

beziehungsweise Zylinderachse des Bauteils 11 befinden.

Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens eine, vorzugsweise eine der Zahl Linsen entsprechende Zahl von Laserlichtquellen sowie Optikmittel umfassen, die die von den Laserlichtquellen ausgehende Laserstrahlung 13 auf die Linsen aufbringen kann. Die Optikmittel können insbesondere Kollimationsmittel umfassen, beispielsweise eine Mehrzahl von Linsen zur Kollimation umfassen, die derart gestaltet und in der Vorrichtung angeordnet sind, dass die

Laserstrahlung mit keiner oder möglichst geringer Divergenz

beziehungsweise zumindest weitgehend kollimiert auf die Linsen 10 auftrifft.

Fig. 1 zeigt beispielhaft fünf Laserstrahlungen 13, die jeweils von außen senkrecht auf die von dem Bauteil abgewandten

Eintrittsflächen der Linsen 10 auftreffen. Dabei sind die

Laserstrahlungen 13 lediglich schematisch angedeutet. Insbesondere sollen die Laserstrahlungen 13 auf den Eintrittsflächen der Linsen 10 jeweils eine homogene Ortsverteilung beziehungsweise räumliche Intensitätsverteilung aufweisen.

Durch die Linsen 10 werden die Laserstrahlungen 13 jeweils so transformiert, dass die Laserstrahlungen 13 nach dem Austritt aus den dem Bauteil zugewandten Austrittsflächen der Linsen 10 jeweils eine homogene Winkelverteilung aufweisen. Dies hat zur Folge, dass auf jeden Umfangsabschnitt der Außenseite des Bauteils 11 die gleiche Laserleistung aufgebracht wird, wobei auch die Auftreffwinkel gleich sind.

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung aus Fig. 1, bei der zwischen den Linsen 10 ein Bauteil 11' mit einer Symmetrieachse 12' angeordnet ist, das einen größeren Durchmesser als das Bauteil 11 aufweist. Es zeigt sich, dass auch bei diesem Bauteil 11' die Außenseite homogen ausgeleuchtet wird.

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung aus Fig. 1, bei der zwischen den Linsen 10 ein Bauteil 11" mit einer Symmetrieachse 12" angeordnet ist, das einen kleineren Durchmesser als das Bauteil 11 aufweist. Es zeigt sich, dass auch bei diesem Bauteil 11" die Außenseite homogen ausgeleuchtet wird. Weiterhin tritt auch, im Gegensatz zu dem

Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6, keine Laserstrahlung an dem Bauteil 11" vorbei.

Die numerische Apertur (NA) der Linsen 10 und deren Ausleuchtung werden so gewählt, dass mit der gewählten Anzahl der Linsen 10 der gesamte Winkelraum des Umfangs des Bauteils 11, 11', 11"

beleuchtet wird. Dabei kann die Numerische Apertur der Linsen wie folgt bestimmt werden:

NA = sin(cc/2) mit =360°/Anzahl der Linsen.

In der Praxis sind daher wahrscheinlich mindestens vier Linsen 10 als Anzahl realistisch, weil Linsen mit sehr großer Numerischer Apertur (NA>0,8) schwierig herzustellen sind.

Um zu gewährleisten, dass nach dem Durchtritt durch die Linsen 10 eine homogene Winkelverteilung der einzelnen Laserstrahlungen 13 vorliegt, sollten die Linsen 10 mit einer homogenen Ortsverteilung ausgeleuchtet werden. Dazu eignet sich die Slow-Axis-Verteilung von Laserdiodenbarren. Entsprechend können also als Laserlichtquellen Laserdiodenbarren gewählt werden. Die Slow-Axis-Verteilung kann auch noch zusätzlich homogenisiert werden. Entsprechende Homogenisatormittel werden im Nachfolgenden noch detaillierter unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis Fig. 12 beschrieben.

Eine andere gute Laserlichtquelle ist ein fasergekoppelter

Diodenlaser. Dabei kann beispielsweise das Fasernahfeld, das häufig relativ homogen ist, auf die Linsen 10 abgebildet werden.

Als Linsen mit großer Numerischer Apertur können Azylinder gewählt werden, in speziellen Fällen auch runde Asphären oder zylindrische Fresnellinsen.

In sämtlichen Varianten ist es vorteilhaft, wenn eventuell auf den Linsen befindliche Antireflexionsbeschichtungen für alle Winkel eine ähnlich gute Transmission aufweisen.

Aus der Divergenz der auf die Linsen 10 auftreffenden Laserstrahlung 13 kann auf den kleinsten Durchmesser d des Bauteils 11, 11', 11" geschlossen werden, bei dem sämtliche Laserstrahlung 13 auf die Oberfläche des Bauteils 11, 11', 11" trifft. In guter F-Theta-Näherung ergibt sich der kleinste Durchmesser d zu d = 0 f wobei Θ dem vollen Divergenzwinkel der einfallenden Laserstrahlung und f der Brennweite der Linsen 10 entspricht.

Der größte für das Bauteil 11, 11', 11" wählbare Durchmesser wird durch den zwischen den Linsen 10 verfügbaren Raum vorgegeben. Der Durchmesser kann so groß gewählt werden, dass die Außenseite des Bauteils 11, 11', 11 " an die Austrittsflächen der Linsen 10 stößt. In der Praxis kann der maximale Durchmesser etwas kleiner gewählt werden, um zu verhindern, dass bei der Bearbeitung zu viel Schmutz auf die Linsen 10 auftrifft. Es besteht die Möglichkeit, dass mindestens eine oder eine jede der Linsen 10 so angeordnet sind, dass die Richtung, in die sich die Laserstrahlung 13 nach dem Hindurchtritt durch die mindestens eine oder eine jede der Linsen 10 ausbreitet, hinsichtlich der

Symmetrieachse 12, 12', 12" des Bauteils 11, 11', 11" sowohl eine radiale, als auch eine axiale Komponente aufweist.

Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Linsen 10 zur

Symmetrieachse 12, 12', 12" geneigt sind, so dass die Laserstrahlung 13 nach dem Hindurchtritt durch die Linsen 10 nicht in der

Zeichenebene der Fig. 1 bis Fig. 3 verläuft, sondern um wenige

Winkelgrade nach oben oder nach unten geneigt zu der Zeichenebene verläuft. Dies hat den Vorteil, dass an dem Bauteil 11, 11', 11" reflektierte Laserstrahlung 13 oder neben dem Bauteil 11, 11', 11" vorbei laufende Laserstrahlung 13 nicht eine der Laserlichtquellen beschädigen kann.

Es kann weiterhin eine nicht abgebildete Strahlfalle vorgesehen sein, die insbesondere ringförmig ausgebildet sein kann. Diese Strahlfalle kann von dem Bauteil 11, 11', 11" reflektierte und/oder durch das Bauteil transmittierte Anteile der Laserstrahlung auffangen.

In Fig. 7 ist eine erfindungsgemäßen Vorrichtung abgebildet, bei der die Linsen 10 beispielhaft als plankonvexe Linsen ausgebildet sind. Es sind wie in dem in Fig. 1 abgebildeten Beispiel fünf Linsen 10 auf den Seiten eines regelmäßigen Fünfecks angeordnet. Es besteht jedoch wie bereits erwähnt die Möglichkeit, weniger als fünf Linsen 10, insbesondere zwei oder drei oder vier Linsen 10, oder mehr als fünf Linsen 10, wie beispielsweise sechs, sieben, acht, neun oder zehn oder mehr Linsen 10 vorzusehen, wobei jeweils eine

regelmäßige Anordnung der Linsen 10, beispielsweise auf einem Quadrat, einem regelmäßigen Sechseck oder auf einem regelmäßigen Achteck erfolgt. Weiterhin sind dabei die Linsen 10 so angeordnet, dass benachbarte Linsen 10 einander kontaktieren beziehungsweise aneinander anstoßen.

Fig. 8 zeigt eine erste Ausführungsform von Homogenisatormitteln 14, die zwei Linsenarrays 15, 16 sowie eine lediglich schematisch angedeutete Linse 17 umfassen. Die Linse 17 ist so in der

Vorrichtung angeordnet, dass in der eingangsseitigen Brennebene der Linse 17 die Austrittsfläche des zweiten Linsenarrays 16 und in der ausgangsseitigen Brennebene der Linse 17 die Eintrittsfläche der Linse 10 angeordnet ist. Dabei sind die Brennweiten f _{5i 6} der einzelnen Linsen der Linsenarrays 15, 16 deutlich kleiner als die Brennweite f-i ₇ der Linse 17. Die Linsenarrays 15, 16 können

Zylinderlinsenarrays sein, deren Zylinderachsen sich in die

Zeichenebene der Fig. 8 hinein erstrecken. Weiterhin kann auch die Linse 17 eine Zylinderlinse sein, deren Zylinderachse sich in die Zeichenebene der Fig. 8 hinein erstreckt.

Von den Linsen 10 zur Beaufschlagung des Bauteils 11 mit

Laserstrahlung 13 ist beispielhaft lediglich eine abgebildet. Es sollen jedoch eine der Zahl der Linsen 10 entsprechende Zahl von

Homogenisatormitteln 14 vorgesehen sein, also bei beispielsweise sechs Linsen 10 auch sechs diesen zugeordnete Homogenisatormittel 14 oder bei beispielsweise acht Linsen 10 auch acht diesen

zugeordnete Homogenisatormittel 14 vorgesehen sein.

Fig. 9 zeigt eine zweite Ausführungsform von Homogenisatormitteln 18, die eine Lichtleitfaser 19 sowie eine lediglich schematisch angedeutete Linse 20 umfassen. Dabei tritt aus dem Ende der

Lichtleitfaser 19 das vergleichsweise homogene Licht eines

fasegekoppelten Lasers aus. Diese homogene Verteilung wird von der Linse 20 kollimiert und verläuft von dieser auf die Eintrittsfläche der Linse 10. Die Linse 20 kann eine Zylinderlinse sein, deren Zylinderachse sich in die Zeichenebene der Fig. 9 hinein erstreckt.

Der Abstand zwischen dem Ende der Lichtleitfaser 19 und der Linse 20 beträgt entspricht dabei der Brennweite f₂o der Linse 20. In der Fig. 9 ist der Divergenzwinkel Θ des austretenden Lichts zur besseren Darstellbarkeit vergleichsweise groß dargestellt. Realistische

Divergenzwinkel Θ liegen zwischen 12° und 26°.

Von den Linsen 10 zur Beaufschlagung des Bauteils 11 mit

Homogenisatormitteln 18 vorgesehen sein, also bei beispielsweise sechs Linsen 10 auch sechs diesen zugeordnete Homogenisatormittel 18 oder bei beispielsweise acht Linsen 10 auch acht diesen

zugeordnete Homogenisatormittel 18 vorgesehen sein.

Fig. 12 zeigt eine dritte Ausführungsform von Homogenisatormitteln 21, die einen schematisch angedeuteten Wellenleiter 22 sowie ein aus zwei Linsen 23, 24 bestehendes Teleskop umfassen. Die Linsen 23, 24 können Zylinderlinsen sein, deren Zylinderachsen sich in die Zeichenebene der Fig. 9 hinein erstrecken. Der Wellenleiter 22 ist in Fig. 10 detaillierter abgebildet und entspricht einem bereits in der WO 2014/001277 offenbarten Wellenleiter. Die WO 2014/001277 wird durch Bezugnahme zu einem Teil der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Aus dem in Fig. 10 abgebildeten Wellenleiter 22 kann bei bestimmten Verhältnissen seiner Abmessungen Licht mit einer

Intensitätswinkelverteilung austreten, die zumindest in einer Richtung einem konvexen Top-Hat-Profil 25 entspricht, wie es beispielhaft in Fig. 11 abgebildet ist. Diese zeigt die Intensität I in Abhängigkeit von einem Winkel φ, wobei der Winkel φ=0° der mittleren

Ausbreitungsrichtung des Lichts entspricht.

Der Wellenleiter 22 weist einen lichtleitende Bereich 26 auf, der quaderförmig ist. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, dass der lichtleitende Bereich 26 nur abschnittsweise eine Quaderform aufweist, insbesondere nur in einer oder mehreren Ebenen senkrecht zur mittleren Ausbreitungsrichtung Z des Lichts eine rechteckige Form aufweist.

Um das vorgenannte konvexen Top-Hat-Profil 25 zu erzielen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Ausdehnung Di des

lichtleitenden Bereichs 26 größer ist als die zweite und/oder die dritte Ausdehnung D₂, D₃ des lichtleitenden Bereichs 26, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 3, insbesondere mindestens 7,

beispielsweise mindestens 10, und/oder vorzugsweise um einen Faktor von höchstens 100, insbesondere höchstens 50,

beispielsweise höchstens 40.

In Fig. 12 ist weiterhin eine Linse 27 abgebildet, die das von einer Laserlichtquelle ausgehende Laserlicht 13 in den lichtleitenden

Bereich 26 des Wellenleiters 22 einbringt. Die Brennweiten f₂3, f₂4 der Linsen 23, 24 stehen in einem Verhältnis 1 :2 zueinander, so dass die Austrittsfläche des lichtleitenden Bereichs 26 um einen Faktor 2 vergrößert auf die Eintrittsfläche der Linse 10 abgebildet wird.

Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, andere

Brennweitenverhältnisse zu wählen um eine andere Vergrößerung zu erreichen. Beispielsweise sind auch eine zehnfache oder eine zwanzigfache Vergrößerung möglich. Von den Linsen 10 zur Beaufschlagung des Bauteils 11 mit

Homogenisatormitteln 21 vorgesehen sein, also bei beispielsweise sechs Linsen 10 auch sechs diesen zugeordnete Homogenisatormittel 21 oder bei beispielsweise acht Linsen 10 auch acht diesen

zugeordnete Homogenisatormittel 21 vorgesehen sein.

Der Abfall der Intensitätswinkelverteilung 25 zu den Rändern

entspricht in etwa einem Abfall proportional zu cos² (φ). Es zeigt sich, dass bei einer Anzahl der Linsen 10 kleiner acht eine derart

homogenisierte, insbesondere mit cos² (φ) zu den Rändern abfallende räumliche Intensitätsverteilung beziehungsweise Ortsverteilung des Lichts auf einer jeden der Linsen zu einer sehr gleichmäßigen

Intensitätsverteilung auf dem Bauteil 11 führt. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass der Abfall zu den Rändern in einer Richtung erfolgt, der der Umfangsrichtung des Bauteils 11 entspricht,

beziehungsweise in der Richtung erfolgt, in der die Linsen 10 aneinander anschließen.

Die Gründe für die Wahl einer zu den Rändern abfallenden räumlichen Intensitätsverteilung beziehungsweise Ortsverteilung des Lichts sollen im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 13 bis 15 erläutert werden.

Fig. 13 veranschaulicht die Intensität I der Laserstrahlung auf dem Bauteil 11 in Abhängigkeit von dem Winkel φ für eine als Linse 10 verwendete ideale Linse, wenn diese mit kollimiertem Licht und einer linearen Top-Hat-Verteilung beaufschlagt wird. Dabei entspricht φ=0° dem im Bereich der optischen Achse der Linse 10 auf das Bauteil 11 auftreffenden Lichtanteil. Die dargestellte Intensitätsverteilung 28 zeigt, dass für die Randbereiche des von der jeweiligen Linse 10 beaufschlagten Abschnitts des Bauteils 11 die auftreffende Intensität größer ist als für die mittleren Bereiche, die nahe der optischen Achse angeordnet sind.

Fig. 14 zeigt eine räumliche Intensitätsverteilung 29 beziehungsweise Ortsverteilung auf der Linse 10 in relativen Einheiten, wobei die Größe der Intensität I im Bereich der optischen Achse mit 1 angesetzt ist. Die Intensität I fällt bis zu den Rändern auf etwa 80% des Werts der optischen Achse ab. Die räumliche Intensitätsverteilung 29 könnte beispielsweise mit den in Fig. 12 abgebildeten Homogenisatormitteln 21 erzeugt werden.

Fig. 15 veranschaulicht die Intensität I der Laserstrahlung auf dem Bauteil 11 in Abhängigkeit von dem Winkel φ für eine als Linse 10 verwendete ideale Linse, wenn diese zwar mit kollimiertem Licht, jedoch nicht mit einer linearen Top-Hat-Verteilung, sondern mit der Verteilung 29 gemäß Fig. 14 beaufschlagt wird. Es zeigt sich, dass in diesem Fall die erhaltene Intensitätsverteilung 30 auf dem Bauteil 11 in sämtlichen Winkelbereichen die gleiche Intensität I aufweist. Auf diese Weise wird eine sehr gleichmäßige Beaufschlagung des

Bauteils 11 mit Laserstrahlung gewährleistet.

Wenn die für die Darstellung verwendete ideale Linse für die Linse 10 durch eine reale Linse oder eine F-Theta-Linse ersetzt wird, muss die Form der räumlichen Intensitätsverteilung 29 auf der Linse 10 an deren Abweichung von einer idealen Linse angepasst werden.

Eine ebenfalls vergleichsweise gut homogenisierte, im Wesentlichen mit cos² (φ) zu den Rändern abfallende Intensitätsverteilung kann durch die bereits erwähnte Slow-Axis-Verteilung von

Laserdiodenbarren erreicht werden. Wenn also auf die Verwendung von Homogenisatormitteln verzichtet werden soll, empfiehlt sich bei einer Anzahl der Linsen 10 kleiner acht die Beaufschlagung der Eintrittsflächen der Linsen 10 mit der Slow-Axis-Verteilung von

Laserdiodenbarren. Auch hier sollte die Slow-Axis parallel zu der Umfangsrichtung des Bauteils 11 angeordnet sein beziehungsweise parallel zu der Richtung angeordnet sein, in der die Linsen 10 aneinander anschließen.

Bei einer Anzahl der Linsen 10 größer oder gleich acht kann eine gleichmäßige Intensitätsverteilung auf dem Bauteil 11 auch durch eine lineare Top-Hat-Verteilung beziehungsweise durch eine nicht abfallende Intensitätsverteilung erreicht werden, wie sie

beispielsweise mit den Homogenisatormitteln 14, 18 gemäß Fig. 8 und Fig. 9 erzielbar ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Beaufschlagung der Außenseite eines

rotationssymmetrischen Bauteils (11, 11', 11") mit

Laserstrahlung (13), umfassend eine Mehrzahl von Linsen (10), durch die die Laserstrahlung (13) hindurchtreten kann und die derart gestaltet und/oder angeordnet sind, dass sich die

Symmetrieachse (12, 12', 12") des Bauteils (11, 11', 11") im Fokus einer jeder der Linsen (10) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Homogenisatormittel (14, 18, 21) umfasst, die die Laserstrahlung (13) vor dem Hindurchtritt durch die Linsen (10) homogenisieren können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisatormittel (14, 18, 21) bei einer Anzahl der Linsen (10) kleiner acht derart gestaltet sind, dass die Laserstrahlung (13) eine Top-Hat-Intensitätsverteilung mit zu den Rändern entsprechend cos² (φ) abfallender Intensität aufweist, und dass die Homogenisatormittel (14, 18, 21) bei einer Anzahl der Linsen (10) größer oder gleich acht derart gestaltet sind, dass die Laserstrahlung (13) eine lineare Top-Hat- Intensitätsverteilung aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Homogenisatormittel (14, 18) ein, vorzugsweise zwei Linsenarrays (15, 16) oder einen Lichtleiter (19) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, dass die Homogenisatormittel (21) einen Wellenleiter (23) mit einem zumindest abschnittsweise

quaderförmigen lichtleitenden Bereich (26) aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Ausdehnung (D-i) des lichtleitenden Bereichs (26), die sich zwischen einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche des lichtleitenden Bereichs (26) erstreckt, größer ist als eine zweite und/oder eine dritte, zu der ersten Ausdehnung (D-ι) senkrechte Ausdehnung (D₂, D₃) des lichtleitenden Bereichs (26),

vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 3, insbesondere mindestens 7, beispielsweise mindestens 10 größer ist, und/oder vorzugsweise um einen Faktor von höchstens 100, insbesondere höchstens 50, beispielsweise höchstens 40 größer ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, dass eine jede der Linsen (10) eine von dem Bauteil (11, 11', 11") abgewandte Eintrittsfläche und eine dem Bauteil (11, 11', 11") zugewandte Austrittsfläche für

Laserstrahlung (13) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch

gekennzeichnet, dass mindestens zwei oder eine jede der Linsen (10) die gleiche Brennweite (f) aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch

gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine

Laserlichtquelle, vorzugsweise eine Mehrzahl von

Laserlichtquellen umfasst, die Laserstrahlung (13) für die

Beaufschlagung des Bauteils (11, 11', 11") erzeugen kann.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch

gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Optikmittel umfasst, die mindestens eine oder eine jede der Linsen (10) mit Laserstrahlung (13), insbesondere mit der von der mindestens einen Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahlung (13), beaufschlagen können.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch

gekennzeichnet, dass die Optikmittel und/oder die

Homogenisatormittel (14, 18, 21) derart gestaltet sind, dass die Eintrittsfläche einer jeder der Linsen (10) mit einer homogenen Ortsverteilung beziehungsweise einer homogenen räumlichen Intensitätsverteilung der Laserstrahlung (13) beaufschlagt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch

gekennzeichnet, dass die Optikmittel und/oder die

Homogenisatormittel (14, 18, 21) derart gestaltet sind, dass die Eintrittsfläche einer jeder der Linsen (10) mit einer an die

Gestaltung der Linse (10) angepassten Ortsverteilung

beziehungsweise einer an die Gestaltung der Linse (10) angepassten räumlichen Intensitätsverteilung der

Laserstrahlung (13) beaufschlagt wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch

gekennzeichnet, dass die Homogenisatormittel (14, 18, 21) von den Optikmitteln umfasst sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch

gekennzeichnet, dass die Optikmittel Kollimatormittel,

insbesondere mindestens eine Linse zur Kollimation, umfassen, die derart gestaltet und in der Vorrichtung angeordnet sind, dass die Laserstrahlung mit keiner oder möglichst geringer Divergenz beziehungsweise zumindest weitgehend kollimiert auf die Linsen (10) auftrifft.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine oder eine jede der Linsen (10) Zylinderlinsen sind, deren Zylinderachsen parallel zu der Symmetrieachse (12, 12', 12") des Bauteils (11, 11',

11 ") sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch

gekennzeichnet, dass mindestens eine oder eine jede der Linsen (10) eine rotationssymmetrische Krümmung aufweisen und insbesondere sphärische Linsen (10) sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch

gekennzeichnet, dass die Linsen (10) hinsichtlich der

Symmetrieachse (12, 12', 12") des Bauteils (11, 11', 11") in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind, insbesondere aneinander angrenzen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch

gekennzeichnet, dass mindestens eine oder eine jede der Linsen (10) so angeordnet sind, dass die Richtung, in die sich die Laserstrahlung (13) nach dem Hindurchtritt durch die mindestens eine oder eine jede der Linsen (10) ausbreitet, hinsichtlich der Symmetrieachse (12, 12', 12") des Bauteils (11, 11', 11") sowohl eine radiale, als auch eine axiale Komponente aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch

gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Strahlfalle aufweist, die von dem Bauteil (11, 11', 11") reflektierte und/oder neben dem Bauteil vorbei laufende und/oder durch das Bauteil (11, 11', 11") transmittierte Anteile der Laserstrahlung (13) auffangen kann, wobei die Strahlfalle insbesondere ringförmig ausgebildet ist.