Bearbeitungskopf für Laserbearbeitungsmaschine,
sowie Laserbearbeitungsmaschine
Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf für Laserbearbeitungsmaschinen, insbesondere für Laserschneidmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem derartigen Bearbeitungskopf, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Derartige Laserbearbeitungsmaschinen werden beispielsweise für die Metallbearbeitung im Hochleitungsbereich betrieben, der beträchtlich über jenem liegt, in welchem beispielsweise medizinische Lasersysteme wie etwa jenem der EP 0515983 A1 betrieben werden. Diese Laser in niedrigen bzw. mittleren Leistungsbereichen haben nicht jene Problemstellungen zu bewältigen, welche sich bei Laserquellen mit Leistungen über 500W durch die thermische Belastung der optischen Elemente ergeben.
Wichtige Elemente einer Lasermaschine zur Materialbearbeitung, insbesondere einer Laserschneidmaschine, sind die Laserstrahlquelle, die Laserstrahlführung und der Bearbeitungskopf (Fokussieroptik) inklusive Schneiddüse. Der die Laserstrahlquelle verlassende Strahl kann im Nahinfrarot (Nd:YAG-Laser, Faserlaser, Scheibenlaser, Diodendirekt-Laser) über Lichtleitkabel, beim C02-Laser über Umlenkspiegel zur Fokussieroptik an der Bearbeitungsstelle geführt wer- den. Die Fokussieroptik bündelt den Laserstrahl in einem Fokus und erzeugt so die zum Schneiden erforderliche Intensität.
Anlagen mit C02-Lasern bestehen meist aus einer feststehenden Laserstrahlquelle, reflektierenden Spiegeln und einer Fokussieroptik im Bearbeitungskopf. Ein Spiegelteleskop gewährleistet über den gesamten Bearbeitungsraum einen nahezu kollimierten Strahl, der nur kleine Divergenzen bzw. Konvergenzen aufzeigt. Die Strahldurchmesser auf der Fokussieroptik sind damit gleich, bzw. annähernd gleich und haben auch gleichwertige F-Zahlen und Intensitäten im Fokus zu Folge. Entsprechende Laserbearbeitungsköpfe lenken in der Regel mit einem Umlenkspiegel mit veränderlichen Krümmungen diesen kollimierten Strahl vorzugsweise um 90° um, wodurch eine Änderung der Fokuslagen nach der Fokussieroptik möglich gemacht wird. Wie in US5493095A kann auch eine flie-
gend gelagerte Fokussieroptik die Fokuslage ändern und damit auch die kleinen Divergenz bzw. Konvergenz des kollimierten Laserstrahls korrigieren.
Die Strahlführung zwischen Resonator (Laserstrahlquelle) und Fokussieroptik wird durch gegebenenfalls wassergekühlte Umlenkspiegel realisiert. Die Um- lenkspiegel sind gold- oder molybdänbeschichtet und bestehen aus monokristallinem Silizium oder reinem Kupfer. Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von ca. 1 pm (Nd:YAG-Laser, Faserlaser, Scheibenlaser) kann dagegen über grosse Entfernungen verlustfrei mit einem flexiblen Lichtleitkabel zum Bearbeitungskopf herangeführt werden. Umlenkspiegel werden in Lasermaschinen für vielerlei Zwecke verwendet. Die DE 202004007511 U1 offenbart beispielsweise die Anwendung eines teildurchlässigen Umlenkspiegels zum Auskoppeln eines geringen Teils einer Laserstrahlung zum Zweck der Leistungsmessung. Der Arbeitslaserstrahl hingegen geht in Richtung und mit offenbar unveränderter Divergenz durch diesen Umlenkspiegel hindurch. Der geringe ausgekoppelte Teil wird dann durch einen gekrümmten Umlenkspiegel auf einen Detektor reflektiert. Der teildurchlässige Umlenkspiegel ist für das Durchlassen des grössten Teils der Laserstrahlung optimiert und weist dazu eine Antireflexionsbeschichtung auf.
Die DE 102009047105 A1 andererseits offenbart eine Abbildungsoptik, die eine Lichtleitfaser mit einer Faseraustrittsfläche aufweist, aus der ein Laserstrahl divergent austritt, sowie eine reflektive Fokussieroptik. Diese bildet den divergenten Laserstrahl in einen Fokuspunkt ab. Die reflektive Fokussieroptik ist durch ein einziges reflektives Fokussierspiegelelement gebildet, dessen Spiegeloberfläche für eine Punkt-zu-Punkt-Abbildung der Faseraustrittsfläche auf den Fo- kuspunkt ausgebildet ist.
Für eine richtungsunabhängige Schnittqualität werden nach dem C02 Laser- Resonator die linear polarisierten Laserstrahlen mittels eines phasendrehenden Umlenkspiegels zirkulär polarisiert. Die eingesetzten Umlenkspiegel besitzen eine Multilayer-Beschichtung deren Funktion einer Lambda/4 Platte gleich- kommt. Die polarisationsabhängige Absorption von Laserstrahlung im Schnittspalt würde zu einer richtungsabhängigen Kantenqualität und Schneideffizienz
führen. In der Regel ist die Laserstrahlung von Laserquellen im Nahinfrarotbe- reich zumindest im zeitlichen Mittel unpolarisiert.
Die Fokussieroptik im Bearbeitungskopf einer nahinfraroten Laserquelle besteht in der Regel aus einem Quarzglas, hingegen die Fokussieroptik eines C02- Lasers aus einkristallinem Zinkselenid oder einem Off-axis-Parabolspiegel aus Kupfer. Der Strahl tritt fokussiert durch die sogenannte Schneiddüse, die meist aus Kupfer besteht und auch das Blas- bzw. Prozessgas auf die Bearbeitungsstelle lenkt.
Bei Lichtleitfasern zwischen Laserquelle und Laserbearbeitungskopf wird jedoch die hohe Parallelität eines eingekoppelten Laserstrahls aufgrund unterschiedlicher Reflexionswinkel zwischen Kern und Mantel aufgehoben, so dass das aus der Lichtleitfaser austretende Licht in der Regel eine wesentlich höhere Divergenz als z.B. ein C02-Laser aufweist. Zur Verringerung dieser Divergenz wird in der DE 43 24 848 vorgeschlagen, in Lichtausbreitungsrichtung hinter der Licht- leitfaser ein optisches System (vorzugsweise eine Kollimationslinse) vorzusehen, welches das aus der Lichtleitfaser austretende Lichtbündel parallelisiert.
Der auf diese Weise kollimierte Strahl zeigt folglich nur kleine Divergenzen bzw. Konvergenzen auf. In heutigen Bearbeitungsköpfen wird in der Regen eine Spiegelumlenkung erst in diesen kollimierten Strahl realisiert. Die geringen Win- kelabweichungen erlauben eine vergleichsweise einfache Auslegung der dielektrischen Beschichtungen entsprechender Umlenkoptik.
Eine Umlenkung eines divergenten Strahls ist grundsätzlich schwieriger zu realisierten, so dass bislang dieser Lösungsansatz nicht in Bearbeitungsköpfen angedacht wurde. So entstehen beispielsweise in der Transmissionsrichtung star- ke Abbildungsfehler, die eine gute Abbildung der Prozesszone bzw. des Düsenbereichs weitgehend erschweren. Zudem muss bei der Auslegung der Spiegelbeschichtung zusätzlich ein durch den divergenten Strahl bedingter verbreiterter Winkelbereich berücksichtigt werden. In der DE 202012102794 U1 ist offenbart, dass der zu vermessende Strahl, insbesondere bei faserbasierten Laseranlagen für 1 μιη Laserstrahlung, meistens
divergent ist, wie z.B. der aus einer Faserspitze austretende Strahl oder der von einer Bearbeitungsoptik fokussierte Strahl. Weiter wird im genannten deutschen Gebrauchsmuster erwähnt, dass die Verwendung einer schräggestellten unbeschichteten Planplatte zur Auskopplung eines Teilstrahls aus einem diver- genten Strahl problematisch ist, da der Einfallswinkel innerhalb des Strahlbündels auf der Planplatte variiert und daher der Reflexionsgrad gemäss der Fres- nel-Formeln nicht konstant ist und zusätzlich von der Polarisationsrichtung des Strahls abhängt. Die Reduktion dieser Winkelabhängigkeit wird hierbei durch die Einhaltung kleiner Einfallswinkel der beiden Planplatten erreicht. Zur Umgehung des Problems der Winkelabhängigkeit der Reflexion ist es auch denkbar, den Strahl zunächst mittels eines Kollimations-Objektivs oder wenigstens einer Linse zu kollimieren und erst dann mittels geeigneter Beschichtung der Planplatte einen Teilstrahl abzulenken. In DE 20 2004 007 511 wird beispielsweise eine speziellen Antireflex-Beschichtungen gezeigt, die so ausgelegt sein sollen, dass der Rest-Reflexionsgrad über einen kleinen Winkelbereich möglichst wenig variiert und gleichzeitig die Reflexionsgrade für die beiden Polarisationsrichtungen möglichst gleich sein sollen. Zu diesem Zweck werden mehrere dünne dielektrische Schichten auf das Substrat aufgebracht.
Zur Verringerung der Reflexionsunterschiede bei unterschiedlichen Polarisati- onszuständen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Grenzflächen eines teilreflektierenden Umlenkspiegels mit geeigneten Beschichtungen zu versehen. Z.B. werden diese mit speziellen Antireflex-Beschichtungen versehen, die so ausgelegt sein sollen, dass der Rest-Reflexionsgrad über einen kleinen Winkel-Bereich möglichst wenig variiert und gleichzeitig die Reflexionsgrade für die beiden Polarisationsrichtungen möglichst gleich sein sollen. Zu diesem
Zweck müssen mehrere dünne dielektrische Schichten auf das Substrat aufgebracht werden. Diesen Weg verfolgt beispielsweise die DE 20 2004 007 51 1. Das in dieser Druckschrift offenbarte Schichtsystem für die Beschichtung eines Umlenkspiegels besteht aus sechs einzelnen Schichten, deren Schichtdicke genau eingehalten werden müssen. Es ist für den einschlägigen Fachmann offensichtlich, dass dabei produktionsbedingte Toleranzen auftreten und die gewünschte Konstanz der Reflexion nur schwer zu gewährleisten ist, insbesondere
auch unter Langzeit-Bedingungen, die bei dünnen Schichten bekanntermassen zu Veränderungen führen können aufgrund von Alterung, Luftfeuchte usw. Ein weiteres Problem ist, dass diese Beschichtung auf beiden Seiten der Platte aufgebracht werden muss und die reflektierten Strahlungsanteile von Vorder- und Rückseite der Platte miteinander interferieren können, was wiederum zu
Schwankungen der gemessenen Intensität führen kann.
Der Strahl eines fasergeführten Lasers ist am Faseraustritt deutlich divergenter als der Strahl eines C02 Lasers. Im Bearbeitungskopf wird daher zuerst eine Kollimation des divergenten Strahles angestrebt. Die Umlenkung wird folglich im kollimierten Strahlengang vor der Fokussieroptik durchgeführt.
Wird der Strahl zunächst mittels eines Objektivs oder einer Linse kollimiert oder in irgendeiner anderen Form abgebildet, bevor ein Teilstrahl ausgekoppelt wird, entsteht noch ein weiteres Problem. Beim Durchtritt der Strahlung durch die Linse wird ein minimaler Anteil der Strahlung vom Material und in der Beschichtung der Linse absorbiert. Mit steigender Strahlleistung (Leistungsabhängigkeit) sowie längerer Betriebsdauer (Thermalisierungszeit) einer Laserquelle erhöht sich die Erwärmung von Optiken dahingehend, dass Änderungen der Fokuslage (sog. Fokusverschiebungen) und der Fokusgeometrie (sog. Aberrationen) resultieren. Diese Effekte werden als thermische Linse bezeichnet und sind anhängig von eingesetzten Materialien sowie ihrer Beschichtung.
Der Strahl eines fasergeführten Lasers ist am Faseraustritt deutlich divergenter als der Strahl eines C02 Lasers. Im Bearbeitungskopf wird daher zuerst eine Kollimation des divergenten Arbeitslaserstrahls angestrebt. Die Umlenkung wird folglich nach der Kollimationslinse und vor der Fokussieroptik durchgeführt. In der Fig. 1 der DE 10201001 1253 A1 ist eine stark vereinfachte Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes, insbesondere eines Laserbearbeitungskopfes gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird. Hierbei wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl durch ein Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes hindurch, über eine Umlen- kung auf ein Werkstück abgebildet.
Entsprechende Laserbearbeitungsköpfe lenken in der Regel mit einem Umlenkspiegel mit veränderlichen Krümmungen den kollimierten Laserstrahl vorzugsweise um 90° um, wodurch eine Änderung der Fokuslagen nach der Fokussie- roptik möglich gemacht wird. Im Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes ist im Durchgangsbereich des Arbeitslaserstrahls ein Strahlteiler so angeordnet, dass ein Beobachtungsstrahlengang (angedeutet durch seine optische Achse) einer Kamera aus dem Strahlengang des Arbeitslaserstrahls ausgekoppelt wird. Im Beobachtungsstrahlengang ist vor der Kamera eine Abbildungsoptik sowie ein optischer Bandpassfilter an- geordnet. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der DE 10201001 1253 A1 ist der Beobachtungsstrahlengang der Kamera über den Strahlteiler auf einen Arbeitsbereich des Werkstücks gerichtet.
Typischerweise müssen Umlenkvorrichtungen auch mittels entsprechender, aufwendiger und die Dimensionen wie auch das Gewicht des Bearbeitungskop- fes erhöhender Vorrichtungen kühlt werden. In heutigen Bearbeitungsköpfen werden vorzugsweise Teile der Umlenkvorrichtung gekühlt, die von transmittier- ter Laserstrahlung oder Streustrahlung getroffen werden. Die Kühlung kann aber auch zur Temperaturen-Regulierung von Optiken eingesetzt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, die Nachteile der oben beschriebenen bekannten Konstruktionen zu vermeiden und insbesondere eine kompakte Bauweise mit möglichst geringem Justage bzw. Optik-Positionierungsaufwand, insbesondere für fasergeführte oder faserbasierte Laserquellen, zu ermöglichen. Wenn gewünscht soll dies mit einer einfachen Optik mit vorzugsweise wenigen Linsen und damit geringem Abbildungsfehler zu realisieren sein. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und des unabhängigen Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Figuren und in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
Gemäss der Erfindung ist ein Bearbeitungskopf für Laserbearbeitungsmaschinen mit einer Schnittstelle zu einer Laserlichtquelle versehen, wobei die Schnitt- stelle vorzugsweise zur Ankopplung eines Lichtleiters für den Arbeitslaserstrahls ausgelegt ist, sowie mit einer Fokussieroptik. Vorzugsweise kommen dabei fa-
sergekoppelte bzw. faserbasierte Laserquellen zum Einsatz, welche vorzugsweise im nahen Infrarot arbeiten. Insbesondere ist die Erfindung gedacht für Laserquellen mit mehr als 500W mittlerer Ausgangsleistung im nahen Infrarot. Alle für Laserlicht transmittierenden Optiken (insbesondere die Fokussieroptik und allfällige Schutzgläser) sind dabei vorzugsweise aus Materialen mit guter Wärmeleitung (>10 W/(m*K)) auszuführen. Für optische Materialen mit guter Wärmeleitung ist vorzugsweise eine Kühlung (z.B. Wasserkühlung) einzusetzen. Die Erfindung nutzt weiters eine Fokussieroptik mit vorzugsweise nur einer abbildenden Linse, welche vorzugsweise als Asphäre ausgeführt ist. Ein derartiger Bearbeitungskopf wie soeben beschrieben ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schnittstelle und Fokussieroptik eine Umlenkanordnung für zumindest eine einmalige Umlenkung des Arbeitslaserstrahls angeordnet und als die Divergenz des Arbeitslaserstrahls leistungsabhängig veränderndes passives optisches Element ausgelegt ist. Oftmals aber nicht ausschliesslich wird sich die Leistungsabhängigkeit als temperaturinduzierter Effekt darstellen, der insbesondere durch lokale Erwärmung der optischen Elemente entsteht. Doch sind auch nicht direkt temperaturabhängige Effekte vorhanden.
Die thermische Linse beispielsweise ist leistungsabhängig und nicht direkt tem- peraturabhängig. So z.B. kann eine durchstrahlte Linse aufgeheizt werden und nur lokal einen Temperaturgradienten erzeugen, der eine thermische Linse erzeugt. Es gibt aber auch Mechanismen die eine thermische Linse bewirken. Alle Mechanismen sind vorwiegend leistungsabhängig. Unterschiede ergeben sich beispielsweise auch aufgrund der Materialwahl. Ändert man das Material auf z.B. Saphir, ändert sich ebenso die leistungsabhängige thermische Linse. Materialen wie Saphir und Zinksulfid sind gut wärmeleitend und sollten vorzugsweise gekühlt werden. Quarzglas braucht keine Kühlung, das die erzeugte Wärme kaum in radialer Richtung transportiert wird.
Somit ist der Strahlengang zwischen der Schnittstelle und der Umlenkanordnung von die Divergenz des Arbeitslaserstrahls verändernden optischen Elementen freigehalten, d.h. von Elementen, die konkret zur bewussten bzw. gezielten und definierten Beeinflussung der Divergenz ausgelegt sind. Allerdings könnten opti-
sehe Elemente unbeabsichtigt und/oder zufällig sowie in unbestimmtem Aus- mass Einfluss auf die Divergenz des Arbeitslaserstrahls nehmen. Beispielsweise können Schutzgläser aufgrund thermischer Effekte die Divergenz beeinflussen, welcher Nebeneffekt für die gegenständliche Erfindung ausser Betracht bleiben soll.
Die Kombination von gekühlter Fokussieroptik aus optischen Material mit guter Wärmeleitung und einem zuvor im divergenten Strahl positionierten Umlenkspiegel, ergibt bei hohen Laserleistungen über 500W den Vorteil, dass dieses optische System bei diesen Leistungen innerhalb von einigen Sekunden einen stabilen thermischen Zustand mit geringer Fokusverschiebung erreicht und somit eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet.
Die Veränderung der Divergenz am Umlenkspiegel geht aufgrund seiner thermischen Belastungen bei der erfindungsgemässen Anwendung im Hochleistungsbereich insbesondere auch leistungs- und damit meist auch temperaturabhängig vonstatten. Damit kann die von der Fokussieroptik verursachte Fokusverschiebung teilweise und optimaler Weise gänzlich im gesamten Leistungsbereich kompensiert werden.
Auf diese Weise wird erfindungsgemäss eine sehr kompakte Bauart für Bearbeitungsköpfe ermöglicht, wobei durch einfache Massnahmen mit Ein-Linsen- Systemen auch eine kamerabasierte Prozesslicht-Aufnahme und Prozesslicht- Kontrolle bewerkstelligt werden kann. Durch die Umlenkung im divergenten Strahl können abgewickelte Bearbeitungsköpfe auf der Basis von wenigen Linsen bis hin zu nur einer Linse gebaut werden, wodurch der benötigte Bauraum deutlich reduziert wird. Bei zunehmenden Maschinen-Dynamik-Anforderungen wird insbesondere die Baugrösse und damit verbundene Gewichtsreduzierung von Bearbeitungsköpfen benötigt. Auch die Möglichkeit der kompakten und leichten Ein-Linsen-Bauweise hinter der Umlenkvorrichtung ist besonders vorteilhaft für hohe erreichbare Dynamik mit dem erfindungsgemässen Bearbeitungskopf. Die Umlenkung im divergenten Strahl erlaubt ebenso vollen Funkti- onsumfang von Bearbeitungsköpfen, so z.B. Einstellung der Abbildungsvergrös- serung, Prozesslicht-Kontrolle, kamerabasierte Prozesslicht-Beobachtung, Strahlformung, etc..
Die Umlenkanordnung besteht bevorzugt aus einem im Wesentlichen gleichbleibend gekrümmten, vorzugsweise ebenen Umlenkspiegel. Dieser Umlenkspiegel ist vorzugsweise in einer spannungsfreien Halterung, insbesondere einer Mehr- Punkt-Fixierung oder einer Klebung auf einer Auflagefläche befestigt. Damit lässt sich das Substrat einfach spannungsfrei befestigen, wobei trotzdem auch eine Ausdehnung bzw. Verformung des Substrats möglich ist.
Für eine derartige Lösung ist es besonders vorteilhaft, wenn der Umlenkspiegel der Umlenkanordnung durch ein Substrat mit auf der dem Arbeitslaserstrahl zugewandten Vorderseite aufgebrachter Mehrzahl von dielektrischen Schichten gebildet ist. Das dielektrische Schichtsystem ist dabei auf möglichst hohe Reflexion in einem Winkelbereich zwischen 2° und 20°, vorzugsweise zwischen 3° und 7°, um den Einfallswinkel des Arbeitslaserstrahls optimiert, wobei der Einfallswinkel eines beliebigen Teilbereichs des Arbeitslaserstrahls zwischen 1 ° und 89° liegt. Bevorzugt ist dabei auf der Rückseite des Substrates eine spannungskompen- sierende Ausgleichsbeschichtung aufgebracht, womit eine gute Formeinhaltung des Substrates gewährleistet ist. Diese Ausgleichbeschichtung kann die gleichen Eigenschaften wie die Beschichtung der Vorderseite des Substrates aufweisen, und kann dazu vorzugsweise identisch zur Beschichtung der Vordersei- te sein, um damit eine wesentliche Reduktion der direkten Leckage-Strahlung zu erzielen. Es kann aber auch eine Beschichtung mit antireflektierenden Eigenschaften aufgebracht sein, was eine optimale Prozesslicht- und Düsen- Beobachtung erlaubt, allenfalls auch eine reine Glasbeschichtung. Auch beliebige Kombinationen der genannten Beschichtungen sind möglich. Für eine Zinksulfid-Linse oder eine Saphir-Linse, welche auch meist gekühlt sein werden, besteht das Substrat des Umlenkspiegels erfindungsgemäss aus Quarzglas. Durch derartige abgestimmte Materialauswahl für die Fokussieroptik und den Umlenkspiegel für den Laserstrahl lassen sich thermisch bedingte Effekte, insbesondere die Fokusverschiebung der Fokussieroptik, durch die eben- falls leistungsabhängige Divergenzbeeinflussung über die Umlenkanordnung kompensieren oder zumindest deutlich reduzieren.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist durch Einrichtungen zur Überwachung von durch das Substrat transmittierten oder innerhalb des Substrates reflektierten Strahlen gekennzeichnet. Damit kann auch in dieser Ausführung auf kleinsten Raum eine Prozess-Beobachtung/Kontrolle und zugleich eine Laser- bzw. Rückreflex-Überwachung erfolgen.
Bevorzugt können im Strahlengang vor der Umlenkanordnung ein Schutzfenster und/oder eine gegebenenfalls Blende angeordnet sein. Diese Bauteile können dabei - einzeln oder in Kombination - entweder als Teil der Schnittstelle oder im Strahlengang nach dieser Schnittstelle angeordnet sein. Ein Schutzfenster zwi- sehen der Schnittstelle und vor der Umlenkanordnung wirkt als Verschmutzungsschutz für den Optikraum. Eine Blende zwischen Endcap und Umlenkanordnung bietet Abbiendung vor direktem Laserlicht mit höheren Winkelanteilen.
Um eine Überwachung des Arbeitslaserstrahls zu ermöglichen, ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkan- Ordnung für das Prozesslicht durchlässig ist. Dies wird vorzugsweise durch Verwendung eines dielektrischen Schichtsystems mit guten Transmissionseigenschaften vorzugsweise im Bereich zwischen 200 und 900 nm erzielt. Besonders vorteilhaft sind auch gute Transmissionseigenschaften im Bereich grösser als 1300 nm. Hierdurch wird eine kompakte Bauart für Bearbeitungsköpfe ermög- licht. Insbesondere im Fall von Ein-Linsen-Systemen wird damit eine einfache und wirkungsvolle kamerabasierte Prozess-Beobachtung/Kontrolle ermöglicht.
Gemäss einem weiteren optionalen Merkmal der Erfindung ist das Substrat der Umlenkanordnung keilförmig ausgebildet. Dadurch werden Abbildungsfehler bei der Transmission des divergenten Prozesslichts durch die Umlenkanordnung auf beispielsweise eine Prozesslicht-Kamera reduziert. Die Keilwinkel liegen dabei im Bereich zwischen 0° und 5°, vorzugsweise zwischen 0° und 3°.
Auf der der Fokussieroptik gegenüberliegenden Seite der Umlenkanordnung ist gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Anordnung zur Prozesslicht-Beobachtung positioniert.
Vorteilhafterweise ist für ein derartiges System zwischen der Umlenkanordnung und der Anordnung zur Prozess— Beobachtung/Kontrolle ein weiteres optisches System eingesetzt, vorzugsweise ein System mit veränderlicher Brennweite, wodurch eine Abbildung unterschiedlicher Ebenen der Prozesszone für alle möglichen Positionen der Fokussieroptik sichergestellt wird
Nach oder vor der Fokussieroptik kann zusätzlich ein strahlformendes optisches Element eingesetzt werden, dass den Arbeitslaserstrahl für den jeweiligen Bear- beitungsprozess optimal formt.
Nach oder vor der Fokussieroptik kann zusätzlich eine strahlformendes opti- sches Element eingesetzt werden, das den Arbeitslaserstrahl für den jeweiligen Bearbeitungsprozess optimal formt.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserschneidmaschine, bei der ein Bearbeitungskopf gemäss einem der vorhergehenden Absätze zum Einsatz kommt. Diese Lasermaschine weist besonders bevorzugt eine Laserlichtquelle unter Verwendung eines Faser- oder Diodenlasers auf.
Bevorzugt ist in dieser Laserbearbeitungsmaschine die Laserlichtquelle mittels eines Lichtleiters mit dem Bearbeitungskopf verbunden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Die Bezugszeichenliste ist wie auch der technische Inhalt der Patentansprüche und Figuren Bestandteil der Offenbarung. Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Bauteile, Bezugszeichen mit unterschiedlichen Indices geben funktionsgleiche oder ähnliche Bauteile an.
Es zeigen dabei:
Fig. 1 beispielhaft eine erfindungsgemässe Laserbearbeitungsmaschine in schematischer Darstellung, mit einen Laserbearbeitungskopf mit einer Umlenkung im divergenten Strahlengang vor einer Fokussieroptik gemäss einer erfindungsgemässen Ausführungsform, und Fig. 2 eine schematische Darstellung der Laser-Reflexion, des Streulichtaustritts, sowie der Richtung der Leckage-Strahlung und des Prozesslichts.
Die in Fig. 1 dargestellte Laserbearbeitungsmaschine weist einen Laserbearbeitungskopf 1 auf, der über beispielsweise ein Lichtleiterkabel 2 mit der Laserlicht- quelle 3 verbunden ist. Dazu ist der Stecker 4 des Lichtleiterkabels 2 mit seinem Endcap 5 am Laserbearbeitungskopf 1 angekoppelt, wobei der Stecker 4 und das Endcap 5 mit einer Schnittstelle des Bearbeitungskopf 1 verbunden und zumindest temporär daran fixiert werden können. Die Schnittstelle ist vorzugsweise als Gegenstück zum Stecker 4 und zum Einführen des Endcaps 5 des Lichtleiterkabels 2 ausgeführt und zur zumindest temporären Ankopplung des Lichtleiterkabels 2 ausgestaltet. Die Laserlichtquelle 3 verwendet vorzugsweise einen Faser- oder Diodenlaser, doch könnten auch andere Arten von Lasern zum Einsatz kommen. Eine bevorzugte Anwendung der gegenständlichen Erfindung ist bei Laserschneidmaschinen vorgesehen, mit einem Laserschneidkopf, bei welchem - wie nachfolgend erläutert wird - eine Umlenkung des Arbeitslaserstrahls 6 im divergenten Strahlengang 7 stattfindet. Der Arbeitslaserstrahl 6 tritt dabei aus der Faser des Lichtleiterkabels 2 durch das Endcap 5 aus und wird, vorzugsweise mit der Strahlenblende 8, die allenfalls auch nach einer Umlenkung des Arbeitslaserstrahls 6 angeordnet sein kann,„gesäubert". Die Strahlanteile mit grossen Austrittwinkeln werden ausgeblendet. Zwischen dem Endcap 5 und einer Umlenkung des Arbeitslaserstrahls 6 können auch weitere Optiken eingesetzt werden, die allenfalls eine geringfügige Änderungen der Ausbreitungsrichtung der Strahlen zufolge haben, wie beispielsweise Schutzgläser, oder dgl. Wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt ist, weist der erfindungsgemässe Laserbearbeitungskopf 1 der Schnittstelle zum Stecker 4 und zum Endcap 5 nachfolgend ein optisches System auf, das für zumindest eine Umlenkung des Arbeits-
laserstrahls 6 gegenüber deren Wert bei Austritt aus der Schnittstelle ausgelegt ist. Das optische System nachfolgend der Schnittstelle umfasst dazu zumindest eine erste Umlenkanordnung 9, 10 für den Arbeitslaserstrahl 6, wobei der Strahlengang zwischen der Schnittstelle bzw. zwischen dem Stecker 4 und dem End- cap 5 und der Umlenkanordnung 9, 10 von die Divergenz des Arbeitslaserstrahls 6 verändernden optischen Elementen freigehalten ist. Gemäss der Erfindung ist die Umlenkanordnung 9, 10 für den Arbeitslaserstrahl 6 gleichzeitig als die Divergenz des Arbeitslaserstrahls 6 veränderndes optisches System ausgelegt. Diese Veränderung der Divergenz an der Umlenkanordnung 9, 10 wird nur auf- grund seiner thermischen Belastungen bei der erfindungsgemässen Anwendung im Hochleistungsbereich bewirkt und daher insbesondere auch leistungsabhängig vonstattengehen. Bei geringen Leistungen ist es als divergenzerhaltendes Element ausgelegt.
Die Umlenkanordnung 9, 10 umfasst als wesentlichste Elemente einen im We- sentlichen ebenen Umlenkspiegel 9, der in einer vorzugsweise spannungsfreien Halterung 10 gehalten ist. Dies kann in Form einer Mehr-Punkt-Fixierung, einer Klebung auf einer Auflagefläche oder gleichartigen Ausführungsformen bewerkstelligt werden. Der Umlenkspiegel 9 der Umlenkanordnung 9, 10 ist vorzugsweise durch ein Substrat mit auf der dem 6 zugewandten Vorderseite aufge- brachter Mehrzahl von dielektrischen Schichten gebildet. Dieses dielektrische Schichtsystem ist auf möglichst hohe Reflexion in einem Winkelbereich zwischen 2° und 20, vorzugsweise zwischen 3° und 7°, um den Einfallswinkel des Arbeitslaserstrahls 6 optimiert. Typischerweise wird dabei mit Einfallswinkeln eines beliebigen Teilbereichs des Arbeitslaserstrahls 6 zwischen 1 ° und 89° ge- arbeitet. Vorzugsweise liegt der Winkelbereich zwischen 20° und 70°.
Die Umlenkung selbst findet dabei am dielektrischen Schichtsystem des Umlenkspiegels 9 statt, das auf der Vorderseite angebracht ist. Um einen weiten Winkelbereich abzudecken, besteht das Schichtsystem dabei aus einer Vielzahl von dielektrischen Schichten. Bei einem Einfallswinkel von AOI=45° der zentra- len Achse des Arbeitslaserstrahls 6 muss die dielektrische Schicht einen Winkelbereich von AOI=45° ± 2°bis ± 20° abdecken können, um auch noch die äusserten Teilbereiche des divergenten Arbeitslaserstrahls 6 umlenken zu können.
Das Schichtsystem wird auf eine möglichst hohe Reflexion im gesamten Winkelbereich des Laserlichts hin optimiert.
Das Endcap 5, ein allfälliges Schutzglas zwischen dem Endcap 5 und der Umlenkanordnung 9, 10, sowie der Umlenkspiegel 9 selbst verändert die Divergenz üblicherweise nur geringfügig und auch etwa in ähnlicher Grössenordnung. Es handelt sich dabei um thermische Effekte, die leistungsabhängig sind, so dass mit steigender Leistung die Beeinflussung jener Divergenzen zunimmt. Je nach Material können optische Elemente eine Reduktion oder auch eine Zunahme der Divergenz bewirken. Am Umlenkspiegel 9 wird bei hohen Leistungen und damit starker Erwärmung besonders des Substrates des Umlenkspiegels 9 die Divergenz des Arbeitslaserstrahls 6 typischerweise leicht vergrössert, was der Fokusverschiebung nachfolgender optischer Komponenten - insbesondere der Fokus- sieroptik 11 - entgegengewirkt.
Das im Allgemeinen komplexe Schichtsystem kann Spannungen im Substrat des Umlenkspiegels 9 verursachen, die zu einer Verformung führen. So wirken im Hochleistungsbereich zusätzlich thermische Effekte auf optische Bauteile. Insbesondere kann sich das dielektrische Schichtsystem, das mit dem Laser angestrahlt wird, aufheizen und eine geringe Verformung des Substrates des Umlenkspiegels 9, und damit eine thermische Linse verursachen. Wenn die La- gerung des Substrats eine gleichförmige Verformung zulässt, kann dadurch eine Kompensation bzw. Teilkompensation der üblicherweise auftretenden thermischen Linse der abbildenden Linse bzw. der abbildenden Linsen erreicht werden. Vorteilhafterweise werden bei der Befestigung des Substrats neben den thermischen Effekten auch Streulicht-Effekte berücksichtigt. Zu diesem Zweck ist das Substrat des Umlenkspiegels 9 vorzugsweise möglichst spannungsfrei befestigt und lässt auch eine Ausdehnung bzw. Verformung des Substrats zu. Das wird vorzugsweise durch die bereits erwähnte Mehr-Punkt-Fixierung oder auch durch eine geeignete Klebung des Umlenkspiegels 9 auf einer Auflagefläche erreicht. Um einer Verformung des Substrates des Umlenkspiegels 9 entgegenzuwirken, kann auch oder alternativ zur oben erläuterten Befestigung auf die Rückseite des Substrates eine Spannungskompensierende Ausgleichsbeschichtung aufge-
bracht werden. Vorzugsweise kann das reflektierende Schichtsystem der Vorderseite eingesetzt werden. Ebenso kann das Schichtsystem auch unterschiedlich sein und beispielsweise antireflektierende Eigenschaften aufweisen. Ebenso ist eine reine Glasbeschichtung als Spannungskompensierende Ausgleichs- schicht möglich.
Das Substrat des Umlenk-Umlenkspiegels 9 selbst kann aus unterschiedlichen optischen- Materialen wie etwa Quarzglas, Saphir, oder dgl. bestehen. Das Substrat kann auch beliebige geometrische Formen aufweisen (beispielsweise eckig, rund, oval). Die Halterung 10 besteht aus Materialien (z.B. Messing), die möglichst wenig Licht absorbieren.
Jedenfalls ergibt sich bei den mittleren Leistungen grösser 500W, für welche das erfindungsgemässe System vorwiegend konzipiert ist, der Effekt einer sehr rasche Formänderung des Umlenkspiegels 9 unter Last bzw. Erwärmung. Diese Formänderung und die damit einhergehende Veränderung der divergenzän- dernden Eigenschaften der Umlenkanordnung 9, 10 kompensieren zumindest teilweise die Veränderungen der divergenzändernden Eigenschaften der Fokus- sieroptik 11 , insbesondere bei deren Auslegung als Einzellinse. Vorzugsweise ist der divergenzbeeinflussende Effekt der Umlenkanordnung 9, 10 abhängig von der Leistung der Laserquelle und damit der sich relativ kurzen Thermalisie- rungszeit der verwendeten optischen Elemente. Damit kann die Umlenkanordnung 9, 10 die sich ebenfalls mit der Leistung verändernde Divergenzbeeinflussung durch die Fokussieroptiken 1 1 ausgleichen.
Nach der Umlenkanordnung 9, 10 ist ein abbildendendes optisches System angeordnet, das vorzugsweise aus einer Linse 11 besteht. Diese kann aus unter- schiedlichen optisch transparenten Materialen gefertigt sein, z.B. aus Quarzglas, ZnS, Saphir, oder dgl. Allenfalls kann aber nach oder vor der Fokussieroptik 1 1 noch zumindest ein strahlformendes optisches Element eingesetzt sein, um bei Bedarf den Arbeitslaserstrahl 6 für den jeweiligen Bearbeitungsprozess optimal zu formen. Jedenfalls und ganz besonders deutlich in Bearbeitungsköpfen mit nur einer fokussierenden Linse, vorzugsweise einer Asphäre, kann eine Kompensation
bzw. Reduktion der Fokusverschiebung durch die gezielte Ausnutzung der leistungsabhängigen divergenzverändernden Eigenschaft der Umlenkanordnung 9, 10 erreicht werden. Dazu sind die Materialien der Fokussieroptik 1 1 und vor des Umlenkspiegels 9 aufeinander abzustimmen. Für eine Fokussieroptik 11 aus Zinksulfid oder Saphir wird vorzugsweise ein Si02-Umlenkspiegel eingesetzt, so dass die Fokusverschiebung der ZnS-Linse durch die entgegengesetzte Verschiebung des Umlenkspiegels 9 reduziert wird. Alternativ dazu kann ein gleichartiger Effekt durch eine Kombination einer Saphir-Linse mit einem Si02-Umlenkspiegel erreicht werden. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Reflexion des Arbeitslaserstrahls 6, des Streulichtaustritts und der Verbiegung des Substrates des Umlenkspiegels 9. Die Streulicht-Effekte haben insbesondere bei höchsten Leistungen einen Einfluss auf die Umlenkanordnung 9, 10. Setzt man jedoch die gleiche reflektierende Beschichtung auf beiden Seiten des Substrates ein, reduziert sich die Leckage-Strahlung 14 nach dem Strahl-Umlenkspiegel 9 deutlich (um ca. 0.0001 %). Dadurch werden Elemente in Transmission der Leckage-Strahlung 14 geschützt. Das Streulicht 15 (ca. 0.1 %) tritt hauptsächlich aus den Seitenflächen des Substrates 9 aus.
In Gegenrichtung zu der Ausbreitungsrichtung des Arbeitslaserstrahls 6 trifft das Prozesslicht aus der Prozesszone durch die Abbildungsoptik 1 1 zurück auf die Umlenkanordnung 9, 10 und wird im Gegensatz zum Laserlicht möglichst gut in dieser Richtung transmittiert. Dazu wird das dielektrische Schichtsystem im Bereich zwischen 200-900nm - und vorzugsweise auch ab 1300nm - mit ausreichend guten Transmissionseigenschaften spezifiziert. Die Transmission des divergenten Prozesslichts wird dabei typischerweise auf eine in Propagations- richtung des Prozesslichts hinter der Umlenkanordnung 9, 10 positionierte Kamera-Anordnung 12 abgebildet. Dabei entstehen optische Fehler (Koma Fehler und sphärische Aberrationen), die vorzugsweise durch eine leicht keilförmige Ausführung des Substrates des Umlenkspiegels 9 und damit des gesamten Um- lenkspiegels 9 einschliesslich der Beschichtungen reduziert werden können. Die Keilwinkel liegen dabei zwischen 0° und 5°, vorzugsweise zwischen 0° und 3°.
Zwischen der Prozesslicht-Kamera 12 und dem Umlenkspiegel 9 befindet sich vorzugsweise ein optisches System mit einer in der Brennweite-veränderbaren Optik. Im Ein-Linsen-System wird dadurch und in Verbindung mit der Wirkung des keilförmigen Umlenkspiegels 9 die Abbildung der Prozesszone immer auf den CCD-Chip der Kamera 12 gebracht. Vorzugsweise können hier die neuen Linsen mit elektrisch einstellbarer Brennweite („electrically tuneable lens") Anwendung finden, die besonders leichte und kompakte Anordnungen ermöglichen.
Vorteilhafterweise sind auch Einrichtungen zur Überwachung von durch das Substrat transmittierten oder innerhalb des Substrates reflektierten Strahlen vorgesehen.
Zusammengefasst lassen sich die Vorteile des erfindungsgemässen Bearbeitungskopfes, insbesondere mit der vorgestellten Ein-Linsen-Lösung, mit Umlen- kung im divergenten Strahl wie folgt darstellen: · Kompakte Bauform
• Gewichtseinsparung und dadurch höhere Maschinen-Dynamik
• Kostengünstige Produktion, durch Reduktion der optischen Elemente
• Geringerer Justage- und Positionierungs-Aufwand
• Geringerer Abbildungsfehler · Sehr hohe Leistungstauglichkeit
• Höchste Prozesssicherheit
Bezugszeichenliste
1 Bearbeitungskopf
2 Lichtleiterkabel
3 Laserquelle
4 Stecker des Lichtleiterkabels
5 Endcap des Lichtleiterkabels
6 Arbeitslaserstrahl
7 Divergenter Strahlengang
8 Strahlenblende
9 Umlenkspiegel
10 Aufhängung des Umlenkspiegels
11 Fokussieroptik
12 Prozesslicht-Kamera
13 Prozesslicht
14 Leckage-Strahlung
15 Streulicht