WO2016188803A1 - SYSTEM FÜR LASERMATERIALBEARBEITUNG UND VERFAHREN ZUM EINSTELLEN DER GRÖßE UND POSITION EINES LASERFOKUS - Google Patents

SYSTEM FÜR LASERMATERIALBEARBEITUNG UND VERFAHREN ZUM EINSTELLEN DER GRÖßE UND POSITION EINES LASERFOKUS Download PDF

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focus
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beams
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Martin Becker
Sebastian THUNICH
Martin Valentin
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Scanlab Gmbh Optische Technologien
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only

Definitions

  • the invention relates to a system for laser material processing and to a method for adjusting a size and a position of a focus along a beam propagation direction of a laser beam for laser material processing.
  • Lasers are used for material processing, e.g. for welding and cutting, used on a large scale.
  • the laser beam must be guided over the workpiece. This can be done by moving a machining head relative to the workpiece. The movement and thus the processing speed are limited by the mass of the machining head or the mass of the workpiece. Higher machining speed is achieved with machining heads having movable optical deflection units, e.g. rotatable mirrors, by means of which the laser beam over the
  • Such systems are referred to as scanning systems.
  • Such a scanning system can also be guided by a robot. Through this then done a rough positioning.
  • the scan system which is significantly more dynamic than the robot, takes care of the fast and precise fine positioning of the focus.
  • the object of the invention is to provide a unit with a compact design, which allows independent adjustment of focus and focus size in a highly dynamic manner.
  • the invention provides a laser material processing system comprising collimating optics having a total collimating focal length consisting of a divergent beam delivery, a first positive focal length optical device, and a second negative focal length optical device, wherein the divergent beams are first the first optical device and thereafter passing through the second optical device, and leaving the second optical device collimated, a third optical device having a positive focal length, the third optical device being downstream of the collimating optics, focusing the beams collimated out of the collimation optics to one focus, and a second optical device An actuator for moving the second optical device along a
  • Beam propagation direction wherein a mean beam path between a two-sided main plane of the second optical device and a obj ekt Schemeen main plane of the third optical device is selected so that a size of the focus when moving the second optical device by means of the second actuator is substantially constant by the second optical device and the third optical device are arranged so that they form a telescope arrangement, and wherein a total beam path between the beam feed and a image-side focal plane of the third optical device is smaller than twice the sum of the positive focal length of the third optical device and the total collimation focal length.
  • the mean beam path between the two-sided main plane of the second optical device and the main side plane of the third optical device fulfills the condition f2 + 0.75 * f0 ⁇ d2 ⁇ f2 + 1, 25 * f0 or is approximately equal to Sum of the negative focal length of the second optical device and the positive focal length of the third optical device.
  • the first optical device is immovable in the beam propagation direction.
  • the system continues to have: one
  • a beam deflecting unit for deflecting the beams from the beam propagation direction in a different direction and a controller for driving the second actuator and the beam deflecting unit so that a position of the focus with respect to a surface of a material to be machined can be set to predetermined values.
  • the system further comprises a fourth optical device with positive focal length, which corresponds approximately to the positive focal length of the first optical device, and a fifth optical device with negative focal length, which corresponds approximately to the negative focal length of the second optical device the fourth optical device and the fifth optical device are adapted to pass through an observation beam, the fourth optical device is coupled to the first optical device and a movement of the fifth optical device Device is coupled to a movement of the second optical device.
  • the invention further provides a laser material processing system comprising: a collimating optic having a total collimating focal length consisting of a divergent beam delivery, a first positive focal length optical device, and a second negative focal length optical device, the divergent beams first passing through the first optical device and then the second optical device and leaving the second optical device collimated, a third optical device having a positive focal length, wherein the third optical device is arranged downstream of the collimating optics and focuses the rays emerging collimated from the collimating optics onto a focus a first actuator for moving the first optical device along a
  • a mean beam path between a two-sided main plane of the second optical device and the obj ekt Schemeen main plane of the third optical device is selected so that a size of the focus when moving the second optical device by means of the second
  • Actuator is substantially constant by the second optical device and the third optical device are arranged such that they form a telescope assembly.
  • the system continues to have: one
  • Control which is set up to control the first control element and the second control element in such a way that the motion a size of the focus and a position of the focus along the beam propagation direction can be set to predetermined, independently selectable values, the size of the focus being set essentially by movement of the first optical device, the first optical device and the second optical device being the position of the focus along the beam propagation direction is substantially adjusted by movement of the second optical device, and wherein at least one of a change in the position of the focus along the beam propagation direction due to the movement of the first optical device and a change in the size of the focus due to the movement of the second optical device is taken into account to set the predetermined values.
  • At least one of the change of the position and the change of the size of the focus is taken into account by depositing reference control data based on a calculation or measurement of position and size of the focus depending on the positions of the first optical device and the second optical Device along the
  • Beam propagation direction based and determining required positions of the first optical device and the second optical device along the Strahlausbreitungs- direction based on the stored reference control data to set the predetermined values for the position and the size of the focus.
  • the system further comprises: a beam deflection unit for deflecting the beams from the beam propagation direction in another direction, wherein the controller is set up to control the first control element, the second control element and the beam deflection unit such that the size of the focus and a position of the focus with respect to a surface of a material to be processed can be set to predetermined values.
  • the system further comprises: a fourth optical device having a positive focal length approximately corresponding to the positive focal length of the first optical device, a fifth optical device having a negative focal length approximately corresponding to the negative focal length of the second optical device the first optical device and the second optical device are arranged to pass through a processing beam, the fourth optical device and the fifth optical device are adapted to pass an observation beam, a movement of the fourth optical device is coupled to a movement of the first optical device and a movement of the fifth optical device is coupled to a movement of the second optical device.
  • the beam feed is coupled to one end of an optical fiber from which laser radiation emerges divergently.
  • a ratio of the positive focal length of the first optical device to a distance between the beam feed and an object-side main plane of the first optical device is between 0.25 and 0.75.
  • the first optical device is arranged such that an angle of incident rays is equal to an angle of emergent rays.
  • a sine of a half-angle divergence of the diverging beams is in the range of 0.05 to 0.15, if the positive focal length of the first optical device is in the range of 55 mm to 120 mm, the negative focal length of the second optical device is in the range of - 75 mm to -160 mm, the total collimation focal length in the range of 60 mm to 300 mm, is a diameter of
  • Rays after passing through the collimation optics in the area from 14 mm to 50 mm and the positive focal length of the third optical group is in the range of 300 mm to 800 mm.
  • the third optical device has a constant spacing with respect to the beam feed.
  • first control element if present, and the second control element linear actuators, in particular direct drives.
  • the beam deflection unit is arranged in the beam propagation direction after the third optical device, or the beam deflection unit is arranged in the beam propagation direction between the second optical device and the third optical device.
  • the invention further provides a method of adjusting a size and position of a focus along a
  • a beam propagation direction of a laser beam for laser material processing comprising: generating substantially collimated beams having a total collimating focal length by providing divergent beams, supplying the divergent beams to a first optical device with positive focal length, supplying beams comprising the first optical device with a positive focal length, to a second optical device of negative focal length, wherein the divergent beams, the first optical device, and the second optical device are configured and arranged such that the beams that have passed through the second optical device substantially collimate are generating the focus by supplying the substantially collimated beams to a third optical device, wherein a total beam path between a beam feed of the divergent beams and an image side focal plane of the third optis device is less than twice the sum of the positive focal length of the third optical device and the total collimation focal length, moving the first optical device and the second optical device such that the size of the focus and the position of the focus along the beam propagation direction can be set to predetermined independently selectable values, the size of the focus being adjusted substantially by
  • the method further comprises deflecting the beams from the beam propagation direction in a direction other than the beam propagation direction, wherein the movement of the first optical device, the movement of the second optical device and the deflection of the beams are coordinated and executed simultaneously by the size of the focus and the position of the focus with respect to a surface of a material to be machined to preset values.
  • the third optical device and a feeder for the divergent beams are arranged at a fixed distance from one another.
  • FIGS Darge Embodiments of the invention are illustrated in FIGS Darge and are explained in more detail below.
  • FIG. 1 an embodiment of a laser material processing system
  • FIG. 2 example arrangements for illustrating focus position shifts
  • FIG. 3 example arrangements for illustrating focus size changes
  • FIG. 4 sizing of laser material processing systems
  • FIG. 5 a collimation optics with observation optics
  • FIG. 6 a collimation optics with reflective optical
  • connection may be used to describe both direct and indirect connection, direct or indirect connection, and direct or indirect coupling.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a laser material processing system 100 with which a material (or a material) may be used
  • Workpiece M with laser beams, which originate from a laser source L, can be processed.
  • the laser beams thereby propagate from the laser source L in a beam propagation direction R to the focus F.
  • the position of the focus F with respect to the material M and the size (or diameter) of the focus F can be adjusted.
  • the beam feed Z is designed so that laser radiation can emerge divergently from it with a half divergence angle hw.
  • a laser source L which provides divergent laser radiation, can be coupled to the beam feed Z.
  • the laser source L may be, for example, the end of an optical fiber, which may be coupled to, for example, a disk laser or a fiber laser.
  • the system 100 may include collimating optics K that may shape the beams D divergently exiting the laser source L into collimated beams P.
  • Collimated beams P are substantially parallel beams, the term "substantially parallel" being explained in more detail in connection with FIGS.
  • the collimating optics K may consist of the beam feeder Z for divergent beams D, a first optical device LI having a positive focal length fl and a second optical device L2 having a negative focal length f2.
  • the divergent beams D first pass through the first optical device LI as incident beams and then the second optical device L2 as outgoing beams A.
  • the first optical device LI may be arranged so that the angle of incident rays D is equal to the angle of emergent rays A.
  • the ratio of the positive focal length fl of the first optical device LI to a distance dl between the beam feed Z and an object-side main plane of the first optical device LI can be between 0.25 and 0.75, see also FIG. 4th
  • the third optical device O serves to focus the laser beam.
  • the third optical device O may have a positive focal length f0.
  • the third optical device O may be arranged downstream of the collimation optics K in the beam propagation direction R. It can concentrate the collimated rays P emerging from the collimation optics K onto a focus F.
  • the focus F can be formed on or at a distance to a surface of the material M.
  • the third optical device O may have a constant distance with respect to the beam feed Z. In other words, it is not necessary to move the third optical device O to adjust the size or position of the focus F.
  • At least one of the first optical device LI, the second optical device L2 and the third optical device is provided.
  • Device O may consist of a single lens or multiple lenses. Lenses can transmissively break laser beams on their surfaces. At least one of the first optical device LI, the second optical device L2 and the third optical device O may comprise one or more aspherical optical elements or reflective optical elements. Aspheric optical elements can have lower aberrations compared to spherical optical elements, which can reduce the number of optical elements required and increase the performance of the optical system.
  • An embodiment of a collimating optics K with reflective optical elements is described in connection with FIG. 6 described.
  • the system 100 may include a beam deflection unit AE for deflecting the beams P from the beam propagation direction R in a direction other than the beam propagation direction R.
  • the beam deflection unit AE can have at least one deflection axis, wherein the deflection axes are generally perpendicular to the beam propagation direction R (Z direction) and perpendicular to each other (X direction, Y direction).
  • the laser beams can be along a line or over a surface of the material M are deflected, for example, along a contour to be machined.
  • the beam deflection device AE can, for example, have one or more, in particular two, movably mounted mirrors which are moved by a galvanometer drive (GaIvoscanner). Such galvoscanner can have a very high dynamics, which high processing speeds are possible.
  • the beam deflection unit AE can be arranged in the beam propagation direction R between the second optical device L2 and the third optical device O. However, the beam deflection unit AE can also be arranged in the beam propagation direction R after the third optical device 0. In addition, other components, such as beam splitters, beam shaping elements, etc. may be included in the beam path.
  • the system 100 may include a first actuator AI for moving the first optical device LI along the beam propagation direction R and a second actuator A2 for moving the second optical device L2 along the beam propagation direction R.
  • the first actuator AI and the second actuator A2 can move the first optical device LI and the second optical device L2 independently of each other.
  • the first control element AI and the second control element A2 can be linear drives, in particular direct drives. The elimination of gears reduces transmission backlash and inertial masses, allowing for accurate and fast movements of the first optical device LI and the second optical device L2.
  • the system 100 may include a controller S, which may control the first actuator AI, the second actuator A2 and the beam deflection unit AE.
  • the controller S can thus coordinate the movement of the first optical device LI, the second optical device L2 and the beam deflection in the beam deflection unit AE such that the size of the focus F, the position of the focus F along the beam propagation direction R (Z direction ) and the position of the focus along at least one direction other than the beam propagation direction R, for example, perpendicular directions (X direction, Y direction) can be set to corresponding predetermined values.
  • the focus size g and the focus position (x, y, z) relative to a surface of a material M to be processed can thus be set independently of one another to predetermined values.
  • FIG. 2 illustrates how a position p of the focus F in the beam propagation direction R can be shifted with the aid of the example playing arrangements 210, 220 and 230.
  • Arrangement 210 shows a center focus position p0
  • arrangement 220 shows a far focus position p2
  • arrangement 230 shows a close focus position p.
  • the arrays 210, 220, and 230 may include a beam feeder Z, a first optical device LI, a second optical device L2, and a third optical device O.
  • the position p of the focus F can be measured, for example, starting from the third optical device O.
  • the sizes / diameters of the laser beams on the beam feeder Z are indicated in the arrays 210, 220, and 230 along a direction, for example, the X direction.
  • the magnitudes of the laser beams at the beam feed Z are substantially constant.
  • the magnitudes g of the focus F are given along one direction, for example, the X direction.
  • the size g of the focus F is substantially constant when the beam path between the second optical device L2 and the third optical device O is appropriately selected (see the explanation below about the equation) 5).
  • the assemblies 210, 220 and 230 may be adapted to the laser material processing system 100 of FIG. 1, wherein for reasons of clarity the control S, the first control element AI, the second control element A2 and the beam deflection unit AE have been omitted.
  • the second optical device L2 may be shifted along the beam propagation direction R.
  • the displacement or movement of the second optical device Li2 is indicated by a double arrow.
  • the first optical device LI is generally not moved to change the position p of the focus F.
  • the focus F has the position p0.
  • the collimated beams P emerging from the second optical device L2 are substantially parallel, that is to say they have a divergence close to zero.
  • the second optical device L2 has been displaced from array 210 toward the first optical device LI.
  • the collimated beams P have a slight divergence with respect to the collimated beams P of the device 210.
  • the focus F shifts to a position p2 farther from the third optical device O than the position p0 in the device 210.
  • the second optical device L2 has been displaced from assembly 210 away from the first optical device LI.
  • the collimated beams P are slightly convergent with the collimated beams P of the device 210.
  • the focus F shifts to a position p1 closer to the third optical device O than the position p0 in the arrangement 210.
  • the focus size g may change upon displacement of the second optical device L2. In order to correct this focus size change, a small compensating movement of the first optical device LI may be made.
  • FIG. 3 illustrates how a size g of the focus F can be changed with the aid of the example playing arrangements 310, 320 and 330.
  • the arrays 310, 320 and 330 may be applied to the arrays 210, 220 and 230 of FIG. 2 and will not be described again.
  • the magnitudes g0, g1 and g2 of the focus F are indicated along one direction, for example, the X direction.
  • Arrangement 310 shows a mean focus size g0
  • array 320 shows a small focus size gl
  • array 330 shows a large focus size g2.
  • the first optical device LI is shifted along the beam propagation direction R.
  • the displacement or movement of the first optical device LI is indicated by a double arrow.
  • the second optical device L2 is not generally moved to change the size g of the focus F.
  • the collimated beams P emerging from the second optical device L2 are substantially parallel, that is, they have a divergence near zero.
  • a displacement of the first optical device LI substantially results in a change in the imaging ratio and thus in a change in the focus size g.
  • the focus F has the mean focus size g0.
  • the first optical device LI was opposite to the arrangement 210 in the direction of the second optical
  • the collimated beams P have a larger diameter d than the collimated beams P of the arrangement 310.
  • the focus F have a smaller size gl than the size g0 of the focus F in arrangement 310.
  • the first optical device LI has been moved away from the device 310 away from the second optical device L2.
  • the collimated beams P have a smaller diameter d than the collimated beams P of the array 310.
  • the focus F may have a larger size g2 than the size g0 of the focus F in array 310.
  • the position p of the focus F may change slightly.
  • a small compensation movement of the second optical device L2 can be made.
  • FIG. 4 a known arrangement 410 is compared with an exemplary arrangement 420 according to the invention.
  • the dimensioning of the systems considered for laser material processing is illustrated.
  • the arrangement 410 can have any collimating optics K which convert diverging beams D from the beam feed Z into collimated beams P.
  • the collimation optics K is drawn as a line for the sake of simplicity.
  • Decisive feature of the arrangement 410 is that the optical elements contained in the collimating optics K can be moved in their entirety with respect to the beam feed Z, in order to shift the position p of the focus F in
  • the collimating optics K can be connected to an actuating element and a controller, which are not taken into account in the figure.
  • Equation 1 is equivalent to the paraxial condition that the collimating optics K and the third optical device O form a telescope arrangement.
  • the total beam path gs between the beam feed Z and a image-side focal plane B of the third optical device O is then twice the sum of the total in a paraxial approximation - collimation focal length fK and the positive focal length fO of the third optical device O:
  • the total beam path gs of a laser material processing system may be significantly shorter, see arrangement 420.
  • the first optical device LI and the second optical device L2 are shown as lines.
  • the first optical device LI can be regarded as imaging optics for the light beam D emerging from the beam feed Z.
  • the second optical device L2 can be regarded as virtual collimation for the light bundle converging to the image of the beam feed line Z.
  • a movement of the second optical device L2 is sufficient in arrangement 420 , it does not have to be moved as in arrangement 410, the collimation optics K in their entirety.
  • Equation 1 changes to:
  • Equation 3 is synonymous with the paraxial condition that the second optical device L2 and the third optical device O form a telescope arrangement.
  • the second optical device L2 assumes the role of the overall collimation in the arrangement 410 in the arrangement 420.
  • the reason for the significantly shorter total beam path in arrangement 420 compared to arrangement 410 lies in the negative focal length f2 of the second optical device L2 in the collimation optics K.
  • the negative sign of the focal length f2 results in the distance d2 between the collimation optics K and the third optical path Device O in on-order 420 according to equation 3 to significantly smaller than fO, while it results in arrangement 410 according to equation 1 to significantly greater than fO. Accordingly, the total beam path gs in arrangement 420 is significantly reduced in comparison with the arrangement 410.
  • the total beam path gs between the beam feed Z and a image-side focal plane B of the third optical device O can therefore be less than twice the sum of the positive focal length f0 of the third optical system Device O and the total collimation focal length fK. This can be considered not only paraxial but also due to the large reduction in the total beam path achievable in 420, even if real, non-paraxial optical devices are considered:
  • the first optical device LI in FIG. 1 In a first embodiment of the laser material processing system, the first optical device LI in FIG. 1
  • Beam propagation direction R be fixed (or immovable).
  • the first optical device Li does not need a first actuator AI.
  • the control S only needs to control the second control element A2 and the beam deflecting unit AE, so that a position (x, y, z) of the focus F, with respect to the surface of the material M to be processed, for example, can be set to predetermined values.
  • the size g of the focus F in moving the second optical device L2 by means of the second actuator A2 can be kept constant by judicious choice of the mean beam path d2 between collimating optics K and third optical device O substantially as described above. This is the case when the second optical device L2 and the third optical device O are arranged so that they essentially form a telescope arrangement.
  • d2 is to be understood as a beam path between an image-side main plane of the second optical device L2 and an object-side main plane of the third optical device O.
  • a constant, independent of the focus shift focus size is therefore, for example, when the middle
  • Beam path d2 between the image-side main plane of the second optical device L2 and the object-side main plane of the third optical device O is approximately equal to the sum of the negative focal length f2 of the second optical device L2 and the positive focal length f0 of the third optical device 0 is:
  • a corresponding range can also be specified, which covers the typical requirements regarding the constancy of the focus size for a system for laser material processing:
  • the first optical device LI and the second optical device L2 can be movable in the beam propagation direction R.
  • the controller S can control the first control element AI and the second control element A2 in a coordinated manner.
  • a change in the position p of the focus F along the beam propagation direction R due to the movement of the first optical device LI can be taken into account by the controller S in order to set the predetermined position p.
  • a change in the size g of the focus F due to the movement of the second optical device L2 along the beam propagation direction R by the controller S may be taken into account to set the predetermined amount g.
  • the desired position p and size g of the focus can be adjusted independently of each other.
  • the change in the position p and / or the change in the size g of the focus F can be taken into account, for example, as follows:
  • the controller S can access reference control data which includes the position p and magnitude g of the focus F as a function of the positions of the first reproduce the optical device LI and the second optical device L2 along the beam spreading direction R.
  • the reference control data may be obtained by a calculation, for example by an optical simulation of the laser material processing system, or by a measurement, for example, before or during the operation of the laser material processing system, from the position p and size g of focus F are determined.
  • the reference control data can be stored, for example, in a control curve or a table.
  • the required positions of the first optical device LI and the second optical device L2 along the beam propagation direction R can be determined to set the desired or predetermined values for the position p and the size g of the focus F. If necessary, the calculation, simulation or measurements or the reference control data can be adapted or corrected to the conditions of use by means of measured values (calibration).
  • the average beam path d2 between the image-side main plane of the second optical device L2 and the object-side main plane of the third optical device O may be set so that the size g of the focus F in moving the second optical device L2 is substantially constant by means of the second actuator A2, for example by arranging the second optical device L2 and the third optical device O so as to form a telescope arrangement.
  • the system for laser material processing in the second embodiment can be made more compact than in the first embodiment:
  • Equation 7 d2 ⁇ f2 + 0.75 * f0
  • the controller S can control the first optical device LI, the second optical device L2 and the beam deflection unit AE such that a position (x, y, z) of the focus F, with respect to, for example, the surface of the object to be processed Material M and a size g of the focus F, can be set to predetermined values.
  • Table 1 shows various values and ranges for the sine of the half-angle divergence hw of the diverging beams D, the collimating focal length fK, the diameter d of the beams P after passing through the collimating optics K, the positive focal length fl of the first optical device LI, the negative focal length f2 of the second optical device L2 and the positive focal length f0 of the third optical group O.
  • FIG. FIG. 5 shows an arrangement 500 in which an observation optics C can be arranged optically in parallel to the collimation optics K.
  • the observation optics C may include a fourth optical device L4 and a fifth optical device L5, which may be traversed by an observation beam BE.
  • the observation beam BE can be observed directly with the eye or can be detected by a sensor or a camera SE.
  • the collimation optics K can be one of the previously described collimation optics K, for example of the arrangement 420, with a beam feed Z, a first optical device LI and a second optical feed direction L2.
  • the collimation optics K can be traversed by a processing beam BS, which can consist of laser beams that are suitable for processing material.
  • the arrangement 500 may have a beam splitter ST and a deflection mirror U.
  • the beam splitter ST can reflect the processing beam BS from the collimating optics K in the direction of the material M.
  • Light beams LS from the direction of the material M can penetrate the beam splitter ST and strike the deflection mirror U.
  • the deflection mirror U can the
  • observation optics C can thus serve together with the deflection mirror U and the beam splitter ST for observing or detecting the size and the position of the focus of the processing beam BS. Further, the material M or workpiece processed with the machining beam PS can be viewed, for example, to detect the size, shape or position of the workpiece M or a machining progress.
  • the fourth optical device L4 may have a positive focal length f4 approximately equal to the positive focal length fl of the first optical device Li.
  • the fifth optical device L5 may have a negative focal length f5 approximately equal to the negative focal length f2 of the second optical device L2.
  • the observation beam BE and the machining beam BS can be focused on the same location, for example on the material M or workpiece. In other words, the observation beam BE and the machining beam BS may have the same focus.
  • the first optical device LI may be fixed, that is, it does not move in the direction of the machining beam BS.
  • the fourth optical device L4 may be coupled to the first optical device LI and also fixed.
  • the second optical device L2 can be moved.
  • a movement of the fifth optical device L5 may be coupled to the movement of the second optical device L2.
  • the second optical device L2 and the fifth optical device L5 can move together.
  • a change in the optical properties of the collimating optics K due to the movement of the second optical device L2 can thus be transmitted to the observation optics C, so that their focus changes in a corresponding manner.
  • the observation beam BE and the processing beam BS can thus maintain the same focus even during movement of the second optical device L2.
  • the coupling can be effected by a rigid mechanical connection between the second optical device L2 and the fifth optical device L5.
  • both the first optical device LI and the second optical device L2 may be moved.
  • the movement of the fourth optical device L4 may be coupled to the movement of the first optical device Li
  • the movement of the fifth optical device L5 may be coupled to the movement of the second optical device L2.
  • the first optical device LI and the fourth optical device L4 can move together
  • the second optical device L2 and the fifth optical device L5 can also move together.
  • a change in the optical properties of the collimating optics K due to the movement of the first optical device LI and optionally of the second optical device L2 can thus be transmitted to the observation optics C so that their focus changes in a corresponding manner.
  • the observation beam BE and the machining beam BS can thus maintain the same focus when setting the focus position and the focus size.
  • the coupling can be achieved by a rigid mechanical connection of the first optical link LI to the fourth optical link L4 and the second optical device L2, respectively and the fifth optical device L5.
  • the movement of the coupled first optical device LI and the fourth optical device L4 may be performed by the first actuator AI, for example.
  • the movement of the coupled second optical device L2 and the fifth optical device L5 may be performed by the second actuator A2, for example.
  • the directions of movement are indicated by double arrows.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment 600 of a collimation optics K with a beam feed Z, a first optical device LI and a second optical device L2.
  • the first optical device LI and the second optical device L2 may comprise reflective optical elements S1, S2, S3 and S4.
  • Reflective optical elements offer the advantage that they can be better cooled compared to transmissive optical elements. This increases the power compatibility of the optical system so that it is compatible with high laser powers.
  • the reflective optical elements S1, S2, S3, S4 can be mirrors, such as flat mirrors, convex mirrors or concave mirrors.
  • the mirrors may be metal mirrors, dichroic dielectric mirrors (interference mirrors) or prism mirrors.
  • the beam feeder Z can provide divergent beams D which can be incident on the first optical device Li and can leave them as outgoing beams A.
  • the outgoing beams A may strike the second optical device L2 and may collimated them
  • the first optical device LI may be a converging device, that is, having a positive focal length. In other words, the emergent beams A may have less divergence than the incident beams D.
  • the first optical device LI may include a first mirror Sl and a second mirror S2.
  • the first mirror Sl can be a simulation game and the second mirror S2 can Concave mirror or vice versa.
  • the first optical device LI can be moved along a beam propagation direction R, as indicated by the double arrow, for example by the first actuator AI.
  • the second optical device L2 may be a diverging device, that is, having a negative focal length. In other words, the emergent beams P may have a greater divergence than the incident beams A.
  • the second optical device L2 may include a third mirror S3 and a fourth mirror S4.
  • the third mirror S3 may be a simulation game and the fourth mirror S4 may be a convex mirror or vice versa.
  • the second optical device L2 can be moved along a beam propagation direction R, as indicated by the double arrow, for example by the second actuator A2.
  • the third optical device L3 may be, like the first optical device LI, a positive focal length convergence device, which is also generated by reflective optical elements, for example.
  • the in FIG. 1 to 6 may be used to carry out a method.
  • the method is for setting a size g and a position p of a focus F along a beam propagation direction R of a laser beam for laser material processing.
  • essentially collimated beams P with a total collimation focal length fK can be generated.
  • divergent beams D may be provided which correspond to a first optical device LI with positive
  • Focal length fl are supplied. Rays A passing through the first optical device LI having a positive focal length fl can be supplied to a second optical device L2 negative focal length f2.
  • the divergent beams D, the first optical device LI, and the second optical device L2 may be formed and arranged such that the beams P having passed through the second optical device L2 are substantially collimated. In this way it is possible to produce a collimating optics K with only the two optical devices LI, L2.
  • the focus F can be generated by supplying the substantially collimated beams P to a third optical device O.
  • the third optical device O and a feeder Z for the divergent beams D may be arranged at a fixed distance d3 from each other. In other words, the third optical device 0 for adjusting the focus size and the focus position need not be moved, whereby an actuator and its driving for the third optical device O are not required.
  • the total beam path gs between a beam feed Z for the divergent beams D and a image-side focal plane B of the third optical device O can be selected to be less than twice the sum of the positive focal length f0 of the third optical device O and the total collimating focal length fK, so that a very compact system for laser material processing is created.
  • the first optical device LI and the second optical device L2 can be moved such that the size g of the focus F and the position p of the focus F along the
  • Beam propagation direction R to predetermined, independently selectable values, can be set.
  • the size g of the focus F can be adjusted substantially by moving the first optical device LI along the beam propagation direction R.
  • Focus F along the beam propagation direction R can be achieved substantially by movement of the second optical device L2 are set along the beam propagation direction R.
  • a change of the position p of the focus F along the beam propagation direction R due to the movement of the first optical device LI can be taken into account in setting the predetermined values.
  • a change in the size g of the focus F due to the movement of the second optical device L2 can be taken into account in setting the predetermined values.
  • the consideration may, for example, be based on a previous simulation or a measurement of the respective change and the determination of corresponding correction values.
  • the correction values allow the desired values to be set directly.
  • the beams P from the beam propagation direction R can be deflected in a direction other than the beam propagation direction R, for example by a beam deflection unit AE, such as a galvo scanner.
  • the movement of the first optical device LI, the movement of the second optical device L2 and the deflection of the beams can be coordinated and executed simultaneously to the size g of the focus F and the position of the focus F with respect to a surface of a material to be processed M to predetermined To set values. In this way, a highly dynamic laser material processing can be realized.

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Abstract

Lasermaterialbearbeitungssystem mit einer Kollimationsoptik (K) mit einer Gesamtkollimationsbrennweite (fK), bestehend aus einer Strahlzuführung (Z) für divergente Strahlen (D), einer ersten und zweiten optischen Vorrichtung (L1, L2) mit positiver bzw. negativer Brennweite ( f1, f2), wobei die divergenten Strahlen (D) zuerst die erste und danach die zweite optische Vorrichtung (L1, L2 ) durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung (L2) kollimiert verlassen, einer dritten, der Kollimationsoptik (K) nachgeordneten, optischen Vorrichtung (0) mit positiver Brennweite (fO), die aus der Kollimationsoptik (K) kollimiert austretenden Strahlen (P) auf einen Fokus (F) bündelt, einem ersten und zweiten Stellelement (A1, A2) zum unabhängigen Bewegen der ersten bzw. der zweiten optischen Vorrichtung (L1, L2) voneinander entlang einer Strahlausbreitungsrichtung (R), wobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer bildseitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (O) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Gesamtkollimationsbrennweite (fK).

Description

Beschreibung
System für Lasermaterialbearbeitung und Verfahren zum Einstellen der Größe und Position eines Laserfokus
Die Erfindung betrifft ein System für Lasermaterialbearbeitung und ein Verfahren zum Einstellen einer Größe und einer Position eines Fokus entlang einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung.
Laser werden für die Materialbearbeitung, z.B. zum Schweißen und Schneiden, in großem Umfang eingesetzt.
Dafür muss der Laserstrahl über das Werkstück geführt werden. Dies kann erfolgen, indem ein Bearbeitungskopf relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Dabei sind die Bewegungs- und somit auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit durch die Masse des Bearbeitungskopfs oder die Masse des Werkstücks limitiert. Eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht man mit Bearbeitungsköpfen mit beweglichen optischen Ablenkeinheiten, z.B. drehbaren Spiegeln, mittels derer der Laserstrahl über das
Werkstück geführt wird. Derartige Systeme werden als Scansysteme bezeichnet.
Ein derartiges Scansystem kann auch von einem Roboter geführt werden. Durch diesen erfolgt dann eine grobe Positionierung. Das Scansystem, das deutlich dynamischer ist als der Roboter, übernimmt die schnelle und präzise Feinpositionierung des Fokus . Bei derartigen Scansystemen besteht die Anforderung, die Position und die Größe des Fokus während der Bearbeitung vollständig unter Kontrolle zu haben. So kann es beispielsweise erwünscht sein, dass die Größe des Fokus, gegeben zum Beispiel durch seinen Durchmesser, unabhängig von der angesteu- erten Fokusposition im gesamten Arbeitsbereich des Scansystems konstant ist. Des Weiteren kann es beispielsweise erwünscht sein, die Fokusgröße gezielt, je nach Anforderungen der Bearbeitung, verändern zu können. Bei derartigen Scansystemen besteht zudem die Anforderung, möglichst kompakte Außenabmessungen aufzuweisen. Beispielsweise kann es erwünscht sein, mit dem robotergeführten Scan- System in ein komplex geformtes Werkstück einzutauchen, um dort an einer unzugänglichen Stelle eine Laserbearbeitung durchzuführen. Dies ist umso besser möglich, je kompakter die Bauweise des Scansystems ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einheit mit kompakter Bauform anzugeben, die eine unabhängige Einstellung von Fokus- läge und Fokusgröße in hochdynamischer Weise ermöglicht.
Die Erfindung stellt ein System für Lasermaterialbearbeitung bereit, aufweisend eine Kollimationsoptik mit einer Gesamt- kollimationsbrennweite bestehend aus einer Strahlzuführung für divergente Strahlen, einer ersten optischen Vorrichtung mit positiver Brennweite und einer zweiten optischen Vorrichtung mit negativer Brennweite, wobei die divergenten Strahlen zuerst die erste optische Vorrichtung und danach die zweite optische Vorrichtung durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung kollimiert verlassen, eine dritte optische Vorrichtung mit einer positiven Brennweite, wobei die dritte optische Vorrichtung der Kollimationsoptik nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik kollimiert austretenden Strahlen auf einen Fokus bündelt, und ein zweites Stellelement zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung entlang einer
Strahlausbreitungsrichtung, wobei ein mittlerer Strahlweg zwischen einer beidseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung und einer obj ektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung so gewählt ist, dass eine Größe des Fokus bei Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung mittels des zweiten Stellelements im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung und die dritte optische Vorrich- tung derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden, und wobei ein Gesamtstrahlweg zwischen der Strahlzuführung und einer bildseitigen Brennebene der dritten optischen Vorrichtung kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung und der Gesamtkollimationsbrennweite .
In einer Weiterbildung erfüllt der mittlere Strahlweg zwi- sehen der beidseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung und der obj ektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung die Bedingung f2 + 0,75*fO < d2 < f2 + l,25*fO oder ist ungefähr gleich der Summe der negativen Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung und der positi- ven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung.
In einer Weiterbildung ist die erste optische Vorrichtung in Strahlausbreitungsrichtung unbeweglich . In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine
Strahlablenkeinheit zum Ablenken der Strahlen aus der Strahl- ausbreitungsrichtung in eine andere Richtung und eine Steuerung zum Ansteuern des zweiten Stellelements und der Strahl - ablenkeinheit , so dass eine Position des Fokus bezüglich ei- ner Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann.
In einer Weiterbildung weist das System weiter auf eine vierte optische Vorrichtung mit positiver Brennweite, die un- gefähr der positiven Brennweite der ersten optischen Vorrichtung entspricht und eine fünfte optische Vorrichtung mit negativer Brennweite, die ungefähr der negativen Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung entspricht, wobei die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung für das Durchlaufen eines Bearbeitungsstrahls eingerichtet sind, die vierte optische Vorrichtung und die fünfte optische Vorrichtung für das Durchlaufen eines BeobachtungsStrahls eingerichtet sind, die vierte optische Vorrichtung an die erste optische Vorrichtung gekoppelt ist und eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung gekoppelt ist. Die Erfindung stellt weiter ein System für Lasermaterialbearbeitung bereit, aufweisend: eine Kollimationsoptik mit einer Gesamtkollimationsbrennweite bestehend aus einer Strahlzufüh- rung für divergente Strahlen, einer ersten optischen Vorrich- tung mit positiver Brennweite und einer zweiten optischen Vorrichtung mit negativer Brennweite, wobei die divergenten Strahlen zuerst die erste optische Vorrichtung und danach die zweite optische Vorrichtung durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung kollimiert verlassen, eine dritte optische Vorrichtung mit einer positiven Brennweite, wobei die dritte optische Vorrichtung der Kollimationsoptik nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik kollimiert austretenden Strahlen auf einen Fokus bündelt, ein erstes Stellelement zum Bewegen der ersten optischen Vorrichtung entlang einer
Strahlausbreitungsrichtung, und ein zweites Stellelement zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung entlang der Strahl- ausbreitungsrichtung, wobei das erste Stellelement und das zweite Stellelement die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung unabhängig voneinander bewegen können, wobei ein Gesamtstrahlweg zwischen der Strahlzuführung und einer beidseitigen Brennebene der dritten optischen Vorrichtung kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung und der Gesamtkollimationsbrennweite .
In einer Weiterbildung ist ein mittlerer Strahlweg zwischen einer beidseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung und der obj ektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung so gewählt, dass eine Größe des Fokus beim Bewe- gen der zweiten optischen Vorrichtung mittels des zweiten
Stellelements im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung und die dritte optische Vorrichtung derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden. In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine
Steuerung, die eingerichtet ist, das erste Stellelement und das zweite Stellelement so anzusteuern, dass durch die Bewe- gung der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung eine Größe des Fokus und eine Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte, eingestellt werden können, wobei die Größe des Fokus im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung eingestellt wird, die Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung eingestellt wird und wobei mindestens eins von eine Änderung der Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung und eine Änderung der Größe des Fokus aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung berücksichtigt wird, um die vorgegebenen Werte einzustellen.
In einer Weiterbildung wird mindestens eins von der Änderung der Position und der Änderung der Größe des Fokus berücksichtigt durch Hinterlegen von Referenz-Steuerdaten, die auf einer Berechnung oder Messung von Position und Größe des Fokus in Abhängigkeit der Positionen der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung entlang der
Strahlausbreitungsrichtung beruhen und Bestimmen von erforderlichen Positionen der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungs- richtung anhand der hinterlegten Referenz -Steuerdaten, um die vorgegebenen Werte für die Position und die Größe des Fokus einzustellen .
In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine Strahlablenkeinheit zum Ablenken der Strahlen aus der Strahl- ausbreitungsrichtung in eine andere Richtung, wobei die Steuerung eingerichtet ist, das erste Stellelement, das zweite Stellelement und die Strahlablenkeinheit so anzusteuern, dass die Größe des Fokus und eine Position des Fokus bezüglich ei- ner Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials auf vorgegebene Werte eingestellt werden können. In einer Weiterbildung weist das System weiter auf: eine vierte optische Vorrichtung mit positiver Brennweite, die ungefähr der positiven Brennweite der ersten optischen Vorrichtung entspricht, eine fünfte optische Vorrichtung mit negati- ver Brennweite, die ungefähr der negativen Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung entspricht, wobei die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung für das Durchlaufen eines Bearbeitungsstrahls eingerichtet sind, die vierte optische Vorrichtung und die fünfte optische Vor- richtung für das Durchlaufen eines Beobachtungsstrahls eingerichtet sind, eine Bewegung der vierten optischen Vorrichtung an eine Bewegung der ersten optischen Vorrichtung gekoppelt ist und eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung gekoppelt ist.
In einer Weiterbildung ist die Strahlzuführung an ein Ende einer Lichtleitfaser gekoppelt aus welcher Laserstrahlung divergent austritt .
In einer Weiterbildung liegt ein Verhältnis der positiven Brennweite der ersten optischen Vorrichtung zu einem Abstand zwischen der Strahlzuführung und einer objektseitigen Hauptebene der ersten optischen Vorrichtung zwischen 0,25 und 0,75.
In einer Weiterbildung ist die erste optische Vorrichtung so angeordnet, dass ein Winkel von einfallenden Strahlen gleich einem Winkel von ausfallenden Strahlen ist.
In einer Weiterbildung liegt ein Sinus einer Halbwinkeldivergenz der divergierenden Strahlen im Bereich von 0,05 bis 0,15, liegt die positive Brennweite der ersten optischen Vorrichtung im Bereich von 55 mm bis 120 mm, liegt die negative Brennweite der zweiten optischen Vorrichtung im Bereich von - 75 mm bis -160 mm, liegt die Gesamtkollimationsbrennweite im Bereich von 60 mm bis 300 mm, liegt ein Durchmesser der
Strahlen nach Durchlaufen der Kollimationsoptik im Bereich von 14 mm bis 50 mm und liegt die positive Brennweite der dritten optischen Gruppe im Bereich von 300 mm bis 800 mm.
In einer Weiterbildung weist die dritte optische Vorrichtung bezüglich der Strahlzuführung einen konstanten Abstand auf .
In einer Weiterbildung sind das erste Stellelement, falls vorhanden, und das zweite Stellelement Linearantriebe, insbesondere Direktantriebe.
In einer Weiterbildung ist die Strahlablenkeinheit in Strahl- ausbreitungsrichtung nach der dritten optischen Vorrichtung angeordnet oder ist die Strahlablenkeinheit in Strahlausbreitungsrichtung zwischen der zweiten optischen Vorrichtung und der dritten optischen Vorrichtung angeordnet.
Die Erfindung stellt weiter ein Verfahren zum Einstellen einer Größe und einer Position eines Fokus entlang einer
Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls zur Lasermate- rialbearbeitung bereit, aufweisend: Erzeugen von im Wesentlichen kollimierten Strahlen mit einer Gesamtkollimationsbrenn- weite durch Bereitstellen von divergierenden Strahlen, Zuführen der divergierenden Strahlen an eine erste optische Vorrichtung mit positiver Brennweite, Zuführen von Strahlen, die die erste optische Vorrichtung mit positiver Brennweite durchlaufen haben, an eine zweite optische Vorrichtung mit negativer Brennweite, wobei die divergierenden Strahlen, die erste optische Vorrichtung und die zweite optische Vorrichtung so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Strahlen, die die zweite optische Vorrichtung durchlaufen haben, im Wesentlichen kollimiert sind, Erzeugen des Fokus durch Zuführen der im Wesentlichen kollimierten Strahlen an eine dritte optische Vorrichtung, wobei ein Gesamtstrahlweg zwischen einer StrahlZuführung der divergierenden Strahlen und einer bild- seitigen Brennebene der dritten optischen Vorrichtung kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite der dritten optischen Vorrichtung und der Gesamtkollimations- brennweite, Bewegen der ersten optischen Vorrichtung und der zweiten optischen Vorrichtung derart, dass die Größe des Fokus und die Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte eingestellt werden können, wobei die Größe des Fokus im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung eingestellt wird, die Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungs- richtung im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung eingestellt wird und Berücksichtigen von mindestens eins von eine Änderung der Position des Fokus entlang der Strahlausbreitungsrichtung aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung und eine Änderung der Größe des Fokus aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung, um die vorgegebenen Werte einzustellen.
In einer Weiterbildung weist das Verfahren weiter auf Ablenken der Strahlen aus der Strahlausbreitungsrichtung in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung, wobei die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung, die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung und die Ablenkung der Strahlen koordiniert und gleichzeitig ausgeführt werden, um die Größe des Fokus und die Position des Fokus bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials auf vorgegebene Werte einzustellen.
In einer Weiterbildung sind die dritte optische Vorrichtung und eine Zuführung für die divergenten Strahlen mit einem festen Abstand zueinander angeordnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren darge stellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
FIG. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Lasermaterialbear beitungssystems ,· FIG. 2 Beispielsanordnungen zur Illustration von Fokuspositionsverschiebungen;
FIG. 3 Beispielsanordnungen zur Illustration von Fokus- größenänderungen;
FIG. 4 Dimensionierungen von Lasermaterialbearbeitungs- Systemen; FIG. 5 eine Kollimationsoptik mit Beobachtungsoptik ;
und
FIG. 6 eine Kollimationsoptik mit reflektiven optischen
Elementen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben", „unten", „vorne", „hinten", „vorderes", „hinteres", usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur (en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vor- liegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert . Im Rahmen dieser Beschreibung können die Begriffe "verbunden", "angeschlossen", sowie "gekoppelt" zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung verwendet werden.
In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Der Übersicht halber können nicht alle Elemente der Fi- guren mit eigenen Bezugszeichen versehen sein. Dies gilt insbesondere für Elemente, die identisch zu anderen Elementen dargestellt sind. Die Beschreibung und Bezugszeichen können so für alle grafisch gleich dargestellten Elemente in gleicher Weise gelten. Die Ziffer {oder Ziffern) eines Bezugszei- chens, die von der linken Seite aus an erster Stelle steht
(stehen) , kann (können) die Figur angeben, in der das Bezugs- zeichen zum ersten Mal auftaucht.
FIG. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 für Lasermaterialbearbeitung, mit dem ein Material (oder ein
Werkstück) M mit Laserstrahlen, die aus einer Laserquelle L stammen, bearbeitet werden kann. Die Laserstrahlen breiten sich dabei von der Laserquelle L in einer Strahlausbreitungs- richtung R zum Fokus F aus. Die Position des Fokus F bezüg- lieh des Materials M und die Größe (oder Durchmesser) des Fokus F können eingestellt werden.
Die Strahlzuführung Z ist so ausgelegt, dass Laserstrahlung aus ihr divergent mit einem Halbdivergenzwinkel hw austreten kann. An die StrahlZuführung Z kann eine Laserquelle L, die divergente Laserstrahlung bereitstellt, gekoppelt sein. Die Laserquelle L kann zum Beispiel das Ende einer Lichtleitfaser sein, die beispielsweise an einen Scheibenlaser oder einen Faserlaser gekoppelt sein kann. Das System 100 kann eine Kollimationsoptik K aufweisen, die die aus der Laserquelle L divergent austretenden Strahlen D zu kollimierten Strahlen P formen kann. Kollimierte Strahlen P sind im Wesentlichen parallele Strahlbündel, wobei der Be- griff „im Wesentlichen parallel" im Zusammenhang mit FIG. 2 und 3 genauer erklärt wird.
Die Kollimationsoptik K kann aus der StrahlZuführung Z für divergente Strahlen D, einer ersten optischen Vorrichtung LI mit positiver Brennweite fl und einer zweiten optischen Vorrichtung L2 mit negativer Brennweite f2 bestehen. Die divergenten Strahlen D durchlaufen dabei zuerst als einfallende Strahlen die erste optische Vorrichtung LI und danach als ausfallende Strahlen A die zweite optische Vorrichtung L2. Die erste optische Vorrichtung LI kann so angeordnet sein, dass der Winkel von einfallenden Strahlen D gleich dem Winkel von ausfallenden Strahlen A ist. Das Verhältnis der positiven Brennweite fl der ersten optischen Vorrichtung LI zu einem Abstand dl zwischen der Strahlzuführung Z und einer objekt- seitigen Hauptebene der ersten optischen Vorrichtung LI kann zwischen 0,25 und 0,75 liegen, siehe auch FIG. 4.
Im Gegensatz zu afokalen Zoom-Systemen zur Anpassung der Laserfokusgröße, die für kollimierte Eingangsstrahlen ausgelegt sind und aus mindestens drei optischen Vorrichtungen bestehen, von denen mindestens zwei bewegt werden, werden hier nur zwei optische Vorrichtungen LI, L2 benötigt. Durch eine unabhängig voneinander steuerbare Bewegung der beiden optischen Vorrichtungen LI, L2 lassen sich, wie in Fig. 2 und 3 erläu- tert, Position und Größe des Fokus F kontrollieren.
Ein Objektiv O, im folgenden dritte optische Vorrichtung O genannt, dient zur Fokussierung des Laserstrahls. Die dritte optische Vorrichtung O kann eine positive Brennweite fO auf- weisen. Die dritte optische Vorrichtung O kann der Kollimationsoptik K in Strahlausbreitungsrichtung R nachgeordnet sein. Sie kann die aus der Kollimationsoptik K austretenden kollimierten Strahlen P auf einen Fokus F bündeln. Der Fokus F kann dabei auf oder mit einem Abstand zu einer Oberfläche des Materials M gebildet werden. Die dritte optische Vorrichtung O kann bezüglich der Strahlzuführung Z einen konstanten Abstand aufweisen. Mit anderen Worten, ist es nicht erforder- lieh, die dritte optische Vorrichtung O zu bewegen, um die Größe oder die Position des Fokus F einzustellen. Anordnungen, bei denen zur Variation der Fokusgröße und -position das Fokussierobj ektiv 0 verschoben werden muss, sind für Scansysteme ungünstig, da aufgrund der Strahlablenkung die optischen Elemente in der Fokussierung groß ausfallen müssen und dementsprechend deren hochdynamische Verstellung nicht möglich ist .
Mindestens eine von der ersten optischen Vorrichtung LI, der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der dritten optischen
Vorrichtung O können aus einer einzelnen Linse oder aus mehreren Linsen bestehen. Linsen können Laserstrahlen transmis- siv an ihren Oberflächen brechen. Mindestens eine von der ersten optischen Vorrichtung LI, der zweiten optischen Vor- richtung L2 und der dritten optischen Vorrichtung O können ein oder mehrere asphärische optische Elemente oder reflek- tive optische Elemente aufweisen. Asphärische optische Elemente können gegenüber sphärischen optischen Elementen geringere Abbildungsfehler aufweisen, wodurch die Anzahl der benö- tigten optischen Elemente reduziert werden und die Leistungs- verträglichkeit des optischen Systems erhöht werden kann. Ein Ausführungsbeispiel einer Kollimationsoptik K mit reflektiven optischen Elementen ist im Zusammenhang mit FIG. 6 beschrieben.
Das System 100 kann eine Strahlablenkeinheit AE zum Ablenken der Strahlen P aus der Strahlausbreitungsrichtung R in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung R aufweisen. Die Strahlablenkeinheit AE kann mindestens eine Ablenk- achse aufweisen, wobei die Ablenkachsen in der Regel senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung R (Z-Richtung) und senkrecht zueinander angeordnet sind (X-Richtung, Y-Richtung) . Die Laserstrahlen können so entlang einer Linie oder über eine Fläche des Materials M abgelenkt werden, z.B. entlang einer zu bearbeitenden Kontur. Die Strahlablenkvorrichtung AE kann beispielsweise einen oder mehrere, insbesondere zwei, beweglich gelagerte Spiegel aufweisen, die von einem Galvano- meterantrieb bewegt werden (GaIvoscanner) . Derartige Gal- voscanner können eine sehr hohe Dynamik aufweisen, wodurch hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten möglich sind.
Die Strahlablenkeinheit AE kann in Strahlausbreitungsrichtung R zwischen der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der dritten optischen Vorrichtung O angeordnet sein. Die Strahlablenkeinheit AE kann jedoch auch in Strahlausbreitungsrichtung R nach der dritten optischen Vorrichtung 0 angeordnet sein. Außerdem können weitere Komponenten, wie Strahlteiler, Strahl- formungselemente etc. im Strahlengang enthalten sein.
Das System 100 kann ein erstes Stellelement AI zum Bewegen der ersten optischen Vorrichtung LI entlang der Strahlausbreitungsrichtung R und ein zweites Stellelement A2 zum Bewe- gen der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahl- ausbreitungsrichtung R aufweisen. Das erste Stellelement AI und das zweite Stellelement A2 können die erste optische Vorrichtung LI und die zweite optische Vorrichtung L2 unabhängig voneinander bewegen. Das erste Stellelement AI und das zweite Stellelement A2 können Linearantriebe, insbesondere Direktantriebe, sein. Durch den Wegfall von Getrieben werden Getriebespiel und Trägheitsmassen reduziert, wodurch genaue und schnelle Bewegungen der ersten optischen Vorrichtung LI und der zweiten optischen Vorrichtung L2 möglich sind.
Da eine Größe des Fokus F im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung LI eingestellt werden kann und eine Position des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 eingestellt werden kann, wie in FIG. 2 und 3 mit zugehöriger Beschreibung beschrieben ist, können so die Fokusgröße und die Fokusposition der Laserstrahlung präzise und mit hoher Dynamik eingestellt werden. Das System 100 kann eine Steuerung S aufweisen, die das erste Stellelement AI, das zweite Stellelement A2 und die Strahlablenkeinheit AE ansteuern kann. Die Steuerung S kann auf diese Weise die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung LI, der zweiten optischen Vorrichtung L2 und die Strahlablenkung in der Strahlablenkeinheit AE so koordinieren, dass die Größe des Fokus F, die Position des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R (Z-Richtung) und die Position des Fokus entlang mindestens einer zur Strahlausbreitungsrichtung R abweichenden Richtung, zum Beispiel senkrechten Richtungen (X- Richtung, Y-Richtung) , auf entsprechende vorgegebene Werte eingestellt werden kann. Die Fokusgröße g und die Fokusposition (x, y, z) relativ zu einer Oberfläche eines zu bearbei- tenden Materials M können so unabhängig voneinander auf vorgegebene Werte eingestellt werden.
FIG. 2 illustriert mit Hilfe der BeiSpielsanordnungen 210, 220 und 230 wie eine Position p des Fokus F in Strahlausbrei- tungsrichtung R verschoben werden kann. Anordnung 210 zeigt eine mittlere Fokusposition pO, Anordnung 220 zeigt eine ferne Fokusposition p2 und Anordnung 230 zeigt eine nahe Fokusposition pl. Die Anordnungen 210, 220 und 230 können eine StrahlZuführung Z, eine erste optische Vorrichtung LI, eine zweite optische Vorrichtung L2 und eine dritte optische Vorrichtung 0 aufweisen. Die Position p des Fokus F kann beispielsweise von der dritten optischen Vorrichtung O ausgehend gemessen werden. Auf der linken Seite von FIG. 3 sind die Größen/Durchmesser der Laserstrahlen an der StrahlZuführung Z in den Anordnungen 210, 220 und 230 entlang einer Richtung, zum Beispiel der X-Richtung, angegeben. Die Größen der Laserstrahlen an der Strahlzuführung Z sind im Wesentlichen konstant. Auf der rechten Seite von FIG. 3 sind die Größen g des Fokus F entlang einer Richtung, zum Beispiel der X-Richtung angegeben. Die Größe g des Fokus F ist im Wesentlichen konstant, wenn der Strahlweg zwischen der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der dritten optischen Vorrichtung O passend gewählt ist (siehe unten stehende Erläuterungen zu Gleichung 5) . Die Anordnungen 210, 220 und 230 können dem System für Lasermaterialbearbeitung 100 von FIG. 1 entsprechen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Steuerung S, das erste Stellelement AI, das zweite Stellelement A2 und die Strahl - ablenkeinheit AE weggelassen wurden.
Um die Position p des Fokus F in Strahlausbreitungsrichtung R zu verschieben, kann die zweite optische Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R verschoben werden. Die Verschiebung oder Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung Li2 ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Die erste optische Vorrichtung LI wird im Allgemeinen zur Änderung der Position p des Fokus F nicht bewegt. In der Anordnung 210 hat der Fokus F die Position pO . Die von der zweiten optischen Vorrichtung L2 austretenden kollimier- ten Strahlen P sind im Wesentlichen parallel, das heißt, sie weisen eine Divergenz nahe Null auf. In Anordnung 220 wurde die zweite optische Vorrichtung L2 gegenüber Anordnung 210 in Richtung zur ersten optischen Vorrichtung LI verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 210 eine leichte Divergenz auf . Als Folge dessen verschiebt sich der Fokus F auf eine Position p2 , die weiter von der dritten optischen Vorrichtung O entfernt ist als die Position pO in Anordnung 210.
In Anordnung 230 wurde die zweite optische Vorrichtung L2 ge- genüber Anordnung 210 weg von der ersten optischen Vorrichtung LI verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 210 eine leichte Konvergenz auf . Als Folge dessen verschiebt sich der Fokus F auf eine Position pl, die der dritten optischen Vor- richtung O näher ist, als die Position pO in Anordnung 210. Je nach optischem Weg zwischen der Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung 0 kann sich beim Verschieben der zweiten optischen Vorrichtung L2 die Fokusgröße g ändern. Um diese Fokusgrößenänderung zu korrigieren, kann eine kleine Ausgleichsbewegung der ersten optischen Vorrichtung LI vorgenommen werden.
FIG. 3 illustriert mit Hilfe der BeiSpielsanordnungen 310, 320 und 330 wie eine Größe g des Fokus F geändert werden kann. Die Anordnungen 310, 320 und 330 können dabei den Anordnungen 210, 220 und 230 der FIG. 2 entsprechen und werden nicht erneut beschrieben. Auf der rechten Seite von FIG. 3 sind die Größen g0, gl und g2 des Fokus F entlang einer Richtung, zum Beispiel der X-Richtung angegeben. Anordnung 310 zeigt eine mittlere Fokusgröße gO , Anordnung 320 zeigt eine kleine Fokusgröße gl und Anordnung 330 zeigt eine große Fokusgröße g2.
Um die Größe g des Fokus F zu ändern, wird die erste optische Vorrichtung LI entlang der Strahlausbreitungsrichtung R verschoben. Die Verschiebung oder Bewegung der ersten optischen Vorrichtung LI ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Die zweite optische Vorrichtung L2 wird im Allgemeinen nicht zum Ändern der Größe g des Fokus F bewegt. Die von der zwei- ten optischen Vorrichtung L2 austretenden kollimierten Strahlen P sind im Wesentlichen parallel, das heißt, sie weisen eine Divergenz nahe Null auf. Eine Verschiebung der ersten optischen Vorrichtung LI führt im Wesentlichen zu einer Änderung des Abbildungsverhältnisses und so zu einer Änderung der Fokusgröße g.
In Anordnung 310 hat der Fokus F die mittlere Fokusgröße gO .
In Anordnung 320 wurde die erste optische Vorrichtung LI ge- genüber der Anordnung 210 in Richtung zur zweiten optischen
Vorrichtung L2 verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 310 einen größeren Durchmesser d auf. Als Folge dessen kann der Fokus F eine kleinere Größe gl aufweisen als die Größe gO des Fokus F in Anordnung 310.
In Anordnung 330 wurde die erste optische Vorrichtung LI ge- genüber der Anordnung 310 weg von der zweiten optischen Vorrichtung L2 verschoben. Die kollimierten Strahlen P weisen gegenüber den kollimierten Strahlen P der Anordnung 310 einen kleineren Durchmesser d auf . Als Folge dessen kann der Fokus F eine größere Größe g2 aufweisen als die Größe gO des Fokus F in Anordnung 310.
Beim Verschieben der ersten optischen Vorrichtung LI kann sich die Position p des Fokus F leicht ändern. Um diese Fokuspositionsänderung zu kompensieren, kann eine kleine Aus- gleichsbewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 vorgenommen werden.
In FIG. 4 wird eine bekannte Anordnung 410 mit einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Anordnung 420 verglichen. Ins- besondere wird die Dimensionierung der betrachteten Systeme für Lasermaterialbearbeitung illustriert.
Die Anordnung 410 kann eine beliebige Kollimationsoptik K aufweisen, die divergierende Strahlen D aus der Strahlzufüh- rung Z in kollimierte Strahlen P umformt. Die Kollimationsoptik K ist zur Vereinfachung als Linie gezeichnet. Entscheidendes Merkmal der Anordnung 410 ist, dass die in der Kollimationsoptik K enthaltenen optischen Elemente in ihrer Gesamtheit bezüglich der Strahlzuführung Z bewegt werden kön- nen, um eine Verschiebung der Position p des Fokus F in
Strahlausbreitungsrichtung R zu erzielen. Hierzu kann die Kollimationsoptik K mit einem Stellelement und einer Steuerung verbunden sein, die in der Figur nicht berücksichtigt sind.
Durch Wahl eines geeigneten mittleren Abstandes dO zwischen Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung 0 kann erreicht werden, dass die Fokusgröße g unabhängig von der Fokusverschiebung entlang der Strahlausbreitungsrichtung R konstant ist. In der paraxialen Näherung ergibt sich dieser Fall genau dann, wenn der Abstand dO zwischen Kollimationsop- tik K und der dritten optischen Vorrichtung O gleich der Summe der Brennweite fK der Kollimationsoptik K {Kollimati- onsbrennweite) und der Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O ist:
G
Figure imgf000020_0001
Gleichung 1 ist gleichbedeutend mit der paraxialen Bedingung, dass die Kollimationsoptik K und die dritte optische Vorrichtung O eine Teleskopanordnung bilden. In einer Anordnung aus Kollimationsoptik K und dritter optischer Vorrichtung O zur Abbildung eines Faserendes auf ein Werkstück ist dann in pa- raxialer Näherung der GesamtStrahlweg gs zwischen der Strahl - Zuführung Z und einer bildseitigen Brennebene B der dritten optischen Vorrichtung O das Zweifache der Summe der Gesamt - kollimationsbrennweite fK und der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O:
Figure imgf000020_0002
Mit einer Kollimationsoptik K, wie sie in FIG. 1 - 3 gezeigt und beschreiben wurde, kann der Gesamtstrahlweg gs eines La- sermaterialbearbeitungssystems jedoch deutlich kürzer ausfallen, siehe Anordnung 420. Zur Vereinfachung der Darstellung sind in Anordnung 420 die erste optische Vorrichtung LI und die zweite optische Vorrichtung L2 als Linien dargestellt. Die erste optische Vorrichtung LI kann als Abbildungsoptik für das aus der Strahlzuführung Z austretende Lichtbündel D betrachtet werden. Die zweite optische Vorrichtung L2 kann als virtuelle Kollimation für das zum Abbild der Strahlzuführung Z" hin konvergierende Lichtbündel betrachtet werden. Um eine Verschiebung der Position p des Fokus F in Strahlausbreitungsrichtung R zu erzielen, ist in Anordnung 420 eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 ausreichend, es muss nicht wie in Anordnung 410 die Kollimationsoptik K in ihrer Gesamtheit bewegt werden.
Durch Wahl eines geeigneten mittleren Abstandes zwischen Kol- limationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung O kann, wie bereits oben für Anordnung 410 ausgeführt, auch in Anordnung 420 erreicht werden, dass die Fokusgröße g unabhängig von der Fokusverschiebung entlang der Strahlausbreitungs- richtung R konstant ist. Da in Anordnung 420 jedoch nicht die gesamte Kollimationsoptik K zur Verschiebung des Fokus bewegt wird, sondern nur die zweite optische Vorrichtung L2 , ändert sich Gleichung 1 im Falle von Anordnung 420 zu:
Figure imgf000021_0001
Gleichung 3 ist gleichbedeutend mit der paraxialen Bedingung, dass die zweite optische Vorrichtung L2 und die dritte optische Vorrichtung O eine Teleskopanordnung bilden. Die zweite optische Vorrichtung L2 übernimmt in Anordnung 420 hinsicht- lieh des Abstands zwischen Kollimationsoptik K und dritter optischer Vorrichtung 0 die Rolle der Gesamtkollimation in Anordnung 410.
Die Ursache für den im Vergleich zu Anordnung 410 deutlich kürzeren Gesamtstrahlweg in Anordnung 420 liegt in der negativen Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 in der Kollimationsoptik K. Durch das negative Vorzeichen der Brennweite f2 ergibt sich der Abstand d2 zwischen Kollimationsoptik K und der dritten optischen Vorrichtung O in An- Ordnung 420 gemäß Gleichung 3 zu deutlich kleiner als fO, während er sich in Anordnung 410 gemäß Gleichung 1 zu deutlich größer als fO ergibt. Der Gesamtstrahlweg gs reduziert sich in Anordnung 420 dementsprechend deutlich gegenüber der Anordnung 410. Der Gesamtstrahlweg gs zwischen der Strahlzu- führung Z und einer bildseitigen Brennebene B der dritten optischen Vorrichtung O kann daher kleiner sein als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O und der Gesamtkollimationsbrennweite fK. Dies kann nicht nur paraxial gelten sondern aufgrund der in 420 erzielbaren großen Verminderung des Gesamtstrahlwegs auch dann, wenn reale, nicht paraxiale optische Vorrichtungen betrachtet werden:
Figure imgf000022_0001
In einer ersten Ausführungsform des Lasermaterialbearbei- tungssystems kann die erste optische Vorrichtung LI in
Strahlausbreitungsrichtung R fest (oder unbeweglich) sein. Mit anderen Worten, benötigt die erste optische Vorrichtung Li kein erstes Stellelement AI. Die Steuerung S braucht nur das zweite Stellelement A2 und die Strahlablenkeinheit AE ansteuern, so dass eine Position (x, y, z) des Fokus F, bezüg- lieh zum Beispiel der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials M, auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann.
Die Größe g des Fokus F beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung L2 mittels des zweiten Stellelements A2 kann durch geschickte Wahl des mittleren Strahlwegs d2 zwischen Kollimationsoptik K und dritter optischer Vorrichtung O im Wesentlichen, wie oben beschrieben, konstant gehalten werden. Dies ist der Fall, wenn die zweite optische Vorrichtung L2 und die dritte optische Vorrichtung 0 derart angeordnet wer- den, dass sie im Wesentlichen eine Teleskopanordnung bilden.
Bei realen, nicht paraxialen optischen Vorrichtungen ist d2 als Strahlweg zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung L2 und einer objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung O zu verstehen.
Eine konstante, von der Fokusverschiebung unabhängige Fokusgröße ergibt sich daher zum Beispiel wenn der mittlere
Strahlweg d2 zwischen der bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der objektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung O ungefähr gleich der Summe der negativen Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung 0 ist:
Figure imgf000023_0002
Für den mittleren Strahlweg d2 kann auch ein entsprechender Bereich angegeben werden, der die typischen Anforderungen bezüglich der Konstanz der Fokusgröße an ein System zur Lasermaterialbearbeitung abdeckt:
Figure imgf000023_0001
In einer zweiten Ausführungsform des Lasermaterialbearbei- tungssystems können die erste optische Vorrichtung LI und die zweite optische Vorrichtung L2 in Strahlausbreitungsrichtung R beweglich sein. Die Steuerung S kann das erste Stellelement AI und das zweite Stellelement A2 koordiniert ansteuern. Eine Änderung der Position p des Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R aufgrund der Bewegung der ersten opti- sehen Vorrichtung LI kann dabei durch die Steuerung S berücksichtig werden, um die vorgegebene Position p einzustellen. Ebenso kann eine Änderung der Größe g des Fokus F aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R durch die Steuerung S berück- sichtig werden, um die vorgegebene Größe g einzustellen. Die gewünschte Position p und Größe g des Fokus können so unabhängig voneinander eingestellt werden.
Die Änderung der Position p und/oder die Änderung der Größe g des Fokus F können zum Beispiel wie folgt berücksichtigt werden: Die Steuerung S kann auf Referenz-Steuerdaten zugreifen, die die Position p und Größe g des Fokus F in Abhängigkeit der Positionen der ersten optischen Vorrichtung LI und der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbrei - tungsrichtung R wiedergeben. Die Referenz-Steuerdaten können durch eine Berechnung, zum Beispiel durch eine optische Simulation des Lasermaterialbearbeitungssystems , oder durch eine Messung, zum Beispiel vor oder während des Betriebs des La- sermaterialbearbeitungssystems , aus der Position p und Größe g des Fokus F bestimmt werden. Die Referenz -Steuerdaten können zum Beispiel in einer Steuerkurve oder einer Tabelle abgespeichert werden. Anhand der Referenz-Steuerdaten können die erforderlichen Positionen der ersten optischen Vorrich- tung LI und der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R bestimmt werden, um die gewünschten oder vorgegebenen Werte für die Position p und die Größe g des Fokus F einzustellen. Gegebenenfalls können die Berechnung, Simulation oder Messungen oder die Referenz- Steu- erdaten mit Hilfe von Messwerten an die Einsatzbedingungen angepasst bzw. korrigiert werden (Kalibrierung) .
Auch in der zweiten Ausführungsform kann der mittlere Strahl - weg d2 zwischen der bildseitigen Hauptebene der zweiten opti- sehen Vorrichtung L2 und der obj ektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung O so gewählt werden, dass die Größe g des Fokus F beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung L2 mittels des zweiten Stellelements A2 im Wesentlichen konstant ist, indem zum Beispiel die zweite optische Vorrichtung L2 und die dritte optische Vorrichtung O derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden. Man ist jedoch nicht an diese Bedingung gebunden, da eine Änderung der Größe g des Fokus F beim Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung L2 durch Bewegung der ersten optischen Vor- richtung LI ausgeglichen werden kann. Man kann daher das System zur Lasermaterialbearbeitung in der zweiten Ausführungsform noch kompakter als in der ersten Ausführungsform bauen:
Gleichung 7: d2 < f2 + 0,75*fO
Die Steuerung S kann in der zweiten Ausführungsform die erste optische Vorrichtung LI, die zweite optische Vorrichtung L2 und die Strahlablenkeinheit AE so ansteuern, dass eine Position (x, y, z) des Fokus F, bezüglich zum Beispiel der Ober- fläche des zu bearbeitenden Materials M und eine Größe g des Fokus F, auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann. Tabelle 1 zeigt verschiedene Werte und Bereiche für den Sinus der Halbwinkeldivergenz hw der divergierenden Strahlen D, die Kollimationsbrennweite fK, den Durchmesser d der Strahlen P nach Durchlaufen der Kollimationsoptik K, die positive Brenn- weite fl der ersten optischen Vorrichtung LI, die negative Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 und die positive Brennweite fO der dritten optischen Gruppe O.
Figure imgf000025_0001
Tabelle 1
FIG. 5 zeigt eine Anordnung 500, in der optisch parallel zur Kollimationsoptik K eine Beobachtungsoptik C angeordnet sein kann. Die Beobachtungsoptik C kann eine vierte optische Vorrichtung L4 und eine fünfte optische Vorrichtung L5 aufweisen, die von einem Beobachtungsstrahl BE durchlaufen werden können. Der Beobachtungsstrahl BE kann direkt mit dem Auge beobachtet werden oder kann von einem Sensor oder einer Kamera SE erfasst werden. Die Kollimationsoptik K kann eine der vorher beschriebenen Kollimationsoptiken K, zum Beispiel aus Anordnung 420, sein, mit einer StrahlZuführung Z, einer ersten optischen Vorrichtung LI und einer zweiten optischen Vor- richtung L2. Die Kollimationsoptik K kann von einem Bearbeitungsstrahl BS durchlaufen werden, der aus Laserstrahlen, die zum Bearbeiten von Material geeignet sind, bestehen kann. Die Anordnung 500 kann einen Strahlteiler ST und einen Umlenkspiegel U aufweisen. Der Strahlteiler ST kann den Bearbeitungsstrahl BS aus der Kollimationsoptik K in Richtung des Materials M reflektieren. Lichtstrahlen LS aus Richtung des Materials M können den Strahlteiler ST durchdringen und auf den Umlenkspiegel U treffen. Der Umlenkspiegel U kann die
Lichtstrahlen als Beobachtungsstrahl ΒΞ in Richtung der Beobachtungsoptik C reflektieren. Die Beobachtungsoptik C kann so zusammen mit dem Umlenkspiegel U und dem Strahlteiler ST zum Beobachten oder Erfassen der Größe und der Position des Fokus des Bearbeitungsstrahls BS dienen. Weiter kann so das Material M oder Werkstück, das mit dem Bearbeitungsstrahlen PS bearbeitet wird, betrachtet werden, zum Beispiel, um die Größe, Form oder Lage des Werkstücks M oder einen Bearbeitungsfortschritt zu erfassen.
Die vierte optische Vorrichtung L4 kann eine positive Brennweite f4 aufweisen, die ungefähr der positiven Brennweite fl der ersten optischen Vorrichtung Li entspricht. Die fünfte optische Vorrichtung L5 kann eine negative Brennweite f5 auf- weisen, die ungefähr der negativen Brennweite f2 der zweiten optischen Vorrichtung L2 entspricht. Auf diese Weise können der Beobachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS auf die gleiche Stelle, zum Beispiel am Material M oder Werkstück, fokussiert werden. Mit anderen Worten, können der Be- obachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS den gleichen Fokus aufweisen.
In der ersten Ausführungsform kann die erste optische Vorrichtung LI fixiert sein, dass heißt, sie bewegt sich in Richtung des Bearbeitungsstrahls BS nicht. Die vierte optische Vorrichtung L4 kann an die erste optische Vorrichtung LI gekoppelt sein und ebenso fixiert sein. In der ersten Ausfüh- rungsform kann die zweite optische Vorrichtung L2 bewegt werden. Eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung L5 kann an die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 gekoppelt sein. Mit anderen Worten, können sich die zweite opti- sehe Vorrichtung L2 und die fünfte optische Vorrichtung L5 zusammen bewegen. Eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Kollimationsoptik K durch die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 kann so auf die Beobachtungsoptik C übertragen werden, so dass sich deren Fokus in entsprechender Weise ändert. Der Beobachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS können so den gleichen Fokus - auch bei Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 - beibehalten. Die Kopplung kann durch eine starre mechanische Verbindung zwischen der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der fünften opti- sehen Vorrichtung L5 erfolgen.
In der zweiten Ausführungsform können sowohl die erste optische Vorrichtung LI als auch die zweite optische Vorrichtung L2 bewegt werden. Die Bewegung der vierten optischen Vorrich- tung L4 kann an die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung Li gekoppelt sein und die Bewegung der fünften optischen Vorrichtung L5 kann an die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 gekoppelt sein. Mit anderen Worten, können sich die erste optische Vorrichtung LI und die vierte optische Vorrichtung L4 zusammen bewegen und die zweite optische Vorrichtung L2 und die fünfte optische Vorrichtung L5 können sich ebenfalls zusammen bewegen. Eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Kollimationsoptik K durch die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung LI und gegebenenfalls der zweiten optischen Vorrichtung L2 kann so auf die Beobachtungsoptik C übertragen werden, so dass sich deren Fokus in entsprechender Weise ändert. Der Beobachtungsstrahl BE und der Bearbeitungsstrahl BS können so beim Einstellen der Fokusposition und der FokusgröSe den gleichen Fokus beibehal- ten. Die Kopplung kann jeweils durch eine starre mechanische Verbindung der ersten optischen Verbindung LI mit der vierten optischen Verbindung L4 bzw. der zweiten optischen Vorrichtung L2 und der fünften optischen Vorrichtung L5 erfolgen. Die Bewegung der gekoppelten ersten optischen Vorrichtung LI und der vierten optischen Vorrichtung L4 kann zum Beispiel durch das erste Stellelement AI erfolgen. Die Bewegung der gekoppelten zweiten optischen Vorrichtung L2 und der fünften optischen Vorrichtung L5 kann zum Beispiel durch das zweite Stellelement A2 erfolgen. Die Bewegungsrichtungen sind durch Doppelpfeile gekennzeichnet. FIG. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel 600 einer Kollima- tionsoptik K mit einer Strahlzuführung Z, einer ersten optischen Vorrichtung LI und einer zweiten optischen Vorrichtung L2. Die erste optische Vorrichtung LI und die zweite optische Vorrichtung L2 können reflektive optische Elemente Sl, S2, S3 und S4 aufweisen. Reflektive optische Elemente bieten im Vergleich zu transmissiven optischen Elementen den Vorteil, dass sie besser gekühlt werden können. Dies erhöht die Leistungsverträglichkeit des optischen Systems, so dass es mit hohen Laserleistungen kompatibel ist. Die reflektiven optischen Elemente Sl, S2, S3, S4 können Spiegel sein, wie zum Beispiel Planspiegel, Konvexspiegel oder Konkavspiegel. Die Spiegel können Metallspiegel, dichroitische dielektrische Spiegel (Interferenzspiegel) oder Prismenspiegel sein. Die StrahlZuführung Z kann divergente Strahlen D bereitstellen, die auf die erste optische Vorrichtung Li einfallen können und als ausfallende Strahlen A diese verlassen können. Die ausfallenden Strahlen A können auf die zweite optische Vorrichtung L2 treffen und können diese als kollimierte
Strahlen P verlassen.
Die erste optische Vorrichtung LI kann eine Konvergiervorrichtung sein, das heißt, eine positive Brennweite aufweisen. Mit anderen Worten, können die ausfallenden Strahlen A eine geringere Divergenz als die einfallenden Strahlen D haben. Die erste optische Vorrichtung LI kann einen ersten Spiegel Sl und ein zweiten Spiegel S2 aufweisen. Der erste Spiegel Sl kann ein Planspiel sein und der zweite Spiegel S2 kann ein Konkavspiegel sein oder umgekehrt. Die erste optische Vorrichtung LI kann entlang einer Strahlausbreitungsrichtung R bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil angedeutet ist, zum Beispiel durch das erste Stellelement AI.
Die zweite optische Vorrichtung L2 kann eine Divergiervorrichtung sein, das heißt, eine negative Brennweite aufweisen. Mit anderen Worten, können die ausfallenden Strahlen P eine größere Divergenz als die einfallenden Strahlen A haben. Die zweite optische Vorrichtung L2 kann einen dritten Spiegel S3 und ein vierten Spiegel S4 aufweisen. Der dritte Spiegel S3 kann ein Planspiel sein und der vierte Spiegel S4 kann ein Konvexspiegel sein oder umgekehrt. Die zweite optische Vorrichtung L2 kann entlang einer Strahlausbreitungsrichtung R bewegt werden, wie durch den Doppelpfeil angedeutet ist, zum Beispiel durch das zweite Stellelement A2.
Die in FIG. 6 gezeigte Kollimationsoptik K mit reflektiven optischen Elementen kann in den in FIG. 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Die dritte optische Vorrichtung L3 kann dabei, ähnlich wie die erste optische Vorrichtung LI, eine Konvergiervorrichtung mit positiver Brennweite sein, die zum Beispiel ebenfalls durch reflektive optische Elemente erzeugt wird.
Die in FIG. 1 bis 6 beschriebenen Vorrichtungen können zum Ausführen eines Verfahrens dienen. Das Verfahren dient zum Einstellen einer Größe g und einer Position p eines Fokus F entlang einer Strahlausbreitungsrichtung R eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung. In dem Verfahren können im Wesentlichen kollimierte Strahlen P mit einer Gesamtkollimati- onsbrennweite fK erzeugt werden.
Dazu können divergierende Strahlen D bereitgestellt werden, die einer ersten optischen Vorrichtung LI mit positiver
Brennweite fl zugeführt werden. Strahlen A, die die erste optische Vorrichtung LI mit positiver Brennweite fl durchlaufen haben, können einer zweiten optischen Vorrichtung L2 mit negativer Brennweite f2 zugeführt werden. Die divergierenden Strahlen D, die erste optische Vorrichtung LI und die zweite optische Vorrichtung L2 können so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Strahlen P, die die zweite optische Vorrichtung L2 durchlaufen haben, im Wesentlichen kollimiert sind. Auf diese Weise ist es möglich, eine Kollimationsoptik K mit nur den zwei optischen Vorrichtungen LI, L2 herzustellen. Der Fokus F kann durch Zuführen der im Wesentlichen kolli- mierten Strahlen P an eine dritte optische Vorrichtung O erzeugt werden. Die dritte optische Vorrichtung O und eine Zuführung Z für die divergenten Strahlen D können mit einem festen Abstand d3 zueinander angeordnet sein. Mit anderen Worten, braucht die dritte optische Vorrichtung 0 zum Ein- stellen der Fokusgröße und der Fokusposition nicht bewegt werden, wodurch ein Stellelement und dessen Ansteuerung für die dritte optische Vorrichtung O nicht benötigt werden.
Der Gesamtstrahlweg gs zwischen einer StrahlZuführung Z für die divergierenden Strahlen D und einer bildseitigen Brennebene B der dritten optischen Vorrichtung O kann kleiner als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite fO der dritten optischen Vorrichtung O und der Gesamtkollimationsbrenn- weite fK gewählt werden, so dass ein sehr kompaktes System für Lasermaterialbearbeitung entsteht.
Die erste optische Vorrichtung LI und die zweite optische Vorrichtung L2 können derart bewegt werden, dass die Größe g des Fokus F und die Position p des Fokus F entlang der
Strahlausbreitungsrichtung R auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte, eingestellt werden können.
Die Größe g des Fokus F kann im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung LI entlang der Strahlaus - breitungsrichtung R eingestellt werden. Die Position p des
Fokus F entlang der Strahlausbreitungsrichtung R kann im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 entlang der Strahlausbreitungsrichtung R eingestellt werden .
Eine Änderung der Position p des Fokus F entlang der Strahl - ausbreitungsrichtung R aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung LI kann beim Einstellen der vorgegebenen Werte berücksichtigt werden. Ebenso kann eine Änderung der Größe g des Fokus F aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 beim Einstellen der vorgegebenen Werte berücksichtigt werden. Die Berücksichtigung kann zum Beispiel anhand einer vorhergehenden Simulation oder einer Messung der jeweiligen Änderung und dem Bestimmen von entsprechenden Korrekturwerten erfolgen. Mithilfe der Korrekturwerte ist es möglich, dass die gewünschten Werte direkt eingestellt werden können .
Die Strahlen P aus der Strahlausbreitungsrichtung R können in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung R abgelenkt werden, zum Beispiel durch eine Strahlablenkungsein- heit AE, wie zum Beispiel einem Galvoscanner . Die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung LI, die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung L2 und die Ablenkung der Strahlen können koordiniert und gleichzeitig ausgeführt werden, um die Größe g des Fokus F und die Position des Fokus F bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials M auf vorgegebene Werte einzustellen. Auf diese Weise lässt sich eine hochdynamische Lasermaterialbearbeitung realisieren.
Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. System für Lasermaterialbearbeitung, umfassend:
- eine Kollimationsoptik (K) mit einer Gesamtkollimations - brennweite (fK) , bestehend aus
- einer StrahlZuführung (Z) für divergente Strahlen (D) ,
- einer ersten optischen Vorrichtung (LI) mit positiver Brennweite (fl) , und
- einer zweiten optischen Vorrichtung (L2) mit negativer Brennweite (f2) ,
wobei die divergenten Strahlen (D) zuerst die erste optische Vorrichtung (LI) und danach die zweite optische Vorrichtung (L2) durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung (L2) kollimiert verlassen,
- eine dritte optische Vorrichtung (O) mit einer positiven Brennweite (fO) , wobei die dritte optische Vorrichtung (0) der Kollimationsoptik (K) nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik (K) kollimiert austretenden Strahlen (P) auf einen Fokus (F) bündelt, und
- ein Stellelement (A2) zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang einer Strahlausbreitungsrichtung (R) ,
wobei ein mittlerer Strahlweg (d2) zwischen einer bildseiti- gen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und ei- ner obj ektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung (0) so gewählt ist, dass eine Größe (g) des Fokus (F) bei Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) mittels des Stellelements (A2) im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung (L2) und die dritte optische Vorrichtung (O) derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden, und
wobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer bildseitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (O) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Gesamtkollimationsbrennweite (fK) .
2. System nach Anspruch 1, wobei
der mittlere Strahlweg (d2) zwischen der bildseitigen Haupt - ebene der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der objekt- seitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung (O) folgende Bedingung erfüllt:
Figure imgf000035_0001
oder ungefähr gleich der Summe der negativen Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei
die erste optische Vorrichtung (LI) in Strahlausbreitungs- richtung (R) unbeweglich ist.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend:
- eine Strahlablenkeinheit (AE) zum Ablenken der Strahlen (P) aus der Strahlausbreitungsrichtung (R) in eine andere Richtung, und
- eine Steuerung (S) zum Ansteuern des Stellelements (A2) und der Strahlablenkeinheit (AE) , so dass eine Position des Fokus
(F) bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials (M) auf vorgegebene Werte eingestellt werden kann.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend: - eine vierte optische Vorrichtung (L4) mit positiver Brennweite (f4) , die ungefähr der positiven Brennweite (fl) der ersten optischen Vorrichtung (LI) entspricht, und
- eine fünfte optische Vorrichtung (L5) mit negativer Brennweite (f5) , die ungefähr der negativen Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entspricht,
wobei
- die erste optische Vorrichtung (LI) und die zweite optische Vorrichtung (L2) für das Durchlaufen eines Bearbeitungs - Strahls (BS) eingerichtet sind,
- die vierte optische Vorrichtung (L4) und die fünfte optische Vorrichtung (L5) für das Durchlaufen eines Beobachtungs- strahls (BE) eingerichtet sind, - die vierte optische Vorrichtung (L4) an die erste optische Vorrichtung (LI) gekoppelt ist, und
- eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung (L5) an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) gekop- pelt ist .
6. System für Lasermaterialbearbeitung, umfassend:
- eine Kollimat ionsoptik (K) mit einer Gesamtkollimations- brennweite (fK) , bestehend aus
- einer StrahlZuführung (Z) für divergente Strahlen (D) ,
- einer ersten optischen Vorrichtung (LI) mit positiver Brennweite (fl) und
- einer zweiten optischen Vorrichtung (L2) mit negativer Brennweite (f2) ,
wobei die divergenten Strahlen (D) zuerst die erste optische Vorrichtung (LI) und danach die zweite optische Vorrichtung (L2) durchlaufen, und die zweite optische Vorrichtung (L2) kollimiert verlassen,
- eine dritte optische Vorrichtung (O) mit einer positiven Brennweite (fO) , wobei die dritte optische Vorrichtung (O) der Kollimationsoptik (K) nachgeordnet ist und die aus der Kollimationsoptik (K) kollimiert austretenden Strahlen (P) auf einen Fokus (F) bündelt,
- ein weiteres Stellelement (AI) zum Bewegen der ersten opti- sehen Vorrichtung (LI) entlang einer Strahlausbreitungsrichtung (R) , und
- ein Stellelement (A2) zum Bewegen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) , wobei das weitere Stellelement (AI) und das Stellelement (A2) die erste optische Vorrichtung (Li) und die zweite optische Vorrichtung (L2) unabhängig voneinander bewegen können, wobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer bildseitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (0) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Gesamtkollimationsbrennweite (fK) .
7. System gemäß Anspruch 6, wobei ein mittlerer Strahlweg (d2) zwischen einer bildseitigen Hauptebene der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der ob- j ektseitigen Hauptebene der dritten optischen Vorrichtung (O) so gewählt ist, dass eine Größe (g) des Fokus (F) beim Bewe- gen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) mittels des Stellelements <A2) im Wesentlichen konstant ist, indem die zweite optische Vorrichtung (L2) und die dritte optische Vorrichtung (O) derart angeordnet sind, dass sie eine Teleskopanordnung bilden .
8. System nach Anspruch 6 oder 7, weiter umfassend:
- eine Steuerung (S) , die eingerichtet ist, das weitere Stellelement (AI) und das Stellelement (A2) so anzusteuern, dass durch die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (LI) und der zweiten optischen Vorrichtung (L2) eine Größe (g) des Fokus (F) und eine Position (p) des Fokus (F) entlang der
Strahlausbreitungsrichtung (R) auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte, eingestellt werden können, wobei:
- die Größe (g) des Fokus (F) im Wesentlichen durch Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (LI) eingestellt wird,
- die Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) eingestellt wird, und
wobei mindestens eins von:
- eine Änderung der Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (Li) , und
- eine Änderung der Größe (g) des Fokus (F) aufgrund der Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2)
berücksichtigt wird, um die vorgegebenen Werte einzustellen.
9. System nach Anspruch 8, wobei
mindestens eins von der Änderung der Position (p) und der Änderung der Größe (g) des Fokus (F) berücksichtigt wird durch - Hinterlegen von Referenz-Steuerdaten, die auf einer Berechnung oder Messung von Position (p) und Größe (g) des Fokus (F) in Abhängigkeit der Positionen der ersten optischen Vorrichtung (LI) und der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) beruhen, und
- Bestimmen von erforderlichen Positionen der ersten opti- sehen Vorrichtung (LI) und der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) anhand der hinterlegten Referenz-Steuerdaten, um die vorgegebenen Werte für die Position (p) und die Größe (g) des Fokus (F) einzustellen.
10. System nach einem der Ansprüche 6 bis 9, weiter umfassend :
- eine Strahlablenkeinheit (AE) zum Ablenken der Strahlen (P) aus der Strahlausbreitungsrichtung (R) in eine andere Rich- tung, wobei
die Steuerung (S) eingerichtet ist, das weitere Stellelement (AI) , das Stellelement (A2) und die Strahlablenkeinheit (AE) so anzusteuern, dass die Größe (g) des Fokus (F) und eine Position (p) des Fokus (F) bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials (M) auf vorgegebene Werte eingestellt werden können.
11. System nach einem der Ansprüche 6 bis 10, weiter umfassend:
- eine vierte optische Vorrichtung (L4) mit positiver Brennweite (f4) , die ungefähr der positiven Brennweite (fl) der ersten optischen Vorrichtung (LI) entspricht,
- eine fünfte optische Vorrichtung (L5) mit negativer Brennweite (f5), die ungefähr der negativen Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entspricht,
wobei
- die erste optische Vorrichtung (LI) und die zweite optische Vorrichtung (L2) für das Durchlaufen eines Bearbeitungs- strahls (BS) eingerichtet sind,
- die vierte optische Vorrichtung (L4) und die fünfte optische Vorrichtung (L5) für das Durchlaufen eines Beobachtungsstrahls (BE) eingerichtet sind, - eine Bewegung der vierten optischen Vorrichtung (L4) an eine Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (LI) gekoppelt ist, und
- eine Bewegung der fünften optischen Vorrichtung (L5) an eine Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) gekoppelt ist.
12. System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei
die StrahlZuführung (Z) an ein Ende einer Lichtleitfaser ge- koppelt ist, aus welcher Laserstrahlung divergent austritt.
13. System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei
ein Verhältnis der positiven Brennweite (fl) der ersten optischen Vorrichtung (LI) zu einem Abstand (dl) zwischen der Strahlzuführung (Z) und einer objektseitigen Hauptebene der ersten optischen Vorrichtung (LI) zwischen 0,25 und 0,75 liegt .
14. System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei
die erste optische Vorrichtung (LI) so angeordnet ist, dass ein Winkel von einfallenden Strahlen (D) gleich einem Winkel von ausfallenden Strahlen (A) ist.
15. System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei
- ein Sinus einer Halbwinkeldivergenz (hw) der divergierenden Strahlen (D) im Bereich von 0,05 bis 0,15 liegt,
- die positive Brennweite (fl) der ersten optischen Vorrichtung (LI) im Bereich von 55 mm bis 120 mm liegt,
- die negative Brennweite (f2) der zweiten optischen Vorrich- tung (L2) im Bereich von -75 mm bis -160 mm liegt,
- die Gesamtkollimationsbrennweite (fK) im Bereich von 60 mm bis 300 mm liegt,
- ein Durchmesser (d) der Strahlen (P) nach Durchlaufen der Kollimationsoptik (K) im Bereich von 14 mm bis 50 mm liegt, und
- die positive Brennweite (fO) der dritten optischen Gruppe (O) im Bereich von 300 mm bis 800 mm liegt.
16. System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei
die dritte optische Vorrichtung (O) bezüglich der Strahlzuführung (Z) einen konstanten Abstand aufweist.
17. System nach einem der vorigen Ansprüche, wobei
das weitere Stellelement (AI) , falls vorhanden, und das Stellelement (A2) Linearantriebe, insbesondere Direktantriebe, sind.
18. System nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 10 bis 17, wobei
- die Strahlablenkeinheit (AE) in Strahlausbreitungsrichtung (R) nach der dritten optischen Vorrichtung (O) angeordnet ist ,
oder
- die Strahlablenkeinheit (AE) in Strahlausbreitungsrichtung (R) zwischen der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und der dritten optischen Vorrichtung (O) angeordnet ist.
19. Verfahren zum Einstellen einer Größe (g) und einer Position (p) eines Fokus (F) entlang einer Strahlausbreitungs- richtung (R) eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung, umfassend :
- Erzeugen von im Wesentlichen kollimierten Strahlen (P) mit einer Gesamtkollimationsbrennweite (fK) durch:
- Bereitstellen von divergierenden Strahlen (D) ,
- Zuführen der divergierenden Strahlen (D) an eine erste optische Vorrichtung (LI) mit positiver Brennweite (fl),
- Zuführen von Strahlen (A) , die die erste optische Vor- richtung (LI) mit positiver Brennweite (fl) durchlaufen haben, an eine zweite optische Vorrichtung (L2) mit negativer Brennweite (f2) , wobei
die divergierenden Strahlen (D) , die erste optische Vorrichtung (LI) und die zweite optische Vorrichtung (L2) so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Strahlen
(P) , die die zweite optische Vorrichtung (L2) durchlaufen haben, im Wesentlichen kollimiert sind, - Erzeugen des Fokus (F) durch Zuführen der im Wesentlichen kollimierten Strahlen (P) an eine dritte optische Vorrichtung (O) , wobei ein Gesamtstrahlweg (gs) zwischen einer Strahlzuführung (Z) der divergierenden Strahlen (D) und einer bild- seitigen Brennebene (B) der dritten optischen Vorrichtung (0) kleiner ist als das Zweifache der Summe der positiven Brennweite (fO) der dritten optischen Vorrichtung (O) und der Ge- samtkollimationsbrennweite (fK) ,
- Bewegen der ersten optischen Vorrichtung {LI) und der zwei- ten optischen Vorrichtung (L2) derart, dass die Größe (g) des
Fokus (F) und die Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) auf vorgegebene, unabhängig voneinander wählbare Werte eingestellt werden können, wobei:
- die Größe (g) des Fokus (F) im Wesentlichen durch Be- wegung der ersten optischen Vorrichtung (LI) entlang der
Strahlausbreitungsrichtung (R) eingestellt wird,
- die Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) im Wesentlichen durch Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) entlang der Strahl - ausbreitungsrichtung (R) eingestellt wird, und
- Berücksichtigen von mindestens eins von:
- eine Änderung der Position (p) des Fokus (F) entlang der Strahlausbreitungsrichtung (R) aufgrund der Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (LI) , und
- eine Änderung der Größe (g) des Fokus (F) aufgrund der
Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2)
um die vorgegebenen Werte einzustellen.
20. Verfahren nach Anspruch 19, weiter umfassend:
- Ablenken der Strahlen (P) aus der Strahlausbreitungsrichtung (R) in eine andere Richtung als die Strahlausbreitungsrichtung (R) , wobei
die Bewegung der ersten optischen Vorrichtung (LI) , die Bewegung der zweiten optischen Vorrichtung (L2) und die Ablenkung der Strahlen koordiniert und gleichzeitig ausgeführt werden, um die Größe (g) des Fokus (F) und die Position des Fokus (F) bezüglich einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials (M) auf vorgegebene Werte einzustellen.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei die dritte optische Vorrichtung (O) und eine Zuführung (Z) für die divergenten Strahlen (D) mit einem festen Abstand (d3) zueinander angeordnet sind.
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