WO2017012898A1 - Strahlmodulator mit frequenzkonversion sowie zugehöriges verfahren und laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

Strahlmodulator mit frequenzkonversion sowie zugehöriges verfahren und laserbearbeitungsmaschine Download PDF

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Dominik Bauer
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Trumpf Laser GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a beam modulator for power modulation of a laser beam with a controllable deflection device arranged in the beam path of the incident laser beam, which has two drive states in which the incident laser beam is deflected differently, and an associated laser processing machine and a method for power modulation a laser beam.
  • the deflection device has a first drive state in which the incident laser beam is deflected at a first angle, and a second drive state in which the incident laser beam is deflected at a different second angle.
  • highly dynamic modulation of the output power of the laser beam is required for many applications.
  • Such power modulation can be achieved with a fast deflection unit, which can be formed for example by an acousto-optic modulator (AOM) or an electro-optical deflector.
  • AOM acousto-optic modulator
  • electro-optical deflector In order for the unmodulated and the modulated laser beam can be separated from each other, however, large deflection or a large space are required, which limits the design of the beam modulator significantly.
  • the present invention is therefore the object of developing a beam modulator of the type mentioned in that deflectors can be used with lower deflection angles.
  • At least one nonlinear crystal is arranged in the beam path of the two differently deflected laser beams, the frequency of one of the two differently deflected laser beams with higher efficiency and the other laser beam with lower efficiency, and that in the beam path of higher Efficiency frequency-converted and the frequency converted with less efficiency La- serstrahls a separator is arranged, which spatially separates the frequency-converted and non-frequency-converted portions of the laser beams, wherein one of the two spatially separated laser beams forms the output power modulated output laser beam.
  • the two activation states of the deflection device can be realized for example by:
  • the invention can be dispensed with large deflection angle in connection with the downstream frequency conversion.
  • the deflection angle of one of the two differently deflected laser beams only has to be sufficiently large to leave the angular acceptance range of the non-linear crystal required for frequency conversion and consequently not be frequency-converted or with significantly reduced efficiency.
  • the deflection angle and the crystal length that affect the angular acceptance range of the crystal are matched to one another such that maximum frequency conversion occurs in one of the two deflection states and minimal or no frequency conversion occurs in the other.
  • the separation of the modulated from the unmodulated radiation or the frequency-converted from the non-frequency-converted radiation then takes place by means of the separator.
  • Materials suitable for frequency conversion include lithium niobate, potassium dihydrogen phosphate, beta barium borate, or lithium triborate.
  • the differently deflected laser beams both impinge on the at least one non-linear crystal, so that the same laser power always strikes the non-linear crystal in both drive states, which consequently experiences the same heating as possible in both activation states.
  • the incident laser beam in one of the two drive states of the deflection device, is deflected by the deflection device at an angle of 0 °, ie, the incident laser beam is deflected only in the other drive state.
  • one of the two differently deflected laser beams impinges on the nonlinear crystal within the acceptance angle range of the at least one nonlinear crystal required for frequency conversion, while the other laser beam strikes the nonlinear crystal outside the acceptance angle range.
  • a non-linear frequency doubling crystal (SHG (second harmonic generation) crystal) for generating a laser beam with twice the frequency or a combination of at least two non-linear crystals for frequency tripling (THG (third harmonic generation) or yet arranged higher frequency multiplication.
  • SHG second harmonic generation
  • TMG third harmonic generation
  • the deflection device is embodied as an electrically controlled AOM which, for example, only deflects the incident laser beam in one of its two drive states.
  • AOM mostly LiNbO 3 - or PbMoO ⁇ crystals, glass or quartz are used.
  • the separator is designed as a dichroic mirror, which spatially separates the frequency-converted and the non-frequency-converted portions of the laser beams. Instead of a dichroic mirror, mirrors or other beam splitters or other arrangements may also be used.
  • the output laser beam may be formed by either the non-frequency converted or the frequency converted laser beam, in which case no power modulated output laser beam is generated in the latter case in the event of AOM failure.
  • the power component of the output beam can be adjusted by how much the input power is split between the two deflection states.
  • a control unit supplies the deflection unit with corresponding activation signals.
  • the output power can also be done by modulating the input power.
  • the beam modulator preferably has a detector, which detects the power of at least one of the spatially separated laser beams, and a control unit, which controls the deflection unit on the basis of the detected laser power.
  • the invention also relates to an associated laser processing machine for processing workpieces with a laser beam generator for generating the laser beam, with a beam modulator according to one of the preceding claims and with a deflection control of the beam modulator, in particular electrically, controlling machine control.
  • the invention also relates to a method for power modulating a laser beam, wherein the incident laser beam is selectively deflected at two different angles, wherein the two differently deflected laser beams are frequency-converted with different efficiency, wherein the frequency-converted and the non-frequency-converted Shares of the laser beams are spatially separated from each other and wherein one of the two spatially separated laser beams forms the power modulated output laser beam.
  • the power of at least one of the spatially separated laser beams is preferably detected and the deflection of the incident laser beam is controlled on the basis of the detected laser power.
  • FIG. 1 shows a beam modulator according to the invention with an SHG crystal for frequency doubling of the laser radiation
  • Fig. 2 shows a beam modulator according to the invention with two non-linear
  • Crystals for frequency tripling the laser radiation shows a beam modulator according to the invention with power control;
  • Fig. 4 shows a laser processing machine with the invention
  • the in Fign. 1 and 2 are used for highly dynamic power modulation of a laser beam 2.
  • the deflection device 3 is, for example, an electrically controllable AOM.
  • a non-linear SHG crystal 5 is arranged in the beam path of the two laser beams 4a, 4b.
  • the non-deflected laser beam strikes the SHG crystal 5 at right angles in the exemplary embodiment shown and is therefore at least partially converted to twice the frequency (frequency-converted laser beam 6a and non-frequency converted beam 6c).
  • the deflected laser beam 4b impinges on the SHG crystal 5 outside of the SHG angular acceptance range and is therefore not frequency-converted (or less efficiently) (non-frequency-converted laser beam 6b).
  • a separator in the form of a wavelength-dependent beam splitter 7, for example, a dichroic mirror, arranged for the wavelength of the frequency-converted laser beam 6a reflective and for the wavelength of the non-frequency-converted Laser beam 6b, 6c is transmissive.
  • the in radiant For example, arranged at an angle of 45 ° beam splitter 7 transmits the non-frequency-converted laser beam 6b, 6c (transmitted laser beams 9b, 9c) and deflects the frequency-converted laser beam 6a by 90 ° (deflected laser beam 9a).
  • One of the laser beams 9a or 9b / 9c is used as a power-modulated output laser beam of the beam modulator 1, whereas the unused other laser beam can be directed into a beam trap (not shown).
  • the deflection device 3 10 different electrical control signals are applied in the two drive states of a control unit to divert the incident laser beam 2 different levels.
  • electrical switching in this case binary switching on and off of the electrical control signal
  • the output laser beam can be correspondingly power-modulated or the ratios of these two states can be set.
  • the control unit 10 can be set by the control unit 10 how the power of the incident laser beam 2 is split between the undeflected and the deflected laser beam 4a, 4b.
  • another separator for spatially separating the two output laser beams 9a, 9b may also be used, e.g. also mirrors or other beam splitters.
  • the beam modulator 1 shown in Fig. 2 differs only in that here a combination of two nonlinear crystals 5, 5 'is used for frequency tripling.
  • the first crystal 5 is an SHG crystal and at least partially generates the second harmonic, ie a frequency doubling.
  • the second crystal 5 ' at least part of the fundamental frequency (laser beam 6c) and the second harmonic (laser beam 6a) in a sum frequency process then become the third harmonic, that is to say a freewheeling frequency. triplex, generated.
  • the non-deflected laser beam 4a impinges on both crystals 5, 5 'in each case within the angular acceptance ranges required for both frequency conversions and is therefore at least partially converted to three times the frequency.
  • This laser beam converted to three times the frequency is designated 6d.
  • the deflected laser beam 4b strikes at least one of the two crystals 5, 5 'outside the angular acceptance range, whereby no or significantly less power is frequency-converted.
  • the beam splitter 7 deflects only the laser beam 6d converted to three times the frequency by 90 ° (deflected laser beam 9a) and transmits the other laser beams 6a, 6b, 6c (transmitted laser beams 9b, 9c).
  • the deflection angle of the deflected laser beam 4b may, for example, be matched to the first minimum of the sinc function of the nonlinear crystal 5, 5 '.
  • the non-deflected laser beam 4a is frequency-converted, and since the entire laser power of the fundamental wavelength is available, no power loss occurs in the modulation.
  • the nonlinear crystal 5, 5 ' may also be arranged such that the deflected laser beam 4b strikes the crystals 5, 5' within the angular acceptance ranges of the crystals 5, 5 'and therefore frequency-converted becomes.
  • the non-deflected laser beam 4a hits outside the angular acceptance regions of the crystals 5, 5 'to the crystals 5, 5' and is therefore not frequency converted.
  • the frequency-converted and the non-frequency-converted laser beams are spatially separated from each other by means of the beam splitter 7.
  • the deflected laser beam 4b is frequency-converted and thus no power is converted in case of failure of the AOM 3.
  • the beam modulator 1 shown in FIG. 3 differs from the beam modulator of FIG. 1 only in that here a part of the output laser beam 9a is directed via a partially reflective mirror 11 to a detector / sensor 12 and in a control unit (eg machine control) 13 with a nominal power value is compared and the deflection unit 3 and its control unit 10 is controlled by the control unit 13 accordingly.
  • a control unit eg machine control
  • the deflection unit 3 and its control unit 10 is controlled by the control unit 13 accordingly.
  • the control unit 13 eg machine control
  • the one or more unused laser beams 9b, 9c can be measured and from this the power of the output laser beam 9a can be calculated and compared with a desired value.
  • changes in the conversion efficiency of the nonlinear crystals e.g.
  • FIG. 4 shows schematically a laser processing machine 20 with a laser beam generator 21 for generating the laser beam 2, with the beam modulator 1 and with a deflector 3 and their control unit 10 electrically controlling machine controller 22.
  • a laser processing machine 20 with a laser beam generator 21 for generating the laser beam 2, with the beam modulator 1 and with a deflector 3 and their control unit 10 electrically controlling machine controller 22.
  • the output laser beam 9a workpieces 23 with the desired modulation of Laser power are processed.

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Abstract

Bei einem Strahlmodulator (1) zur Leistungsmodulation eines Laserstrahls (2) mit einer im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls (2) angeordneten, ansteuerbaren Ablenkeinrichtung (3), welche zwei Ansteuerzustände aufweist, in denen der einfallende Laserstrahl (2) unterschiedlich weit (α1, α2) abgelenkt ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Strahlengang der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen (4a, 4b) mindestens ein nichtlinearer Kristall (5) angeordnet ist, der einen der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen mit höherer Effizienz und den anderen Laserstrahl mit geringerer Effizienz frequenzkonvertiert, und dass im Strahlengang des mit höherer Effizienz frequenzkonvertierten und des mit geringerer Effizienz frequenzkonvertierten Laserstrahls (6a, 6b) ein Separator (7) angeordnet ist, der die frequenzkonvertierten und die nichtfrequenzkonvertierten Anteile der Laserstrahlen (6a, 6b) voneinander räumlich trennt, wobei einer der beiden räumlich getrennten Laserstrahlen (9a, 9b, 9c) den leistungsmodulierten Ausgangslaserstrahl bildet.

Description

Strahlmodulator mit Frequenzkonversion sowie zugehöriges
Verfahren und Laserbearbeitungsmaschine Die Erfindung betrifft einen Strahlmodulator zur Leistungsmodulation eines Laserstrahls mit einer im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls angeordneten, ansteuerbaren Ablenkeinrichtung, welche zwei Ansteuerzustände aufweist, in denen der einfallende Laserstrahl unterschiedlich weit abgelenkt ist, sowie eine zugehörige Laserbearbeitungsmaschine und ein Verfahren zum Leistungsmodulie- ren eines Laserstrahls. Mit anderen Worten weist die Ablenkeinrichtung einen ersten Ansteuerzustand, in dem der einfallende Laserstrahl mit einem ersten Winkel abgelenkt ist, und einen zweiten Ansteuerzustand, in dem der einfallende Laserstrahl mit einem unterschiedlichen zweiten Winkel abgelenkt ist, auf. Bei Lasern, insbesondere bei Pulslasern, ist für viele Anwendungen eine hochdynamische Modulation der Ausgangsleistung des Laserstrahls erforderlich.
Solch eine Leistungsmodulation lässt sich mit einer schnellen Ablenkeinheit erreichen, die beispielsweise durch einen akusto-optischen Modulator (AOM) oder einen elektro-optischen Deflektor gebildet sein kann. Damit der unmodulierte und der modulierte Laserstrahl voneinander getrennt werden können, sind allerdings große Ablenkwinkel oder ein großer Bauraum erforderlich, was die Auslegung des Strahlmodulators deutlich einschränkt. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Strahlmodulator der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass Ablenkeinrichtungen mit geringeren Ablenkwinkeln eingesetzt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Strahlengang der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen mindestens ein nichtlinearer Kristall angeordnet ist, der einen der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen mit höherer Effizienz und den anderen Laserstrahl mit geringerer Effizienz frequenzkonvertiert, und dass im Strahlengang des mit höherer Effizienz frequenzkonvertierten und des mit geringerer Effizienz frequenzkonvertierten La- serstrahls ein Separator angeordnet ist, der die frequenzkonvertierten und die nicht-frequenzkonvertierten Anteile der Laserstrahlen voneinander räumlich trennt, wobei einer der beiden räumlich getrennten Laserstrahlen den leistungsmodulier- ten Ausgangslaserstrahl bildet. Im Falle einer elektrisch angesteuerten Ablenkeinrichtung können die beiden Ansteuerzustände der Ablenkeinrichtung beispielsweise realisiert werden durch:
- Anlegen und Nichtanlegen eines elektrischen Ansteuersignais;
- Anlegen von Ansteuersignalen mit unterschiedlicher Leistung;
- Anlegen von Ansteuersignalen mit unterschiedlicher Amplitude;
- Anlegen von Ansteuersignalen mit unterschiedlicher Frequenz; oder
- Anlegen von Ansteuersignalen mit unterschiedlicher Leistung und unterschiedlicher Frequenz. Erfindungsgemäß kann in Verbindung mit der nachgeschalteten Frequenzkonversion auf große Ablenkwinkel verzichtet werden. Der Ablenkwinkel eines der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen muss nur ausreichend groß sein, um den für Frequenzkonversion erforderlichen Winkelakzeptanzbereich des nicht- linearen Kristalls zu verlassen und folglich nicht bzw. mit deutlich reduzierter Effizienz frequenzkonvertiert zu werden. Idealerweise werden der Ablenkwinkel und die Kristalllänge, die den Winkelakzeptanzbereich des Kristalls beeinflusst, so aufeinander angepasst, dass in einem der beiden Ablenkungszustände maximale Frequenzkonversion und im anderen minimale bzw. keine Frequenzkonversion auftritt.
Die Trennung der modulierten von der unmodulierten Strahlung bzw. der frequenzkonvertierten von der nicht-frequenzkonvertierten Strahlung erfolgt dann mittels des Separators. Die Erfindung ermöglicht eine effiziente Leistungsmodula- tion sowie aufgrund des geringen Ablenkwinkels einen geringen Bauraum. Materialien, die sich für die Frequenzkonversion eignen, sind beispielsweise Lithium- niobat, Kaliumdihydrogenphosphat, Beta-Bariumborat oder Lithiumtriborat.
Vorzugsweise treffen die unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen beide jeweils auf den mindestens einen nichtlinearen Kristall auf, so dass in beiden Ansteuerzuständen stets die gleiche Laserleistung auf den nichtlinearen Kristall trifft, der folglich in beiden Ansteuerzuständen eine möglichst gleiche Erwärmung erfährt. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen ist in einem der beiden Ansteuerzustände der Ablenkeinrichtung der einfallende Laserstrahl von der Ablenkeinrichtung mit einem Winkel von 0° abgelenkt, d.h., der einfallende Laserstrahl ist nur in dem anderen Ansteuerzustand abgelenkt. Besonders bevorzugt trifft einer der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen innerhalb des für Frequenzkonversion erforderlichen Akzeptanzwinkelbereichs des mindestens einen nichtlinearen Kristalls auf den nichtlinearen Kristall, während der andere Laserstrahl außerhalb des Akzeptanzwinkelbereichs auf den nichtlinearen Kristall trifft. Vorzugsweise ist im Strahlengang der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen ein nichtlinearer Frequenzverdopplungskristall (SHG (second harmonic generation)-Kristall) zum Erzeugen eines Laserstrahls mit der doppelten Frequenz oder eine Kombination mindestens zweier nichtlinearer Kristalle zur Frequenzverdreifachung (THG (third harmonic generation) oder zur noch höheren Frequenzvervielfachung angeordnet.
Bevorzugt ist die Ablenkeinrichtung als ein elektrisch angesteuerter AOM ausge- bildet, der beispielsweise nur in einem seiner beiden Ansteuerzustände den einfallenden Laserstrahl ablenkt. Es können kostengünstige AOMs mit geringen Ablenkwinkeln eingesetzt werden. Als AOM werden meist LiNbO3- oder PbMoO ~ Kristalle, Glas oder Quarz verwendet. Vorzugsweise ist der Separator als dichroitischer Spiegel ausgebildet, der die frequenzkonvertierten und die nicht-frequenzkonvertierten Anteile der Laserstrahlen voneinander räumlich trennt. Anstelle eines dichroitischen Spiegeis können auch Spiegel oder andere Strahlteiler oder andere Anordnungen verwendet werden. Der Ausgangslaserstrahl kann entweder durch den nicht-frequenzkonvertierten oder durch den frequenzkonvertierten Laserstrahl gebildet sein, wobei im letzteren Fall bei einem Ausfall des AOM kein leistungsmodulierter Ausgangslaserstrahl erzeugt wird. Der Leistungsanteil des Ausgangsstrahls kann dadurch eingestellt werden, in welchem Verhältnis die Eingangsleistung auf die beiden Ablenkzustän- de aufgeteilt wird. Eine Steuereinheit versorgt die Ablenkeinheit mit entsprechenden Ansteuersignalen. Alternativ kann die Ausgangsleistung auch durch Modulation der Eingangsleistung erfolgen. Bei vielen Anwendungen ist es jedoch vorteilhaft, die Eingangsleistung konstant zu halten und die Leistung in der hier beschriebenen Anordnung zu modulieren.
Vorzugsweise weist der Strahlmodulator einen Detektor, der die Leistung mindestens eines der räumlich getrennten Laserstrahlen detektiert, und eine Regeleinheit auf, die anhand der detektierten Laserleistung die Ablenkeinheit ansteuert. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Laserbearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls, mit einem Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer die Ablenkeinrichtung des Strahlmodulators, insbesondere elektrisch, ansteuernden Maschinensteuerung.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Leis- tungsmodulieren eines Laserstrahls, wobei der einfallende Laserstrahl wahlweise unter zwei unterschiedlichen Winkeln abgelenkt wird, wobei die beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen mit unterschiedlicher Effizienz frequenzkonvertiert werden, wobei die frequenzkonvertierten und die nicht- frequenzkonvertierten Anteile der Laserstrahlen voneinander räumlich getrennt werden und wobei einer der beiden räumlich getrennten Laserstrahlen den leis- tungsmodulierten Ausgangslaserstrahl bildet.
Vorzugsweise wird die Leistung mindestens eines der räumlich getrennten Laserstrahlen detektiert und anhand der detektierten Laserleistung die Ablenkung des einfallenden Laserstrahls gesteuert.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Strahlmodulator mit einem SHG-Kristall zur Frequenzverdopplung der Laserstrahlung;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Strahlmodulator mit zwei nichtlinearen
Kristallen zur Frequenzverdreifachung der Laserstrahlung; Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Strahlmodulator mit Leistungsregelung; und
Fig. 4 eine Laserbearbeitungsmaschine mit dem erfindungsgemäßen
Strahlmodulator.
In der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Die in Fign. 1 und 2 gezeigten Strahlmodulatoren 1 dienen zur hochdynamischen Leistungsmodulation eines Laserstrahls 2.
Die Strahlmodulatoren 1 weisen jeweils eine im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls 2 angeordnete, z.B. elektrisch ansteuerbare Ablenkeinrichtung 3 auf, welche den einfallenden Laserstrahl 2 in einem elektrisch nicht angesteuerten, ersten Zustand nicht ablenkt (nicht-abgelenkter Laserstrahl 4a mit Ablenkwinkel Oi=Ö°) und in einem zweiten, elektrisch angesteuerten Zustand ablenkt (abgelenkter Laserstrahl 4b mit Ablenkwinkel a2>0°). Die Ablenkeinrichtung 3 ist beispielsweise ein elektrisch ansteuerbarer AOM. Im Strahlengang der beiden Laserstrahlen 4a, 4b ist ein nichtlinearer SHG-Kristall 5 angeordnet. Der nicht-abgelenkte Laserstrahl 4a trifft innerhalb des für SHG- Frequenzkonversion erforderlichen SHG-Winkelakzeptanzbereichs des SHG- Kristalls 5, im gezeigten Ausführungsbeispiel rechtwinklig, auf den SHG-Kristall 5 und wird daher zumindest teilweise auf die doppelte Frequenz konvertiert (fre- quenzkonvertierter Laserstrahl 6a und nicht frequenzkonvertierter Strahl 6c). Der abgelenkte Laserstrahl 4b trifft hingegen außerhalb des SHG- Winkelakzeptanzbereichs auf den SHG-Kristall 5 und wird daher nicht (bzw. weniger effizient) frequenzkonvertiert (nicht-frequenzkonvertierter Laserstrahl 6b). Im Strahlengang der frequenzkonvertierten und nicht-frequenzkonvertierten Laserstrahlen 6a, 6b, 6c ist ein Separator in Form eines wellenlängen-abhängigen Strahlteilers 7, z.B. ein dichroitischer Spiegel, angeordnet, der für die Wellenlänge des frequenzkonvertierten Laserstrahls 6a reflektiv und für die Wellenlänge des nicht-frequenzkonvertierten Laserstrahls 6b, 6c transmissiv ist. Der im Strahlen- gang beispielsweise unter einem Winkel von 45° angeordnete Strahlteiler 7 trans- mittiert den nicht-frequenzkonvertierten Laserstrahl 6b, 6c (transmittierte Laserstrahlen 9b, 9c) und lenkt den frequenzkonvertierten Laserstrahl 6a um 90° um (umgelenkter Laserstrahl 9a). Einer der Laserstrahlen 9a oder 9b/9c wird als leis- tungsmodulierter Ausgangslaserstrahl des Strahlmodulators 1 genutzt, wohingegen der nicht genutzte andere Laserstrahl in eine Strahlfalle (nicht gezeigt) gelenkt werden kann.
An die Ablenkeinrichtung 3 werden in den beiden Ansteuerzuständen von einer Steuereinheit 10 unterschiedliche elektrische Steuersignale angelegt, um den einfallenden Laserstrahl 2 unterschiedlich weit abzulenken. Durch elektrisches Umschalten (hier binäres Ein- und Ausschalten des elektrischen Steuersignals) zwischen den beiden Ansteuerzuständen der Ablenkeinrichtung 3 kann der Ausgangslaserstrahl entsprechend leistungsmoduliert bzw. die Verhältnisse dieser beiden Zustände eingestellt werden. Durch die Steuereinheit 10 kann zusätzlich eingestellt werden, wie die Leistung des einfallenden Laserstrahls 2 auf den nicht- abgelenkten und den abgelenkten Laserstrahl 4a, 4b aufgeteilt wird.
Da die unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen 4a, 4b beide jeweils auf den nichtlinearen Kristall 5 auftreffen, trifft in beiden Ansteuerzuständen stets die gleiche Laserleistung auf den nichtlinearen Kristall 5, der folglich in beiden Ansteuerzuständen eine möglichst gleiche Erwärmung erfährt.
Alternativ zum wellenabhängigen Strahlteiler 7 kann auch ein anderer Separator zum räumlichen Separieren der beiden Ausgangslaserstrahlen 9a, 9b eingesetzt werden, also z.B. auch Spiegel oder andere Strahlteiler.
Vom Strahlmodulator der Fig. 1 unterscheidet sich der in Fig. 2 gezeigte Strahlmodulator 1 lediglich dadurch, dass hier eine Kombination zweier nichtlinearer Kristalle 5, 5' zur Frequenzverdreifachung eingesetzt ist. Der erste Kristall 5 ist ein SHG-Kristall und erzeugt zumindest teilweise die zweite Harmonische, also eine Frequenzverdopplung. Im zweiten Kristall 5' werden dann aus der Grundfrequenz (Laserstrahl 6c) und der zweiten Harmonischen (Laserstrahl 6a) in einem Sum- menfrequenzprozess zumindest teilweise die dritte Harmonische, also eine Fre- quenzverdreifachung, erzeugt. Der nicht-abgelenkte Laserstrahl 4a trifft auf beide Kristalle 5, 5' jeweils innerhalb der für beide Frequenzkonversionen erforderlichen Winkelakzeptanzbereiche und wird daher zumindest teilweise auf die dreifache Frequenz konvertiert. Dieser auf die dreifache Frequenz konvertierte Laserstrahl ist mit 6d bezeichnet. Der abgelenkte Laserstrahl 4b trifft hingegen auf mindestens einen der beiden Kristalle 5, 5' außerhalb des Winkelakzeptanzbereichs, wodurch keine bzw. deutlich weniger Leistung frequenzkonvertiert wird. Der Strahlteiler 7 lenkt nur den auf die dreifache Frequenz konvertierten Laserstrahl 6d um 90° um (umgelenkter Laserstrahl 9a) und transmittiert die anderen Laserstrahlen 6a, 6b, 6c (transmittierte Laserstrahlen 9b, 9c).
Da die Laserstrahlen 6a-6c alle jeweils auf den zweiten Kristall 5' auftreffen, trifft in beiden Ansteuerzuständen stets die gleiche Laserleistung auf den zweiten Kristall 5', der folglich in beiden Ansteuerzuständen eine möglichst gleiche Erwärmung erfährt.
Anstelle der gezeigten zwei hintereinander angeordneten Kristalle 5, 5' können auch drei oder mehr mehrere Kristalle hintereinander angeordnet sein. Statt einer Verdreifachung der Wellenlänge sind aber auch andere Konversionsschemata möglich, z.B. zwei hintereinander angeordnete SHG-Kristallen für eine Frequenzvervierfach ung.
Der Ablenkwinkel des abgelenkten Laserstrahls 4b kann beispielsweise an das erste Minimum der sinc-Funktion des nichtlinearen Kristalls 5, 5' angepasst sein.
In den Fign. 1 und 2 wird der nicht-abgelenkte Laserstrahl 4a frequenzkonvertiert und, da die gesamte Laserleistung der fundamentalen Wellenlänge zur Verfügung steht, tritt bei der Modulation kein Leistungsverlust auf. Statt wie in den Fign. 1 und 2 den nicht-abgelenkten Laserstrahl 4a zu konvertieren, kann der nichtlineare Kristall 5, 5' auch so angeordnet sein, dass der abgelenkte Laserstrahl 4b innerhalb der Winkelakzeptanzbereiche der Kristalle 5, 5' auf die Kristalle 5, 5' trifft und daher frequenzkonvertiert wird. Der nicht-abgelenkte Laserstrahl 4a trifft hingegen außerhalb der Winkelakzeptanzbereiche der Kristalle 5, 5' auf die Kristalle 5, 5'und wird daher nicht frequenzkonvertiert. Auch in diesem Fall werden die frequenzkonvertierten und die nicht-frequenzkonvertierten Laserstrahlen mittels des Strahlteilers 7 voneinander räumlich getrennt. In diesem Fall wird also der abgelenkte Laserstrahl 4b frequenzkonvertiert und somit bei Ausfall des AOM 3 keine Leistung konvertiert.
Vom Strahlmodulator der Fig. 1 unterscheidet sich der in Fig. 3 gezeigte Strahlmodulator 1 lediglich dadurch, dass hier über einen teilreflektiven Spiegel 11 ein Teil des Ausgangslaserstrahls 9a auf einen Detektor/Messaufnehmer 12 gelenkt und in einer Regeleinheit (z.B. Maschinensteuerung) 13 mit einem Leistungssollwert verglichen wird und die Ablenkeinheit 3 bzw. ihre Steuereinheit 10 von der Regeleinheit 13 entsprechend angesteuert/geregelt wird. Somit kann man auf konstante Leistung bzw. auf eine vorgegebene Leistung regeln. Alternativ können auch der oder die nicht genutzten Laserstrahlen 9b, 9c gemessen und daraus die Leistung des Ausgangslaserstrahls 9a berechnet und mit einem Sollwert verglichen werden. Allerdings können dabei Änderungen in der Konversionseffizienz der nichtlinearen Kristalle z.B. durch Degradation/Defekte/Temperatur/Dejustage nicht berücksichtigt bzw. kompensiert werden. Fig. 4 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine 20 mit einem Laserstrahlerzeuger 21 zum Erzeugen des Laserstrahls 2, mit dem Strahlmodulator 1 und mit einer die Ablenkeinrichtung 3 bzw. ihre Steuereinheit 10 elektrisch ansteuernden Maschinensteuerung 22. Mittels des Ausgangslaserstrahls 9a können Werkstücke 23 mit der gewünschten Modulation der Laserleistung bearbeitet wer- den.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlmodulator (1 ) zur Leistungsmodulation eines Laserstrahls (2),
mit einer im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls (2) angeordneten, ansteuerbaren Ablenkeinrichtung (3), welche zwei Ansteuerzustände aufweist, in denen der einfallende Laserstrahl (2) unterschiedlich weit (α-ι, 02) abgelenkt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Strahlengang der beiden unterschiedlich weit abgelenkten
Laserstrahlen (4a, 4b) mindestens ein nichtlinearer Kristall (5; 5') angeordnet ist, der einen der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen mit höherer Effizienz und den anderen Laserstrahl mit geringerer Effizienz frequenzkonvertiert, und
dass im Strahlengang des mit höherer Effizienz frequenzkonvertierten und des mit geringerer Effizienz frequenzkonvertierten Laserstrahls (6a, 6b) ein Separator (7) angeordnet ist, der die frequenzkonvertierten und die nicht- frequenzkonvertierten Anteile der Laserstrahlen (6a, 6b) voneinander räumlich trennt, wobei einer der beiden räumlich getrennten Laserstrahlen (9a, 9b, 9c) den leistungsmodulierten Ausgangslaserstrahl bildet.
2. Strahlmodulator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in einem der beiden Ansteuerzustände der Ablenkeinrichtung (3) der einfallende Laserstrahl (2) von der Ablenkeinrichtung (3) mit einem Winkel (c ) von 0° abgelenkt ist.
3. Strahlmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen (4a, 4b) beide jeweils auf den mindestens einen nichtltnearen Kristall (5; 5') auftreffen.
4. Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer (4a) der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen innerhalb des für Frequenzkonversion erforderlichen Akzeptanzwinkelbereichs des mindestens einen nichtlinearen Kristalls (5; 5') auf den nichtiinearen Kristall (5; 5') trifft und der andere Laserstrahl (4b) außerhalb des Akzeptanzwinkelbereichs auf den nichtlinearen Kristall (5; 5') trifft.
5. Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der beiden unterschiedlich weit abgelenkten Laserstrahlen (4a, 4b) ein nichtlinearer Frequenzverdopplungskristall (5) oder eine Kombination mindestens zweier nichtlinearer Kristalle (5, 5') zur Frequenzvervielfachung angeordnet ist.
6. Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtung (3) als ein elektrisch angesteuerter AOM ausgebildet ist.
7. Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (7) als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist.
8. Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangslaserstrahl durch den frequenzkonvertierten Laserstrahl (9a) gebildet ist.
9. Strahlmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangslaserstrahl durch den nicht-frequenzkonvertierten Laserstrahl (9b, 9c) gebildet ist.
10. Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Ablenkeinrichtung (3), insbesondere elektrisch, ansteuernde Steuereinheit (10).
11 . Strahlmodulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (10) die Ablenkeinrichtung (3) derart ansteuert, dass der einfallende Laserstrahl (2) in einem einstellbaren Leistungsverhältnis auf den abgelenkten und nicht-abgelenkten Strahl (4a, 4b) aufgeteilt wird.
12. Strahlmodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Detektor (12), der die Leistung mindestens eines der räumlich getrennten Laserstrahlen (9a, 9b, 9c) detektiert, und durch eine Regeleinheit (13), die anhand der detektierten Laserleistung die Ablenk- einheit (3) ansteuert.
13. Laserbearbeitungsmaschine (20) zum Bearbeiten von Werkstücken (23), mit einem Laserstrahlerzeuger (21 ) zum Erzeugen des Laserstrahls (2), mit einem Strahlmodulator (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer die Ablenkeinrichtung (3) des Strahlmodulators (1 ), insbesondere elektrisch, ansteuernden Maschinensteuerung (13, 22).
14. Verfahren zum Leistungsmodulieren eines Laserstrahls (2), wobei der einfallende Laserstrahl (2) wahlweise unter zwei unterschiedlichen Winkeln (eh , a2) abgelenkt wird, wobei die beiden unterschiedlich weit abgelenkten
Laserstrahlen (4a, 4b) mit unterschiedlicher Effizienz frequenzkonvertiert werden, wobei die frequenzkonvertierten und die nicht- frequenzkonvertierten Anteile der Laserstrahlen (6a, 6b) voneinander räumlich getrennt werden und wobei einer der beiden räumlich getrennten Laserstrahlen (9a, 9b, 9c) den leistungsmodulierten Ausgangslaserstrahl bildet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung mindestens eines der räumlich getrennten Laserstrahlen (9a, 9b, 9c) de- tektiert und anhand der detektierten Laserleistung die Ablenkung des einfallenden Laserstrahls (2) gesteuert wird.
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