WO2022214366A2 - Vorrichtung und verfahren zur polarisation eines laserstrahls, der einen undefinierten polarisationszustand aufweist - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur polarisation eines laserstrahls, der einen undefinierten polarisationszustand aufweist Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the field of laser processing.
  • the invention relates to a device and a method for polarizing a laser beam, as well as a laser processing system comprising the device.
  • the polarization of the laser beam plays an important role.
  • certain interactions between the laser beam and the workpiece can be exploited in a targeted manner, for example to optimize the energy input into the workpiece through adapted (e.g. increased) absorption of the laser radiation.
  • transport fibers which guide the raw laser beam from the laser source to the processing optics and which typically have lengths of at least 20 m, cannot transmit a defined polarization state.
  • a laser beam that does not have a defined polarization state can be split into two polarized partial beams by means of a beam splitter. Since a merger of Both partial beams to a polarized processing beam (or laser output beam) is not easily possible, only one of the partial beams is used as a working beam. About 50% of the energy of the input beam is lost.
  • CN 1484065 A describes a device in which an incident, unpolarized light beam is divided into two differently polarized sub-beams, which are recombined by means of optical elements.
  • the incident light beam is divided by means of a birefringent element.
  • the polarization state of one of the partial beams is rotated by means of a wave plate (also referred to as a wave plate), so that both partial beams have the same polarization state. Both partial beams are then brought together again via a lens and a K-shaped prism.
  • a major disadvantage of this device is that the resulting output beam does not have a defined, homogeneous beam profile. Essentially, the two partial beams continue to exist locally next to each other or partially overlap without "mixing" into a common output beam.
  • the object of the present invention is to improve the prior art.
  • a device for polarizing a laser input beam with the laser input beam having an undefined Has polarization state.
  • the device includes a beam splitting device that is designed to split the laser input beam into a first partial beam, which has a first defined polarization state, and into a second partial beam, which has a second defined polarization state.
  • the device comprises a polarization change element for changing the polarization state of one of the polarized partial beams, so that both partial beams have the same defined polarization state.
  • the device comprises a focusing element and a light-guiding element. The focusing element is designed to couple the two partial beams into the light-guiding element in order to combine the partial beams (by means of the light-guiding element) while maintaining the defined polarization state (of the partial beams) to form a laser output beam.
  • laser input beam can preferably refer to different states of the same laser beam at different points in the beam path of the laser beam.
  • the different designation only serves to differentiate between the different states or properties of the laser beam before or after it has passed through the device according to the invention.
  • the partial beams mix to form a common laser beam (laser output beam) as they pass through the light guide element, which is preferably designed as a piece of fiber, without significant losses in the state of polarization of the partial beams.
  • a laser beam that has an undefined polarization state can be polarized by means of the device disclosed above without significant power losses.
  • Examples of laser beams that have an undefined polarization state are unpolarized or randomly polarized laser beams for which the polarization state is not known.
  • the components of the device are preferably arranged sequentially in the described order in the direction of propagation of the laser input beam.
  • the laser input beam or the partial beams must be suitable for beam transmission by means of optical waveguides (such as the light-guiding element).
  • the laser input beam can be a solid-state laser beam.
  • the laser beam i.e. as the laser input beam, as well as the partial beams and as the laser output beam
  • the laser input beam can preferably be directed to the beam splitting device in a collimated state.
  • the laser input beam can also be slightly divergent or slightly convergent.
  • a collimation device e.g. in the form of a lens or a mirror
  • Preserving the polarization state of the partial beams in the laser output beam means that the majority (i.e. at least 50%) of the laser output beam has the defined polarization state of the partial beams, or a defined polarization state that deviates slightly from this defined polarization state (e.g. slightly rotated).
  • the proportion of the defined polarization state in the laser output beam can be at least 90%, more preferably at least 95%, more preferably at least 98%.
  • the polarization state of a (completely) s-polarized partial beam in the laser output beam can be regarded as preserved if the laser output beam is still 98% s-polarized.
  • the degree of polarization can be determined using the Stokes parameters, as described, for example, in Edward Collett (2005), Field Guide to Polarization, SPIE Press, p. 39 et seq.
  • the light-guiding element preferably has a length that is long enough for the two partial beams to be combined within the light-guiding element to form a laser output beam and/or small enough for the defined polarization state of the two partial beams to be retained in the laser output beam.
  • the combination of the partial laser beams to form the laser output beam can be understood as a mixing of the partial laser beams as they pass through the light guide element, so that the laser output beam preferably has an intensity distribution that is uniform along its circumference.
  • the laser output beam can have different cross-sectional shapes.
  • the laser output beam can have a radially symmetrical beam profile using an optical fiber with a circular cross section.
  • the laser output beam can also have a polygonal, eg rectangular, or elliptical beam profile.
  • a A laser output beam with a defined polarization state can, for example, be easily rotated using a wave plate, so that the polarization direction can be adapted to a feed direction during material processing.
  • the beam splitting device can preferably also be designed to deflect the first partial beam and/or the second partial beam in such a way that the two partial beams run essentially parallel to one another.
  • the wording "substantially parallel” is to be understood in this case as meaning that a deviation from the exactly parallel position is included as long as the two partial beams can be coupled into the light-guiding element by means of the focusing element. A deviation of up to 2 ° can, for example, from the Formulation included.
  • the length of the light guide element can be at most 500 mm, preferably at most 100 mm, even more preferably at most 50 mm.
  • the light-guiding element has a length of one or a few meters. It must be taken into account that the defined state of polarization of the partial beams in the laser output beam is lost as the length of the fiber-optic element increases. The shorter the light guide element is, the better the defined state of polarization of the partial beams in the laser output beam is preserved. For example, with a length of the light guide element of 50 mm, the polarization state of the laser output beam can still correspond to about 98% to the defined polarization state of the partial beams. With a length of the fiber-optic element of 1 m, this value can still be over 90%. It is therefore understood that the advantageous effects of the present invention - albeit in a weakened form - in the Use of a few meters long (e.g. up to 10 m) light-guiding element still clearly come into play.
  • the length of the light guide element can be at least 15 mm, preferably at least 20 mm.
  • a predeterminable minimum length of the light-guiding element is required in order to ensure a homogeneous beam profile of the laser output beam, in particular with an intensity distribution that is uniform along the circumference of the laser output beam.
  • the length of the light guide element is as short as possible in order to maintain the defined polarization state of the two partial beams in the laser output beam as far as possible and as long as necessary to ensure sufficient homogeneity of the laser output beam.
  • the focusing element and the light-guiding element can be arranged symmetrically in the beam path of the partial beams in such a way that the partial beams are coupled into the light-guiding element at the same angle.
  • the focusing element and the optical fiber can both be arranged on a central axis in the beam path, which runs centrally between and parallel to the partial beams. If both partial beams couple into the light-guiding element at the same angle, a ring-shaped beam profile results in the far field of the laser output beam.
  • the focusing element and the light-guiding element can be arranged asymmetrically in the beam path of the partial beams in such a way that the partial beams are coupled into the light-guiding element at different angles.
  • the focusing element and the light-guiding element can have an axial offset with respect to the central axis. With a maximum offset, the focusing element and the light-guiding element can lie on the beam axis of one of the partial beams, so that this partial beam is coupled perpendicularly into the light-guiding element. The other partial beam is correspondingly coupled into the light-guiding element at a comparatively acute angle.
  • the angle of incidence of the partial beams in the light-guiding element can also be regulated by the distance between the partial beams and the distance between the focusing element and the optical fiber.
  • the focusing element and the light-guiding element are arranged so as to be displaceable longitudinally and/or transversely to the beam propagation direction of the partial beams.
  • the beam splitting device may comprise a thin film polarizer and a mirror.
  • the thin-film polarizer can be arranged at an angle in the beam path of the laser input beam, so that a first part of the laser input beam, which has the first defined polarization state, is transmitted through the thin-film polarizer as a first partial beam and a second part of the Laser input beam, which has the second defined polarization state, is reflected as a second partial beam on the surface of the thin-film polarizer.
  • the mirror may be angled in the beam path of one of the sub-beams to reflect the incident sub-beam such that it is aligned substantially parallel to the other sub-beam.
  • thin-film polarizers also known as thin-layer polarizers
  • thin-layer polarizers are particularly suitable for high laser powers.
  • a separate mirror can also be arranged in each of the partial beams, which reflects or deflects the respective partial beam in such a way that the partial beams run essentially parallel to one another.
  • the use of a thin-film polarizer and a mirror for the beam splitting device has the advantage that the spatial distance between the partial beams can be set as desired, independently of the laser power of the laser input beam.
  • the beam splitting device can be a birefringent optical element which has different refractive indices in relation to the first defined polarization state and the second defined polarization state, so that the laser input beam is split into the first and second partial beams when it strikes the birefringent element, where the partial beams are aligned (essentially) parallel to one another as they exit the birefringent element by refraction effects.
  • the structure of this variant is particularly simple.
  • the spatial displacement of the partial beams depends directly on the thickness of the birefringent element and cannot easily be adjusted arbitrarily.
  • the polarization change element can be a wave plate (or a wave plate), in particular a 1/2 plate (or a 1/2 plate). In this way, the polarization state of the incident partial beam can be rotated by 90°.
  • the polarization of at least one of the partial beams changes, what is important is the rectification of the (defined) polarization states of the partial beams. It goes without saying that there are a large number of possible combinations of how the polarization states of the partial beams can be matched to one another.
  • a simple example would be that the laser input beam is split into two linearly polarized sub-beams, with the first sub-beam having p-polarization and the second sub-beam having s-polarization.
  • the polarization direction of one of the partial beams can then be rotated, for example by means of a 1/2 plate, in such a way that its polarization state is adjusted to the polarization state of the other partial beam.
  • the polarization state of the second sub-beam can be rotated from an s-polarized sub-beam to a p-polarized sub-beam.
  • the partial beams can also have another defined polarization state.
  • the partial beams can be elliptically polarized, in particular circularly polarized.
  • the focusing element can preferably be an optical lens.
  • a lens can be provided as a focusing element, which focuses the first partial beam and the second partial beam onto one end of the light-guiding element.
  • each of the partial beams can also be focused using a separate lens for coupling into the light-guiding element.
  • the partial beams can also first be focused into a (short) connecting fiber, in which case the connecting fibers can be welded to the light-guiding element (eg also an optical fiber) by means of splicing. In such a case, the partial beams reach the light guide element via the connecting fibers, where they mix to form the output laser beam.
  • the light guide element can preferably have a circular cross section.
  • the light guide element can also have a polygonal, e.g. rectangular, or elliptical cross section.
  • the light-guiding element can be an optical fiber, in particular a step index fiber.
  • other fiber types can also be used, for example a gradient index fiber or a hollow-core fiber.
  • NA numerical aperture
  • the numerical aperture (NA) and the core diameter of the optical fiber play a minor role in the effectiveness of the effects produced by the invention.
  • the light-guiding element can also be a cylindrical or conical glass rod. The greater the numerical aperture of the fiber, the greater the angle at which a partial beam propagates through the fiber with respect to the longitudinal axis of the fiber.
  • the light guide element can have a tapering cross section.
  • the light guide element can be designed as a conical optical fiber, namely as a so-called "tapered fiber". This means that the cross section of the fiber core decreases over the length of the fiber from the entry end to the exit end (conical Fiber). Compared with an optical fiber that has a constant cross section (cylindrical fiber), the beam quality of the laser output beam can be improved with such a fiber.
  • the conservation of the polarization state can decrease with the reduction of the fiber diameter for the same length of optical fiber, since the incident laser beams are reflected more frequently within the optical fiber with a reduced diameter.
  • a method for polarizing a laser input beam which has an undefined polarization state comprises dividing the laser input beam into a first partial beam which has a first defined polarization state and a second partial beam which has a second defined polarization state.
  • the method includes changing the polarization state of one of the polarized partial beams, so that both partial beams have the same defined polarization state.
  • the method includes coupling the two partial beams into a light-guiding element in order to combine the partial beams into a laser output beam while maintaining the defined polarization state (of the partial beams). It goes without saying that the method steps take place in the order described.
  • the method can be carried out, for example, using a device according to the invention according to one of the variants described above.
  • the method can have one or more features and/or advantages of the device described above.
  • the Laser processing equipment comprises: a laser beam source for generating a laser input beam; a transport optical fiber which has a length of several meters, in particular more than 10 m, and which is connected at a first of its ends to the laser beam source; and processing optics in communication with a second end of the transport optical fiber.
  • the processing optics comprise a collimation device for collimating the laser input beam incident from the transport optical fiber into the processing optics; a device for polarizing the laser input beam according to one of the variants described above; and a focusing device for focusing the polarized laser output beam onto an object to be processed.
  • the laser processing system can, for example, be a laser cutting system for cutting preferably metallic workpieces.
  • the processing optics can also include a wave plate, in particular a 1/2 plate, which is arranged rotatably in the beam path of the laser output beam, specifically preferably between the polarization device according to the invention and the focusing device.
  • the polarization direction of the laser output beam can be adapted to the cutting direction or feed direction of the laser by appropriate rotation of the wave plate.
  • the device described above is based on a principle for the polarization-maintaining combination of at least two laser beams, which are coupled into a light-guiding element by means of a focusing device, which preferably has a length that is long enough for the at least two laser beams to be combined or converted into a laser output beam within the light-guiding element ., and/or which is small enough that the Polarization state of the at least two laser beams in the laser output beam is maintained.
  • Figs. 2a-b variants of a light guide element according to the present invention
  • FIGS. 3 shows an alternative variant of a beam splitting device to that shown in FIGS.
  • FIG. 4a Schematically a symmetrical arrangement of a
  • Figs. 5a-d each show the beam profile of a laser output beam in the far field as a function of the length of the light-guiding element, the beam profile being based on an arrangement according to FIG. 4a;
  • Figs. 6a-d The beam profile of a laser output beam in the far field as a function of the length of the light-guiding element, where the beam profile is based on an arrangement according to Figure 4b;
  • Fig. 7 A laser cutting system according to the present invention.
  • FIG. 1a shows a device 1 according to the invention for polarizing a laser input beam 51 according to a variant.
  • the laser input beam 51 has an undefined polarization state and is provided in a collimated state.
  • a collimation device 132 in the form of a lens through which the laser input beam passes before entering the device 1 can be used.
  • the device 1 according to FIG la comprises a
  • Beam splitting device 10 with a thin-film polarizer 12 (also referred to as a thin-film polarizer) and a mirror 14.
  • a thin-film polarizer 12 also referred to as a thin-film polarizer
  • the laser input beam 51 is divided into the two differently polarized partial beams 52a and 52b.
  • the thin-film polarizer 14 is arranged at an angle in the beam path of the laser input beam 51 .
  • the first sub-beam 52a is transmitted through the thin-film polarizer 14 and the second sub-beam 52b is reflected when it hits the surface of the thin-film polarizer 14 .
  • the first partial beam 52a transmitted through the thin-film polarizer 14 has a first defined polarization state (for example p-polarization).
  • the second partial beam 52b reflected by the thin-film polarizer 14 has a second defined polarization state (for example s-polarization).
  • a second defined polarization state for example s-polarization.
  • the Beam splitting device 10 also has a mirror 14, which aligns the second partial beam 52b, deflected by the thin-film polarizer 12, parallel to the first partial beam 52a.
  • a wave plate 20 (also referred to as a wave plate), for example a l/2 plate, is also arranged in the beam path of the second partial beam 52b, which transforms the second polarization state of the second partial beam 52b (for example s-polarization) in such a way that it corresponds to the corresponds to the first polarization state of the first partial beam 52a (for example p-polarization). That is, after the second partial beam 52b has passed through the waveplate 20, both partial beams 52a, 52b run parallel to one another and have the same defined polarization state (namely the first polarization state, e.g. p-polarization).
  • the device 1 also includes a lens 30, which is arranged in the beam path of the two partial beams 52a, 52b in order to focus them and to couple them into a light-guiding element 40.
  • the light-guiding element 40 has a length L (see FIGS. 2a and 2b) that is long enough for the two partial beams 52a, 52b to be combined within the light-guiding element 40 to form a laser output beam 53 and small enough for the polarization state of the two Partial beams 52a, 52b (e.g. p-polarization) in the laser output beam 53 are retained.
  • the light guide element 40 can be a step-index fiber with a length between 20 mm and 50 mm.
  • FIG. 1 a A variation of the device 1 according to FIG. 1 a is shown in FIG.
  • the device according to FIG. 1b differs from the device 1 shown in FIG.
  • a more detailed description of the symmetrical and asymmetrical arrangement of the focusing element 30 and the Light guide element 40 follows below in connection with Figures 4a and 4b.
  • FIG. 1c shows a device 1 according to the invention according to a further variant, which differs from the variants according to FIGS. 1a and 1b by the arrangement of the mirror 14 and the wave plate 20.
  • FIG. 1c both the mirror 14 for rectifying the two partial beams 52a, 52b and the wave plate 20 according to FIG. 1c are arranged in the first partial beam 52a.
  • FIG. ld shows a variation of the device 1 according to FIG.
  • FIG. 2 schematically shows variants of a light-guiding element 40 that can be used for the device 1 according to the invention, the light-guiding element 40 being designed as an optical fiber 40 .
  • the optical fiber 40 can have a constant, for example circular, elliptical or polygonal, cross-section over its length L (see FIG. 2a).
  • the optical fiber 40 as a so-called “tapered fiber” can have a cross section that tapers over the length L, for example circular, elliptical or polygonal (see FIG. 1b).
  • FIG. 3 A variant of a beam splitting device 10 is shown schematically in FIG. 3, which differs from the arrangement according to FIGS.
  • the beam splitting device 10 according to FIG. 3 is constructed from a birefringent element 16 which has different refractive indices for different states of polarization.
  • a first partial beam 52a deflected
  • a second partial beam 52b enters the birefringent element 16 without deflection.
  • the partial beams 52a, 52b are rectified due to refraction effects.
  • the birefringent element 16 thus fulfills both the function of the thin-film polarizer 12 and that of the mirror 14 (see Figs. 1a-d).
  • the spatial separation of the two partial beams 52a, 52b depends on the thickness of the birefringent element 16 and is limited as a result.
  • the spatial separation of the partial beams by means of a birefringent element 16 becomes more and more difficult.
  • FIG. 4a shows a symmetrical arrangement of the focusing element in the form of a lens 30 and the light-guiding element 40 in the beam path of the partial beams 52a, 52b.
  • the lens 30 and the light-guiding element 40 can also be arranged asymmetrically in the beam path of the partial beams 52a, 52b. Such a constellation is shown in FIG. 4b.
  • the second partial beam is compared to symmetrical arrangement (see FIG. 4a) coupled into the light-guiding element 40 at an acute angle ⁇ 2.
  • the size of the angle ⁇ 2 depends on the distance between the partial beams 52a, 52b and on the distance between the lens 30 and the light-guiding element 40.
  • the fact that the partial beams 52a, 52b couple into the light guide element 40 at different angles results in a beam profile in the far field of the laser output beam 53 according to FIGS. 6a-d.
  • FIG. 4b shows a maximally asymmetrical arrangement. It goes without saying that the lens 30 can be positioned anywhere between the extreme positions on the beam axes 58a, 58b of the two partial beams 52a, 52b in order to achieve intermediate states between the beam profiles shown in FIGS. 5a-d and 6a-d.
  • FIGS. 5a-d and 6a-d show the dependence of the symmetry of the laser output beam 53 on the length of the light guide element 40.
  • FIGS. 5a to 5d show the beam profile of a laser output beam 53 in the far field in an arrangement according to FIG.
  • FIGS. 5a-d show the beam profile of a laser output beam 53 in the far field in an arrangement according to FIG. 4b with a different length L of the light-guiding element 40 in each case.
  • FIGS. 5a-d is that the asymmetrical arrangement of the focusing element 30 and the light-guiding element 40 (cf. FIG.
  • FIG. 4b results in a beam profile with a central spot surrounded by a circle.
  • the design of the beam profile according to FIGS. 6a-d can be explained on the basis of the example shown in FIG. 4b.
  • the central spot results from the first partial beam 52a, which was coupled perpendicularly into the light-guiding element 40.
  • the circular part of the beam profile is based on the second partial beam 52b, which was coupled into the light-guiding element 40 at a comparatively acute angle.
  • a laser processing system 100 is shown schematically in FIG.
  • the system 100 includes a laser beam source 110.
  • the laser beam generated in the laser beam source 110 is guided via a transport optical fiber 120 to processing optics 130.
  • a device 1 according to the invention is arranged in the processing optics 130 (not shown in FIG. 7), by means of which the unpolarized or randomly polarized laser input beam incident from the transport optical fiber 120 is polarized.
  • the polarized laser output beam is by means of a focusing device 134 on an object to be processed 200, such as a Plate-shaped, metallic workpiece, straightened in order to process it.

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Abstract

Bereitgestellt wird eine Vorrichtung (1) zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls (51), der einen undefinierten Polarisationszustand aufweist, die Vorrichtung (1) umfassend: Eine Strahlaufteilungseinrichtung (10) zur Aufteilung des Lasereingangsstrahls (51) in einen ersten Teilstrahl (52a), der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist, und einen zweiten Teilstrahl (52b), der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist; Ein Polarisationsänderungselement (20) zur Veränderung des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen (52a, 52b), sodass beide Teilstrahlen (52a, 52b) den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen; Ein Fokussierelement (30); und Ein Lichtleitelement (40), wobei das Fokussierelement (30) dazu ausgebildet ist, die beiden Teilstrahlen (52a, 52b) in das Lichtleitelement (40) einzukoppeln, um die Teilstrahlen (52a, 52b) unter Erhaltung des definierten Polarisationszustands zu einem Laserausgangsstrahl (53) zu kombinieren. Ferner wird eine Laserbearbeitungsanlage (100) bereitgestellt, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung (1) umfasst, sowie ein Verfahren zum Polarisieren eines unpolarisierten Laserstrahls.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Polarisation eines Laserstrahls, der einen Undefinierten Polarisationszustand aufweist
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Polarisation eines Laserstrahls, sowie eine die Vorrichtung umfassende Laserbearbeitungsanlage.
Stand der Technik
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls spielt die Polarisation des Laserstrahls eine wichtige Rolle. Durch einen definierten Polarisationszustand des Laserstrahls lassen sich bestimmte Wechselwirkungen zwischen Laserstrahl und Werkstück gezielt ausnutzen, um zum Beispiel den Energieeintrag in das Werkstück durch eine angepasste (z.B. eine erhöhte) Absorption der Laserstrahlung zu optimieren.
Bei der Materialbearbeitung mittels Festkörperlasern wird heutzutage größtenteils mit unpolarisierter Strahlung gearbeitet. Das liegt unter anderem daran, dass die Transportfasern, die den Laserrohstrahl von der Laserquelle zu der Bearbeitungsoptik leiten und die typischerweise Längen von mindestens 20 m aufweisen, einen definierten Polarisationszustand nicht übertragen können.
Die Polarisation eines unpolarisierten oder zufällig polarisierten Laserstrahls in der Bearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsanlage ist zwar möglich, in der Regel aber mit einem großen Energieverlust verbunden. So kann ein Laserstrahl, der keinen definierten Polarisationszustand aufweist, mittels eines Strahlteilers in zwei polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt werden. Da eine Zusammenführung der beiden Teilstrahlen zu einem polarisierten Bearbeitungsstrahl (bzw. Laserausgangsstrahl) nicht ohne Weiteres möglich ist, wird nur einer der Teilstrahlen als Arbeitsstrahl verwendet. Rund 50 % der Energie des Eingangsstrahls gehen also verloren.
In der CN 1484065 A wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein einfallender unpolarisierter Lichtstrahl in zwei unterschiedlich polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird, die mittels optischer Elemente wieder zusammengeführt werden. Die Aufteilung des einfallenden Lichtstrahls erfolgt mittels eines doppelbrechenden Elements. Mittels einer Wellenplatte (auch als Wellenplättchen bezeichnet) wird der Polarisationszustand eines der Teilstrahlen gedreht, sodass beide Teilstrahlen den gleichen Polarisationszustand aufweisen. Beide Teilstrahlen werden dann über eine Linse und ein K-förmiges Prisma wieder zusammengeführt.
Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass der resultierende Ausgangsstrahl kein definiertes, homogenes Strahlprofil aufweist. Im Wesentlichen bestehen die beiden Teilstrahlen örtlich nebeneinander bzw. sich teilweise überschneidend weiter, ohne sich zu einem gemeinsamen Ausgangsstrahl zu „vermischen".
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll es ermöglicht werden, einen Lasereingangsstrahl, der keinen definierten Polarisationszustand aufweist, ohne Leistungsverlust derart zu modifizieren, dass er einen definierten Polarisationszustand aufweist.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem Aspekt eine Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls bereitgestellt, wobei der Lasereingangsstrahl einen Undefinierten Polarisationszustand aufweist. Die Vorrichtung umfasst eine Strahlaufteilungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Lasereingangsstrahl in einen ersten Teilstrahl, der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist, und in einen zweiten Teilstrahl, der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist, aufzuteilen. Ferner umfasst die Vorrichtung ein Polarisationsänderungselement zur Veränderung des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen, sodass beide Teilstrahlen den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen. Die Vorrichtung umfasst ein Fokussierelement und ein Lichtleitelement. Das Fokussierelement ist dazu ausgebildet, die beiden Teilstrahlen in das Lichtleitelement einzukoppeln, um die Teilstrahlen (mittels des Lichtleitelements) unter Erhaltung des definierten Polarisationszustands (der Teilstrahlen) zu einem Laserausgangsstrahl zu kombinieren.
Die Bezeichnungen „Lasereingangsstrahl", „erster Teilstrahl", „zweiter Teilstrahl" und „Laserausgangsstrahl" können sich vorzugsweise auf unterschiedliche Zustände des gleichen Laserstrahls an unterschiedlichen Stellen im Strahlengang des Laserstrahls beziehen. Die unterschiedliche Bezeichnung dient insoweit lediglich der Unterscheidung der verschiedenen Zustände bzw. Eigenschaften des Laserstrahls vor bzw. nach dem Durchlaufen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Teilstrahlen beim Durchlaufen des Lichtleitelements, das vorzugsweise als Faserstück ausgebildet ist, sich ohne wesentliche Verluste des Polarisationszustandes der Teilstrahlen zu einem gemeinsamen Laserstrahl (Laserausgangsstrahl) vermischen. Somit kann ein Laserstrahl, der einen Undefinierten Polarisationszustand aufweist, mittels der oben offenbarten Vorrichtung ohne Wesentliche Leistungsverluste polarisiert werden. Beispiele für Laserstrahlen, die einen Undefinierten Polarisationszustand aufweisen, sind unpolarisierte oder zufällig polarisierte Laserstrahlen, bei denen der Polarisationszustand nicht bekannt ist.
Es versteht sich, dass die Komponenten der Vorrichtung vorzugsweise aufeinanderfolgend in der beschriebenen Reihenfolge in Ausbreitungsrichtung des Lasereingangsstrahls angeordnet sind.
Es versteht sich ferner, dass der Lasereingangsstrahl bzw. die Teilstrahlen zur Strahlübertragung mittels Lichtwellenleitern (wie das Lichtleitelement) geeignet sein müssen. Insbesondere kann der Lasereingangsstrahl ein Festkörperlaserstrahl sein. Der Laserstrahl (d.h. als Lasereingangsstrahl, sowie als die Teilstrahlen und als Laserausgangsstrahl) kann beispielsweise eine Wellenlänge zwischen 200 nm und 1300 nm, z.B. von 515 nm oder von 1030 nm, aufweisen.
Der Lasereingangsstrahl kann vorzugsweise in einem kollimierten Zustand auf die Strahlaufteilungseinrichtung gerichtet werden. Der Lasereingangsstrahl kann alternativ auch leicht divergent oder leicht konvergent verlaufen. Zur Bereitstellung eines kollimierten Lasereingangsstrahls kann eine Kollimationseinrichtung (z.B. in Form einer Linse oder eines Spiegels) vorgesehen sein, die den Lasereingangsstrahl vor dem Eintritt in die erfindungsgemäße Vorrichtung kollimiert.
Unter der Erhaltung des Polarisationszustandes der Teilstrahlen im Laserausgangsstrahl ist zu verstehen, dass der überwiegende Anteil (d.h. mindestens 50 %) des Laserausgangsstrahls den definierten Polarisationszustand der Teilstrahlen, oder einen geringfügig von diesem definierten Polarisationszustand abweichenden (z.B. leicht gedrehten) definierten Polarisationszustand, aufweist. Gemäß einer bevorzugten Variante kann der Anteil des definierten Polarisationszustands im Laserausgangsstrahl wenigstens 90 %, bevorzugter wenigstens 95 %, noch bevorzugter wenigstens 98 % betragen. Beispielsweise kann der Polarisationszustand eines (vollständig) s-polarisierten Teilstrahls im Laserausgangsstrahl als erhalten anzusehen sein, wenn der Laserausgangsstrahl noch zu 98 % s-polarisiert ist.
Die Übereinstimmung des Polarisationszustandes des Laserausgangsstrahls mit dem definierten Polarisationszustand der Teilstrahlen lässt sich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung insbesondere anhand des Polarisationsgrades des Laserausgangsstrahls bestimmen. Dabei ist davon auszugehen, dass der Polarisationsgrad (P) der Teilstrahlen P=1 ist. Der Polarisationsgrad kann anhand der Stokes- Parameter ermittelt werden, wie beispielsweise in Edward Collett (2005), Field Guide to Polarization, SPIE Press, S. 39 ff. beschrieben.
Das Lichtleitelement weist vorzugsweise eine Länge auf, die groß genug ist, damit die beiden Teilstrahlen innerhalb des Lichtleitelements zu einem Laserausgangsstrahl kombiniert werden und/oder die klein genug ist, damit der definierte Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen im Laserausgangsstrahl erhalten bleibt.
Die Kombination der Laserteilstrahlen zu dem Laserausgangsstrahl kann als eine Durchmischung der Laserteilstrahlen beim Durchlaufen des Lichtleitelements verstanden werden, sodass der Laserausgangsstrahl vorzugsweise eine entlang seines Umfangs gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist. Abhängig von der Geometrie des Lichtleitelements kann der Laserausgangsstrahl unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Beispielsweise kann der Laserausgangsstrahl unter Verwendung einer Lichtleitfaser mit kreisrundem Querschnitt ein radialsymmetrisches Strahlprofil aufweisen. Bei der Verwendung eines polygonalen, z.B. rechteckigen, oder eines elliptischen Faserstücks kann der Laserausgangsstrahl auch ein polygonales, z.B. rechteckiges, oder elliptisches Strahlprofil aufweisen. Ein Laserausgangsstrahl mit einem definierten Polarisationszustand lässt sich beispielsweise problemlos mittels einer Wellenplatte drehen, sodass die Polarisationsrichtung an eine Vorschubrichtung bei der Materialbearbeitung angepasst werden kann.
Vorzugsweise kann die Strahlaufteilungseinrichtung ferner dazu ausgebildet, den ersten Teilstrahl und/oder den zweiten Teilstrahl derart abzulenken, dass beide Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die Formulierung „im Wesentlichen parallel" ist in diesem Fall so zu verstehen, dass eine Abweichung von der exakt parallelen Lage umfasst ist, solange die beiden Teilstrahlen mittels des Fokussierelements in das Lichtleitelement einkoppelbar sind. Eine Abweichung von bis zu 2 ° kann beispielsweise von der Formulierung umfasst sein.
Gemäß einer Variante kann die Länge des Lichtleitelements höchstens 500 mm, bevorzugt höchstens 100 mm, noch bevorzugter höchstens 50 mm betragen.
In manchen Anwendungsbereichen kann es ferner vorteilhaft sein, wenn das Lichtleitelement eine Länge von einem oder wenigen Metern aufweist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der definierte Polarisationszustand der Teilstrahlen im Laserausgangstrahl mit zunehmender Länge des Lichtleitelements verloren geht. Je kürzer also das Lichtleitelement ist, desto besser bleibt der definierte Polarisationszustand der Teilstrahlen im Laserausgangsstrahl erhalten. Beispielsweise kann der Polarisationszustand des Laserausgangsstrahls bei einer Länge des Lichtleitelements von 50 mm noch zu etwa 98 % dem definierten Polarisationszustand der Teilstrahlen entsprechen. Bei einer Länge des Lichtleitelements von 1 m kann dieser Wert noch immer über 90 % betragen. Es versteht sich daher, dass die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung - wenn auch in abgeschwächter Form - bei der Verwendung eines wenige Meter langen (z.B. bis zu 10 m) Lichtleitelements noch deutlich zum Tragen kommen.
Ferner kann die Länge des Lichtleitelements mindestens 15 mm, vorzugsweise mindestens 20 mm, betragen. Je nach verwendetem Lichtleitelement ist eine vorgebbare Mindestlänge des Lichtleitelements erforderlich, um ein homogenes Strahlprofil des Laserausgangsstrahls, insbesondere mit einer entlang des Umfangs des Laserausgangsstrahls gleichmäßigen Intensitätsverteilung, zu gewährleisten.
Insgesamt kann es also vorteilhaft sein, wenn die Länge des Lichtleitelements so kurz wie möglich ist, um den definierten Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen im Laserausgangsstrahl soweit wie möglich aufrecht zu erhalten und so lang wie nötig, um eine hinreichende Homogenität des Laserausgangsstrahls zu gewährleisten.
Das Fokussierelement und das Lichtleitelement können derart symmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen angeordnet sein, dass die Teilstrahlen unter demselben Winkel in das Lichtleitelement eingekoppelt werden.
Mit anderen Worten können das Fokussierelement und die Lichtleitfaser beide auf einer zentralen Achse im Strahlengang angeordnet sein, die mittig zwischen und parallel zu den Teilstrahlen verläuft. Wenn beide Teilstrahlen unter demselben Winkel in das Lichtleitelement einkoppeln, ergibt sich im Fernfeld des Laserausgangsstrahls ein ringförmiges Strahlprofil.
Gemäß einer alternativen Variante können das Fokussierelement und das Lichtleitelement derart asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen angeordnet sein, dass die Teilstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement eingekoppelt werden. Bei dieser Variante können das Fokussierelement und das Lichtleitelement einen axialen Versatz zu der zentralen Achse aufweisen. Bei einem maximalen Versatz können das Fokussierelement und das Lichtleitelement auf der Strahlachse eines der Teilstrahlen liegen, sodass dieser Teilstrahl senkrecht in das Lichtleitelement eingekoppelt wird. Der andere Teilstrahl wird entsprechend unter einem vergleichsweise spitzen Winkel in das Lichtleitelement eingekoppelt. Bei einer solchen maximalen Asymmetrie der Einkopplung beider Teilstrahlen in das Lichtleitelement ergibt sich im Fernfeld des gebündelten Laserausgangsstrahls ein Strahlprofil mit einem zentralen Spot und einem äußeren Ring. Es versteht sich, dass zwischen der symmetrischen Anordnung und der maximal asymmetrischen Anordnung weitere asymmetrische Anordnungen des Fokussierelements und des Lichtleitelements möglich sind, die entsprechende Strahlprofile hervorrufen.
Es versteht sich ferner, dass der Einfallwinkel der Teilstrahlen in das Lichtleitelement zusätzlich durch den Abstand der Teilstrahlen zueinander und den Abstand zwischen Fokussierelement und Lichtleitfaser reguliert werden kann.
Zur Regulierung des Strahlprofils des Laserausgangsstrahls kann es daher vorgesehen sein, dass das Fokussierelement und das Lichtleitelement längs und/oder quer zur Strahlausbreitungsrichtung der Teilstrahlen verschieblich angeordnet sind.
Gemäß einer Variante kann die Strahlaufteilungseinrichtung einen Dünnfilmpolarisator und einen Spiegel umfassen. Der Dünnfilmpolarisator kann im Strahlengang des Lasereingangsstrahls winklig angeordnet sein, sodass ein erster Teil des Lasereingangsstrahls, der den ersten definierten Polarisationszustand aufweist, als erster Teilstrahl durch den Dünnfilmpolarisator transmittiert wird und ein zweiter Teil des Lasereingangsstrahls, der den zweiten definierten Polarisationszustand aufweist, als zweiter Teilstrahl an der Oberfläche des Dünnfilmpolarisators reflektiert wird. Der Spiegel kann winklig in dem Strahlengang eines der Teilstrahlen angeordnet sein, um den einfallenden Teilstrahl derart zu reflektieren, dass dieser im Wesentlichen parallel zu dem anderen Teilstrahl ausgerichtet ist.
Die Verwendung von Dünnfilmpolarisatoren (auch als Dünnschichtpolarisatoren bezeichnet) eignet sich besonders bei hohen Laserleistungen.
Es versteht sich, dass auch in jedem der Teilstrahlen ein separater Spiegel angeordnet sein kann, der den jeweiligen Teilstrahl derart reflektiert bzw. ablenkt, dass die Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Die Verwendung eines Dünnfilmpolarisators und eines Spiegels für die Strahlaufteilungseinrichtung hat den Vorteil, dass der räumliche Abstand der Teilstrahlen voneinander unabhängig von der Laserleistung des Lasereingangsstrahls beliebig eingestellt werden kann.
Gemäß einer alternativen Variante kann die Strahlaufteilungseinrichtung ein doppelbrechendes optisches Element sein, das in Bezug auf den ersten definierten Polarisationszustand und den zweiten definierten Polarisationszustand verschiedene Brechungsindizes aufweist, sodass der Lasereingangsstrahl beim Einfall in das doppelbrechende Element in den ersten und den zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, wobei die Teilstrahlen beim Austritt aus dem doppelbrechenden Element durch Brechungseffekte (im Wesentlichen) parallel zueinander ausgerichtet werden.
Der Aufbau dieser Variante ist besonders simpel. Andererseits hängt der räumliche Versatz der Teilstrahlen direkt von der Dicke des doppelbrechenden Elements ab und kann nicht ohne weiteres beliebig eingestellt werden.
Das Polarisationsänderungselement kann eine Wellenplatte (bzw. ein Wellenplättchen), insbesondere eine l/2-Platte (bzw. ein l/2-Plättchen) sein. Auf diese Weise kann der Polarisationszustand des einfallenden Teilstrahls um 90° gedreht werden.
Bei der Polarisationsänderung wenigstens eines der Teilstrahlen kommt es auf die Gleichrichtung der (definierten) Polarisationszustände der Teilstrahlen an. Es versteht sich, dass sich dabei eine Vielzahl von möglichen Kombinationen ergibt, wie die Polarisationszustände der Teilstrahlen aneinander angeglichen werden können. Ein einfaches Beispiel wäre, dass der Lasereingangsstrahl in zwei linear polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrahl eine p-Polarisation und der zweite Teilstrahl eine s-Polarisation aufweist. Die Polarisationsrichtung eines der Teilstrahlen kann dann, zum Beispiel mittels eines l/2- Plättchens, so gedreht werden, dass dessen Polarisationszustand an den Polarisationszustand des anderen Teilstrahls angeglichen wird. Beispielsweise kann der Polarisationszustand des zweiten Teilstrahls von einem s-polarisierten Teilstrahl in einen p-polarisierten Teilstrahl gedreht werden. Es versteht sich jedoch, dass die Teilstrahlen auch einen anderen definierten Polarisationszustand aufweisen können. Zum Beispiel können die Teilstrahlen elliptisch polarisiert, insbesondere zirkular polarisiert, sein bzw. werden.
Das Fokussierelement kann vorzugsweise eine optische Linse sein. Gemäß einer Grundvariante kann eine Linse als Fokussierelement vorgesehen sein, die den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl auf ein Ende des Lichtleitelements fokussiert. Es versteht sich jedoch, dass gemäß einer alternativen Variante auch jeder der Teilstrahlen mittels einer separaten Linse zum Einkoppeln in das Lichtleitelement fokussiert werden kann. In einem solchen Fall ist es nicht erforderlich, dass die beiden Teilstrahlen parallel zueinander verlaufen. Zum Einkoppeln in das Lichtleitelement können die Teilstrahlen auch zunächst jeweils in eine (kurze) Verbindungsfaser fokussiert werden, wobei die Verbindungsfasern mittels splicing an das Lichtleitelement (z.B. ebenfalls eine Lichtleitfaser) angeschweißt werden können. Die Teilstrahlen gelangen in einem solchen Fall über die Verbindungsfasern in das Lichtleitelement, wo sie sich zum Ausgangslaserstrahl vermischen.
Das Lichtleitelement kann vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Alternativ kann das Lichtleitelement auch einen polygonalen, z.B. rechteckigen, oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann das Lichtleitelement eine Lichtleitfaser, insbesondere eine Stufen indexfaser, sein. Es sind jedoch auch andere Fasertypen verwendbar, beispielsweise eine Gradientenindexfaser oder eine Hohlkernfaser. Die numerische Apertur (NA) und der Kerndurchmesser der Lichtleitfaser spielen eine untergeordnete Rolle für die Wirksamkeit der durch die Erfindung hervorgerufenen Effekte. Ein erfindungsgemäßes Lichtleitelement kann beispielsweise eine Stufenindexfaser mit einem Kerndurchmesser von 0=20 pm bis 0=400 pm, beispielsweise 0=100 pm, und einer numerischen Apertur von NA=0.065 bis NA=0.22, beispielsweise NA=0.11, sein. Gemäß einer alternativen Variante kann das Lichtleitelement auch ein Zylinder- oder kegelförmiger Glasstab sein. Je größer die numerische Apertur der Faser ist, desto größer kann der Winkel sein, mit dem ein Teilstrahl bezüglich der Faserlängsachse durch die Faser propagiert.
Ferner kann das Lichtleitelement einen sich verjüngenden Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann das Lichtleitelement als eine kegelförmige Lichtleitfaser, nämlich als eine sogenannte „Tapered Fiber", ausgebildet sein. Das heißt, der Querschnitt des Faserkerns verringert sich über die Länge der Faser vom Eintrittsende hin zum Austrittsende (kegelförmige Faser). Im Vergleich mit einer Lichtleitfaser, die einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist (zylinderförmige Faser), kann mit einer solchen Faser die Strahlqualität des Laserausgangsstrahls verbessert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass der Erhalt des Polarisationszustands bei gleicher Länge der Lichtleitfaser mit der Reduktion des Faserdurchmessers abnehmen kann, da die einfallenden Laserstrahlen bei reduziertem Durchmesser entsprechend häufiger innerhalb der Lichtleitfaser reflektiert werden.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Polarisieren eines Lasereingangsstrahls bereitgestellt, der einen Undefinierten Polarisationszustand aufweist. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt ein Aufteilen des Lasereingangsstrahls in einen ersten Teilstrahl, der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist und einen zweiten Teilstrahl, der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist. In einem zweiten Schritt umfasst das Verfahren ein Verändern des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen, sodass beide Teilstrahlen den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen. In einem dritten Schritt umfasst das Verfahren ein Einkoppeln der beiden Teilstrahlen in ein Lichtleitelement, um die Teilstrahlen unter Erhaltung des definierten Polarisationszustands (der Teilstrahlen) zu einem Laserausgangsstrahl zu kombinieren. Es versteht sich, dass die Verfahrensschritte in der beschriebenen Reihenfolge ablaufen.
Das Verfahren ist beispielsweise mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten ausführbar. Insbesondere kann das Verfahren ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der oben beschriebenen Vorrichtung aufweisen.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt eine Laserbearbeitungsanlage bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst: eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Lasereingangsstrahls; eine Transport-Lichtleitfaser die eine Länge von mehreren Metern, insbesondere von mehr als 10 m, aufweist und die an einem ersten ihrer Enden mit der Laserstrahlquelle in Verbindung steht; und eine Bearbeitungsoptik, die mit einem zweiten Ende der Transport-Lichtleitfaser in Verbindung steht. Die Bearbeitungsoptik umfasst eine Kollimationseinrichtung zur Kollimation des aus der Transport-Lichtleitfaser in die Bearbeitungsoptik einfallenden Lasereingangsstrahls; eine Vorrichtung zur Polarisation des Lasereingangsstrahls gemäß einer der oben beschriebenen Varianten; und eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des polarisierten Laserausgangsstrahls auf ein zu bearbeitendes Objekt.
Die Laserbearbeitungsanlage kann beispielsweise eine Laserschneidanlage zum Schneiden von vorzugsweise metallischen Werkstücken sein.
Die Bearbeitungsoptik kann ferner eine Wellenplatte, insbesondere ein l/2-Plättchen, umfassen, das bzw. die im Strahlengang des Laserausgangsstrahls drehbar angeordnet ist, und zwar vorzugsweise zwischen der erfindungsgemäßen Polarisationsvorrichtung und der Fokussiervorrichtung. Durch entsprechende Drehung der Wellenplatte kann die Polarisationsrichtung des Laserausgangsstrahls an die Schneidrichtung bzw. Vorschubrichtung des Lasers angepasst werden.
Zusammenfassend beruht die oben beschriebene Vorrichtung auf einem Prinzip zur polarisationserhaltenden Kombination wenigstens zweier Laserstrahlen, die mittels einer Fokussiereinrichtung in ein Lichtleitelement eingekoppelt werden, das vorzugsweise eine Länge aufweist, die groß genug ist, damit die wenigstens zwei Laserstrahlen innerhalb des Lichtleitelements zu einem Laserausgangsstrahl kombiniert bzw. vermischt werden und/oder die klein genug ist, damit der Polarisationszustand der wenigstens zwei Laserstrahlen im Laserausgangsstrahl erhalten bleibt.
Figurenbeschreibung
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fign. la-d Varianten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls;
Fign. 2a-b Varianten eines Lichtleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 Eine gegenüber der in den Figuren la-d dargestellte alternative Variante einer Strahlaufteilungseinrichtung;
Fig. 4a Schematisch eine symmetrische Anordnung eines
Fokussierelements und eines Lichtleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4b Schematisch eine asymmetrische Anordnung eines Fokussierelements und eines Lichtleitelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fign. 5a-d Jeweils das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls im Fernfeld in Abhängigkeit von der Länge des Lichtleitelements, wobei das Strahlprofil auf einer Anordnung gemäß Fig. 4a basiert;
Fign. 6a-d Jeweils das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls im Fernfeld in Abhängigkeit von der Länge des Lichtleitelements, wobei das Strahlprofil auf einer Anordnung gemäß Fig. 4b basiert; und
Fig. 7 Eine Laserschneidanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
Im Zusammenhang mit den Figuren la-d, 2a-b, 3, sowie 4a-b werden im Folgenden Varianten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls näher beschrieben.
Figur la zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls 51 gemäß einer Variante. Der Lasereingangsstrahl 51 weist einen Undefinierten Polarisationszustand auf und wird in einem kollimierten Zustand bereitgestellt. Zur Bereitstellung des kollimierten Lasereingangsstrahls kann eine Kollimationseinrichtung 132 in Form einer Linse verwendet werden, die der Lasereingangsstrahl durchläuft, bevor er in die Vorrichtung 1 eintritt.
Die Vorrichtung 1 gemäß Figur la umfasst eine
Strahlaufteilungseinrichtung 10 mit einem Dünnfilmpolarisator 12 (auch als Dünnschichtpolarisator bezeichnet) und einem Spiegel 14. Beim Auftreffen des Lasereingangsstrahls 51 auf den Dünnfilmpolarisator 14 wird der Lasereingangsstrahl 51 in die beiden unterschiedlich polarisierten Teilstrahlen 52a und 52b aufgeteilt. Dazu ist der Dünnfilmpolarisator 14 winklig im Strahlengang des Lasereingangsstrahls 51 angeordnet. Der erste Teilstrahl 52a wird durch den Dünnfilmpolarisator 14 transmittiert und der zweite Teilstrahl 52b wird beim Auftreffen auf die Oberfläche des Dünnfilmpolarisators 14 reflektiert. Der durch den Dünnfilmpolarisator 14 transmittierte erste Teilstrahl 52a weist einen ersten definierten Polarisationszustand auf (beispielsweise p-Polarisation). Der vom Dünnfilmpolarisator 14 reflektierte zweite Teilstrahl 52b weist einen zweiten definierten Polarisationszustand auf (beispielsweise s- Polarisation). Gemäß der Darstellung in Figur la umfasst die Strahlaufteilungseinrichtung 10 ferner einen Spiegel 14, der den vom Dünnfilmpolarisator 12 abgelenkten zweiten Teilstrahl 52b parallel zu dem ersten Teilstrahl 52a ausrichtet.
Im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 52b ist ferner eine Wellenplatte 20 (auch als Wellenplättchen bezeichnet), zum Beispiel ein l/2-Plättchen, angeordnet, das den zweiten Polarisationszustand des zweiten Teilstrahls 52b (zum Beispiel s-Polarisation) derart transformiert, dass er dem ersten Polarisationszustand des ersten Teilstrahls 52a entspricht (zum Beispiel p- Polarisation). D. h., nachdem der zweite Teilstrahl 52b die Wellenplatte 20 durchlaufen hat, verlaufen beide Teilstrahlen 52a, 52b parallel zueinander und weisen denselben definierten Polarisationszustand auf (nämlich den ersten Polarisationszustand, z.B. p-Polarisation).
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Linse 30, die im Strahlengang der beiden Teilstrahlen 52a, 52b angeordnet ist, um diese zu fokussieren und in ein Lichtleitelement 40 einzukoppeln. Das Lichtleitelement 40 weist eine Länge L auf (vgl. Figuren 2a und 2b), die groß genug ist, damit die beiden Teilstrahlen 52a, 52b innerhalb des Lichtleitelements 40 zu einem Laserausgangsstrahl 53 kombiniert werden und die klein genug ist, damit der Polarisationszustand der beiden Teilstrahlen 52a, 52b (z.B. p- Polarisation) im Laserausgangsstrahl 53 erhalten bleibt. Beispielsweise kann das Lichtleitelement 40 eine Stufenindexfaser mit einer Länge zwischen 20 mm und 50 mm sein.
Eine Variation der Vorrichtung 1 gemäß Figur la ist in Figur lb dargestellt. Die Vorrichtung gemäß Figur lb unterscheidet sich von der in Figur la dargestellten Vorrichtung 1 durch eine asymmetrische Anordnung des Fokussierelements 30 und des Lichtleitelements 40, bei der die Teilstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement eingekoppelt werden. Eine genauere Beschreibung der symmetrischen und asymmetrischen Anordnung des Fokussierelements 30 und des Lichtleitelements 40 folgt weiter unten im Zusammenhang mit den Figuren 4a und 4b.
Figur lc zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß einer weiteren Variante, die sich durch die Anordnung des Spiegels 14 und der Wellenplatte 20 von den Varianten gemäß den Figuren la und lb unterscheidet. So sind sowohl der Spiegel 14 zur Gleichrichtung der beiden Teilstrahlen 52a, 52b und das Wellenplättchen 20 gemäß Figur lc im ersten Teilstrahl 52a angeordnet.
Analog zu Figur lb ist in Figur ld eine Variation der Vorrichtung 1 gemäß Figur lc dargestellt, bei der das Fokussierelement 30 und das Lichtleitelement 40 asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen angeordnet sind, sodass die Teilstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement eingekoppelt werden.
Figur 2 zeigt schematisch Varianten eines für die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 verwendbaren Lichtleitelements 40, wobei das Lichtleitelement 40 als Lichtleitfaser 40 ausgebildet ist. Die Lichtleitfaser 40 kann über Ihre Länge L einen konstanten, zum Beispiel kreisförmigen, ellipsenförmigen oder polygonalen, Querschnitt aufweisen (siehe Fig. 2a). Alternativ kann die Lichtleitfaser 40 als sogenannte „Tapered Fiber" einen sich über die Länge L verjüngenden, zum Beispiel kreisförmigen, ellipsenförmigen oder polygonalen, Querschnitt aufweisen (s. Figur lb).
In Figur 3 ist schematisch eine Variante einer Strahlaufteilungseinrichtung 10 dargestellt, die sich von der Anordnung gemäß den Figuren la-d unterscheidet. So ist die Strahlaufteilungseinrichtung 10 gemäß Figur 3 aus einem doppelbrechenden Element 16 aufgebaut, welches für verschiedene Polarisationszustände verschiedene Brechungsindizes aufweist. Wenn der einfallende Lasereingangsstrahl 51 auf die Oberfläche des doppelbrechenden Elements 16 trifft, wird ein erster Teilstrahl 52a abgelenkt, während ein zweiter Teilstrahl 52b ohne Ablenkung in das doppelbrechende Element 16 eintritt. Beim Austritt aus dem doppelbrechenden Element werden die Teilstrahlen 52a, 52b aufgrund von Brechungseffekten gleichgerichtet. Das doppelbrechende Element 16 erfüllt also sowohl die Funktion des Dünnfilmpolarisators 12 als auch die des Spiegels 14 (siehe Fign. la-d). Gleichwohl ist zu beachten, dass bei der Verwendung eines doppelbrechenden Elements 16 in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die räumliche Trennung der beiden Teilstrahlen 52a, 52b von der Dicke des doppelbrechenden Elements 16 abhängt und dadurch begrenzt ist. Mit zunehmendem Durchmesser des Lasereingangsstrahls und mit steigender Laserleistung wird die räumliche Trennung der Teilstrahlen mittels eines doppelbrechenden Elements 16 immer schwieriger.
In Figur 4a ist eine symmetrische Anordnung des Fokussierelements in Form einer Linse 30 und des Lichtleitelements 40 im Strahlengang der Teilstrahlen 52a, 52b dargestellt. Durch Positionierung der Linse 30 auf einer zentralen Achse 56, die mittig zwischen dem ersten Teilstrahl 52a und dem zweiten Teilstrahl 52b verläuft, werden die beiden Teilstrahlen 52a, 52b unter dem gleichen Winkel ai=ö2 in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt. Bei dieser Konfiguration ergibt sich im Fernfeld des Laserausgangsstrahls 53 ein ringförmiges Strahlprofil (siehe Fign. 5a-d).
Alternativ zu der symmetrischen Anordnung (siehe Fig. 4a) können die Linse 30 und das Lichtleitelement 40 auch asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen 52a, 52b angeordnet sein. Eine solche Konstellation ist in Figur 4b dargestellt. Die Linse 30 und das Lichtleitelement 40 sind versetzt zu der zentralen Achse 56 angeordnet. Genauer gesagt, sind die Linse 30 und das Lichtleitelement 40 auf einer Strahlachse 58a des ersten Teilstrahls 52a angeordnet. Auf diese Weise wird der erste Teilstrahl 52a unter einem optimalen Winkel (ai=90°) senkrecht in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt. Der zweite Teilstrahl wird dagegen im Vergleich zur symmetrischen Anordnung (siehe Fig. 4a) unter einem spitzeren Winkel 02 in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt. Die Größe des Winkels 02 hängt von dem Abstand der Teilstrahlen 52a, 52b zueinander, sowie vom Abstand der Linse 30 zu dem Lichtleitelement 40 ab. Dadurch, dass die Teilstrahlen 52a, 52b unter unterschiedlichen Winkeln in das Lichtleitelement 40 einkoppeln, ergibt sich im Fernfeld des Laserausgangsstrahls 53 ein Strahlprofil gemäß den Figuren 6a-d.
Die Darstellung gemäß Figur 4b zeigt eine maximal asymmetrische Anordnung. Es versteht sich, dass die Linse 30 zwischen den Extremlagen auf den Strahlachsen 58a, 58b der beiden Teilstrahlen 52a, 52b beliebig positioniert sein kann um Zwischenzustände zwischen den in den Figuren 5a-d und 6a-d dargestellten Strahlprofilen zu erzielen.
In den Figuren 5a-d sowie 6a-d ist die Abhängigkeit der Symmetrie des Laserausgangsstrahls 53 von der Länge des Lichtleitelements 40 dargestellt. Die Figuren 5a bis 5d Zeigen das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls 53 im Fernfeld bei einer Anordnung gemäß Figur 4a, wobei der Laserausgangsstrahl 53 mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Lichtleitelementen 40 unterschiedlicher Länge L erzeugt wurde. Für den Versuch wurde als Lichtleitelement 40 eine Stufenindexfaser 40 mit einem Kerndurchmesser von 0=100 pm und einer Numerischen Apertur von NA=0.11 verwendet. Figur 5a entspricht der Verwendung einer Lichtleitfaser 40 mit einer Länge L=5 mm. Die Figuren 5b, 5c und 5d entsprechen ihrerseits einer Länge L der verwendeten Lichtleitfaser 40 von L=10 mm, L=20 mm bzw. L=50 mm.
Es ist erkennbar, dass sich bei einer Länge L=5 mm bzw. L=10 mm noch kein radialsymmetrisches Strahlprofil ausbildet. Bei einer Länge von L=20 mm bzw. L=50 mm weist der Laserausgangsstrahl 53 dagegen ein radialsymmetrisches Strahlprofil auf. Analog zu den Figuren 5a-d ist in den Figuren 6a-d das Strahlprofil eines Laserausgangsstrahls 53 im Fernfeld bei einer Anordnung gemäß Figur 4b bei jeweils unterschiedlicher Länge L des Lichtleitelements 40 dargestellt. Der Unterschied gegenüber den Darstellungen gern. Figuren 5a-d besteht darin, dass sich durch die asymmetrische Anordnung des Fokussierelements 30 und des Lichtleitelements 40 (vgl. Fig. 4b) ein Strahlprofil mit einem zentralen Spot ergibt, der von einem Kreis umgeben ist. Anhand des in Figur 4b dargestellten Beispiels lässt sich die Gestaltung des Strahlprofils gemäß den Figuren 6a-d erklären. Der zentrale Spot resultiert aus dem ersten Teilstrahl 52a, welcher senkrecht in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt wurde. Der kreisförmige Teil des Strahlprofils basiert dagegen auf dem zweiten Teilstrahl 52b, der unter einem vergleichsweise spitzen Winkel in das Lichtleitelement 40 eingekoppelt wurde. Der äußere Ring weist bereits ab einer Länge des Lichtleitelements 40 von L=10 mm eine im Vergleich zu der symmetrischen Anordnung (vgl. Fig. 5b) gute Rotationssymmetrie auf. Das liegt daran, dass der zweite Teilstrahl 52b aufgrund des im Vergleich zur symmetrischen Anordnung (vgl. Fig. 4a) spitzen Einfallwinkels auf der gleichen Länge L des Lichtleitelements 40 häufiger innerhalb des Lichtleitelements 40 reflektiert wird.
In Figur 7 ist schematisch eine Laserbearbeitungsanlage 100 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Anlage 100 umfasst eine Laserstrahlquelle 110. Der in der Laserstrahlquelle 110 erzeugte Laserstrahl wird über eine Transport-Lichtleitfaser 120 zu einer Bearbeitungsoptik 130 geleitet. In der Bearbeitungsoptik 130 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 angeordnet (in Fig. 7 nicht dargestellt), mittels derer der aus der Transport-Lichtleitfaser 120 einfallende, unpolarisierte oder zufällig polarisierte Lasereingangsstrahl polarisiert wird. Der polarisierte Laserausgangsstrahl wird mittels einer Fokussiereinrichtung 134 auf ein zu bearbeitendes Objekt 200, z.B. ein plattenförmiges, metallisches Werkstück, gerichtet, um dieses zu bearbeiten.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls, der einen Undefinierten Polarisationszustand aufweist 10 Strahlaufteilungseinrichtung
12 Dünnfilmpolarisator
14 Spiegel
16 Doppelbrechendes optisches Element
20 Polarisationsänderungselement
30 Fokussierelement
40 Lichtleitelement
51 Lasereingangsstrahl
52a Erster Teilstrahl
52b Zweiter Teilstrahl
53 Laserausgangsstrahl
56 Zentrale Achse im Strahlengang der Teilstrahlen
58a Strahlachse des ersten Teilstrahls
58b Strahlachse des zweiten Teilstrahls
100 Laserschneidanlage
110 Laserstrahlquelle
120 Transport-Lichtleitfaser
122 Erstes Ende der Transport-Lichtleitfaser
124 Zweites Ende der Transport-Lichtleitfaser
130 Bearbeitungsoptik
132 Kollimationseinrichtung
134 Fokussiereinrichtung
200 Zu bearbeitendes Objekt
L Länge des Lichtleitelements
CM Einkoppelwinkel des ersten Teilstrahls in das Lichtleitelement
0.2 Einkoppelwinkel des zweiten Teilstrahls in das Lichtleitelement

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Polarisation eines Lasereingangsstrahls (51), der einen Undefinierten Polarisationszustand aufweist, die Vorrichtung (1) umfassend:
Eine Strahlaufteilungseinrichtung (10) zur Aufteilung des Lasereingangsstrahls (51) in einen ersten Teilstrahl (52a), der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist, und einen zweiten Teilstrahl (52b), der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist;
Ein Polarisationsänderungselement (20) zur Veränderung des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen (52a, 52b), sodass beide Teilstrahlen (52a, 52b) den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen;
Ein Fokussierelement (30); und
Ein Lichtleitelement (40), wobei das Fokussierelement (30) dazu ausgebildet ist, die beiden Teilstrahlen (52a, 52b) in das Lichtleitelement (40) einzukoppeln, um die Teilstrahlen (52a, 52b) unter Erhaltung des definierten Polarisationszustands zu einem Laserausgangsstrahl (53) zu kombinieren.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Strahlaufteilungsvorrichtung (10) ferner zur Ablenkung des ersten Teilstrahls (52a) und/oder des zweiten Teilstrahls (52b) ausgebildet ist, sodass beide Teilstrahlen (52a, 52b) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Länge (L) des Lichtleitelements (40) höchstens 500 mm, bevorzugt höchstens 100 mm, noch bevorzugter höchstens 50 mm, beträgt.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge (L) des Lichtleitelements (40) mindestens 15 mm, vorzugsweise mindestens 20 mm, beträgt.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussierelement (30) und das Lichtleitelement (40) derart symmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen (52a, 52b) angeordnet sind, dass die Teilstrahlen (52a, 52b) unter demselben Winkel (01=02) in das Lichtleitelement (40) eingekoppelt werden.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Fokussierelement (30) und das Lichtleitelement (40) derart asymmetrisch im Strahlengang der Teilstrahlen (52a, 52b) angeordnet sind, dass die Teilstrahlen (52a, 52b) unter unterschiedlichen Winkeln (015*02) in das Lichtleitelement (40) eingekoppelt werden.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussierelement (30) und das Lichtleitelement (40) längs und/oder quer zur Strahlausbreitungsrichtung der Teilstrahlen (52a, 52b) verschieblich angeordnet sind.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlaufteilungseinrichtung (10) umfasst:
Einen Dünnfilmpolarisator (12), der im Strahlengang des Lasereingangsstrahls (51) winklig angeordnet ist, sodass ein erster Teil des Lasereingangsstrahls (51), der den ersten definierten Polarisationszustand aufweist, als erster Teilstrahl (52a) durch den Dünnfilmpolarisator (12) transmittiert wird und ein zweiter Teil des Lasereingangsstrahls (51), der den zweiten definierten Polarisationszustand aufweist, als zweiter Teilstrahl (52b) an der Oberfläche des Dünnfilmpolarisators (12) reflektiert wird; und
Einen Spiegel (14), der winklig in dem Strahlengang eines der Teilstrahlen (52a, 52b) angeordnet ist, um den einfallenden Teilstrahl (52a, 52b) derart zu reflektieren, dass dieser im Wesentlichen parallel zu dem anderen Teilstrahl (52a, 52b) ausgerichtet ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strahlaufteilungseinrichtung (10) ein doppelbrechendes optisches Element (16) ist, das in Bezug auf den ersten definierten Polarisationszustand und den zweiten definierten Polarisationszustand verschiedene Brechungsindizes aufweist, sodass der Lasereingangsstrahl (51) beim Einfall in das doppelbrechende Element (16) in den ersten Teilstrahl (52a) und den zweiten Teilstrahl (52b) aufgeteilt wird, wobei die Teilstrahlen (52a, 52b) beim Austritt aus dem doppelbrechenden Element (16) durch Brechungseffekte parallel zueinander ausgerichtet werden.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polarisationsänderungselement (20) eine Wellenplatte, insbesondere eine l/2-Platte, ist.
11. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussierelement (30) eine optische Linse ist.
12. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtleitelement (40) eine Stufenindexfaser ist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lichtleitelement einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist.
14. Verfahren zum Polarisieren eines Lasereingangsstrahls (51), der einen Undefinierten Polarisationszustand aufweist, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
Aufteilen des Lasereingangsstrahls (51) in einen ersten Teilstrahl (52a), der einen ersten definierten Polarisationszustand aufweist und einen zweiten Teilstrahl (52b), der einen zweiten definierten Polarisationszustand aufweist; Verändern des Polarisationszustandes eines der polarisierten Teilstrahlen (52a, 52b), sodass beide Teilstrahlen (52a, 52b) den gleichen definierten Polarisationszustand aufweisen; und
Einkoppeln der beiden Teilstrahlen (52a, 52b) in ein Lichtleitelement (40), um die Teilstrahlen (52a, 52b) unter Erhaltung des definierten Polarisationszustands zu einem Laserausgangsstrahl (53) zu kombinieren.
15. Laserbearbeitungsanlage (100) umfassend:
Eine Laserstrahlquelle (110) zur Erzeugung eines Lasereingangsstrahls (51);
Eine Transport-Lichtleitfaser (120) die eine Länge von mehreren Metern, insbesondere von mehr als 10 m, aufweist und die an einem ersten ihrer Enden (122) mit der Laserstrahlquelle (110) in Verbindung steht; und
Eine Bearbeitungsoptik (130), die mit einem zweiten Ende (124) der Transport-Lichtleitfaser (120) in Verbindung steht und das Folgende umfasst:
Eine Kollimationseinrichtung (132) zur Kollimation des aus der Transport-Lichtleitfaser (120) in die Bearbeitungsoptik (130) einfallenden Lasereingangsstrahls (51);
Eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Polarisation des Lasereingangsstrahls (51); und
Eine Fokussiereinrichtung (134) zur Fokussierung des polarisierten Laserausgangsstrahls (53) auf ein zu bearbeitendes Objekt (200).
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