DE102006055738B4 - Vorrichtung zum Verändern des Strahldurchmessers eines durch ein optisches Element hindurchgehenden Laserstrahls mittels Temperaturänderung - Google Patents

Vorrichtung zum Verändern des Strahldurchmessers eines durch ein optisches Element hindurchgehenden Laserstrahls mittels Temperaturänderung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (30; 40; 50; 60) zum Verändern des Strahldurchmessers eines Laserstrahls (10),
mit einem im Strahlengang des Laserstrahls (10) angeordneten optischen Element (9; 18, 19, 22), das für die Wellenlänge des Laserstrahls (10) transmissiv oder teiltransmissiv ist und über einen temperaturabhängigen Brechungsindex verfügt,
mit einem Kühl- oder Heizelement (24; 31; 41; 51), das in thermischem Kontakt mit dem optischen Element (9; 18, 19, 22) steht und dessen Kühl- bzw. Heiztemperatur einstellbar ist,
und mit einer Regeleinheit (32; 54), welche die Temperatur des optischen Elements (9; 18, 19, 22) in Abhängigkeit von einem Sollwert verändert,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sollwert durch den Strahldurchmesser des Laserstrahls (10) an einem bestimmten Ort im Strahlengang des Laserstrahls (10) oder durch einen Prozess- oder Materialparameter einer Laserbearbeitung gebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 oder 2. Besondere Anwendung findet die Erfindung bei Infrarot-Gaslasern, speziell bei CO2-Gaslasern mit einer Wellenlänge von 10,6 μm.
  • Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise durch US 6,353,203 B1 bekannt geworden.
  • Bei CO2-Gaslasern ist es bekannt, dass sich der Strahldurchmesser des Laserstrahls mit zunehmender Lebensdauer bzw. Betriebsdauer des Lasers verändert. Als wesentliche Ursache für diesen Effekt wird die im Laufe der Zeit zunehmende Alterung und Verschmutzung der optischen Elemente, insbesondere des Auskoppelspiegels, betrachtet. Bei stabilen Laserresonatoren wird der Laserstrahl über einen teiltransmissiven Auskoppelspiegel aus dem Laserresonator ausgekoppelt. Der Auskoppelspiegel ist aus infrarotdurchlässigen Materialien, meist aus Zinkselenid, in Einzelfällen aus Galliumarsenid, gefertigt und wird so gut wie möglich gekühlt.
  • Die Strahlführung und -formung von CO2-Laserstrahlen erfolgt überwiegend in freier Strahlpropagation über reflektierende, transmissive und teiltransmissive optische Elemente. Jedes optische Element absorbiert einen geringen Teil der Laserstrahlleistung eines auftreffenden Laserstrahls und erwärmt sich durch die absorbierte Laserstrahlleistung. Staubpartikel oder sonstige Verschmutzungen, wie z. B. Abrieb, die in einem Strahlführungsraum vorhanden sind, lagern sich an der Oberfläche der optischen Elemente ab und führen zu einer verstärkten Absorption des auftreffenden Laserstrahls und damit zu einer zusätzlichen Erwärmung der optischen Elemente. Die absorbierte Laserstrahlleistung führt zu einer thermischen Belastung der optischen Elemente, die die Lebensdauer reduziert, und verändert außerdem die optischen Eigenschaften. Durch eine Kühlung der optischen Elemente sollen die thermische Belastung reduziert und die optischen Eigenschaften verbessert werden. Transmissive und teiltransmissive optische Elemente haben den Nachteil, dass eine Kühlung nur über den Rand der optischen Elemente erfolgen kann, da der Laserstrahl durch die optischen Elemente durchtritt.
  • Bei transmissiven und teiltransmissiven optischen Elementen durchquert der Laserstrahl das optische Element zumindest teilweise. Beispielsweise führt eine Leistungsdichteverteilung des transmittierten Laserstrahls mit einem Maximum in der Mitte und einem Abfall der Leistungsdichte nach außen im optischen Element in radialer Richtung zu einer entsprechenden Temperatur- und Wärmeausdehnungsverteilung. Der Temperaturgradient in radialer Richtung bewirkt entsprechend der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität des optischen Elements einen Wärmefluss in Richtung der kühleren Bereiche. Zinkselenid und Galliumarsenid verfügen über eine Wärmeleitfähigkeit, die mit steigender Temperatur abnimmt. Dies führt bei höheren Temperaturen zu steileren Temperaturgradienten im optischen Element, da die Wärme schlechter abtransportiert wird.
  • Der Brechungsindex n ist eine temperaturabhängige Eigenschaft eines optischen Elements. Aufgrund dieser Temperaturabhängigkeit führt eine räumliche Temperaturverteilung in einem optischen Element dazu, dass ein auftreffender Laserstrahl unterschiedlich gebrochen wird. Materialien mit einem positiven Brechungsindexgradienten +dn/dT oder einem negativen Brechungsindexgradienten –dn/dT haben unterschiedlichen Einfluss auf einen auftreffenden Laserstrahl. Zinkselenid und Galliumarsenid verfügen über einen positiven Brechungsindexgradienten +dn/dT.
  • Bei einem optischen Element ohne Krümmung führen eine Temperaturverteilung mit einem Maximum in der Mitte des optischen Elements und einem Temperaturabfall zu den Rändern (z. B. gaußförmige Temperaturverteilung) und ein positiver Brechungsindexgradient +dn/dT zu einer Fokussierung des auftreffenden Laserstrahls, ein negativer Brechungsindexgradient –dn/dT erzeugt dagegen eine Aufweitung des Laserstrahls. Ein fokussierendes optisches Element erzeugt einen Laserstrahlverlauf mit einem kleinsten Strahldurchmesser (Strahltaille) im Brennpunkt des optischen Elements, hinter der Strahltaille nimmt der Strahldurchmesser zu. Eine Erwärmung des optischen Elements führt bei einem positiven Brechungsindexgradienten +dn/dT dazu, dass sich der Strahldurchmesser im Bereich vom optischen Element bis zur Strahltaille und kurz dahinter gegenüber einem kalten optischen Element verringert, wohingegen sich der Strahldurchmesser in Abständen, die groß gegen die Brennweite des optischen Elements sind, gegenüber einem kalten optischen Element vergrößert.
  • Um den Strahldurchmesser eines Laserstrahls konstant zu halten oder gezielt auf unterschiedliche Werte einzustellen, werden adaptive Spiegel, bei denen die Krümmung der Spiegelfläche gezielt verändert wird, oder adaptive Teleskope, bei denen die Krümmung der Spiegelfläche und/oder der Abstand der Teleskopspiegel gezielt verändert werden, eingesetzt. Bei bekannten adaptiven Spiegeln erfolgt die Deformation der Spiegelfläche beispielsweise mittels piezoelektrischer Aktuatoren (z. B. DE 42 36 355 A1 ), wobei sich je nach verwendeter Anzahl nahezu beliebige Spiegeloberflächen erzeugen lassen, oder durch Änderung des Kühlwasserdrucks eines gekühlten Spiegels (z. B. DE 39 00 467 A1 ), wodurch eine sphärische Oberflächenänderung erzeugt wird, die in der Regel ausreichend ist, um den Laserstrahldurchmesser zu verändern. Allerdings erfordern diese bekannten adaptiven Optiken zusätzliche optische Bauteile.
  • Aus der eingangs genannten US 6,353,203 B1 ist eine Laserbearbeitungseinrichtung mit einer Ablenkeinrichtung in Form eines XY-Galvanoscanners mit zwei Spiegeln und mit einer Sammellinse bekannt, die den Laserstrahl auf eine Bearbeitungsstelle fokussiert. Bei der in 10 gezeigten Laserbearbeitungseinrichtung wird die Temperatur einer Sammellinse über eine Heizvorrichtung auf einem konstanten Wert gehalten, um eine Verschiebung des Brennpunkts infolge einer Temperaturänderung zu verhindern. Die Heizvorrichtung und ein Temperatursensor sind in die Halterung der Sammellinse eingebaut. Eine Heizquelle führt der Heizvorrichtung elektrische Energie zu und die Heizvorrichtung erwärmt die Sammellinse so, dass die Temperatur der Sammellinse, die von dem Temperatursensor detektiert wird, auf einem konstanten Wert gehalten wird.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art den Strahldurchmesser eines Laserstrahls ohne zusätzliche optische Bauteile zu verändern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2 gelöst.
  • Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den Brechungsindex eines optischen Elements bzw. die räumliche Verteilung des Brechungsindex und folglich den Strahldurchmesser eines auftreffenden Laserstrahls gezielt über die Temperatur des optischen Elements zu verändern. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine zusätzlichen optischen Bauteile (adaptive Spiegel, adaptive Teleskope) zur Strahldurchmesserverstellung benötigt werden. Die Erfindung kann einerseits dazu verwendet werden, den Strahldurchmesser eines Laserstrahls abhängig von einer Bearbeitungsaufgabe gezielt zu verändern. Eine weitere Anwendung besteht darin, einer fokussierenden oder aufweitenden Wirkung eines oder mehrerer optischer Elemente entgegen zu wirken, um einen konstanten Strahldurchmesser des Laserstrahls einzustellen.
  • Erfindungsgemäß weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinheit auf, welche die Temperatur des optischen Elements in Abhängigkeit von der Gesamteinschaltdauer des Laserstrahls, auf unterschiedliche Temperaturwerte einstellt. Bei einer alternativen Ausführungsform ist eine Regeleinheit vorgesehen, welche die Temperatur des optischen Elements in Abhängigkeit von einem Sollwert verändert, und zwar in Abhängigkeit vom Strahldurchmesser des Laserstrahls an einem bestimmten Ort im Strahlengang des Laserstrahls, von der Intensität der Wärmestrahlung des optischen Elements oder von einem Prozess- oder Materialparameter einer Laserbearbeitung.
  • Vorzugsweise steht das Kühl- oder Heizelement in thermischem Kontakt mit einer Halterung des optischen Elements, also im Falle eines Auskoppelspiegels mit einer randseitigen Spiegelfassung oder einer randseitigen Spiegelauflage.
  • Die Temperaturänderung des optischen Elements kann über eine direkte Kühlung oder Heizung des optischen Elements oder indirekt über eine Kühlung oder Heizung einer Halterung (z. B. Optikauflage oder -fassung) des optischen Elements erfolgen. Beispielsweise kann die Temperatur eines flüssigen Kühlmediums geändert werden. Auch über die Geschwindigkeit des Kühlmediums kann dessen Kühlwirkung beeinflusst werden. Andere Möglichkeiten sind das Kühlen des optischen Elements oder seiner Halterung durch z. B. Peltierelemente oder das Heizen durch z. B. elektrische Heizelemente, wie einen Heizdraht. Kombinationen dieser Verfahren sind ebenfalls möglich.
  • Die Temperatur des optischen Elements kann manuell oder automatisch gesteuert werden, und zwar insbesondere in Abhängigkeit von der Gesamteinschaltdauer des Laserstrahls. Beispielsweise kann ein Maschinenbediener oder Servicetechniker bei einem optischen Element mit einem positiven Brechungsindexgradienten +dn/dT eine Temperaturabsenkung vornehmen, wenn der Strahldurchmesser des Laserstrahls durch Alterung oder Verschmutzung des Auskoppelspiegels abgenommen hat, bei optischen Elementen mit einem negativen Brechungsindexgradienten –dn/dT erfolgt eine Temperaturerhöhung. Eine andere einfache Möglichkeit ist eine automatische Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Gesamteinschaltdauer des Laserstrahls. Ein neuer Auskoppelspiegel mit positivem Brechungsindexgradient +dn/dT, z. B. aus Zinkselenid, könnte also mit z. B. 60°C betrieben werden. Im Laufe der Zeit wird die Temperatur abgesenkt und somit die Durchmesseränderung des Laserstrahls durch Alterung/Verschmutzung des Auskoppelspiegels kompensiert. Diese beiden Lösungen, manuelle und automatische Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Gesamteinschaltdauer des Laserstrahls, bieten den Vorteil, ohne zusätzliche Sensorik eine Lebensdauerverlängerung des optischen Elements, insbesondere des Auskoppelspiegels, zu erreichen.
  • Die Temperatur des optischen Elements kann auch in Abhängigkeit von einem Sollwert, insbesondere vom Strahldurchmesser des Laserstrahls an einem bestimmten Ort im Strahlengang des Laserstrahls oder der Intensität der vom optischen Element abgestrahlten Wärmestrahlung, geregelt werden. Die Regelung kann auch in Abhängigkeit von bestimmten Prozessparametern einer Laserbearbeitung, wie z. B. Plasmatemperatur, oder in Abhängigkeit von den zu bearbeitenden Materialien oder Materialdicken erfolgen. Vorteilhaft kann die zur Temperaturänderung erforderliche Heiz- bzw. Kühlleistung dazu herangezogen werden, zuerst eine Vorwarnung und dann auch eine Fehlermeldung für die Reinigung bzw. den Tausch des optischen Elements, insbesondere des Auskoppelspiegels, zu liefern.
  • Die Temperaturänderung kann großflächig oder über eine ortsaufgelöste Kühlung oder Heizung eines oder mehrerer bestimmter Bereiche des optischen Elements erfolgen. Vorzugsweise wird die Temperatur des optischen Elements im Bereich zwischen ca. 60°C und ca. 10°C geändert.
  • Besonders bevorzugt ist das transmissive oder teiltransmissive optische Element der Auskoppelspiegel eines Laserresonators. Bevorzugtes Auskoppelspiegelmaterial ist Zinkselenid; es sind jedoch auch alle anderen infrarotdurchlässigen Materialien (IR- Materialien) möglich, wie z. B. Galliumarsenid.
  • Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Laserstrahl ein Infrarotlaserstrahl, insbesondere ein CO2-Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10,6 μm, und ist seine Leistung größer als 1.000 W.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung 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:
  • 1 einen CO2-Gaslaser mit einem gefalteten Laserresonator;
  • 2 einen CO2-Gaslaser mit einer externen Strahlführung und einem Bearbeitungskopf;
  • 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer beheizten Spiegelfassung des Auskoppelspiegels;
  • 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer mittels eines Peltierelements gekühlten Spiegelfassung des Auskoppelspiegels;
  • 5 die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Vorrichtung zur Temperaturüberwachung des Auskoppelspiegels; und
  • 6 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer über einen Spiegelträger gekühlten Spiegelfassung des Auskoppelspiegels.
  • Der in 1 gezeigte CO2-Gaslaser 1 weist einen quadratisch gefalteten Laserresonator 2 mit vier sich aneinander anschließenden Laserentladungsrohren 3 auf, die über Eckgehäuse 4, 5 miteinander verbunden sind. Ein in Richtung der Achsen der Laserentladungsrohre 3 verlaufender Laserstrahl 6 ist strichpunktiert dargestellt. Umlenkspiegel 7 in den Eckgehäusen 4 dienen der Umlenkung des Laserstrahls 6 um jeweils 90°. Im Eckgehäuse 5 sind ein Rückspiegel 8 und ein für die Laserwellenlänge teiltransmissiver Auskoppelspiegel 9 angeordnet. Der Rückspiegel 8 ist für die Laserwellenlänge hochreflektierend ausgebildet und reflektiert den Laserstrahl 6 um 180°, so dass die Laserentladungsrohre 3 in entgegen gesetzter Richtung erneut durchlaufen werden. Ein Teil des Laserstrahles 6 wird an dem teiltransmissiven Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt, der andere reflektierte Teil verbleibt im Laserresonator 2 und durchläuft die Laserentladungsrohre 3 erneut. Der über den Auskoppelspiegel 9 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelte Laserstrahl ist mit 10 bezeichnet. Im Zentrum des gefalteten Laserresonators 2 ist als Druckquelle für Lasergas ein Radialgebläse 11 angeordnet, das über Zufuhrleitungen 12 für Lasergas mit den Eckgehäusen 4, 5 in Verbindung steht. Absaugleitungen 13 verlaufen zwischen Absauggehäusen 14 und dem Radialgebläse 11. Die Strömungsrichtung des Lasergases im Innern der Laserentladungsrohre 3 sowie in den Zufuhr- und Absaugleitungen 12, 13 ist durch Pfeile veranschaulicht. Die Anregung des Lasergases erfolgt über Elektroden 15, die benachbart zu den Laserentladungsrohren 3 angeordnet sind.
  • Damit der aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelte Laserstrahl 10 als Bearbeitungswerkzeug eingesetzt werden kann, wird der Laserstrahl 10 wie in 2 gezeigt in einer externen Strahlführung 16 über reflektierende und transmissive optische Elemente, wie Spiegel und Linsen, vom Laserresonator 2 zu einem Bearbeitungskopf 17 geführt. Der ausgekoppelte Laserstrahl 10 wird mittels zweier Linsen 18, 19, die ein Strahlteleskop 20 bilden, auf einen gewünschten Strahldurchmesser aufgeweitet und von einem Umlenkspiegel 21 zum Bearbeitungskopf 17 umgelenkt. Der Bearbeitungskopf 17 umfasst eine Fokussierlinse 22, die den Laserstrahl auf einen für die Bearbeitung geforderten Strahldurchmesser fokussiert.
  • 3 zeigt eine Vorrichtung 30 zum Verändern des Strahldurchmessers eines aus dem Laserresonator 2 über den Auskoppelspiegel 9 ausgekoppelten Laserstrahls 10. Der Auskoppelspiegel 9 ist in einer Spiegelfassung (Halterung) 23 befestigt, die wiederum an einem kühlwassergekühlten Spiegelträger 24 montiert ist, so dass sich am Auskoppelspiegel 9 ein Temperaturgradient von innen nach außen bildet. Die Vorrichtung 30 weist ein an der Spiegelfassung 23 vorgesehenes elektrisches Heizelement 31 und eine Regeleinheit 32 auf, welche die Heizleistung des Heizelements 31 in Abhängigkeit des mit einem Sensor 33 gemessenen Strahldurchmessers des ausgekoppelten Laserstrahls 10 verändert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind Spiegelfassung 23 und Spiegelträger 24 voneinander durch einen dazwischen vorgesehenen Isolator 34 thermisch isoliert.
  • Zinkselenid, das das bevorzugte Material für teiltransmissive Auskoppelspiegel darstellt, und Galliumarsenid weisen temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeiten und Brechungsindices auf, die dazu führen, dass sich die Brechkraft des Auskoppelspiegels 9 und damit die Fokussiereigenschaften mit der Temperatur ändern. Genauer gesagt sinkt bei hohen Temperaturen die Wärmeleitfähigkeit, was zu steileren Temperaturgradienten bei steigenden Temperaturen führt, da die Wärme schlechter abgeführt wird. Der steilere Temperaturgradient führt aufgrund des positiven Brechungsindexgradienten +dn/dT für Zinkselenid und Galliumarsenid zu einer erhöhten Brechkraft und damit zu einer veränderten Ausbreitung des Laserstrahls hinter dem Auskoppelspiegel im Vergleich zu einem kalten Auskoppelspiegel. Ein fokussierender Auskoppelspiegel erzeugt einen Laserstrahlverlauf mit einer Strahltaille (kleinster Strahldurchmesser) im Fokus des Auskoppelspiegels, hinter der Strahltaille nimmt der Strahldurchmesser zu. Eine Erwärmung führt bei dem fokussierenden Auskoppelspiegel dazu, dass sich der Strahldurchmesser im Nahfeld (Bereich vom Auskoppelspiegel bis zur Strahltaille und kurz dahinter) verringert, im Fernfeld, d. h. in Abständen, die groß gegen die Brennweite des Auskoppelspiegels sind, vergrößert sich der Strahldurchmesser gegenüber einem kalten Auskoppelspiegel.
  • Mithilfe der Vorrichtung 30 werden der Brechungsindex des Auskoppelspiegels 9 bzw. die räumliche Verteilung des Brechungsindex und folglich der Strahldurchmesser des Laserstrahls 10 gezielt über die Temperatur bzw. den Temperaturgradienten des Auskoppelspiegels 9 verändert. Anhand des mit dem Sensor 33 gemessenen Strahldurchmessers stellt die Regeleinheit 32 die Temperatur des Auskoppelspiegels 9 entsprechend dem gewünschten Strahldurchmesser ein. In Experimenten an einem 5 kW CO2-Laser mit einem Auskoppelspiegel aus Zinkselenid wurde eine Durchmesseränderung von 4% pro 15°C ermittelt. Ein 25 mm großer Laserstrahl 10 wird also 1 mm kleiner, wenn die Temperatur der Spiegelfassung 23 um 15°C ansteigt.
  • 4 zeigt eine andere Vorrichtung 40 zum Verändern des Strahldurchmessers des über den Auskoppelspiegel 9 ausgekoppelten Laserstrahls 10. Die Vorrichtung 40 weist ein zwischen Spiegelfassung 23 und Spiegelträger 24 angeordnetes Kühlelement (z. B. Peltierelement) 41 auf, dessen Kühlleistung über eine Steuereinheit 42 z. B. entsprechend der Gesamteinschaltdauer des Laserstrahls 10 automatisch verändert wird. Das Peltierelement 41 benötigt auf der einen Seite einen Referenzkühlkörper, der diese Seite auf einer festen Temperatur hält, z. B. den Spiegelträger 24, der mit Laserkühlwasser (z. B. auf 25°C) durchflossen ist. Die Temperaturdifferenz des Peltierelements 41 zu dieser Referenz wird bestimmt durch den Stromfluss durch das Peltierelement 41. Grundsätzlich lassen sich Temperaturen aber- und unterhalb der Referenztemperatur erzeugen. Im einfachsten Fall erfolgt eine lineare Änderung (Abnahme bei +dn/dT und Zunahme bei –dn/dT) der Temperatur mit der Zeit, um einer Alterung und/oder Verschmutzung und der damit verbundenen Aufheizung des Auskoppelspiegels 9 entgegenzuwirken. So könnte ein neuer Auskoppelspiegel 9 aus Zinkselenid mit z. B. 60°C betrieben und die Temperatur dann im Laufe eines Jahres auf z. B. 25°C abgesenkt werden.
  • 5 zeigt eine Vorrichtung 50 zum Verändern des Strahldurchmessers des ausgekoppelten Laserstrahls 10 analog zu 4 mit einem zwischen Spiegelfassung 23 und Spiegelträger 24 angeordneten Kühlelement 51, wobei die Vorrichtung 50 in Kombination mit einer Vorrichtung 52 zur Temperaturüberwachung des Auskoppelspiegels 9 betrieben wird. Die Temperaturüberwachungsvorrichtung 52 umfasst einen z. B. als Fotodiode oder Pyrometer ausgebildeten Temperatursensor 53, der auf der dem Laserresonator 2 abgewandten Seite des Auskoppelspiegels 9 in die Spiegelfassung 23 integriert ist. Der Temperatursensor 53 erfasst die vom Auskoppelspiegel 9 abgestrahlte Wärmestrahlung, deren Intensität I von der Temperatur T des Auskoppelspiegels 9 abhängt (I ~ T4), so dass die Temperatur des Auskoppelspiegels 9 über die Intensität der Wärmestrahlung gemessen wird. Die gemessene Intensität wird einer Einrichtung 54, z. B. einem Mikroprozessor, zugeführt, um die gemessene Intensität mit einer gespeicherten Referenzintensität zu vergleichen. Sobald die gemessene Intensität der Wärmestrahlung um einen zuvor eingestellten Wert von der Referenzintensität abweicht, ändert die Einrichtung 54, die als Regeleinheit ausgebildet ist, die Kühlleistung des Kühlelements 51, um die Temperatur des Auskoppelspiegels 9 zu verändern. Die Temperaturänderung des Auskoppelspiegels 9 kann schrittweise erfolgen, bis ein zuvor eingestellter Grenzwert überschritten wird, bei dem der Laser 1 abgeschaltet wird und ein Austausch des Auskoppelspiegels 9 erfolgen muss.
  • 6 zeigt eine weitere Vorrichtung 60 zum Verändern des Strahldurchmessers des über den Auskoppelspiegel 9 ausgekoppelten Laserstrahls 10. Hier liegt die Spiegelfassung 23 direkt am Spiegelträger 24 an, steht also in direktem thermischem Kontakt mit dem Spiegelträger 24. Über eine Temperaturänderung des den Spiegelträger 24 durchströmenden Kühlwassers (Strömungspfeile 61) im Temperaturbereich zwischen z. B. 60°C und ca. 10°C kann die Temperatur des Auskoppelspiegels 9 geändert und folglich der Strahldurchmesser des ausgekoppelten Laserstrahls 10 eingestellt werden.
  • Die Steuereinheit 42 ist in 4 für die Vorrichtung 40 zusammen mit einem Kühlelement 41 offenbart, das zwischen Spiegelfassung 23 und Spiegelträger 24 angeordnet ist. Selbstverständlich kann die Steuereinheit 42 auch mit den weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30, 50 und 60 betrieben werden. Gleiches gilt für die Regeleinheit 32, 54, die in den 3 und 5 für die Vorrichtungen 30 und 50 offenbart ist und ebenso zusammen mit den Vorrichtungen 40 und 60 anwendbar ist.
  • Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen 30, 40, 50, 60 zum Verändern des Strahldurchmessers eines Laserstrahls sind in den 3 bis 6 für den teiltransmissiven Auskoppelspiegel 9 eines stabilen Laserresonators 2 gezeigt. Der Strahldurchmesser eines Laserstrahls kann alternativ über die Temperatur weiterer für die Wellenlänge des Laserstrahls transmissiver oder teiltransmissiver optischer Elemente in der externen Strahlführung 16 oder im Bearbeitungskopf 17 verändert werden, z. B. über die Linsen 18, 19 des Strahlteleskops 20 oder die Fokussierlinse 22 im Bearbeitungskopf 17.

Claims (10)

  1. Vorrichtung (30; 40; 50; 60) zum Verändern des Strahldurchmessers eines Laserstrahls (10), mit einem im Strahlengang des Laserstrahls (10) angeordneten optischen Element (9; 18, 19, 22), das für die Wellenlänge des Laserstrahls (10) transmissiv oder teiltransmissiv ist und über einen temperaturabhängigen Brechungsindex verfügt, mit einem Kühl- oder Heizelement (24; 31; 41; 51), das in thermischem Kontakt mit dem optischen Element (9; 18, 19, 22) steht und dessen Kühl- bzw. Heiztemperatur einstellbar ist, und mit einer Regeleinheit (32; 54), welche die Temperatur des optischen Elements (9; 18, 19, 22) in Abhängigkeit von einem Sollwert verändert, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert durch den Strahldurchmesser des Laserstrahls (10) an einem bestimmten Ort im Strahlengang des Laserstrahls (10) oder durch einen Prozess- oder Materialparameter einer Laserbearbeitung gebildet ist.
  2. Vorrichtung (30; 40; 50; 60) zum Verändern des Strahldurchmessers eines Laserstrahls (10), mit einem im Strahlengang des Laserstrahls (10) angeordneten optischen Element (9; 18, 19, 22), das für die Wellenlänge des Laserstrahls (10) transmissiv oder teiltransmissiv ist und über einen temperaturabhängigen Brechungsindex verfügt, und mit einem Kühl- oder Heizelement (24; 31; 41; 51), das in thermischem Kontakt mit dem optischen Element (9; 18, 19, 22) steht und dessen Kühl- bzw. Heiztemperatur einstellbar ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (42), welche die Temperatur des optischen Elements (9; 18, 19, 22) in Abhängigkeit von der Gesamteinschaltdauer des Laserstrahls (10) auf unterschiedliche Temperaturwerte einstellt.
  3. Vorrichtung (30; 40; 50; 60) nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- oder Heizelement (24; 31; 41; 51) in thermischem Kontakt mit einer Halterung (23) des optischen Elements (9; 18, 19, 22) steht.
  4. Vorrichtung (30; 40; 50; 60) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen gekühlten Spiegelträger (24), wobei die Halterung (23) des optischen Elements (9; 18, 19, 22) an dem Spiegelträger (24) angebracht ist.
  5. Vorrichtung (30) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein an der Halterung (23) vorgesehenes Heizelement (31) und einen Isolator (34), der die Halterung (23) von dem Spiegelträger (24) thermisch isoliert.
  6. Vorrichtung (40; 50) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Kühlelement (41; 51), das zwischen der Halterung (23) und dem Spiegelträger (24) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung (60) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelträger (24) als Kühl- oder Heizelement ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung (30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das transmissive oder teiltransmissive optische Element (9) der Auskoppelspiegel eines Laserresonators (2) ist.
  9. Vorrichtung (30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) ein Infrarotlaserstrahl ist.
  10. Vorrichtung (30; 40; 50; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Laserstrahls (10) größer als 1.000 W ist.
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