DE102011054941B3

DE102011054941B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen

Info

Publication number: DE102011054941B3
Application number: DE201110054941
Authority: DE
Inventors: Dieter Bürckner-Koydl
Original assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Current assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-10-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von, über optische Elemente zu einem Material geführten Laserstrahlen eines leistungsstarken Lasers zur Materialbearbeitung. Die Vorrichtung ist mit einem Sensor zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage der Laserstrahlen, einer Recheneinheit zum Vergleichen der aktuellen Fokuslage mit einer, in einem Speicher abgelegten Soll-Fokuslage und zum Ableiten von Korrekturdaten aus dem Vergleich von aktueller und Soll-Fokuslage und einer Korrektureinheit mit wenigstens einem veränderbaren optischen Element, zum Verändern der Fokuslage gemäß der Korrekturdaten ausgestattet. Erfindungsgemäß ist der Sensor am Ort des Fokus, eines Rückreflexes, einer der Flächen, eines der letzten optischen Elemente in Strahlrichtung vor dem zu bearbeitenden Material, angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren nach Anspruch 17.
In der Materialbearbeitung von Werkstücken, z. B. bei Schweiß- und Schneidevorgängen, werden immer leistungsfähigere Laser eingesetzt. Auch für die Führung dieser werden immer bessere optische Elemente entwickelt, deren Absorption gering ist. Oftmals werden hier Quarzgläser verwendet. Trotz ihrer geringen Absorption führt die Belastung durch die hohe Energie eines Hochleistungslasers aber zu einer Erwärmung der Optiken, der optischen Elemente. Dies führt zu einer thermisch induzierten Brechkraftänderung, was wiederum eine Verschiebung der Fokuslage der geführten Laserstrahlen zur Folge hat und sich damit negativ bei der Bearbeitung eines Werkstücks auswirkt, insbesondere wenn dies hochpräzise erfolgen soll.
Dieses Problem ist bereits seit längerem bekannt und es gibt hierfür einige Lösungsansätze, in denen versucht wird, diese Verschiebung der Fokuslage zu minimieren. So ist es bekannt, die optischen Elemente zu kühlen und Materialien wie Quarze zu verwenden, welche auch bei Erwärmung ihre Brechkraft möglichst wenig verändern. Nachteilig ist, dass diese Materialien sehr teuer sind und dass auch hiermit eine Verschiebung der Fokuslage letztlich nur verringert, nicht aber verhindert wird.
Darüber hinaus sind bspw. aus der Mikroskopie Verfahren bekannt, bei denen die Temperaturänderung der optischen Elemente gemessen wird und anhand der bekannten Abhängigkeit der Brechkraftänderung von der Temperaturänderung eine Korrektur der Fokuslage erfolgt. Ein solches Verfahren ist in der DE 102 46 274 B4 beschrieben. Diese Verfahren sind jedoch nur bei großen Temperaturänderungen zuverlässig einsetzbar, bei kleinen Temperaturänderungen, wie sie bei hochwertigen Materialien, wie Quarzen auftreten, arbeiten sie nicht zuverlässig genug. Gerade bei sehr leistungsstarken Hochleistungslasern ist es aber unumgänglich hochwertige Materialien für die optischen Elemente zu verwenden, da andere Materialien der Belastung durch die Laserstrahlen nicht Stand halten.
Um die Verschiebung der Fokuslage von Hochleistungslaserstahlen, welche insbesondere durch Quarz-Optiken gelenkt werden, bei der hochpräzisen Materialbearbeitung während des gesamten Materialbearbeitungsprozesses kompensieren zu können, wurde deshalb in der DE 20 2007 018 689 U1 vorgeschlagen, die momentane Fokuslage zu ermitteln, diese mit einer Sollposition zu vergleichen und eine Abweichung mittels einer Verschiebung von optischen Komponenten zu kompensieren. Zur Verschiebung von optischen Komponenten wird ein Stellmotor vorgeschlagen, die zu verschiebende optische Komponente ist hierfür axial beweglich gelagert. Zur Erfassung der Fokuslage wird ein Fokuslagesensor verwendet, der die Fokuslage auf dem Werkstück anhand der vom Werkstück rückreflektierte Strahlung ermittelt. Da bei der Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern jedoch Hitze und Rauch entsteht, ist dieses rückreflektierte Signal oft stark beeinträchtigt, wodurch diese Methode nicht immer zuverlässig funktioniert. Dieses Problem beeinträchtigt auch das Resultat des Verfahrens, welches in der DE 36 26 944 A1 offenbart ist und die Fokuslage in direkter Umgebung des Werkstücks beobachtet, um diese dann zu korrigieren. Derselbe Nachteil gilt für die JP 08 174 255 A , welche einen Fokusdetektor offenbart für eine Lasermaterialbearbeitungsvorrichtung bei der ein Teil des Arbeitslaserstrahls mittels eines Strahlteilers nach Durchstrahlen der Kondensorlinse in der Nähe des Werkstücks auf einen Sensor geleitet wird.
Aus der EP 2 216 129 A1 ist ebenfalls ein Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mit einer integrierten Sensoreinrichtung zur Fokuslagenüberwachung bekannt. Hier wird ein Messstrahlenbündel aus dem Bearbeitungsstrahlenbündel ausgekoppelt und in einem Winkel zur optischen Achse der Fokussierlinse durch die letzten beiden optischen Elemente des Laserbearbeitungskopfs transmittiert und von einem Sensor erfasst.
In der JP 61 137 693 A wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung beschrieben, in der ein Messstrahl eines Korrekturlasers über einen Spiegel, der sich in der Nähe des zu bearbeitenden Materials befindet, zur Fokussierlinse des Arbeitslasers geführt wird. Der Korrekturlaserstrahl tritt durch die Fokussierlinse und wird danach von einem Sensor erfasst. Seine Position wird zur Korrektur des Fokus des Arbeitslasers verwendet, welche über eine Bewegung des Laserkopfs erfolgt.
Die JP 61 238 487 A offenbart eine Anordnung zum Ermitteln der Verschiebung des Fokus eines aus dem Laser austretenden Laserstrahls. Dies geschieht indem ein Korrekturlaserstrahl in einem Winkel auf den teildurchlässigen Auskoppelspiegel des Lasers gelenkt und der davon reflektierte Strahl an einem Sensor erfasst wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen sowie ein entsprechendes Verfahren so auszubilden, dass auch während der Bearbeitung eines Werkstücks mittels der Laserstrahlen eine Nachführung der Fokuslage fortwährend zuverlässig möglich ist.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von über Optiken geführten Laserstrahlen mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 17.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage von, über optische Elemente zu einem Material geführten Laserstrahlen eines leistungsstarken Lasers zur Materialbearbeitung, einen Sensor zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage der Laserstrahlen auf, eine Recheneinheit zum Vergleichen der aktuellen Fokuslage mit einer, in einem Speicher abgelegten Soll-Fokuslage und zum Ableiten von Korrekturdaten aus dem Vergleich von aktueller und Soll-Fokuslage und eine Korrektureinheit mit wenigstens einem veränderbaren optischen Element, zum Verändern der Fokuslage gemäß der Korrekturdaten, wobei der Sensor am Ort des Fokus, eines Rückreflexes, einer der Flächen, eines der letzten optischen Elemente in Strahlrichtung vor dem zu bearbeitenden Material, angeordnet ist. Die Strahlrichtung ist als Einstrahlrichtung des Material bearbeitenden Lasers in Richtung des Materials definiert. Bei der Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Laseranlage zur Materialbearbeitung eines Werkstücks, wie z. B. dem Schweißen, Schneiden, Bohren oder Feinschneiden von Metallen und Keramiken, dem Kunststoffschweißen, dem Strukturieren bzw. Perforieren von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen oder dem Beschriften oder dem Reinigen von Industrieprodukten, wie z. B. Wafern. In all diesen Anwendungen kommen leistungsstarke oder Hochleistungslaser zum Einsatz wie z. B. Faserlaser, Scheibenlaser oder CO₂-Laser, Laser deren Leistung so hoch ist, dass die optischen Elemente, welche die Laserstrahlen lenken, sich maßgeblich erwärmen und damit die Lage des Fokus des durch sie geführten Laserstrahls sich verändert. Als Sensoren für die Lage des Fokus können Fokussensoren oder Wellenfrontsensoren mit ausreichender Genauigkeit, wie z. B. der in der DE 198 23 951 C2 offenbarte, verwendet werden oder die aus dem genannten Stand der Technik bekannt sind. Der Sensor ermittelt die jeweilige Fokuslage nicht unbedingt absolut. Es kann ausreichend sein, die Verschiebung der Fokuslage oder eine mit der Fokuslage korrelierte Größe zu ermitteln, aus der sich die Fokuslage dann ableiten lässt. Das Bestimmen der absoluten Fokuslage ist für die Nachführung des Fokus nicht zwingend notwendig, es kann ausreichend sein, die Verschiebung der Fokuslage oder eine dazu korrelierte Größe zu ermitteln und daraus dann Korrekturdaten abzuleiten. Die Recheneinheit zur Ermittlung der Korrekturdaten aus einem Vergleich der aktuellen mit der Soll-Fokuslage kann Bestandteil des Sensors sein, sie kann aber auch nur mit ihm verbunden sein. In der Recheneinheit oder einem zugeordneten Speicher sind Korrelationsdaten bzw. eine Korrelationsfunktion abgelegt, welche die Korrelation der tatsächlich ermittelten Lage des Fokus des Rückreflexes mit der Lage des Fokus auf dem zu bearbeitenden Material beschreiben. Diese können bspw. in Form einer Look-up-Tabelle abgelegt sein. Mittels dieser Korrelationsdaten kann aus der ermittelten aktuellen Lage des Fokus des Rückreflexes die Lage des Fokus am Werkstück ermittelt werden und anhand des Vergleichs dieses mit der Soll-Position die Korrekturdaten. Die Lage des Fokus des Rückreflexes einer der letzten Flächen eines optischen Elements vor dem zu bearbeitenden Material ist am genauesten mit dem Fokus des Laserstrahls auf dem Material korreliert, wenn es sich um den Rückreflex an einer der Flächen des letzten optischen Elements vor dem Material handelt, denn an jedem erwärmten optischen Element kann die Fokuslage des Laserstrahls eine Verschiebung erfahren und in diesem Fall haben beide Fokuslagen im Wesentlichen dieselben optischen Elemente durchlaufen und damit dieselbe Verschiebung erfahren. Deshalb wird vorgeschlagen, vorzugsweise den Rückreflex der letzten Fläche des letzten optischen Elements vor dem Material zu verwenden. Diese Fokuslage des Rückreflexes ist durch keine Störungen durch die Materialbearbeitung, welche durch Rauch- oder Hitzeentwicklung auftreten können beeinträchtig und kann zuverlässig jederzeit während der Materialbearbeitung ermittelt werden. Um die Fokuslage nachzuführen werden die Korrekturdaten an eine Korrektureinheit weitergegeben. Bei dieser kann es sich um eine Linse mit Antriebseinheit handeln, die verschiebbar im Strahlengang des Lasers angeordnet ist oder ein bewegliches Spiegelsystem oder einen, z. B. mittels Piezoelementen verformbaren Spiegel, wie er für adaptive Optiken verwendet wird. Wird ein verformbarer Spiegel als Korrektureinheit verwendet, so können über die Fokuslage hinaus auch noch Beeinträchtigungen der Wellenfront des Laserstrahls an sich, wie sie bspw. durch Aberration verursacht werden, beseitigt werden.
Vorzugsweise ist ein Auskoppelelement im Strahlengang der Laserstrahlen angeordnet, um den Fokus des Rückreflexes an einer der Flächen der letzten optischen Elemente vor dem Material auf den Sensor zu lenken. Bevorzugt geht der Rückreflex durch die gleiche Blende oder optische Pupille des Systems zurück, durch die der eintretende Laserstrahl geht, so dass er nach Durchtreten dieser, vorzugsweise nach Durchtreten aller abbildenden optischen Elemente, bspw. des, den Laserstrahl auf das Material abbildenden Objektives, aus dem Strahlengang ausgekoppelt werden kann. Hierfür eignet sich z. B. ein teildurchlässiger Spiegel.
Bevorzugt wird die Fokuslage des Reflexes der Laserstrahlung an einer Fläche, vorzugsweise der Lichtaustrittsfläche des Schutzglases bzw. Deckglases des Objektivs, welches zwischen den optischen Elementen und dem Material angeordnet ist, verwendet. Dies ist die letzte Fläche vor dem Material, hier hat der Laserstrahl bereits alle thermischen Verschiebungen erfahren, die Fokuslage des Reflexes an dieser Fläche ist am besten mit der Fokuslage des Laserstrahls auf dem Material korreliert. Ein Schutzglas ist üblicherweise bei allen Laseranlagen zur Materialbearbeitung vor den optischen Elementen wie Linse oder Spiegeln angeordnet, um diese vor Verunreinigung und Beschädigung zu schützen. Allerdings wird es von Zeit zu Zeit ausgetauscht, wobei man bei diesem Aufbau darauf achten muss, dass es in exakt derselben Position angeordnet ist und dieselben Eigenschaften hat wie das vorherige Schutzglas oder die Korrelation der Fokuslagen überprüfen muss.
Deshalb kann es auch vorteilhaft sein, die Fokuslage eines Rückreflexes der Lichtaustrittsfläche des letzten Licht lenkenden optischen Elements, welches vor dem Material angeordnet ist, also die letzte optische Fläche in Strahlrichtung des Material bearbeitenden Strahles vor dem Schutzglas, mit dem Sensor zu detektieren. Es ist davon auszugehen, dass das Schutzglas allein die Lage des Fokus nicht wesentlich verändert, dass dessen Einfluss auf die Fokuslage vernachlässigt werden kann. Deshalb ist auch die Verschiebung der Fokuslage des Rückreflexes an der Lichtaustrittsfläche des letzten abbildenden optischen Elements, z. B. der letzten Linse, vor dem Material ausreichend gut mit der Fokuslage des Laserstrahls auf dem Material korreliert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die, den Laserstrahl lenkenden optischen Elemente Bestandteile eines F-Theta Objektives. F-Theta Objektive werden oftmals zur Materialbearbeitung verwendet, insbesondere für Laserstrahlen von UV, VIS bis IR. Für Hochleistungslaser-Anwendungen sind diese vorzugsweise als Vollquarzobjektive mit einer sehr hohen Zerstörungsschwelle ausgebildet. Die thermische Beeinträchtigung der Fokuslage von Quarzgläsern ist zwar geringer, dennoch verschiebt sich bei Hochleistungslasern auch bei einer Abbildung mit diesen Gläsern die Fokuslage so stark, dass eine, vorzugsweise fortlaufende Nachführung der Fokuslage bei qualitativ hochwertigen Anwendungen notwendig ist. Zumeist handelt es sich hierbei um scannende Systeme und optische Elemente des scannenden Systems können besonders vorteilhaft als Korrektureinheit verwendet werden. Hierfür ist wenigstens ein Scanspiegel beweglich gelagert und mit einem Antrieb verbunden, um als Korrektureinheit zu dienen. In hochpräzisen Anwendungen ist es vorteilhaft, einen zur Korrektur der Fokuslage verwendeten Scanspiegel verformbar auszubilden und mit Piezoelementen zu bestücken. In Verbindung mit einem Wellenfrontsensor als Sensor für die Fokuslage können damit Veränderungen der Wellenfront, welche bspw. durch Aberration verursacht werden, korrigiert werden. Für ein scannendes System mit F-Theta Objektiv ist die Fokuslage aller Strahlenbündel, erzeugt mittels der möglichen Spiegelstellungen, auf dem Material bzw. dessen Korrelation mit den jeweiligen Strahlenbündeln des rückreflektierten Laserstrahls, vorzugsweise als Look-up-Tabelle in einem Speicher der Recheneinheit abgelegt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein telezentrisches F-Theta Objektiv in Kombination mit der erfindungsgemäßen Korrektur der Fokuslage verwendet. Gerade für diese Objektive, welche in hochgenauen Scansystemen, auch in hochpräzisen Printsystemen, eingesetzt werden ist eine zuverlässige Korrektur der Fokuslage wichtig. Der Aufbau ist prinzipiell entsprechend dem anderer Laseranlagen zur Materialbearbeitung mit F-Theta Objektiven.
Bevorzugt sind die optischen Elemente so angeordnet, dass ein großer Anteil der rückreflektierten Laserstrahlen durch die Blende bzw. die Pupille des optischen Systems treten, in entgegengesetzter Richtung zu dem, das Material bearbeitenden Laserstrahl, der ebenfalls durch diese Blende bzw. Pupille auf das Material geführt wird. So durchläuft der rückreflektierte Laserstrahl alle abbildenden optischen Elemente, durch die der bearbeitende Laserstahl abgelenkt wird, zweimal. Er erfährt die thermische Verschiebung des Fokus deutlicher als der Laserstrahl selbst, die Verschiebung kann ausreichend genau ermittelt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird nicht der Rückreflex des, das Material bearbeitenden Laserstrahls selbst verwendet, sondern ein zusätzlicher Laserstrahl. Dieser wird vor den, sich thermisch erwärmenden, den Laserstrahl führenden, optischen Elementen in den Strahlengang des Material bearbeitenden Laserstrahls eingeblendet, so dass er, ebenso wie dieser, die optischen Elemente durchläuft und dabei eine Verschiebung seiner Fokuslage erfährt, die zu der Verschiebung der Fokuslage des Material bearbeitenden Laserstrahls korreliert ist. Auch von diesem zusätzlichen Korrekturlaser wird der Rückreflex aus dem Strahlengang auf einen Fokussensor ausgekoppelt, an dem seine aktuelle Fokuslage ermittelt wird. Die Wellenlänge des Korrekturlasers unterscheidet sich von der Wellenlänge des Material bearbeitenden Lasers. Somit besteht die Möglichkeit, die Fläche, an welcher der Laserstrahl des Korrekturlasers reflektiert wird, so auszubilden, z. B. so zu beschichten, dass Licht der Wellenlänge des Korrekturlasers optimal reflektiert wird, während Licht der Wellenlänge des Material bearbeitenden Lasers optimal transmittiert wird. Die Materialbearbeitung wird durch die Ermittlung der Fokuslage nicht beeinträchtigt, obwohl für die Ermittlung der Fokuslage ein ausreichend starkes Signal zur Verfügung steht. Somit kann das System optimal auf die Arbeitswellenlänge vergütet sein, die Arbeitswellenlänge, des Material bearbeitenden Lasers optimal transmittiert werden, so dass möglichst geringe Erwärmung und Beeinträchtigung der optischen Elemente entsteht und dennoch steht ein ausreichend starkes Signal für die Korrektur der Fokuslage in Form eines Rückreflexes zur Verfügung. Vorzugsweise kann als Korrekturlaser ein sogenannter Pilot-Laser verwendet werden, ein Laser, der bei der Materialbearbeitung ohnehin häufig verwendet wird, um den Arbeitspunkt auf dem Werkstück festzulegen, bevor der Material bearbeitende Laser aktiviert wird. In diesem Fall ist die reflektierende Fläche so ausgebildet, z. B. beschichtet, dass nur ein Teil des Lichts des Korrekturlasers reflektiert wird, um die Fokuslage zu ermitteln, ein Teil seines Lichts wird transmittiert, so dass auch der Arbeitspunkt festgelegt werden kann. Da Beschichtungen Kosten verursachen und das Schutzglas von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden muss, wird in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise eine der letzten Flächen eines optischen Elements in Strahlrichtung des Material bearbeitenden Lasers, vor dem Schutzglas als reflektierende Fläche verwendet und entsprechend beschichtet.
Vorzugsweise werden die Daten für die Fokuslage über den reflektierten Laserstrahl fortlaufend, auch während der Materialbearbeitung ermittelt und auch die Korrektur der Fokuslage erfolgt fortlaufend. Dies ist zuverlässig möglich, da der, an einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente vor dem Material reflektierte Laserstrahl nicht von der Bearbeitung des Materials beeinträchtigt ist und somit seine Fokuslage bzw. seine Wellenfront immer zuverlässig bestimmt werden kann. So ist gewährleistet, dass die Fokuslage fortlaufend korrigiert werden kann und immer zuverlässig genau mit der Soll-Fokuslage übereinstimmt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, welche anhand der Zeichnungen eingehend erläutert werden.
Es zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit integrierter Nachführung der Fokuslage,
2 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit integrierter Nachführung der Fokuslage mittels eines Pilot-Lasers,
3 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit einem F-Theta-Objektiv und integrierter Nachführung der Fokuslage und
4 schematisch eine erfindungsgemäße Laseranlage zur Materialbearbeitung mit einem telezentrischen F-Theta-Objektiv und integrierter Nachführung der Fokuslage.
Die 1 zeigt eine Laseranlage 1 zur Bearbeitung, z. B. dem Schweißen, Bohren, Schneiden oder der Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks 2 mit einem Hochleistungslaser 3, zum Erzeugen eines Laserstrahls 4, welcher über die Linsen 5, 6 und 7 auf das Werkstück 2 fokussiert wird. Das Werkstück 2 kann in ein nicht dargestelltes Bewegungssystem eingespannt sein, mit dem es in seine jeweilige Bearbeitungsposition gebracht wird. Im Strahlengang nach den Linsen 5, 6 und 7 auf Seiten des Werkstücks 2 ist ein Schutzglas 8 angeordnet, das die Linsen 5, 6 und 7 vor, bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 auftretende Verschmutzung durch Spritzer, Splitter oder Rauch schützt. Zur Bestimmung der aktuellen Fokuslage weist die Laseranlage 1 darüber hinaus eine Detektionseinheit 9 auf, bestehend aus einem Teilerspiegel 10, einem Objektiv 11 und einem Fokussensor 12. Die Detektionseinheit 9 bildet den Fokus des Rückreflexes 13 des Laserstrahls 4 am Schutzglas 8 über den Teilerspiegel 10 und das Objektiv 11 auf den Fokussensor 12 ab. Im Strahlengang des Laserstrahls 4 befindet sich ein Fokussierelement 14, das eine schnelle Nachfokussierung des Laserstrahls 4 auf dem Werkstück 2 während der Bearbeitung des Werkstücks 2 erlaubt. Die Linsen 5, 6 und 7 sind aus einem Material gefertigt, das eine möglichst geringe Absorption für die Wellenlänge des Laserstrahls 4 aufweist. Hierfür kommt, auch wegen ihrer Hitzebeständigkeit, z. B. Quarzglas in Frage. Als Hochleistungslaser 3 wird bspw. ein Faserlaser, Scheibenlaser oder CO₂-Laser verwendet. Genau genommen wird über die Detektionseinheit 9 nicht direkt die tatsächliche Fokuslage des Fokus des Laserstrahls 4 auf dem Werkstück 2 beobachtet sondern die Fokuslage des Fokus des Rückreflexes 13 des Schutzglases 8. Dieser Rückreflex läuft genau entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserstrahls 4 zurück und tritt dabei annähernd mittig durch die Blende 16 des optischen Systems. Der Fokus des Rückreflexes ist aber mit dem Fokus des Laserstrahls 4 auf dem Werkstück 2 korreliert. Die Korrelationsvorschrift ist in einem Speicher einer Recheneinheit 15, z. B. in Form einer Look-up-Tabelle abgelegt. Die Recheneinheit 15 ist mit dem Fokussensor 12 und dem Fokussierelement 14 verbunden. In ihr wird aus den, am Fokussensor 12 ermittelten aktuellen Fokuslagen des Fokus des Rückreflexes 13 am Schutzglas 8 anhand der Korrelationsvorschrift die aktuelle Fokuslage des Fokus des Laserstrahls 4 abgeleitet und daraus im Vergleich zu einer vorabgelegten Sollposition die Korrekturdaten für die Nachfokussierung des Fokus des Laserstrahls 4 am Werkstück 2 berechnet. Diese werden von der Recheneinheit 15 an das Fokussierelement 14 geleitet, an dem z. B. über die Verschiebung einer Linse die Fokuslage des Laserstrahls 4 verändert wird. Als Fokussensor 12 kann jeder Fokussensor verwendet werden, der die Lage des Fokus ausreichend genau bestimmt, wie bspw. ein Fokussensor, wie er in der DE 198 23 951 A1 offenbart ist.
Die, in der 2 dargestellte Laseranlage 31 entspricht im Wesentlichen der in der 1 dargestellten Laseranlage 1. Allerdings wird hier neben dem Arbeitslaser 33 ein Pilot-Laser 47 verwendet, dessen Wellenlänge sich von der des Arbeitslasers 33 stark unterscheidet. Der Laserstrahl des Pilot-Lasers 47 wird über einen Einkoppelspiegel 48 in den Laserstrahl 34 eingekoppelt und wie dieser über die Linsen 35, 36 und 37 auf das Werkstück 32 gelenkt, um dort den Arbeitspunkt auf dem Werkstück 32 festzulegen, bevor der Arbeitslaser 33 eingesetzt wird. Der Einkoppelspiegel 48 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Arbeitslaser 33 und dem Fokussierelement 44.
Dadurch ist gewährleistet, dass er all die optischen Elemente durchläuft, die auch der Laserstrahl 34 des Arbeitslasers 33 durchläuft und dabei erwärmt, so dass die Verschiebung seines Fokus eindeutig zu der Verschiebung des Fokus des Arbeitslasers 33 auf dem Werkstück 32 korreliert ist. Prinzipiell könnte der Einkoppelspiegel 48 aber auch zwischen dem Fokussierelement 44 und dem Teilerspiegel 40 angeordnet sein, da der Einfluss des Fokussierelements 44 auf die Lage des Fokus nicht dominant ist. Zum Festlegen des Arbeitspunktes ist ein kleiner Anteil des Laserstrahls des Pilot-Lasers 47 ausreichend. So wird des Schutzglas 38 so ausgebildet, dass ein großer Anteil des Laserstrahls des Pilot-Lasers 47 an ihm reflektiert wird und der Fokus dieses Rückreflexes 43 wird über den Teilerspiegel 40 der Detektionseinheit 39 und das Objektiv 41 auf den Fokussensor 42 abgebildet. Um den Laserstrahl des Pilot-Lasers 47 besonders gut zu reflektieren und gleichzeitig den Laserstahl 34 des Arbeitslasers 33 möglichst ungehindert passieren zu lassen, ohne seine Leistung zu reduzieren, ist das Schutzglas 38 mit einer auf die Reflexion des Laserstrahls des Pilot-Lasers 47 und die Transmission des Laserstrahls 34 des Arbeitslasers 33 optimierten Beschichtung versehen. Generelle wäre auch möglich, als reflektierende Fläche für den Laserstrahl des Pilot-Lasers 47 eine der letzten Flächen der Linsen 35, 36 oder 37, vorzugsweise die Lichtaustrittsfläche der letzten Linse 37 vor dem Schutzglas 38 zu verwenden, denn nach dieser muss nur noch das Schutzglas 38 durchtreten werden und dessen Einfluss auf die Verschiebung der Lage des Fokus ist ebenfalls nicht dominant. Hierfür wäre die Beschichtung an der Lichtaustrittsfläche der Linse 37 angebracht. Dies kann vorteilhaft sein, da diese Linse 37 erhalten bleibt, während das Schutzglas 38 immer wieder ausgetauscht werden muss, wenn es zu stark beschädigt ist und somit sinnvoll ist, seine Kosten gering zu halten. Es ist zu bemerken, dass die Eingangsschnittweite (die für eine perfekte ebene Wellenfront am Eingang „unendlich” bedeutet) für beide Laserstrahlengänge nicht identisch sein muss. Bei diesem Aufbau tritt der Rückreflex des Laserstrahls des Pilot-Lasers 47 an Stelle des Rückreflexes des Laserstrahls 34 des Arbeitslasers 33, die Richtung des reflektierten Laserstrahls des Pilot-Lasers 47 ist ebenfalls genau entgegengesetzt zur Einfallsrichtung, so dass der Rückreflex im Wesentlichen mittig durch die Blende 46 des optische Systems der Laseranlage 31 tritt. Die Verschiebung der Fokuslage des Rückreflexes des Pilot-Lasers 47 ist dadurch auch in diesem Ausführungsbeispiel zu der Verschiebung des Fokus des Arbeitslasers 33 auf dem Werkstück 32 korreliert. Die Korrelationsfunktion wird ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel vorab ermittelt und z. B. in Form einer Look-up-Tabelle in einer Recheneinheit 45 abgelegt, welche mit dem Fokussensor 42 und dem Fokussierelement 44 verbunden ist und die anhand der ermittelten Fokuslage des Rückreflexes 43 des Pilot-Lasers 47 die Fokuslage des Laserstrahls 34 auf dem Werkstück 32 berechnet und daraus die Korrekturgröße, mit der dieser Fokus nachgeführt wird. Die Nachführung erfolgt über das Fokussierelement 44, welches, ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel hierfür eine beweglich gelagerte Linse aufweisen kann, welche bspw. über einen nicht dargestellten Hilfsmotor entsprechend der ermittelten Korrekturgröße bewegt wird. Denkbar wäre als Fokussierelement 44 auch eine adaptive Optik, z. B. ein Spiegel, welcher für die Fokusnachführung (zum Beispiel mit Hilfe von Piezoelementen) entsprechend verformt wird; ein solches Verfahren würde zusätzlich eine Korrektur der Veränderung der Wellenfront ermöglichen, welche wegen einer Erwärmung der optischen Elemente, wie der Linsen 35, 36 und 37, durch die hohe Leistung des Arbeitslasers 33 eingeführt wird.
Die, in der 3 dargestellte Laseranlage 51 zeigt ein scannendes System mit einer F-Theta-Linse 66. Die F-Theta-Linse 66 weist drei Linsenelemente 55, 56 und 57 auf und ein gekrümmtes Schutzglas 58, welches zwischen den Linsen 55, 56 und 57 und dem zu bearbeitenden Werkstück 52 angeordnet ist, um die Linsen 55, 56 und 57 vor Verschmutzung und Beschädigung zu schützen. Derartige Laseranlagen 51 werden zur Materialbearbeitung, wie z. B. Bohren und Feinschneiden von Metallen und Keramiken, zu Kunststoffschweißen, zum Strukturieren bzw. Perforieren von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen, zum Beschriften oder zum Reinigen von Industrieprodukten, wie z. B. Wafern, verwendet. Die Strahlenbündel des Laserstrahls 54 eines Arbeitslasers 53 werden über einen ersten und einen zweiten Scan-Spiegel 67 und 68 über die Oberfläche des Werkstücks 52 bewegt und dabei über die F-Theta-Linse 66 fokussiert. Ein Teil des Laserstrahls 54 wird am Schutzglas 58 reflektiert. Das Schutzglas 58 ist so gekrümmt, dass die Richtung der reflektierten Strahlenbündel des Laserstrahls 54 genau entgegengesetzt zur Richtung der ursprünglichen Strahlenbündel läuft. Dadurch ist gewährleistet, dass der rückreflektierte Laserstrahl 54, ebenso wie der ursprüngliche Laserstrahl 54 selbst, mittig durch die optische Pupille der Laseranlage 51 tritt und den Teilerspiegel 60 erreicht, von dem er über das Objektiv 61 auf den Fokussensor 62 gelenkt wird. Prinzipiell erfolgt die Korrektur der Verschiebung der Lage der Foki der Strahlenbündel des Laserstrahls 54 auf dem Werkstück 52 ebenso wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen darüber, dass die Verschiebung der Fokuspositionen der Rückreflexe der reflektierten Strahlenbündel 63, welche weitergelenkt über den Teilerspiegel 60 und das Objektiv 61, am Fokussensor 62 festgestellt werden, über Korrelationsdaten an der Recheneinheit 65 in eine Korrekturgröße umgesetzt wird, welche die Nachführung der Fokuslagen am Werkstück 52 über ein Fokussierelement 64 ermöglicht. Das Fokussierelement 64 kann zu diesem Zweck als, vor dem Teilerspiegel 60 angeordnete beweglich gelagerte Linse ausgebildet sein, bei diesem Ausführungsbeispiel wäre es allerdings auch möglich, die Scanspiegel 67 und 68 als Fokussierelemente zu verwenden. Hierfür könnten diese bspw. mit Piezoelementen gemäß der Korrekturdaten bewegt werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann, wie in der 2 beschrieben ein Pilot-Laser zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage verwendet werden.
In 4 ist eine weitere Laseranlage 71 zur Bearbeitung eines Werkstücks 72 dargestellt, welche ebenfalls wie die Laseranlage 51 aus der 3 mit einer F-Theta-Linse 86 arbeitet, welche drei Linsen 75, 76 und 77 und ein Schutzglas 78 aufweist. Ebenso wie in der Laseranalage der 3 wird auch hier ein Laserstrahl 74, eines Arbeitslasers 73 über ein Scansystem, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Scanspiegel 87 und 88 über ein Werkstück 72 bewegt. Im Unterschied zu der vorherigen Ausführungsform handelt es sich bei der F-Theta-Linse 86 aber um eine telezentrische Linse, d. h. die Strahlenbündel, bewegt durch die kontrollierte Verkippungen der beiden Scanspiegel 87 und 88, des Laserstrahls 74 verlassen die F-Theta-Linse 86 praktisch parallel zueinander und treffen jeweils im gleichen Winkel auf das Werkstück 72, wodurch die Qualität der Bearbeitung deutlich erhöht wird. Somit kann das Schutzglas 78, an dem ein Teil des Laserstrahls 74 reflektiert wird, als planparallele Platte ausgebildet sein, um die reflektierten Strahlen mittig durch die Blende des optischen Systems zurück auf den Teilerspiegel 80 und von dort über das Objektiv 81 auf den Fokussensor 82 abzubilden, um dort jede Abweichung der Fokuslage von der Soll-Position sofort zu detektieren und anhand der in der Recheneinheit 85 abgelegten Korrelationsdaten von Fokuslagen der reflektierten Strahlenbündel 83 und Fokuslagen des Strahlenbündels des Laserstrahls 74 auf dem Werkstück 72, die Korrekturdaten zu ermitteln, mittels derer die Fokuslagen auf dem Werkstück 72 über ein Fokussierelement 84 korrigiert werden. Auch in dieser Laseranlage 71 ist es möglich, auf ein zusätzliches Fokussierelement 84 zu verzichten und stattdessen wenigstens einen der Scanspiegel 87 und 88 beweglich zu lagern und mittels eines Antriebes, der z. B. in Form von Piezoelementen realisiert sein kann, so zu bewegen, dass der Fokus auf dem Werkstück 72 gemäß der Korrekturdaten nachgeführt wird. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann selbstverständlich, ebenso wie in den anderen Beispielen ein Pilot-Laser zur Ermittlung der Fokuslage vorteilhaft eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Laseranlage
2: Werkstück
3: Hochleisungslaser
4: Laserstrahl
5: Linse
6: Linse
7: Linse
8: Schutzglas
9: Detektionseinheit
10: Teilerspiegel
11: Objektiv
12: Fokussensor
13: Fokus des Rückreflexes
14: Fokussierelement
15: Recheneinheit
16: Blende
31: Laseranlage
32: Werkstück
33: Arbeitslaser
34: Laserstrahl
35: Linse
36: Linse
37: Linse
38: Schutzglas
39: Detektionseinheit
40: Teilerspiegel
41: Objektiv
42: Fokussensor
43: Fokus des Rückreflexes
44: Fokussierelement
45: Recheneinheit
46: Blende
47: Pilot-Laser
48: Einkoppelspiegel
51: Laseranlage
52: Werkstück
53: Arbeitslaser
54: Laserstrahl
55: Linse
56: Linse
57: Linse
58: Schutzglas
60: Teilerspiegel
61: Objektiv
62: Fokussensor
63: Foki der rückreflektierten Strahlenbündel
64: Fokussierelement
65: Recheneinheit
66: F-Theta-Linse
67: Ersten Scanspiegel
68: Zweiter Scanspiegel
71: Laseranlage
72: Werkstück
73: Arbeitslaser
74: Laserstrahl
75: Linse
76: Linse
77: Linse
78: Schutzglas
80: Teilerspiegel
81: Objektiv
82: Fokussensor
83: Foki der reflektierten Strahlenbündel
84: Fokussierelement
85: Recheneinheit
86: F-Theta-Linse
87: Ersten Scanspiegel
88: Zweiter Scanspiegel

Claims

Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage eines, über optische Elemente (5, 6, 7, 8, 35, 36, 37, 38, 55, 56, 57, 58, 67, 68, 75, 76, 77, 78, 87, 88) zu einem Material (2, 32, 52, 72) geführten Laserstrahls (4, 34, 54, 74) eines leistungsstarken Lasers (3, 33, 53, 73) zur Bearbeitung des Materials (2, 32, 52, 72), mit einem Sensor (12, 42, 62, 82) zur Ermittlung der aktuellen Fokuslage des Laserstrahls (4, 34, 54, 74), einer Recheneinheit (15, 45, 65, 85) zum Durchführen eines Vergleichs der aktuellen Fokuslage mit einer, in einem Speicher abgelegten Soll-Fokuslage und zum Ableiten von Korrekturdaten aus dem Vergleich von aktueller und Soll-Fokuslage und einer Korrektureinheit (14, 44, 64, 84) mit wenigstens einem veränderbaren optischen Element zum Verändern der Fokuslage gemäß der Korrekturdaten, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12, 42, 62, 82) am Ort des Fokus eines Rückreflexes (13, 43, 63, 83) einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente (7, 8, 37, 38, 57, 58, 77, 78) in Strahlrichtung vor dem zu. bearbeitenden Material (2, 32, 52, 72) angeordnet ist.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auskoppelelement (10, 40, 60, 80) im Strahlengang des Laserstrahls (4, 34, 54, 74) angeordnet ist, um den Fokus des Rückreflexes (13, 43, 63, 83) auf den Sensor (12, 42, 62, 82) zu lenken.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche die Lichteintritts- oder Lichtaustrittsfläche eines Schutzglases (8, 38, 58, 78) ist, welches zwischen einem in Strahlrichtung letzten Licht lenkenden optischen Element (7, 37, 57, 77) und dem zu bearbeitenden Material (2, 32, 52, 72) angeordnet ist.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche die Lichtaustrittsfläche eines letzten Licht lenkenden optischen Elements (7, 37, 57, 77) ist, welche vor dem Material (2, 32, 52, 72) angeordnet ist.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher vorgesehen ist, zum Hinterlegen von Korrelationsdaten zwischen dem Fokus auf dem zu bearbeitenden Material (2, 32, 52, 72) und dem Fokus des Rückreflexes (13, 43, 63, 83).
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (14, 44, 64, 84) als veränderbares optisches Element ein bewegliches optisches Element und eine Antriebseinheit aufweist.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (14, 44, 64, 84) als veränderbares optisches Element ein verformbares optisches Element aufweist.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente (55, 56, 57, 75, 76, 77) Bestandteile eines F-Theta Objektives sind.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente (67, 68, 87, 88) Spiegel einer Scananordnung sind.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanspiegel (67, 68, 87, 88) zur Korrektur der Fokuslage beweglich gelagert sind.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Fokuslagen der zugehörigen reflektierten Strahlen für mehrere Strahlenbündel der durch die optischen Elemente (55, 56, 57, 75, 76, 77) des F-Theta Objektiv tretenden Laserstrahlen in Abhängigkeit von der Stellung der Scanspiegel (67, 68, 87, 88) als Look-up-Tabelle in dem Speicher hinterlegt sind.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (5, 6, 7, 8, 35, 36, 37, 38, 55, 56, 57, 58, 67, 68, 75, 76, 77, 78, 87, 88) so angeordnet sind, dass ein wesentlicher Anteil eines durch einen rückreflektierten Laserstrahls gebildeten Rückreflexes durch die optische Pupille des einfallenden Laserstrahls (4, 34, 54, 74) tritt.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturlaser (47) vorgesehen ist, um den Rückreflex zu erzeugen.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die den Rückreflex erzeugende Fläche des optischen Elements (37, 38) auf die Reflexion der Wellenlänge des Korrekturlasers (47) optimiert ist.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturlaser (47) ein Pilot-Laser zum Festlegen des Ortes der Bearbeitung des Materials (2, 32, 52, 72) ist.
Vorrichtung (1, 31, 51, 71) zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Fläche des optischen Elements (37, 38) eine Beschichtung aufweist, welche auf die Transmission der Laserstrahlung des leistungsstarken Lasers (33) und auf die Reflexion der Laserstrahlung des Korrekturlasers (47) optimiert ist.
Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage eines über optische Elemente (5, 6, 7, 8, 35, 36, 37, 38, 55, 56, 57, 58, 67, 68, 75, 76, 77, 78, 87, 88) zu einem Material (2, 32, 52, 72) geführten Laserstrahls (4, 34, 54, 74) eines leistungsstarken Lasers (3, 33, 53, 73) zur Bearbeitung des Materials, wobei der Fokus eines Rückreflexes (13, 43, 63, 83) einer der Flächen eines der letzten optischen Elemente in Strahlrichtung vor dem zu bearbeitenden Material (2, 32, 52, 72) auf einen Sensor (12, 42, 62, 82) gelenkt wird, welcher die Verschiebung der Lage dieses Fokus bestimmt, und wobei mit einer Recheneinheit (15, 45, 65, 85) anhand einer vorabgelegten Korrelation zwischen der Verschiebung der Fokuslage dieses Fokus und der Verschiebung des Fokus des Laserstrahls auf dem Material (2, 32, 52, 72) die aktuelle Fokuslage des Laserstrahls ermittelt wird, und wobei die aktuelle Fokuslage mit einer vorbestimmten Soll-Fokuslage verglichen wird und Korrekturdaten aus dem Vergleichen von aktueller und Soll-Fokuslage abgeleitet werden und mit einer Korrektureinheit (14, 44, 64, 84) wenigstens ein optisches Element verändert wird, um die Fokuslage gemäß der Korrekturdaten zu verändern.
Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Fokuslage laufend während der Materialbearbeitung erfolgt.
Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein wesentlicher Anteil des rückreflektierten Lichts durch die Pupille des einfallenden Laserstrahls tritt.