DE102012003536A1

DE102012003536A1 - Optische Anordnungen mit einem rotierenden Spiegel

Info

Publication number: DE102012003536A1
Application number: DE201210003536
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-26
Filing date: 2012-02-26
Publication date: 2013-08-29

Abstract

In dieser vorliegenden Erfindung werden optische Anordnungen mit rotierender Optik angegeben, mit denen Kurzpuls- und Ultrakurzpulslaser für hohe Produktivität unter Beibehaltung der hohen Bearbeitungsqualität effektiv verwendet werden können. Die Kernidee der optischen Anordnungen besteht darin, dass ein Spiegel auf einer schnell rotierenden Achse befestigt wird. Zur Trennung des Eingangs- und Ausgangsstrahls wird vorzugsweise eine Polarisationsstrahlteiler und eine Lambda/4-Verzögerungsplatte verwendet. Eine Alternative dafür bildet eine Anordnung aus einem Faraday-Rotator und einer Lambda/2-Verzögerungsplatte. Der Spiegel kann plan oder gekrümmt sein. Bei einem planen Spiegel steht dessen Normal unter einem Winkel zu der Rotationsachse. Bei einem gekrümmten Spiegel liegt dessen Krümmungszentrum vorzugsweise nicht auf der Rotationsachse. Eine vorteilhafte Ausführung der optischen Anordnung besteht darin, dass der Laserstrahl mit der Rotationsachse koaxial ist. Diese Anordnung wird möglich, indem eine Lambda/4-Platte und ein Polarisationsstrahlteiler verwendet werden. Durch die Rotation des Spiegels dreht sich der vom Spiegel reflektierten Strahl um die Rotationsachse. Mit einer nachgeschalteten Linse wird der Laserstrahl z. B. auf ein Werkstück fokussiert und damit wir eine ringförmige Bearbeitungsspur pro Umdrehung des Spiegels erzeugt. Damit kann zum Beispiel Wendelbohren realisiert werden. Eine 3D Bearbeitung kann realisiert werden, indem ein lineares Achsensystem und/oder Scanner-System verwendet wird, das für eine relative Bewegung zwischen der optische Anordnung inkl. des Laserstrahlfokus und dem Werkstück sorgt.

Description

Stand der Technik
Einer der sich rasant weiterentwickelnden Anwendungsbereiche von Lasern ist die Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern. Allerdings setzt eine effektive und produktive Verwendung von Ultrakurzpulslasern in der Herstellung von High-End-Produkten Folgendes voraus:

– Pulsenergie um einige 10 μJ
– Hohe Pulswiederholrate
– Hohe mittlere Leistung
– Schnelle relative Bewegung zwischen Laserspot und Werkstück bis einige 100 m/sec, so dass keine bzw. geringe Strahlüberlappung vorliegt
– Schnelle Modulation der Laserpulsenergie

Durch die Entwicklung von effizienten Verstärkern wie dem INNOSLAB-Verstärker sind heute ultrakurze Pulslaser mit einer mittleren Leistung von über 400 W kommerziell verfügbar. Die Pulswiederholrate geht in den Bereich von Multi 10 MHz. Die Pulsdauer beträgt einige 100 fs bis in den Nanosekundenbereich. Damit sind die ultrakurzen Pulslaser für produktive und wirtschaftliche Anwendung verfügbar. Der Flaschenhals besteht in der Verfügbarkeit von Einrichtungen, mit der eine relative Bewegung zwischen Laserspot und Werkstück von bis zu einige 100 m/sec realisiert werden kann, so dass die Laserspots von jedem Laserpuls in Ganz bzw. im Wesentlichen voneinander getrennt werden, um Hochgeschwindigkeitsbearbeitung unter hoher Qualität zu erzielen.
Mikrobohrungen mit Durchmessern um oder kleiner 100 μm werden z. B. für die Einspritzdüsen in Dieselmotoren, Mikrosiebe, Zerstäuber, Kühlbohrungen von Turbinenschaufel benötigt. Eine Möglichkeit zur Erzeugung der Mikrobohrung bietet das Wendelbohren, bei dem die Laserstrahlung relativ zum Werkstück in Rotation versetzt wird. Im Vergleich zu den anderen Bohrtechniken wie Perkusion werden durch Wendelbohren Bohrungen höherer Präzision gefertigt. Dabei erfolgt der Materialabtrag durch mehrmalige spiralförmige Überläufe über das Werkstück. Durch Einstellen des Kreisbahnradius und/oder des Auftreffwinkels der Laserstrahlung ist es möglich, zylindrische, positive oder gar negative konische Bohrungen zu generieren. Vorteile des Wendelbohrens sind u. a. die geringe Schmelze, hohe Bohrungswandqualität und hohe Präzision. Das Wendelbohren eignet sich insbesondere zur Bearbeitung von Einkristallen, gerichtet erstarrten Werkstoffen, Mehrschichtsystemen, Keramiken, faserverstärkten Verbundwerkstoffen wie CMCs und MMCs.
Es gibt zurzeit zwei unterschiedliche Ausführungen von Wendelbohren-Optiken: Eine besteht es aus rotierenden Keilplatten, die andere aus rotierenden Dove-Prismen. Gemeinsam ist bei beiden Wendelbohren-Optiken die Verwendung von Hohlspindeln. Aufgrund der Größe und Masse der Drehachse ist die erreichbare Rotationsgeschwindigkeit auf ca. 16.000 Upm limitiert.
Heutzutage werden Scanner für die relative Bewegung verwendet. Ein schneller Scanner lenkt einen Laserstrahl typischerweise 4 m/sec ab. Angenommen wird, dass der Laserstrahl einen Spot von 20 μm hat. Damit ist die max. Pulswiederholrate auf 400 kHz limitiert, wenn eine 60%-Überlappung zulässig ist. Wenn die Pulsenergie um die 40 μJ beträgt, so ist die max. nutzbare mittlere Leistung auf 16 W limitiert. Das bedeutet, dass die Leistung eines 400 W Lasers nicht annähernd ausgenutzt werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, basierend auf einer schnell rotierenden Achse optische Anordnungen anzugeben, mit denen Bearbeitungverfahren mit Lasern bei hoher Pulswiederholrate und hoher mittlerer Leistung unter Beibehaltung hoher Bearbeitungsqualität ermöglicht wird.
Beschreibung der Erfindung
Heutzutage ist luftgelagerte Voll-Spindel verfügbar, die eine Rotationsgeschwindigkeit von bis zu 350.000 Upm erreicht. Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein scheibenförmiger Spiegel auf einer solchen Spindel so montiert wird, dass durch Rotation der Spindel der von dem Spiegel reflektierte Laserstrahl schnell um den Eingangsstrahl rotiert wird. Damit ist die erreichbare Rotationsgeschwindigkeit der reflektierten Laserstrahlen um einen Faktor 20 höher als mit einer Hohlspindel möglich ist.
zeigt ein Ausführungsbeispiel der optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Anordnung wird ein Polarisationsstrahlteiler (41), eine Lambda/4-Platte (51), ein Spiegel (43), eine schnell bis ultra-schnell rotierende Spindel (61) und eine Optik (33) verwendet. Die gestrichelte Linie (63) kennzeichnet die Rotationsachse der Spindel. Die gestrichelte Linie (37) zeichnet die optische Achse der Optik (33). Der Eingangsstrahl 1 mit den Strahlen 1a, 1b und 1c hat eine lineare Polarisation, die in der Papierebene liegt. Vorzugsweise wird der Laserstrahl (1) parallel zur der Rotationsachse (63) justiert. Der linear polarisierte Strahl läuft durch den Polarisationsstrahlteiler (41) und läuft durch die Lambda/4-Platte (51) und trifft auf den Spiegel (43). Von dem Spiegel wird der Strahl reflektiert und läuft ein zweites Mal durch die Lambda/4-Platte (51). Nach zweifachem Durchlauf des Strahls durch die Lambda/4-Platte (51) wird die Polarisation des Strahls um 90° gedreht. Dadurch wird der Strahl durch den Polarisationsstrahlteiler (41) zu den Strahlen 9a, 9b, 9c reflektiert. Die verwendete Optik (33) fokussiert den Strahl zum Fokuspunkt (99). Der Spiegel (43) und die Rotationsachse (63) werden so zueinander angeordnet, dass die Rotationsachse und die Normale des Spiegels in einem Winkel zueinander stehen. Durch die Rotation der Spindel generiert der reflektierte Strahl hinter der Optik (33) Fokuspunkte, die sich auf dem Kreis (19) bewegen. Durch Änderung des Winkels kann der Durchmesser des Kreises (19) bei Bedarf angepasst werden.
Vorzugsweise wird der Eingangslaserstrahl (1) so konditioniert, dass die Strahltaille auf der Oberfläche des Spiegels (43) liegt. Des Weiteren wird vorzugsweise die Optik (33) so angeordnet, dass sie um ihre Fokuslänge von dem Spiegel (43) entfernt ist. In diesem Fall trifft die Achse des fokussierten Strahls senkrecht auf das Werkstück. Durch Einstellung der Entfernung der Optik (33) zum Spiegel (43) kann der Auftreffwinkel des Strahls auf dem Werkstück variiert werden. Damit kann man negative oder positive konische Bohrungen erzeugen und sowie der Querschnitt der Bohrungen entlang der Bohrrichtung variieren.
Die mit dieser optischen Anordnung erreichbare Geschwindigkeit wird durch folgende Rechenbeispiele ersichtlich.
Zahlbeispiel 1:

Fokuslänge der Optik (33): 50 mm
Winkel zwischen der Rotationsachse und der Normalen des Spiegels (43): 1 mrad
Entfernung der Optik (33) zu dem Spiegel (43): 50 mm
Rotationsgeschwindigkeit: 300.000 Upm
Daraus ergibt sich: Radius des Fokusrings (19): 100 μm
Lineare Geschwindigkeit des Fokuspunktes: 1,6 m/sec

Zahlbeispiel 2:

Fokuslänge der Optik (33): 50 mm
Winkel zwischen der Rotationsachse und der Normalen des Spiegels (43): 10 mrad
Entfernung der Optik (33) zu dem Spiegel (43): 100 mm
Rotationsgeschwindigkeit: 300.000 Upm
Daraus ergibt sich: Radius des Fokusrings (19): 2000 μm
Lineare Geschwindigkeit des Fokuspunktes: 31,4 m/sec

Für viele Anwendungen ist zirkular polarisiertes Licht von Vorteil, um höhere und richtungsunabhängige Bearbeitungsqualität zu erreichen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Bohrungen von großen Aspektverhältnissen gefertigt werden sollen. Linear polarisiertes Licht kann durch die Verwendung einer Lambda/4-Platte in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt werden. Dies wird in gezeigt, wo hinter dem Polarisationsstrahlteiler (41) eine weitere Lambda/4-Verzögerunsplatte (53) verwendet wird. Dadurch wird das linear polarisierte Licht, zirkular polarisiert auf das Werkstück auftreffen.
zeigt eine Ausführung der optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser optischen Anordnung wird eine weitere Optik (31) zur Konditionierung des Eingangsstrahls verwendet. In dem dargestellten Fall besteht die Optik (31) aus einer einzelnen Linse. Vorzugsweise liegt die Strahltaille des Laserstrahls auf dem rechtsseitigen Fokus der Optik (31). Desweiteren ist es von Vorteil, dass die Optik (31) so positioniert, dass Strahltaille hinter der Optik (31) auf dem Spiegel (43) liegt. Bei einer solchen Anordnung spricht man von einer konfokale Anordnung. Durch relative Verschiebung des Strahltaille und der Optik (31) kann abweichend von der konfokalen Anordnung der Strahl nach Wahl konvergent bzw. divergent konditioniert werden. in Kombination mit der Fokussierungsoptik (33) kann der Ringdurchmesser (19) von Fokus (99) nach Bedarf eingestellt werden.
Eine vorteilhafte Ausführung wird erreicht, indem die Strahltaille des Eingangsstrahls (11) im Fokus der Optik (31) liegt, zusätzlich die Optiken (31) und (33) eine konfokale Anordnung (ein Teleskop) bilden und die Reflexionsfläche des Spiegels (43) in der gemeinsamen Fokusebene der Optiken (31 und 33) liegt. In diesem Fall ist der Hauptstrahl 9b nach der Linse (33) parallel zu der Symmetrieachse (37). Die konfokale Position der Optik (33) kann jedoch nach Bedarf verändert werden. Dadurch kann der Durchmesser des Fokusringes (19) sowie die Neigung des Hauptstrahls zur Symmetrieachse (37) variiert werden. Dadurch kann bei der Erzeugung von Bohrungen die Neigung der Bohrungswand zu der Symmetrieachse variiert werden. Das bedeutet, dass mit dieser Methode Bohrungen mit negativen bzw. positiven Öffnungen gefertigt werden können.
zeigt eine optische Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Anordnung ist auch verwendbar für nicht linear polarisierte Laserstrahlen. In dieser optischen Anordnung wird ein Lochspiegel (42) verwendet. Der Eingangsstrahl wird mit einer Optik (31) durch den Lochspiegel fokussiert. Der durch den Lochspiegel laufende Strahl wird von dem Spiegel (43) reflektiert. Der Spiegel (43) ist in diesem Fall ein gekrümmter Spiegel. Der Krümmungsradius des Spiegels (43) wird so gewählt, dass der Fokus des vom Spiegel reflektierten Strahls im Bereich des Lochspiegels (42) liegt. Aufgrund des Winkels zwischen der Rotationsachse (63) und des Spiegels (43) trifft der fokussierte Strahl auf den Lochspiegel (42). Die reflektierten Strahlen (9a, 9b, 9c) werden mit einer Linse auf das Werkstück fokussiert. Durch Rotation entsteht einen Fokusring (19) um die Achse (37).
zeigt eine beispielhafte Ausführung der optischen Anordnung gemäß dieser vorliegenden Erfindung. Bei dieser Anordnung werden statt einer sphärischen Linse zwei zylindrische Optiken verwendet (36) und (38). Die Achsen der beiden Linsen stehen vorzugsweise senkrecht zueinander. Zur Reduzierung der Anzahl von Optiken kann eine Optik, die die Funktion von zwei zylindrischen Linsen aufweist, verwendet werden. Damit können Fokuspunkte generiert werden, die auf einem Rechteck oder Quadrat liegen.
zeigt eine weitere Ausführung einer optischen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Anordnung ist der Laserstrahl (1) mit den Teilstrahlen (1a, 1b, 1c) linear polarisiert. In dieser Anordnung werden ein erster Polarisationsstrahlteiler (61), ein Faraday-Rotator (57), eine Lambda/2-Verzögerunsplatte (55), ein zweiter Polarisationsstrahlteiler (41), eine Lambda/4-Platte (51), ein Spiegel (43), eine schnelle Spindel, eine zylindrische Optik (35), ein Spiegel (47) und eine Fokussierungsoptik (32) verwendet. Dabei werden vorzugsweise der Spiegel (43), die zylindrische Optik (35) und der Spiegel (47) so zueinander angeordnet, dass der Fokus der Optik (35) auf der Oberfläche des Spiegels (43) liegt. Des Weiteren liegt der Spiegel (47) auf dem zweiten Fokus der Optik (35). Der Faraday-Rotator (57) und die Lambda/2-Platte (55) bilden zusammen mit den beiden Polarisationsstrahlteiler (41, 61) einen optischen Isolator. Die Funktionsweise dieser optischen Anordnung kann wie folgt erläutert werden. Der polarisierte Strahl (1) durchläuft den ersten Polarisationsstrahlteiler (61) und passiert durch Faraday-Rotator (57) und eine Lambda/2-Platte (55), wobei die Polarisation des Eingangsstrahls unverändert bleibt.
So passiert der Strahl den Polarisationsstrahlteiler (41). Der Strahl läuft dann durch die Lambda/4-Platte (51) und trifft anschließend auf den Spiegel (43). Der Strahl wird dann von dem Spiegel (43) reflektiert und läuft zum zweiten Mal durch die Lambda/4-Platte. Durch den zweifachen Durchlauf der Lambda/4-Platte wird die Polarisation des Strahls um 90° gedreht. Der Strahl wird dann von dem Polarisationsstrahlteiler (41) reflektiert. Der reflektierte Strahl wird von der zylindrischen Optik (35) in einer Achse auf den kleinen Spiegel (57) fokussiert. Der Strahl wird dann von dem Spiegel (47) reflektiert, läuft zweimal durch die Linse (35) und wird wiederum von dem Polarisationsstrahlteiler (41) reflektiert. Der reflektierte Strahl läuft erneut durch die Lambda/4-Platte (51) und trifft den Spiegel (43) von welchem er reflektiert wird. Der reflektierte Strahl läuft zum zweiten Mal durch die Lambda/4-Platte (51). Nach dem zweiten Durchlauf wird die Polarisation des Strahls wieder um 90° gedreht. Der Strahl läuft dann durch den Polarisationsstrahlteiler (41), durch die Lambda/2-Platte (55) und den Faraday-Rotator (57).
Durch die Lambda/2-Platte und den Faraday-Rotator wird die Polarisation des Strahls um 90° gedreht. Deshalb wird der Strahl von dem Polarisationsstrahlteiler (61) reflektiert. Der von dem Polarisationsstrahlteiler (61) reflektierte Strahl wird mit einer Optik (32) fokussiert. Durch die Rotation des Spiegels (43) werden Fokuspunkte erzeugt, die auf einer Linie (17) liegen. Dadurch wird der Laserstrahl entlang einer Linie gescannt. Wird die zylindrische Optik (33) durch zwei zylindrische Optik, deren Achse senkrecht zueinander stehen, oder durch eine Optik, die die Funktion von zwei zylindrischen Linsen vereint, ersetzt, so können durch Rotation des Spiegels (43) Fokuspunkte erzeugt werden, die auf einen Rechteck oder einen Quadrat liegen.
Durch Verwendung von weiteren xyz-Achsen wird Fokus und Werkstück relativ bewegt. Damit können Anlagen zur Bearbeitung von Flächen und Volumen realisiert werden, die z. B. zur Bearbeitung, etwa Schneiden, Fräsen oder Bohren von allerlei Materialien, z. B. faserverstärkten Polymeren eingesetzt werden können.
Des Weiteren kann die optische Anordnung zusammen mit einem Scanner wie dem Galvoscanner verwendet werden.
Zur Ansteuerung der Pulsenergie bzw. Pulsleistung kann ein Modulator wie z. B. akustooptische oder elektrooptische Modulatoren verwendet werden.

Claims

Optischen Anordnung zur Generierung von Bewegungen des Laserstrahlauftreffpunkt es auf dem Werkstück, bei der ein Polarisationsstrahlteiler (41), eine Lambda/4-Platte (51), ein Spiegel (43), eine schnell bis ultra-schnell rotierende Spindel (61) und eine Optik (33) verwendet werden, wobei der Laserstrahl eine lineare Polarisation hat, wobei der Spiegel (43) auf der Spindel (61) so montiert, dass die Rotationsachse und die Normale des Spiegels (43) unter einem Winkel zueinander stehen, wobei die Optik (33, 36, 38, 32) den Strahl zum Fokuspunkt (99) fokussiert, wobei durch die Rotation der Spindel Fokuspunkte generiert werden, die sich auf einer Kreisbahn (19), einem Rechteck (17) oder auf einer Gerade bewegen.
Optische Anordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung des Winkels der Durchmesser des Kreises (19), oder die Abmessung des Rechtecks (18), oder die Länge der Gerade (17) an Bedarf angepasst wird.
Optische Anordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (1) so konditioniert wird, dass die Strahltaille auf der Oberfläche des Spiegels (43) liegt, dass wird die Optik (33) so angeordnet wird, dass sie sich um deren Fokuslänge von dem Spiegel (43) entfernt ist.
Optische Anordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einstellung der Entfernung der Optik (33) zum Spiegel (43) der Auftreffwinkel des Strahls auf dem Werkstück variiert werden kann.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Polarisationsstrahlteiler (41) eine weitere Lambda/4-Verzögerunsplatte (53) verwendet wird, um ein linear polarisierter Laserstrahl in einen zirkular polarisierten Laserstrahl zu transformieren.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Optik (31) zur Konditionierung des Eingangsstrahls verwendet wird, wobei durch relative Verschiebung des Strahltaille und der Optik (31) und der Fokussierungsoptik (33, 36, 38, 32) der Ringdurchmesser (19), die Abmessung des Rechtecks (18), oder die Länge der Gerade (17) sowie der Auftreffwinkel des Lasers auf dem Werkstück eingestellt wird.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umlenkung des Laserstrahl ein Lochspiegel (42) verwendet wird.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer sphärischen Linse (33) zwei zylindrische Optiken (36) und (38) oder eine Optik, die die Funktion von zwei zylindrischen Linsen vereint, verwendet werden, wobei die Achsen der beiden Linsen senkrecht zueinander angeordnet werden.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Polarisationsstrahlteiler (61), ein Faraday-Rotator (57), eine Lambda/2-Verzögerunsplatte (55), ein zweiter Polarisationsstrahlteiler (41), eine Lambda/4-Platte (51), ein Spiegel (43), eine schnelle Spindel, eine zylindrische Optik (35), ein Spiegel (47) und eine Fokussierungsoptik (32) verwendet werden, wobei der Spiegel (43), die zylindrische Optik (35) und der Spiegel (47) so zueinander angeordnet sind, dass der Fokus der Optik (35) auf der Oberfläche des Spiegels (43) liegt, wobei der Spiegel (47) auf dem zweiten Fokus der Optik (35) liegt und der Faraday-Rotator (57) und die Lambda/2-Platte (55) zusammen mit den beiden Polarisationsstrahlteilern (41, 61) einen optischen Isolator bilden.
Verwendung der optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur flächigen Bearbeitung oder Volumenbearbeitung ein Achsensystem und/oder ein Scanner zur relativen Bewegung des Fokus und des Werkstücks verwendet wird.