DE102019108084A1 - zoom optics - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Optik für Laserstrahlung und stellt ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab zur Verfügung, umfassend vier Linsen, welche in drei Linsengruppen angeordnet sind, wobei die in Strahlrichtung der Laserstrahlung angeordnete erste Linsengruppe eine erste Linse mit positiver Brennweite umfasst, die zweite Linsengruppe eine zweite und eine dritte Linse mit negativer Brennweite und die dritte Linsengruppe eine vierte Linse mit positiver Brennweite umfasst und zweite Linse eine plankonkave Form bis hin zu einem Meniskus aufweist und die dritte Linse bikonkav ist.The invention relates to an optical system for laser radiation and provides an optical system for imaging laser radiation with an adjustable magnification, comprising four lenses, which are arranged in three lens groups, wherein the arranged in the beam direction of the laser radiation first lens group comprises a first lens with a positive focal length, the second lens group comprises second and third negative focal length lenses, and the third lens group comprises a fourth positive focal length lens, and the second lens has a plano-concave shape to a meniscus, and the third lens is biconcave.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Optik für Laserstrahlung.The invention relates to an optic for laser radiation.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Lasern mit hoher Leistung werden zur Materialbearbeitung eingesetzt. Der aus einem Lichtleitkabel austretende Laserstrahl wird in einem an dessen Ende angebrachten Laserkopf mittels Laseroptiken mit entsprechenden Linsen kollimiert und anschließend fokussiert.High power lasers are used for material processing. The emerging from a light guide laser beam is collimated in a mounted at the end of the laser head by means of laser optics with corresponding lenses and then focused.

Bei Zoomkollimatoren kommt es durch Reflektion unter hohen Einfallswinkeln an optischen Flächen zu Energieeinträgen auf optomechanisch bewegten Teilen. Diese Teile müssen aufgrund von Dynamik und Kontamination reibungsarm gelagert werden. Dadurch sind sie automatisch zumeist auch gut thermisch entkoppelt, wodurch dann das Gehäuse der Optik nicht zur Kühlung und Ableitung von entstehender Wärme genutzt werden kann.With zoom collimators, reflections at high angles of incidence on optical surfaces lead to energy inputs on opto-mechanically moving parts. These parts must be stored friction-free due to dynamics and contamination. As a result, they are usually automatically thermally decoupled well, which then the housing of the optics can not be used for cooling and dissipation of heat produced.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen zur Verringerung der Reflektion von Laserstrahlung bekannt. So beschreibt das US-Patent US 7,450,301 B2 ein EUV-Lithographiesystem, bei dem die unterschiedlichen Einfallswinkel durch dann variierende Reflektivitäten über eine Spiegelfläche zu einer ungleichmäßigen Ausleuchtung der Austrittspupille führen. Dadurch kommt es zu Einbußen in der Auflösung. Dieses Dokument schlägt als technische Lösung vor den Spiegel mit einer Beschichtung zu versehen, deren Dicke über die Spiegelfläche variiert, so dass lokal jede Stelle je nach vorherrschendem Einfallswinkel der Strahlung ein angepasstes Beschichtungsdesign hat. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Beschichtungsverfahren teuer und aufwendig sind.Various measures for reducing the reflection of laser radiation are known from the prior art. This is how the US patent describes US Pat. No. 7,450,301 B2 an EUV lithography system, in which the different angles of incidence then result in uneven illumination of the exit pupil due to varying reflectivities over a mirror surface. This leads to losses in the resolution. This document proposes, as a technical solution, to provide the mirror with a coating whose thickness varies over the mirror surface, so that locally each location has an adapted coating design depending on the prevailing angle of incidence of the radiation. A disadvantage of this solution is that the coating process is expensive and expensive.

Aus der WO 2009/024164 A ist ebenfalls ein Lithographiesystem bekannt, bei welchem die Beschichtungsdicke des Spiegels an die Einfallswinkel der Stählung angepasst wurde, wobei für Freiformspiegel dann auch „Freiformbeschichtungen“ benötigt werden. Insbesondere wird dabei die Reflektivität lokal verringert, um eine gleichmäßige Ausleuchtung der Austrittspupille auf Kosten der Transmission zu erreichen. Diese technische Lösung lässt sich jedoch nicht auf Anwendungen unter Verwendung von hohen Laserleistungen übertragen.From the WO 2009/024164 A For example, a lithography system is known in which the coating thickness of the mirror has been adapted to the angle of incidence of the steel, which then also requires "free-form coatings" for free-form mirrors. In particular, the reflectivity is locally reduced in order to achieve a uniform illumination of the exit pupil at the expense of the transmission. However, this technical solution can not be transferred to applications using high laser powers.

Das veröffentliche chinesische Gebrauchsmuster mit der Nummer CN 206 696 535 U bezieht sich auf einen Laser mit zwei Wellenlängen. Der Aufbau der Vorrichtung umfasst fünf Linsen, wobei die erste Linse eine bikonvexe positive Linse ist, die zweite Linse ein negative konkave Linse, die dritte und vierte Linse jeweils eine negative bikonkave Linse und die fünfte Linse eine plan-konvexe positive Linse ist. Das Gebrauchsmuster offenbart einen Dualwellenbandlaser, der zwei Wellenlängen gleichzeitig bereitstellen kann, mit 532nm und 1064nm.The published Chinese utility model number CN 206 696 535 U refers to a laser with two wavelengths. The structure of the device comprises five lenses, the first lens being a biconvex positive lens, the second lens being a negative concave lens, the third and fourth lenses each being a negative biconcave lens, and the fifth lens being a plano-convex positive lens. The utility model discloses a dual wave band laser capable of providing two wavelengths simultaneously, 532nm and 1064nm.

Die veröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 117607 A1 offenbart ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab, umfassend ein Kollimations-Objektiv und ein dem Kollimations-Objektiv nachgeordnetes Fokussier-Objektiv zur Abbildung des kollimierten Strahls in einen Strahlfokus, wobei das Kollimations-Objektiv aus drei Linsengruppen zusammengesetzt ist, wobei die erste Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, die zweite Linsengruppe eine negative Brennweite aufweist und die dritte Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, wobei das Kollimations-Objektiv einer Laserstrahlquelle mit einer Strahltaille nachgeordnet ist, und die zweite Linsengruppe des Kollimations-Objektivs innerhalb eines Verstellbereichs e axial verschiebbar angeordnet ist, wobei die zweite Linsengruppe innerhalb ihres Verstellbereichs eine Position aufweist, bei der der Divergenz- oder Konvergenzwinkel des Strahls vor und nach dieser Linsengruppe jeweils gleich ist, also der Abbildungsmaßstab dieser zweiten Linsengruppe in dieser Position gleich -1 ist, wobei für den Abstand a12 zwischen erster und zweiter Linsengruppe gilt a12 = 2f2 + f1/(1 - f1/s01) und dieser innerhalb des durch den Verstellbereich e definierten Abstandsbereich s12 liegen muss und das Verhältnis der Brennweite f1 der ersten Linsengruppe zum Abstand s01 der Strahlquelle zur objektseitigen Hauptebene der ersten Linsengruppe zwischen 1/4 und 3/4 liegt, also 0,25 ≤ f1/s01 ≤ 0,75 und die Brennweite f2 der zweiten, verstellbaren Linsengruppe in einem Bereich 0 > f2 > [(e/2) - f1/(1 - f1/s01)]/2, liegt, wobei für die Beziehung zwischen der Brennweite der zweiten Linsengruppe f2 und der Brennweite der dritten Linsengruppe f3 gilt, dass f3 > -2f2 + e/2, mit e = Verstellbereich der zweiten Linsengruppe des Kollimationsobjektives, a12 = Abstand zwischen erster und zweiter Linsengruppe, f1 = Brennweite erste Linsengruppe, f2 = Brennweite zweite Linsengruppe, f3 = Brennweite dritte Linsengruppe, s01 = Abstand der Strahlquelle zur objektseitigen Hauptebene der ersten Linsengruppe und s12 = Abstand zwischen der bildseitigen Hauptebene der ersten Linsengruppe und der objektseitigen Hauptebene der zweiten Linsengruppe.The published German patent application DE 10 2011 117607 A1 discloses an optical system for imaging laser radiation of adjustable magnification, comprising a collimating lens and a focusing lens disposed after the collimating lens for imaging the collimated beam into a beam focus, the collimating lens being composed of three lens groups, the first Lens group has a positive focal length, the second lens group has a negative focal length and the third lens group has a positive focal length, wherein the collimating lens of a laser beam source is disposed downstream with a beam waist, and arranged the second lens group of the collimating lens axially displaceable within an adjustment e is, wherein the second lens group has within its adjustment range a position in which the divergence or convergence angle of the beam before and after this lens group is the same, ie the magnification of this second lens group pe is equal to -1 in this position, where a12 = 2f2 + f1 / (1-f1 / s01) for the distance a12 between the first and second lens groups and this must lie within the distance range s12 defined by the adjustment range e and the ratio of Focal length f1 of the first lens group to the distance s01 of Beam source to the object-side main plane of the first lens group is between 1/4 and 3/4, so 0.25 ≤ f1 / s01 ≤ 0.75 and the focal length f2 of the second, adjustable lens group in a range 0>f2> [(e / 2 ) - f1 / (1 - f1 / s01)] / 2, where f3> -2f2 + e / 2 for the relationship between the focal length of the second lens group f2 and the focal length of the third lens group f3, where e = Adjustment range of the second lens group of the collimating objective, a12 = distance between first and second lens group, f1 = focal length first lens group, f2 = focal length second lens group, f3 = focal length third lens group, s01 = distance of the beam source to the object side main plane of the first lens group and s12 = distance between the image-side main plane of the first lens group and the object-side main plane of the second lens group.

Die veröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2016 005376 A1 betrifft eine Abbildungsoptik für die Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, mit einer Kollimatoroptik zur Kollimation eines divergenten Arbeitslaserstrahls und einer Fokussieroptik zur Fokussierung eines Arbeitslaserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück, wobei die Kollimatoroptik eine erste bewegliche Linse oder Linsengruppe mit positiver Brennweite zur Abbildung einer Arbeitslaserstrahlquelle in einen virtuellen Zwischenfokus und eine zweite bewegliche Linse oder Linsengruppe mit negativer Brennweite zur Abbildung des virtuellen Zwischenfokus nach unendlich umfasst. Ferner wird ein Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse bereitgestellt, durch das ein Arbeitslaserstrahl hindurchführbar ist. Eine erfindungsgemäße Abbildungsoptik dient zur Erzeugung eines Arbeitsfokus.The published German patent application DE 10 2016 005376 A1 relates to an imaging optics for material processing with laser radiation, with a collimator optics for collimating a divergent working laser beam and a focusing optics for focusing a working laser beam on a workpiece to be machined, the collimator optics a first movable lens or lens group with positive focal length for imaging a working laser beam source in a virtual intermediate focus and a second movable lens or lens group having a negative focal length for imaging the virtual intermediate focus to infinity. Furthermore, a laser processing head is provided with a housing through which a working laser beam can be passed. An imaging optics according to the invention serves to generate a working focus.

Eine weitere Lösung zur Verbesserung der Leistung einer Zoomoptik bei der Verwendung hoher Laserleistungen wäre eine Kühlung der optischen Elemente, wie beispielsweise von Linsenfassungen. Dies ist jedoch konstruktiv sehr aufwendig und erfordert zudem auch einen höheren Aufwand bei der Wartung der Optiken.Another solution to improve the performance of zoom optics when using high laser powers would be to cool the optical elements, such as lens frames. However, this is structurally very complex and also requires a higher effort in the maintenance of the optics.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Lösung zur Verfügung zu stellen, die durch reduzierten Wärmeeintrag die Leistungstauglichkeit einer Zoomoptik erhöht und gleichzeitig einen kleinen Bauraum und eine minimale Anzahl an optischen Elementen gewährleistet.Object of the present invention is therefore to provide a solution that increases the performance of zoom optics by reduced heat input and at the same time ensures a small space and a minimum number of optical elements.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die vorlegende Erfindung stellt ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab umfassend eine Quelle zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit einer Leistung von mehr als 4 kW, und weiterhin vier Linsen zur Verfügung, wobei die Linsen in drei Linsengruppen angeordnet sind, wobei die in Strahlrichtung der Laserstrahlung angeordnete erste Linsengruppe eine erste Linse mit positiver Brennweite umfasst, die zweite Linsengruppe eine zweite und eine dritte Linse mit negativer Brennweite und die dritte Linsengruppe mindestens eine vierte Linse mit positiver Brennweite umfasst und zweite Linse eine plankonkave Form bis hin zu einem Meniskus aufweist und die dritte Linse bikonkav ist.The present invention provides an optical system for imaging laser radiation with adjustable magnification comprising a source for generating a laser radiation with a power of more than 4 kW, and further four lenses available, wherein the lenses are arranged in three lens groups, wherein in the beam direction the laser radiation arranged first lens group comprises a first lens with positive focal length, the second lens group comprises a second and a third lens with negative focal length and the third lens group at least a fourth lens with positive focal length and second lens has a plano-concave shape to a meniscus and the third lens is biconcave.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Krümmungsradien der zweiten Linse von Seite 1 zu Seite 2 in Strahlrichtung zwischen 20 mm / 10 mm bis zu -100 mm /17 mm betragen.In a further embodiment, it is provided that the radii of curvature of the second lens from side 1 to side 2 in the beam direction are between 20 mm / 10 mm to -100 mm / 17 mm.

Weiterhin können die Krümmungsradien der dritten Linse von Seite 1 zu Seite 2 in Strahlrichtung zwischen -20 mm /20 mm bis zu -50 mm /17 mm betragen.Furthermore, the radii of curvature of the third lens from side 1 to side 2 in the beam direction can be between -20 mm / 20 mm and -50 mm / 17 mm.

Es kann erfindungsgemäß zudem vorgesehen sein, dass keine Fläche einer der ersten bis vierten Linse bei maximaler Brennweite des optischen Systems einen lokalen Einfallswinkel von > 25° hat.It can also be provided according to the invention that no area of one of the first to fourth lenses has a local angle of incidence of> 25 ° at maximum focal length of the optical system.

Für die zweite und dritte Linse kann bei maximaler Brennweite des optischen Systems ein lokaler Einfallswinkel > 20° sein.For the second and third lenses, a maximum local focal length of the optical system can be a local angle of incidence> 20 °.

Erfindungsgemäß kann jede Linsengruppe zumindest je eine asphärische Fläche aufweist.According to the invention, each lens group can have at least one aspherical surface each.

Für das optische System kann zudem vorgesehen sein, dass die zweite Linse auf der ersten Seite eine asphärische Fläche aufweist.For the optical system, it can also be provided that the second lens has an aspherical surface on the first side.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in der zweiten Linsengruppe eine Linse asphärisch und die andere Linse sphärisch sein.In a further embodiment of the invention, in the second lens group, one lens may be aspherical and the other lens may be spherical.

Die maximale Baulänge von virtueller Faserspitze bis zur letzten Kollimationslinse kann 195 mm betragen.The maximum length of the virtual fiber tip to the last collimating lens can be 195 mm.

Der Abstand von virtueller Faserspitze bis zur Fläche der ersten Linse kann minimal 50 mmm betragen.The distance from the virtual fiber tip to the surface of the first lens can be at least 50 mm.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die numerische Apertur größer 0,1 ist. Weiterhin kann die numerische Apertur 0,125 betragen.According to the invention, it is provided that the numerical aperture is greater than 0.1. Furthermore, the numerical aperture can be 0.125.

Das optische System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine der Linsen der zweiten Gruppe aus synthetischem Quarzglas besteht. The optical system according to one of the preceding claims, wherein at least one of the lenses of the second group consists of synthetic quartz glass.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines optischen Systems wie zuvor beschrieben zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab.Another object of the invention relates to the use of an optical system as described above for imaging of laser radiation with an adjustable magnification.

Es ist erfindungsgemäß auch eine Verwendung des zuvor beschriebenen optischen Systems in Kombination mit einem Halbleiter-Festkörperlaser, einem Scheiben-Laser oder einem Faser Laser vorgesehen.It is also provided according to the invention a use of the optical system described above in combination with a semiconductor solid-state laser, a disc laser or a fiber laser.

Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der einfach bevorzugte Ausführungsformen und Implementierungen dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden und ihre verschiedenen Details können in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden, ohne Lehre und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können der Ausführung der Erfindung entnommen werdenOther aspects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description, which illustrates simply preferred embodiments and implementations. The present invention may be embodied in other and different embodiments, and its various details may be modified in various, obvious aspects without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the drawings and descriptions are to be considered illustrative and not restrictive. Additional objects and advantages of the invention will be set forth in part in the description which follows, and in part will be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um mögliche Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt wird. Es zeigt:

  • 1 Reflektivität in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bei einer Wellenlänge für unterschiedlich polarisiertes Licht.
  • 2 Vergleich der spektralen Reflektivität einer Beschichtung bei unterschiedlichen Einfallswinkeln
  • 3 Schematische Darstellung von vier Linsen in drei Gruppen
The invention is illustrated in more detail below with reference to figures. It is obvious to the person skilled in the art that these are only possible embodiments, without the invention being restricted to the embodiments shown. It shows:
  • 1 Reflectivity as a function of the angle of incidence at a wavelength for differently polarized light.
  • 2 Comparison of the spectral reflectivity of a coating at different angles of incidence
  • 3 Schematic representation of four lenses in three groups

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen werden weitere Ausführungsformen beansprucht Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe lokale Einfallswinkel am Rand einer Linse immer unter definierten Grenzwinkeln zu halten. Dadurch wird die Erwärmung der gesamten Optik im Innenraum reduziert.The object of the invention is achieved by the features of the independent claims. The present invention solves the problem of always keeping local angles of incidence at the edge of a lens below defined critical angles. This reduces the heating of the entire look in the interior.

Bereits eine relativ kleine Änderung der Vergrößerung kann zu einem erheblichen Anstieg der Temperatur im Innenraum der Optik führen. Dies gilt insbesondere für Laser mit einer Leistung von mehr al 4 kW. Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Anmeldung dazu haben ergeben, dass dies mit den Krümmungen der Linsen zusammenhängt, so dass in Randbereichen dann die Einfallswinkel bei einer kleinen Vergrößerung massiv ansteigen und die damit einhergehende Steigerung der Reflektivität sich in einem Temperaturanstieg widerspiegelt. Die reibungsarme Lagerung beweglicher Komponenten führt zu deren thermischer Entkopplung der Komponenten gegen das Gehäuse, so dass das Gehäuse die Wärme nicht ableiten und dadurch zur Kühlung beitragen kann.Even a relatively small change in magnification can lead to a significant increase in the temperature in the interior of the optics. This applies in particular to lasers with a capacity of more than 4 kW. Investigations of the inventors of the present application have shown that this is related to the curvatures of the lenses, so that in peripheral areas then the angles of incidence at a small magnification massively increase and the concomitant increase in reflectivity is reflected in a temperature increase. The low-friction mounting of movable components leads to their thermal decoupling of the components against the housing, so that the housing can not dissipate the heat and thereby contribute to cooling.

Bei Lichtleitkabeln für Laserleistungen im Multi-Kilowatt Bereich werden häufig Quarzglasblöcke an das Ende der Glasfaser angespleißt, um die Leistungsdichte auf der Grenzfläche zu Luft zu verringern. Durch die Brechung an dieser Grenzfläche scheint der Lichtkegel, welcher aus der Glasfaser austritt, von einer zur realen Position verschobenen Position zu kommen. Dieses durch den Quarzblock erzeugte Bild der realen Faserspitze wird auch virtuelle Faserspitze genannt, und ist durch die Brechung näher an der Optik als die reale Faserspitze. Wenn kein Quarzblock zum Abschluss der Glasfaser genutzt wird, ist nach dieser Definition die virtuelle Faserspitze identisch zur realen Faserspitze.For multi-kilowatt laser power fiber optic cables, quartz glass blocks are often spliced to the end of the fiber to reduce the power density at the interface with air. Due to the refraction at this interface, the cone of light which emerges from the glass fiber appears to come from a position shifted to the real position. This image of the real fiber tip generated by the quartz block is also called a virtual fiber tip, and is closer to the optic than the real fiber tip due to the refraction. If no quartz block is used to terminate the fiber, then, according to this definition, the virtual fiber tip is identical to the real fiber tip.

1 zeigt die Reflektivität in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bei einer Wellenlänge für unterschiedlich polarisiertes Licht. Die Reflektivität steigt bei Licht einer Wellenlänge mit zunehmendem Einfallswinkel. Dieser Zusammenhang trifft unabhängig von der Polarisation des Lichts einer Wellenlänge zu, wobei sich bei hohen Wellenlängen die Polarisationen aufspalten. Die Reflektivität ist dadurch bei sehr großen Einfallswinkeln absolut schlechter und kann nicht einfach durch das Verschieben der Zentralwellenlänge der Beschichtung optimiert werden. 1 shows the reflectivity as a function of the angle of incidence at one wavelength for differently polarized light. The reflectivity increases with light of a wavelength with increasing angle of incidence. This relationship applies regardless of the polarization of the light of a wavelength, which split at high wavelengths, the polarizations. The reflectivity is thus absolutely worse at very large angles of incidence and can not be easily optimized by shifting the central wavelength of the coating.

2 zeigt die Wellenlängenabhänigkeit der Reflektivität einer typischen Beschichtung bei unterschiedlichen Einfallswinkeln. Man sieht, dass sowohl die spektrale Abhängigkeit der Reflektivität als auch die absolute Reflektivität bei einem Einfallswinkel von 0° und bei einem Einfallswinkel von 20° sehr ähnlich sind. In diesem Einfallswinkelbereich kann eine gute Antireflexwirkung mit einer einfach aufgebauten und somit absorbtionsarmen Beschichtung durch Anpassung der Designwellenlänge der Beschichtung erreicht werden. Bei größeren Einfallswinkeln sind dagegen die Reflektivitäten absolut gesehen über den ganzen Wellenlängenbereich schlechter. 2 shows the wavelength dependence of the reflectivity of a typical coating at different angles of incidence. It can be seen that both the spectral dependence of the reflectivity and the absolute reflectivity at an incident angle of 0 ° and at an incident angle of 20 ° are very similar. In this range of angles of incidence, a good antireflection effect can be achieved with a simply constructed and thus low-absorption coating by adapting the design wavelength of the coating. At larger angles of incidence, on the other hand, the reflectivities are worse in absolute terms over the entire wavelength range.

Bei kompakten Zoomkollimatoren können insbesondere bei großen Brennweiteneinstellungen sehr hohe lokale Einfallswinkel des Laserlichts auf den Linsen auftreten. Diese treten vornehmlich im Randbereich der Linsen auf, und da vor allen Dingen auf Linsen mit negativen Brennweiten. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Einfallswinkel auf den Linsen im Randbereich zu begrenzen. Hierzu werden erfindungsgemäß die Gruppen mit negativer Brennweite in zwei Linsen gesplittet, und zusätzlich die Krümmungen auf den negativen Linsen so gewählt, dass minimale Einfallswinkel erreicht werden.In the case of compact zoom collimators, very high local incidence angles of the laser light on the lenses can occur, in particular with large focal length settings. These occur mainly in the edge region of the lenses, and above all on lenses with negative focal lengths. According to the invention it is therefore proposed to limit the angles of incidence on the lenses in the edge region. For this purpose, according to the invention, the groups with negative focal length are split into two lenses, and in addition the curvatures on the negative lenses are selected so that minimal angles of incidence are achieved.

Es wird daher erfindungsgemäß ein Design mit 4 Linsen in 3 Baugruppen vorgeschlagen, wobei die Gruppe 1 eine Linse mit positiver Brechung, Gruppe 2 zwei Linsen mit negativer Brechung und Gruppe 3 eine Linse mit positiver Brechung aufweisen.It is therefore proposed according to the invention a design with 4 lenses in 3 modules, wherein the group 1 have a lens with positive refraction, group 2 two lenses with negative refraction and group 3 a lens with positive refraction.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat es sich als konstruktiv vorteilhaft erwiesen die beiden mittleren negativen Linsen fest zu installieren und die beiden äußeren positiven Linsen mittels Antrieben verfahren zu können.According to the present invention, it has proven to be structurally advantageous to firmly install the two central negative lenses and to be able to move the two outer positive lenses by means of drives.

3 zeigt schematisch die Anordnung und Form der Linsen der drei Baugruppen. Die Linsen sind von links nach rechts mit L1, L2, L3 und L4 in Strahlrichtung durchnummeriert. Dabei bilden L2 und L3 die Linsen mit negativer Brechkraft der mittleren Gruppe. Es ist für L2 eine bikonkave Form bis hin zu einem Meniskus vorgesehen, mit einer konvexen Form in Richtung der Faser. L3 ist erfindungsgemäß bikonkav. 3 schematically shows the arrangement and shape of the lenses of the three modules. The lenses are numbered from left to right with L1, L2, L3 and L4 in the beam direction. In this case, L2 and L3 form the lenses with negative refractive power of the middle group. It is intended for L2 a biconcave shape to a meniscus, with a convex shape in the direction of the fiber. L3 is biconcave according to the invention.

Die Krümmungen für L2 und L3 können wie folgt angegeben werden, wobei S1 und S2 die Seiten der Linsen in Strahlrichtung angeben und die Werte den jeweiligen Krümmungsradius in mm angeben: L2 ( S1 / S2 ) = 20 / 10 ( Meniskus )  bis zu − 100 / 17 ( nahezu plankonkav )

Figure DE102019108084A1_0001
L ( S1 / S2 ) = − 20 / 20 ( exact bikonkav )  bis − 50 / 17
Figure DE102019108084A1_0002
 The curvatures for L2 and L3 can be given as follows, where S1 and S2 indicate the sides of the lenses in the beam direction and the values indicate the respective radius of curvature in mm: L2 ( S1 / S2 ) = 20 / 10 ( meniscus ) up to - 100 / 17 ( almost plankonkav )
Figure DE102019108084A1_0001
 L ( S1 / S2 ) = - 20 / 20 ( exact biconcave ) to - 50 / 17
Figure DE102019108084A1_0002

Die Grenzen für die Krümmungen wurden berechnet, indem die erste Fläche der L2 festgelegt wurde und dann die restlichen Krümmungen im System dann experimentell optimiert wurden. Dies erfolgte unter den folgenden Randbedingungen:

  • - Keine Fläche hat bei maximaler Brennweite des Zooms (=maximale Ausleuchtung der Linsen) einen lokalen Einfallswinkel > 25°;
  • - Speziell für die Linsen der Negativgruppe soll der lokalen Einfallswinkel nicht > 20° sein;
  • - Beugungsbegrenzte Abbildung in allen Positionen des Zoomkollimators möglich;
  • - Für die Bauform von L2 nahe plankonkav kann bei konkaver Krümmungen der ersten Fläche auch eine asphärische Fläche verwendet werden
The bounds for the bends were calculated by defining the first area of the L2 and then experimentally optimizing the remaining bends in the system. This was done under the following conditions:
  • - No area has a local angle of incidence> 25 ° at maximum focal length of the zoom (= maximum illumination of the lenses);
  • - Especially for the lenses of the negative group, the local angle of incidence should not be> 20 °;
  • - Diffraction-limited imaging possible in all positions of the zoom collimator;
  • - For the design of L2 near plankonkav can be used in concave curvatures of the first surface and an aspherical surface

Ein lokaler Einfallswinkel von weniger als 20° hat sich als vorteilhaft erwiesen, da dadurch Rückreflexe von der negativen Gruppe auf die erste positive Linse und deren Fassung vermieden werden. Die erste positive Linse wird ja mittels eines Antriebs bewegt und ist deshalb aufgrund ihrer Lagerung thermisch isoliert und somit nur schwer zu kühlen.A local angle of incidence of less than 20 ° has proved to be advantageous because it avoids back reflections from the negative group to the first positive lens and its socket. The first positive lens is indeed moved by means of a drive and is therefore thermally insulated due to their storage and thus difficult to cool.

Für die positiven Linsen gilt dies so nicht und die Rückreflexe der positiven Gruppen treffen in erster Linie ortstationäre optische Elemente: L1 trifft das Schutzglas oder die Blende, L4 trifft L2/3. Die ortstationären, also unbewegten Elemente aber kann man gut kühlen, daher ist bei diesen Linsen auch ein höherer Einfallswinkel ohne Nachteile möglich.This is not the case for the positive lenses and the back-reflexes of the positive groups primarily affect stationary optical elements: L1 meets the protective glass or the diaphragm, L4 meets L2 / 3. But the stationary, so immobile elements can be cooled well, therefore, with these lenses, a higher angle of incidence without disadvantages is possible.

Es ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass jede Linsengruppe je eine asphärische Fläche aufweist. Dies wäre in der Negativgruppe bevorzugt L2/S1, da es schwerer ist, eine konkave asphärische Fläche zu machen und dies bei den starken Krümmungen unter Umständen sogar unmöglich ist, da das Bearbeitungswerkzeug an der Spitze nicht schmal genug werden kann.It is also provided according to the invention that each lens group each has an aspherical surface. This would be preferred in the negative group L2 / S1, as it is heavier, a concave aspheric surface This may even be impossible with the high curvatures, as the machining tool at the tip can not become narrow enough.

In der gesplitteten Negativgruppe kann aus Kostengründen eine Linse asphärisch sein, während die andere Linse sphärisch ist.In the split negative group, one lens may be aspherical for cost reasons, while the other lens is spherical.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die zuvor genannten Parameter für den Aufbau der Linsengruppen bei einer maximalen Baulänge von 195 mm von virtueller Faserspitze bis zur letzter Kollimationslinse vorteilhaft sind. Der Abstand der virtuellen Faserspitze zur Fläche von L1 ist bevorzugt > 50 mm. Wenn die dritte, positive Linsengruppe entlang der optischen Achse beweglich ist, kann mit dem gezeigten Aufbau auch die Position der Hauptebene der Optik zur virtuellen Faserspitze verschoben werden. Zusammen mit einer Fokussierungsoptik ist dann neben der Vergrößerungsänderung auch eine Änderung der z-Lage des Fokus relativ zur Fokussierungslinse möglich. In diesem Fall haben Untersuchungen gezeigt, dass die zuvor genannten Parameter für den Aufbau der Linsengruppen bei einer maximalen Baulänge von 195 mm von virtueller Faserspitze bis zur letzter Kollimationslinse vorteilhaft sind, um einen minimalen Wärmeeintrag bei maximalem Verstellbereich in Vergrößerung und z-Lagenverstellung zu erreichen. Bei einer Beschränkung auf die reine Zoomfunktionalität haben die Untersuchungen gezeigt, dass die genannten Parameter bei einer maximalen Baulänge von 170 mm von virtueller Faserspitze bis zur letzten Kollimationslinse vorteilhaft sind.Investigations have shown that the aforementioned parameters for the construction of the lens groups with a maximum length of 195 mm from the virtual fiber tip to the last collimating lens are advantageous. The distance of the virtual fiber tip to the surface of L1 is preferably> 50 mm. With the structure shown, if the third positive lens group is movable along the optical axis, the position of the main plane of the optic can also be shifted to the virtual fiber tip. Together with a focusing optics, a change of the z position of the focus relative to the focusing lens is then possible in addition to the change in magnification. In this case, studies have shown that the aforementioned parameters for the construction of the lens groups with a maximum length of 195 mm from the fiber tip to the last Kollimationslinse are advantageous to achieve minimal heat input at maximum adjustment range in magnification and z-position adjustment. In the case of a limitation to the pure zoom functionality, the investigations have shown that the parameters mentioned are advantageous with a maximum length of 170 mm from the virtual fiber tip to the last collimating lens.

Erfindungsgemäß ist eine Numerische Apertur größer 0,1 vorgesehen, diese kann auch gleich 0,125 sein. Grundsätzlich gilt es zu stark gekrümmte Linsen auszuschließen, da diese nicht mehr bis an den Rand ausgeleuchtet werden.According to the invention, a numerical aperture greater than 0.1 is provided, which may also be equal to 0.125. Basically, it is important to exclude heavily curved lenses, as they are no longer illuminated to the edge.

Hierdurch ist es möglich, eine Beschichtung ohne einen komplexen lateralen Schichtdickenverlauf zu fertigen, die trotzdem über die gesamte Fläche eine niedrige Reflektivität aufweist. Es ist vorteilhaft, dass die vorliegende Erfindung mit einem möglichst einfachen Aufbau der Beschichtungen auskommt, wodurch Kosten gesenkt und niedrige Absorbtionen gewährleisten werden.This makes it possible to produce a coating without a complex lateral layer thickness profile, which nevertheless has a low reflectivity over the entire surface. It is advantageous that the present invention manages with the simplest possible structure of the coatings, thereby reducing costs and ensure low Absorptions.

Im Hinblick auf das veröffentliche chinesische Gebrauchsmuster mit der Nummer CN 206 696 535 U ist anzumerken, dass die darin gezeigt Vorrichtung nicht wie die vorliegende Erfindung für hohe Laserleistungen verwendbar ist. Der Fachmann würde daher im Kontext hoher Laserleistungen nicht auf die Lehre dieses Dokuments zurückgreifen, da in diesem Materialeien für die Gläser der Linsen verwendet werden, welche nicht bei hochenergetischen Lasern zur Anwendung kommen können.With regard to the published Chinese utility model number CN 206 696 535 U It should be noted that the device shown therein is not usable for high laser powers like the present invention. The person skilled in the art would therefore not fall back on the teaching of this document in the context of high laser powers, since materials for the lenses of the lenses are used which can not be used in high-energy lasers.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Reduktion von Rückreflexen und Aufwärmung. Aus diesem Grund basiert die vorliegende Anmeldung auch auf der Bedingung, dass die Einfallswinkel minimiert bleiben. Hierfür wird explizit akzeptiert, dass die Abbildungsleistung empfindlicher auf fertigungsbedingte Toleranzen der Linsen reagieren kann. Nur wenn man diese Bedingung, welche einen wesentlichen Beitrag zur Erfindung darstellt, außer Acht lässt, kann eine Lösung wie beispielsweise aus den oben im Stand der Technik zitierten Druckschriften resultieren, welche fertigungstechnisch stabilere Abbildungsleistung erbringen, aber eben dafür auch mehr Energie am Rand reflektiert wird. Genau dieses Problem löst die vorliegende Erfindung. Keine der zitterten Druckschriften ist geeignet einen Beitrag zur Lösung des Problems der vorliegenden Erfindung zu leisten, da vollkommen andere technische Probleme adressiert werden.The object of the present invention is to reduce back-reflexes and warm-up. For this reason, the present application is also based on the condition that the angles of incidence remain minimized. For this purpose, it is explicitly accepted that the imaging performance can be more sensitive to production-related tolerances of the lenses. Only if one disregards this condition, which represents a significant contribution to the invention, can a solution result, for example, from the documents quoted above in the prior art, which provide manufacturing technology more stable imaging performance, but just for that more energy is reflected at the edge , Exactly this problem solves the present invention. None of the trembled documents are suitable for contributing to the solution of the problem of the present invention, as completely different technical problems are addressed.

Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung genau auf die offenbarte Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre möglich oder können aus der Praxis der Erfindung erlangt werden. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen zu verwenden, die für die spezielle beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird. Die Gesamtheit jedes der oben genannten Dokumente wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.The foregoing description of the preferred embodiment of the invention has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Modifications and variations are possible in light of the above teachings or may be acquired from practice of the invention. The embodiment has been chosen and described to illustrate the principles of the invention and its practical application to enable those skilled in the art to use the invention in various forms suitable for the particular intended use. It is intended that the scope of the invention be defined by the appended claims and their equivalents. The entirety of each of the above documents is incorporated herein by reference.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
L1L1
55
L2L2
1010
L3L3
1515
L4L4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

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Claims (15)

Ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab, umfassend eine Quelle zur Erzeugung einer Laserstrahlung mit einer Leistung von mehr als 4 kW, und weiterhin vier Linsen, welche in drei Linsengruppen angeordnet sind, wobei die in Strahlrichtung der Laserstrahlung angeordnete erste Linsengruppe eine erste Linse mit positiver Brennweite umfasst, die zweite Linsengruppe eine zweite und eine dritte Linse mit negativer Brennweite und die dritte Linsengruppe mindestens eine vierte Linse mit positiver Brennweite umfasst und zweite Linse eine plankonkave Form bis hin zu einem Meniskus aufweist und die dritte Linse bikonkav ist.An optical system for imaging laser radiation with an adjustable magnification, comprising a source for generating a laser radiation with a power of more than 4 kW, and further four lenses, which are arranged in three lens groups, wherein the arranged in the beam direction of the laser radiation first lens group a first The lens has a positive focal length lens, the second lens group includes second and third negative focal length lenses, and the third lens group includes at least a fourth positive focal length lens and the second lens has a plano-concave shape to a meniscus and the third lens is biconcave. Das optische System nach Anspruch 1, wobei die Krümmungsradien der zweiten Linse von Seite 1 zu Seite 2 in Strahlrichtung zwischen 20 mm / 10 mm bis zu -100 mm /17 mm betragen.The optical system after Claim 1 , wherein the radii of curvature of the second lens from side 1 to side 2 in the beam direction are between 20 mm / 10 mm to -100 mm / 17 mm. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Krümmungsradien der dritten Linse von Seite 1 zu Seite 2 in Strahlrichtung zwischen -20 mm /20 mm bis zu -50 mm /17 mm betragen.The optical system according to one of Claims 1 or 2 in which the radii of curvature of the third lens from side 1 to side 2 in the beam direction are between -20 mm / 20 mm and -50 mm / 17 mm. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei keine Fläche einer der ersten bis vierten Linse bei maximaler Brennweite des optischen Systems einen lokalen Einfallswinkel von > 25° hat.The optical system according to one of Claims 1 to 3 , wherein no area of one of the first to fourth lens at maximum focal length of the optical system has a local angle of incidence of> 25 °. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite und dritte Linse bei maximaler Brennweite des optischen Systems einen lokalen Einfallswinkel < 20° haben.The optical system according to one of Claims 1 to 4 , wherein the second and third lens at maximum focal length of the optical system have a local angle of incidence <20 °. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede Linsengruppe zumindest je eine asphärische Fläche aufweist.The optical system according to one of Claims 1 to 5 wherein each lens group has at least one aspheric surface each. Das optische System nach Anspruch 6, wobei die zweite Linse auf der ersten Seite eine asphärische Fläche aufweist.The optical system after Claim 6 wherein the second lens has an aspherical surface on the first side. Das optische System nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei in der zweiten Linsengruppe eine Linse asphärisch und die andere Linse sphärisch ist.The optical system according to one of Claims 6 or 7 In the second lens group, one lens is aspherical and the other lens is spherical. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die maximale Baulänge von virtueller Faserspitze bis zur letzten Kollimationslinse 195 mm beträgt.The optical system according to one of Claims 1 to 8th , wherein the maximum length of virtual fiber tip to the last collimating lens is 195 mm. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Abstand von virtueller Faserspitze bis zur Fläche der ersten Linse maximal 50 mm beträgt.The optical system according to one of Claims 1 to 9 , wherein the distance from the virtual fiber tip to the surface of the first lens is a maximum of 50 mm. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die numerische Apertur größer 0,1 ist.The optical system according to one of Claims 1 to 10 , where the numerical aperture is greater than 0.1. Das optische System nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einer numerischen Apertur von 0,125.The optical system according to one of Claims 1 to 11 with a numerical aperture of 0.125. Das optische System nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eine der Linsen der zweiten Gruppe aus synthetischem Quarzglas besteht.The optical system according to one of the preceding claims, wherein at least one of the lenses of the second group consists of synthetic quartz glass. Eine Verwendung eines optischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem AbbildungsmaßstabA use of an optical system according to one of Claims 1 to 13 for imaging laser radiation with adjustable magnification Eine Verwendung eines optischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in Kombination mit einem Halbleiter-Festkörperlaser, einem Scheiben-Laser oder einem Faser Laser.A use of an optical system according to one of Claims 1 to 13 in combination with a semiconductor solid-state laser, a disk laser or a fiber laser.
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