DE10331695A1

DE10331695A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserlichtstrahl

Info

Publication number: DE10331695A1
Application number: DE10331695A
Authority: DE
Inventors: Alois Dr. Herkommer
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-17

Abstract

Eine Vorrichtung (10) zur Bearbeitung eines Werkstückes (12) mit einem Laserlichtstrahl (14) weist eine Strahlführungseinrichtung (24) auf, die zumindest ein Umlenkelement (28) aufweist, um den Laserlichtstrahl (14) so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl (14) unter einem Winkel von ungleich 90 DEG auf das Werkstück (12) fällt. Das zumindest eine Umlenkelement (28) ist durch eine optische Anordnung (30) gebildet, die eine erste Fläche (32) aufweist, die in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl (14) schräg angeordnet ist, so dass der Laserlichtstrahl an der ersten Fläche (32) von dem Werkstück (12) weg reflektiert wird, und wobei die Anordnung (30) eine von der ersten Fläche (32) beabstandete und auf der dem Werkstück (12) abgewandten Seite der ersten Fläche (32) angeordnete zweite Fläche (34) aufweist, die so angeordnet ist, dass an deren dem Werkstück (12) zugewandten Seite der an der ersten Fläche (32) reflektierte Laserlichtstrahl (14) in Richtung zum Werkstück (12) reflektiert wird. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstückes (12) mit dem Laserlichtstrahl (14) beschrieben (Figur).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserlichtstrahl, bei dem der Laserlichtstrahl auf zumindest ein optisches Umlenkelement gerichtet wird, um den Laserlichtstrahl so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl unter einem Winkel von ungleich 90° auf das Werkstück fällt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserlichtstrahl, mit einer Strahlführungseinrichtung, die zumindest ein Umlenkelement aufweist, um den Laserlichtstrahl so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl unter einem Winkel von ungleich 90° auf das Werkstück fällt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der DE 101 18 291 A1 bekannt.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung werden u.a. zur Materialbearbeitung von Werkstücken eingesetzt. Die Materialbearbeitung eines Werkstückes mit Laserlicht kann beispielsweise in einem Härten, Schweißen, Abtragen, Bohren usw. bestehen. Mit dem Laserlichtstrahl wird dabei ein definierter Bereich am Werkstück mit hoher Strahlintensität bestrahlt, um den gewünschten Bearbeitungsvorgang auszuführen.

Bei leicht zugänglichen Werkstücken fällt der Laserlichtstrahl in der Regel ohne Zwischenschaltung eines Umlemkelements direkt auf das Werkstück ein. Oft sind die räumlichen Verhältnisse am Werkstück jedoch in der Richtung senkrecht zur Oberfläche begrenzt, wie dies beispielsweise bei der Bearbeitung von Werkstückinnenflächen der Fall ist. Ein solches Verfahren ist in der zuvor genannten DE 101 18 291 A1 beschrieben.

Dort wird mit einem Laserlichtstrahl eine innen liegende Fläche eines zylindrischen metallischen Werkstückes bearbeitet. Um den von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahl auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes zu richten, weist die dort beschriebene Vorrichtung eine Strahlführungseinheit auf, die einen Umlenkspiegel aufweist, um den Laserstrahl so umzulenken, dass er auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes fällt.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Laserlicht bildet sich in Folge der starken, kurzfristigen Erwärmung der Zielfläche eine Plasmawolke, die über eine Absaugvorrichtung abgesaugt wird. Dabei hat sich jedoch herausgestellt, dass das Aufschmelzen der vom Laserlichtstrahl erwärmten Fläche so plötzlich erfolgt, dass geschmolzene Partikel, ohne vom Absaugstrom erfasst zu werden, in Richtung des Umlenkelements geschleudert werden. Die mit hoher kinetischer Energie auf den Spiegel treffenden Partikel brennen sich in die Reflexionsfläche ein, die infolgedessen schon nach kurzer Einsatzdauer unbrauchbar wird.

Zur Lösung dieses Problems wird in der DE 101 18 291 A1 vorgeschlagen, die Reflexionsfläche des Umlenkspiegels in Bezug auf die zu belichtende Zielfläche des Werkstückes derart auszurichten, dass der an ihr umgelenkte Laserlichtstrahl die zu belichtende Zielfläche unter einem von 90° abweichenden Winkel trifft. Entsprechend bildet auch der an dem Umlenkspiegel einmal reflektierte Laserlichtstrahl mit dem auf den Umlenkspiegel einfallenden Laserlichtstrahl einen Winkel von ungleich 90°, üblicherweise etwas größer als 90°.

Das schräge Belichten der Zielfläche des Werkstückes beruht auf der Erkenntnis, dass die sich bei der Laserbearbeitung von dem Werkstück lösenden Abtragprodukte größtenteils senkrecht zur bearbeiteten Zielfläche des Werkstückes abgestrahlt werden.

Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung besteht darin, dass der Umlenkwinkel nicht beliebig abweichend von 90° gewählt werden kann, da dann die Kanten des Beleuchtungsrandes bedingt durch die endliche Tiefenschärfe unscharf abgebildet werden. Da der Laserlichtstrahl in der Regel auf das Werkstück fokussiert wird, bzw. zumindest konvergent auf das Werkstück einfällt, muss die Spiegelfläche zudem groß genug gewählt werden, um den gesamten von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahl umzulenken. Für den typischen Anwendungsfall befindet sich daher zumindest eine Ecke des Umlenkspiegels weiterhin in Normalenrichtung zur Zielfläche des zu bearbeitenden Werkstückes, d.h. in Normalenrichtung der Zielfläche des Werkstückes abgestrahlte Abtragprodukte gelangen weiterhin auf zumindest einen Teilbereich des Umlenkspiegels. Auch die Entfernung des Umlenkspiegels vom Werkstück wird durch ein stärkeres Verkippen des Umlenkspiegels nicht vergrößert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden, dass insbesondere eine Beaufschlagung des zumindest einen Umlenkelements mit den bei der Bearbeitung des Werkstückes mit dem Laserlichtstrahl entstehende Abtragprodukte nicht mehr oder zumindest in geringerem Maße auf die optisch wirksame Fläche des zumindest einen Umlenkelements gelangen, ohne dass dies zu Lasten von Abbildungsfehlern geschieht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens dadurch gelöst, dass als das zumindest eine Umlenkelement eine optische Anordnung verwendet wird, die eine erste Fläche aufweist, die in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl schräg angeordnet ist, so dass der Laserlichtstrahl an der ersten Fläche von dem Werkstück weg reflektiert wird, und wobei die Anordnung eine von der ersten Fläche beabstandete und auf der dem Werkstück abgewandten Seite der ersten Fläche angeordnete zweite Fläche aufweist, an deren dem Werkstück zugewandten Seite der an der ersten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl reflektiert wird, so dass der an der zweiten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl auf das Werkstück trifft.

Hinsichtlich der eingangs genannten Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das zumindest eine Umlenkelement durch eine optische Anordnung gebildet ist, die eine erste Fläche aufweist, die in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl schräg angeordnet ist, so dass der Laserlichtstrahl an der ersten Fläche von dem Werkstück weg reflektiert wird, und wobei die Anordnung eine von der ersten Fläche beabstandete und auf der dem Werkstück abgewandten Seite der ersten Fläche angeordnete zweite Fläche aufweist, die so angeordnet ist, dass an deren dem Werkstück zugewandten Seite der an der ersten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl in Richtung zum Werkstück reflektiert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird demnach eine optische Anordnung verwendet, an der der von der Laserlichtquelle kommende Laserlichtstrahl zumindest zweimal reflektiert wird. Die erste Reflexion des einkommenden Laserlichtstrahls bewirkt eine Umlenkung des Laserlichtstrahls zunächst in Richtung von dem Werkstück weg, während durch die zweite Reflexion der Laserlichtstrahl dann auf das Werkstück gerichtet wird, und zwar schräg. Im Unter schied zu dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung ermöglicht es die zweimalige Reflexion des Laserlichtstrahls in der vorstehend genannten Weise, die optische Anordnung so in Bezug auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes anzuordnen, dass die optisch wirksamen Flächen der optischen Anordnung die zu bearbeitende Zielfläche in Normalenrichtung derselben nicht überlappen. Dadurch wird eine Beaufschlagung der optisch wirksamen Flächen der optischen Anordnung mit Abtragprodukten, die in Normalenrichtung von der zu bearbeitenden Zielfläche des Werkstückes abgestrahlt werden, vermieden oder zumindest reduziert. Außerdem kann die optische Anordnung auf diese Weise weiter von der zu bearbeitenden Zielfläche des Werkstückes entfernt werden. Wegen der zweifachen Reflexion des Laserlichtstrahls ist es auch nicht erforderlich, die reflektierenden Flächen der optischen Anordnung übermäßig schräg zu stellen, wodurch der Laserlichtstrahl möglichst scharf auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes abgebildet werden kann. Auch müssen aus diesem Grund die optisch wirksamen Flächen der optischen Anordnung nicht übermäßig groß gewählt werden, um den gesamten einfallenden Laserlichtstrahl umzulenken, wodurch die Anordnung sehr platzsparend ausgebildet werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Laserlichtstrahl an der ersten Fläche totalreflektiert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die erste Fläche so ausgebildet, dass sie in Bezug auf den auf sie vor der Reflexion einfallenden Laserlichtstrahl totalreflektierend ist.

Die Verwendung einer totalreflektierenden ersten Fläche zum Umlenken des von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahls hat den Vorteil, dass die erste Fläche ohne eine reflektierende Beschichtung auskommt, die, da sie dem Werkstück zugewandt wäre, Anlass zu Verunreinigungen oder Beschädigungen geben könnte.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der an der zweiten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl durch die erste Fläche hindurch auf das Werkstück gerichtet.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die erste Fläche in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Laserlichtstrahls reflektierend oder transmittierend.

Diese Maßnahme, bei der die erste Fläche in Bezug auf den von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahl reflektierend und in Bezug auf den von der zweiten Fläche reflektierten Laserlichtstrahl transmittierend ist, hat den Vorteil, dass der gesamte Querschnitt des von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahls umgelenkt und auf das Werkstück gerichtet bzw. fokussiert werden kann, ohne dass ein Teil des Laserlichtes ungenutzt verloren geht. Diese Maßnahme trägt auch vorteilhafterweise dazu bei, dass die Umlenkwinkel des Laserlichtstrahls in Bezug auf den jeweils einfallenden Laserlichtstrahl nicht übermäßig groß gewählt werden müssen, wodurch Abbildungsfehler weiter reduziert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung ist die erste Fläche eine Grenzfläche eines Übergangs von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium, die so angeordnet wird bzw. ist, dass der Laserlichtstrahl im optisch dichteren Medium auf die erste Fläche erstmals unter einem Einfallswinkel in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 70° fällt.

Ein solcher optischer Übergang, beispielsweise Glas-Luft, hat den Vorteil, dass mit einem konstruktiv einfachen Umlenkelement insbesondere an der ersten Fläche eine Totalreflexion zur Umlenkung des von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahls ausgenutzt werden kann, wenn der Laserlichtstrahl unter einem Einfallswinkel oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion auf die erste Fläche fällt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung, bei der die erste Fläche eine Grenzfläche eines Übergangs von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium ist, die so angeordnet wird bzw. ist, dass der Laserlichtstrahl im optisch dichteren Medium auf die erste Fläche erstmals unter einem Einfallswinkel in einem Bereich von etwa 60° fällt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird bzw. ist die zweite Fläche etwa parallel zu dem Laserlichtstrahl angeordnet, bevor dieser an der ersten Fläche reflektiert wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die projektierte Größe der optischen Anordnung quer zum einfallenden Laserlichtstrahl möglichst gering gehalten wird.

Die zweite Fläche, an der der an der ersten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl zum zweiten Mal reflektiert wird, ist vorzugsweise mit einer hoch reflektierenden Schicht versehen. Diese hoch reflektierende Schicht ist, da sie sich auf der dem Werkstück abgewandten Seite der zweiten Fläche befindet, Abtragprodukten, die bei der Bearbeitung des Werkstückes mit dem Laserlichtstrahl abgestrahlt werden, nicht ausgesetzt, was ebenfalls eine vorteilhafte Folge der zweimaligen Reflexion des Laserlichtstrahls an der optischen Anordnung ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung werden bzw. sind die erste Fläche und die zweite Fläche so angeordnet, dass sie miteinander einen Winkel im Bereich von etwa 20° bis 40°, vorzugsweise einen Winkel von etwa 30° bilden.

Diese Maßnahme hat insbesondere in Verbindung mit der zuvor genannten Maßnahme, wonach der von der Laserlichtquelle kommende Laserlichtstrahl auf die erste Fläche unter einem Winkel von etwa 60° einfällt, und in Verbindung mit einer der zuvor genannten Maßnahmen, wonach die erste Fläche für den an der zweiten Fläche reflektierten Laserlichtstrahl in Transmission genutzt wird, den Vorteil, dass der an der zweiten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl etwa senkrecht durch die erste Fläche hindurchtritt, wodurch auf reflexionsmindernde Beschichtungen an der ersten Fläche verzichtet werden kann, da bei senkrechtem Einfall gemäß den Fresnelschen Gleichungen die Reflexion bei nicht polarisiertem Licht im Wesentlichen minimal ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird als das zumindest eine Umlenkelement ein optisches Prisma verwendet, das die erste Fläche und/oder die zweite Fläche als Grenzfläche aufweist.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die optische Anordnung zur Strahlumlenkung besonders kostengünstig realisiert werden kann, und sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche an nur einem optischen Bauelement vorhanden sind, so dass die optische Anordnung zur Strahlumlenkung insgesamt einteilig ausgebildet werden kann.

Dabei ist es bei dem Verfahren und der Vorrichtung bevorzugt, wenn das Prisma in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl so angeordnet wird bzw. ist, dass eine Lichteintrittsfläche in das Prisma etwa senkrecht zu diesem steht.

Auch hierbei ist wiederum von Vorteil, dass bei der Lichteintrittsfläche auf eine reflexmindernde Beschichtung an der Lichteintrittsfläche in das Prisma verzichtet werden kann. Vorteilhaft ist bei dieser Anordnung weiter, dass durch den senkrechten Einfall auf die Lichteintrittsfläche, sowie durch den ebenfalls senkrechten Austritt durch die Austrittsfläche eine Keilwirkung des Prismas mit den entsprechenden Abbildungsfehlern vermieden wird.

Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn der Prismenwinkel so gewählt wird bzw. ist, dass der Laserlichtstrahl senkrecht durch eine Prismenseite austritt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird als Prisma ein 90°-60°-30°-Prisma verwen det, dessen Hypotenuse die erste Fläche und dessen lange Kathete die zweite Fläche bildet.

Mit einem 90°-60°-30°-Prisma lassen sich die zuvor genannten bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltungen der ersten Fläche und der zweiten Fläche in besonders kostengünstiger und einfacher Ausgestaltung mit nur einem einzigen Umlenkelement, an dem eine zweifache Reflexion stattfindet, und dessen Hypotenuse auch in Transmission genutzt wird, erzielen. Die lange Kathetenfläche, die die zweite Fläche bildet, ist vorzugsweise, wie oben erwähnt, mit einer hoch reflektierenden Schicht versehen, die jedoch den Abtragprodukten bei der Laserbearbeitung des Werkstückes nicht wesentlich ausgesetzt ist, da sie von dem Werkstück abgewandt ist.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserlichtstrahl im Längsschnitt.
In der Figur ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes 12 mit einem Laserlichtstrahl 14 dargestellt. Mit der Vorrichtung 10 wird ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstückes 12 mit dem Laserlichtstrahl 14 durchgeführt, das beispielsweise in einem Schweißen, Härten oder Abtragen von Material des Werkstücks 12 besteht.
Der Laserlichtstrahl 14 wird von einer Laserlichtquelle 16 erzeugt und ggf. durch der Laserlichtquelle 16 nachgeschaltete optische Einrichtungen geformt, insbesondere kollimiert. Der Laserlichtstrahl 14 weist einen Querschnitt Q auf, der einen bestimmten Durchmesser aufweist, wobei in der Figur von dem Laserlichtstrahl 14 ein Mittelstrahl 18 und zwei Randstrahlen 20 und 22, die den Laserlichtstrahl 14 begrenzen, veranschaulicht sind.
Die Vorrichtung 10 weist eine Strahlführungseinrichtung 24 auf, die eine Abbildungsoptik 26 aufweist, die dazu dient, den Laserlichtstrahl 14 auf das Werkstück 12 zu fokussieren bzw. abzubilden.
Die Strahlführungseinrichtung 24 weist weiterhin zumindest ein Umlenkelement 28 auf, um den Laserlichtstrahl 14 so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl 14 unter einem Winkel α von ungleich 90° auf das Werkstück 12 trifft.
Das zumindest eine Umlenkelement 28 ist durch eine optische Anordnung 30 gebildet, die eine erste optisch wirksame Fläche 32 und eine davon beabstandete zweite optisch wirksame Fläche 34 aufweist. „Beabstandet" schließt nicht aus, dass die Flächen 32 und 34 wie dargestellt sich schneiden können.
Die Flächen 32 und 34 sind in dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel Grenzflächen eines optischen Prismas 36, das aus einem gegenüber seiner Umgebung optisch dichteren Medium 38, beispielsweise Glas, besteht, wobei seine Umgebung bspw. Luft ist.
Die zweite Fläche 34 ist auf einer dem Werkstück 12 abgewandten Seite mit einer hoch reflektierenden Schicht 40 versehen.
Wie aus der Figur hervorgeht, ist die zweite Fläche 34 auf der dem Werkstück 12 abgewandten Seite der ersten Fläche 32 angeordnet.
Die erste Fläche 32 und die zweite Fläche 34 bilden miteinander einen Winkel β von 30°.
Die erste Fläche 32 ist mit Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl 14 um einen Winkel γ von etwa 150° geneigt, so dass der Laserlichtstrahl 14 von der Abbildungsoptik 14 kommend unter einem Einfallswinkel φ von etwa 60° auf die erste Fläche 32 einfällt.
Das Prisma 36 weist weiterhin eine Lichteintrittsfläche 42 auf, die mit der zweiten Fläche 34 einen Winkel δ = 90° und mit der ersten Fläche 32 einen Winkel γ = 60° bildet. Das Prisma 36 ist somit ein 90°-60°-30°-Prisma.
Bei dem Verfahren zur Bearbeitung des Werkstückes 12 mit dem Laserlichtstrahl 14 wird der Laserlichtstrahl 14 durch die Abbildungsoptik 26 und durch die Lichteintrittsfläche 42 auf die erste Fläche 32 gerichtet. Die Lichteintrittsfläche 42 steht etwa senkrecht zu dem einfallenden Laserlichtstrahl 14, d.h. dessen Einfallswinkel durch die Lichteintrittsfläche 42 ist etwa 0°.
Der auf die erste Fläche 32 treffende Laserlichtstrahl 14 und die erste Fläche 32 sind relativ zueinander so angeordnet, dass der Laserlichtstrahl 14 unter einem Winkel φ auf die erste Fläche 32 trifft, für den die Bedingungen der Totalreflexion an der ersten Fläche 32 erfüllt sind. Bei gängigen Materialien für das optisch dichtere Medium 38 des Prismas 36 gegenüber der Umgebung, beispielsweise Luft, ist dies bei einem Winkel φ von größer als 50° erfüllt, wobei im vorliegenden Fall der Winkel φ etwa 60° beträgt. Durch Totalreflexion des Laserlichtstrahls 14 an der ersten Fläche 32 wird der Laserlichtstrahl 14 entsprechend von dem Werkstück 12 weg umgelenkt. Einfallender und reflektierter Strahl schließen dabei einen Winkel von 120° ein.
Der an der ersten Fläche 32 reflektierte Laserlichtstrahl 14 trifft anschließend auf die zweite Fläche 34, an der der Laserlichtstrahl 14 durch die reflektierende Schicht 40 ein zweites Mal reflektiert wird. Von der zweiten Fläche 34 wird der Laserlichtstrahl 14 dann zu dem Werkstück 12 hin umgelenkt, wie in der Figur dargestellt ist. Dabei tritt der von der zweiten Fläche 34 reflektierte Laserlichtstrahl 14 durch die erste Fläche 32 hindurch, d.h. die erste Fläche 32 wird sowohl in Totalreflexion als auch in Transmission genutzt, wobei der Laserlichtstrahl 14 zunächst an der ersten Fläche 32 total reflektiert und nach Reflexion an der zweiten Fläche 34 durch die erste Fläche 32 hindurchgelassen wird, da der Einfallswinkel des an der zweiten Fläche 34 reflektierten Laserlichtstrahls auf die zweite Fläche 34 kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Bei der gezeigten Ausführung des Umlenkelements 28 als 90°-60°-30-Prisma und der gewählten Anordnung des Umlenkelements 28 relativ zu dem einfallenden Laserlichtstrahl 14, der etwa senkrecht in die Lichteintrittsfläche 42 eintritt, trifft der an der zweiten Fläche 34 reflektierte Laserlichtstrahl 14 senkrecht auf die erste Fläche 32. Auf diese Weise sind die Reflexionsverluste des Laserlichtstrahls 14 beim Durchgang durch die erste Fläche 32 minimiert, wenn mit unpolarisiertem Licht gearbeitet wird.
Die gezeigte optische Anordnung 30 hat nicht nur den Vorteil, dass sie nur ein optisches Bauelement, nämlich das Prisma 36 benötigt, sondern die optische Anordnung 30 ist auch hinsichtlich ihrer Justiereigenschaften günstig, da die optischen Eigenschaften des Prismas 36 gegenüber einer geringfügigen Fehljustage, beispielsweise einem Verkippen um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse, unempfindlich sind.
Wie aus der Figur hervorgeht, wird mit der optischen Anordnung 30 der Laserlichtstrahl 14 schräg auf das Werkstück 12 gerichtet, ohne dass die reflektierenden Flächen 32 und 34 übermäßig stark gegenüber dem jeweils einfallenden Laserlichtstrahl 14 verkippt sein müssen. Dabei wird erreicht, dass die optische Anordnung 30 mit den reflektierenden Flächen 32 und 34 in einer Normalenrichtung 44 des Werkstücks 12 keinen Überlapp mit dem Werkstück 12 besitzt, so dass von der mit dem Laserlichtstrahl 14 behandelten Oberfläche des Werkstücks 12 abge strahlte Abtragprodukte, die mit Pfeilen 46 angedeutet sind, und die zum Hauptteil in Normalenrichtung 44 des Werkstücks 12 abgestrahlt werden, sich an den optisch wirksamen Flächen 32 und 34 nicht ablagern oder die optische Anordnung 30 beschädigen können. Auch sind die Umlenkwinkel des Laserlichtstrahls 14 an den Flächen 32 und 34 so gewählt, dass der Lichtstrahl 14 sowohl senkrecht durch die Eintrittsfläche als auch senkrecht durch die Austrittsfläche des Prismas hindurchtritt, so dass Abbildungsfehler verringert sind. Außerdem geht aus der Figur hervor, dass die Abmessung des Umlenkelements 28 in Richtung quer zum einfallenden Laserlichtstrahl den Querschnitt desselben nicht übersteigen muss.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes (12) mit einem Laserlichtstrahl (14), bei dem der Laserlichtstrahl (14) auf zumindest ein optisches Umlenkelement (28) gerichtet wird, um den Laserlichtstrahl (14) so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl (14) unter einem Winkel (α) von ungleich 90° auf das Werkstück (12) fällt, dadurch gekennzeichnet, dass als das zumindest eine Umlenkelement (28) eine optische Anordnung (30) verwendet wird, die eine erste Fläche (32) aufweist, die in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl (14) schräg angeordnet ist, so dass der Laserlichtstrahl (14) an der ersten Fläche (32) von dem Werkstück weg reflektiert wird, und wobei die Anordnung (30) eine von der ersten Fläche (32) beabstandete und auf der dem Werkstück (12) abgewandten Seite der ersten Fläche (32) angeordnete zweite Fläche (34) aufweist, an deren dem Werkstück (12) zugewandten Seite der an der ersten Fläche (32) reflektierte Laserlichtstrahl (14) reflektiert wird, so dass der an der zweiten Fläche (34) reflektierte Laserlichtstrahl (14) auf das Werkstück (12) trifft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserlichtstrahl (14) an der ersten Fläche (32) totalreflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der an der zweiten Fläche (34) reflektierte Laserlichtstrahl (14) durch die erste Fläche (32) hindurch auf das Werkstück (12) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (32) eine Grenzfläche eines Übergangs von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium ist, die so angeordnet wird, dass der Laserlichtstrahl (14) im optisch dichteren Medium (38) auf die erste Fläche (32) erstmals unter einem Einfallswinkel (φ) in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 70° fällt.
verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserlichtstrahl (14) im optisch dichteren Medium (38) auf die erste Fläche (32) unter einem Einfallswinkel (φ) von etwa 60° fällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (34) etwa parallel zu dem einfallenden Laserlichtstrahl (14) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (32) und die zweite Fläche (34) so angeordnet werden, dass sie miteinander einen Winkel (β) im Bereich von etwa 20° bis 40°, vorzugsweise einen Winkel (β) von etwa 30° bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als das zumindest eine Umlenkelement (28) ein optisches Prisma (36) verwendet wird, das die erste Fläche (32) und/oder die zweite Fläche (34) als Grenzfläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma (36) in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl (14) so angeordnet wird, dass eine Lichteintrittsfläche (42) in das Prisma (36) etwa senkrecht zu diesem steht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prismenwinkel so gewählt wird, dass der Laserlichtstrahl (14) senkrecht durch eine Prismenseite austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Prisma (36) ein 90°-60°-30°-Prisma verwendet wird, dessen Hypotenuse die erste Fläche (32) und dessen lange Kathete die zweite Fläche (34) bildet.
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes (12) mit einem Laserlichtstrahl (14), mit einer Strahlführungseinrichtung (24), die zumindest ein Umlenkelement (28) aufweist, um den Laserlichtstrahl (14) so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl (14) unter einem Winkel (α) von ungleich 90° auf das Werkstück (12) fällt, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Umlenkelement (28) durch eine optische Anordnung (30) gebildet ist, die eine erste Fläche (32) aufweist, die in Bezug auf den einfal lenden Laserlichtstrahl (14) schräg angeordnet ist, so dass der Laserlichtstrahl (14) an der ersten Fläche (32) von dem Werkstück weg reflektiert wird, und wobei die Anordnung (30) eine von der ersten Fläche (32) beabstandete und auf der dem Werkstück (12) abgewandten Seite der ersten Fläche (32) angeordnete zweite Fläche (34) aufweist, an deren dem Werkstück (12) zugewandten Seite der an der ersten Fläche (32) reflektierte Laserlichtstrahl (14) reflektiert wird, so dass der an der zweiten Fläche (34) reflektierte Laserlichtstrahl (14) auf das Werkstück (12) trifft.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (32) so ausgebildet ist, dass sie in Bezug auf den auf sie vor der Reflexion einfallenden Laserlichtstrahl (14) totalreflektierend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (32) in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Laserlichtstrahls (14) reflektierend oder transmittierend ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (32) eine Grenzfläche eines Übergangs von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium ist, die so angeordnet ist, dass der Laserlichtstrahl (14) im optisch dichteren Medium (38) auf die erste Fläche (32) erstmals unter einem Einfallswinkel (φ) in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 70° fällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (32) eine Grenzfläche eines Übergangs von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium ist, die so angeordnet ist, dass der Laserlichtstrahl (14) im optisch dichteren Medium (38) auf die erste Fläche (32) erstmals unter einem Einfallswinkel (φ) in einem Bereich von etwa 60° fällt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (34) etwa parallel zu dem Laserlichtstrahl (14) angeordnet ist, bevor dieser an der ersten Fläche (32) reflektiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche (32) und die zweite Fläche (34) so angeordnet sind, dass sie miteinander einen Winkel (β) im Bereich von etwa 20° bis 40°, vorzugsweise einen Winkel (β) von etwa 30° bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Umlenkelement (28) ein optisches Prisma (36) ist, das die erste Fläche (32) und/oder die zweite Fläche (34) als Grenzfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma (36) in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl (14) so angeordnet ist, dass eine Lichteintrittsfläche (42) in das Prisma (36) etwa senkrecht zu diesem steht.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma (36) ein 90°-60°-30°-Prisma ist, dessen Hypotenuse die erste Fläche (32) und dessen lange Kathete die zweite Fläche (34) bildet.