DE1565832A1 - Optische Anordnung fuer Laserstrahlen - Google Patents

Description

• Optische Anordnung für Laserstrahlen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur V!aterialbearbeitung mittels eines von"einem optischen . System an Wirkungsort fokussierten Laserstrahl. Laserstrahlen werden in sogenannten optischen Molekularverstärkern erzeugt. Sie bestehen aus einem aktiven iilaterial, das bis zur Inversion seiner verschiedenen Energieniveaus durch eine Lichtquelle gepumpt Wird.
• Um eine stimulierte Emission zu erreichen, ist das wesentlich größer-als die für einen Arbeitsvorgang benctigte Energiedichte am Wirkungsort des Laserstrahls. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Bearbeitungsoptik anzugeben, die es ermöglicht, die vcn einch laser, insbesondere Festkörperlaser, abgebbare Strahlenergie optimal auszunutzen.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, da 3 im Strahlengang de, gebündelten Laserstrahl:: vor der: optischen System ein Strahlteiler angeordnet ist, der den Laserstrahl in zwei oder mehr Teilstrahlen mit unterschiedlicher .Fortpflanzungsrichtung aufspaltet und daß das optische System ein den Teilstrahlen gemeins amer. Kcnen2,or ist, der die Teilstrahlen in verschiedenen Raumpunkten sammelt.
• Eei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, die vcm Laser zur Verfügung gestellte Energie durch Strahlauitelung für die gleichzeitige Bearbeitung an zwei und .:..ehr Stellen voll auszunützen. Die Aufteilung des Laserstrahls kann mit einem Strahlteiler erfolgen.. Die Teilstrahlen am Ausgang des Strahlteilers müssen anschließend am Wirkungsort des jeweiligen Teilstrahls zur Erzielung der für die zu leistende Arbeit erforderlichen Energiedichte fokussiert werden. Die Fig. 1 zeigt eine solche Fokussiereinrichtung für einen parallelen Laserstrahl s.-Sie besteht au9 einer Sammellinse L mit dem Durchmesser D und der Brennweite f, die den Laserstrahl s in der Brennebene auf einen Durchmesser d" fokussiert. In der Fig. 1 ist ferner der Beugungswinkel Aßt für den Laserstrahl s angegeben. Der Durchmesser d, der die maxireale Fokussierung des Laserstrahls beschreibt und für die am Wirkungsort des Laserstrahls erzielbare E-ergiediehte maßgebend ist, ist durch die Beziehung gegeben. Dabei bedeuten 1 die Wellenlänge des Lichtes und Aot ideal der theoretisch erreichbare kleinstmögliche Beugungswinkel eines Lichtstrahls (beugungsbegrenzter Strahl). Die Wellenlänge 1 ist im allgemeinen fest vorgegeben.
• Der Laserstrahl von Pestkörperlasern ist in der Regel ein nahezu beugungsbegrenzter Strahl, da der optische Resonatcr des Lasers bei geeigneter Ausführung die Anregung stimulierter Strahlung im Grundmode gegenüber der Anregung höherer Wellenformen sehr stark begünstigt. Der Beugungswinkel Aol kommt daher dem Beugungswinkel QOXideal sehr nahe. Für die Bemessung des Durchmessers d bleibt scmit die Wahl des Verhältnisses der Brennweite f zur,, Durchmesser D der Sammellinse übrig.. Aber auch der Wahl des Verhältnisses f/D sind mit Rücksicht auf fertigungstechnische Gründe und vernünftige Abmessungen relativ enge Grenzen gesetzt. In der Regel bevregen sich die Verhältniswerte f/D in der Größenordnung 1,5-3. Aber selbe diese VerhältniMerte würden sich nicht realisieren lassen, ;renn jeden 'Peilstrahl des Laserstrahls eine eigene Sammellinse zugeordnet würde, weil die Größe der Linsen bei relativ nahe. beieinander liegenden Bearbeitungsstellen sich in ihrer durch ihre Brennweite vorgegebenen rC:.iunlichen Zage in der Anordnung gegenseitig behindern-würden. Es müßte in solchen Fällen also ei"n Verhältni s f/D,> 1 gewählt und damit ein eilt- .-sprechend größerer Pokussierdurchmenser d zugelassen ,-erden, waü wegen der damit verringerten Energiedichte in nachteiliger Weise eine höhere Strahlleistung erfordert.
• Die erfindungsgemäße Anordnung umgeht in äußerst vor= teilhafter Art die geschilderten Schwierigkeiten dadurch, daß einerseits den Teilstrahlen eine unterschiedliche Fortpflanzungsrichtung gegeben wird und andererseits die Fokussierung sämtlicher Teilstrahlen durch eine gemeinsame Optik erfolgt. Der Laserstrahl kann in einfacher Weise ein nahezu paralleler Strahl sein, der durch den Strahlteiler in ebenfalls nahezu parallele Teilstrahlen zerlegt wird. Uitunter bringt es auch Vorteile, ,nenn der Laserstrahl und/,-der seine Teilstrahlen in Strahlrichtung hinter den Strahlteiler eine Geometrie aufweisen, die aus der eines Parallelstrahls durch eine einfache Transformation hervorgeht, beispielsweise Kugel- oder Zylinder-,Vollen. Bei einen bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist der Kendensor eine Sammellinse.
• Die räumliche Lage der Sarimelpunkte der Teilstrahlen Tot sinnvcll durch Einstellen ihrer Portpflanzungarichtung durch dci: S trai:lteiler und/oder der ihre i'lellenforn bestimmenden Größen einstellbar.
• Der Ktrahlteiler kann zweckmäßig aus wenigstens einem prismatischen lichtbrechenden Körper bestehen, der wcnigstens mit einer seiner Kanten in Strahlengang des Laserstrahls angeordnet wird. Dabei ist der prismatische lichtbrechende Körper vorzugsweise senkrecht zur Richtung des Laser--trahls verschiebbar.
• Auch lassen sich aus doppelbrechenden Platten, Prismen oder Linsen Strahlteiler mit einfachen Mitteln verwirk-1 iChen.
• Ist der Laserstrahl polarisiert, insbesondere linear #,cl@@risiert, so bietet sich bei Verwendung doppelbrechender Platten, Frismen oder Zinsen, die in ihrer optischen Achse drehbar angeordnet sind, der weitere Vorteil einer einfachen -'Einstellung des Verhältnisses der Energieanteile der Teilstrahlen durch Drehen der doppelbrechenden Körper in ihrer ep tischen Achse.
• _'ine weitere vorteilhafte Ausführungsfora eines Strahlteiler:; besteht aus zwei sich in einen gewissen Abstand voreinander befindlichen Spiegeln. Der eine der beiden Spiegel isü dabei teildurchlässig und der andere vollreflektierend. Der teildurchlässige Spiegel ist in Strahle:z4ang des ankommenden Laserstrahls und der vollreflektierende Spiegel in Strahlengang des am teildurchlässigen Spiegel reflektierten Anteils des Laserstrahls in einer geeigneten Neigungswinkel angeordnet. Wird als teildurchlI:s'ssiger Spiegel ein um eine Achse senkrecht zu-, einfallenden I:aserstrahl drehbar angeordneter Interfererzspiegel versendet, so ist mach hierdurch eine ei::iücl@e Einstellmöglichkeit für eine energiemäßige Aufteilung -nergie des Laserstrahls auf die beiden Teilstrahlen durch Ändern des Neigungswinkels des Interferenzspiegels gegen den einfallenden laserstrahl geschaffen. «enn zenigstens der vollreflektierende Spiegel ein gekrümmter Spiegel ist, kann bei dessen geeigneter Benessung eine Bündelung des von ihm reflektierten Teilstrahlen für einen Fokua an einer bestimmten Stelle außerhalb der Brennebene des Kondensors erzielt tyerdon.
• Ein günstiger Aufbau für einen Strahlteiler nach der Erfindung sieht einen reflektierenden prismatischen Körper und eine vorzugsweise der Anzahl der reflektierenden -Flüchen des prismatischen Körpers entsprechende Zahl vcn Spiegeln vor. Dabei ist der prismatische Körper mit seinen reflektierenden Flächen in die Richtung des nnkcmmenden Laserstrahls ausgerichtet und die Spiegel sind im Strahlengang der an den Flächen des prismatischen Körpers reflektierten Anteile des Laserstrahls in einen geeigneten Neigungswinkel angeordnet.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform für einen Strahlteiler der letztgenannten Art besteht der reflektierende prismatische Körper aus einen 90°-Prinna, das senkrecht zum einfallenden Laserstrahl verschiebbar angeordnet ist. An Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungs-' beispiele soll die Erfindung im'folgenden noch näher erläutert'»erden. In der Zeichnung bedeuten:

  Fig. i eine bereits beschriebene Pokussiereinrichtung;

  Fig. 2 die scherntische Darstellung der Erfindung;

  Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Strahlteilera

  nach der Erfindung;

  Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahl-

  teilers nach der Erfindung;

  Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahl-

  teilers nach der .Erfindung.

  Die.Fig. 2 zeigt schematisch d'ic erfindungsgemäße Anordnung zur Materialbearbeitung mittels eines Zaserstrahls. Der von Laserstab la ausgekoppelte Strahl s trifft den Strahlteiler St. Der Strahlteiler St zerlegt den Strahl a in zwei Teilstrahlen s1 und 92 mit unterschiedlicher fortpflanzungarichtung. In Strahlengang beider Teilstrahlen ist die Sammellinse mit der Brenn- ' weite f angeordnet, die sie in ihrer Brennebene an zwei verschiedenen Funkten P1 und P2 fokussiert. Hach diesem Prinzip können auch mehr als zwei Teilstrahlen an ver- schiedenen Stellen in der Brennebene der Sa@Mellinse L fokussiert werden. Es ist daher-in Sinne der oben auf- geführten mathematischen Beziehung anzustreben, dag jeder der Teilstrahlen die Zinse voll ausleuchtet.
• Das in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel für einen Strahlteiler besteht aus einen lichtbrechenden prismatischen Körper Fr. Der prismatische Körper Fr ist dabei mit seiner brechenden Kante symetrisch zum einfallenden Laserstrahl s angeordnet. Die auf die beiden unter einem stumpfen Winkel zueinander verlau- fenden brechenden Flächen des prismatischen Körpers Pr auftreffenden Strahlteile werden jeweils zum .Lot hin gebrochen und treten aus der Grundfläche des prisma- tischen Körpers Fr als Teilstrahlen a1 und a2 mit unterschiedlicher Richtung aus. Die Teilstrahlen a1 und 92 ent- sprechen wegen der Symmetrie der Anordnung jeweils de= halben einfallenden Laserstrahl s. Durch Verschieben des prismatischen Körpern Pr senkrecht zum Laeeretrahl s kann eine beliebige Strahlaufteilung und durch sonstige Zageänderungen die Fortpflanzungsrichtung der Teilstrah- len s1 und s2 und damit die Zage ihrer Fokusse in der Brennebene hinter der Sammellinse L nach der Pig. 2 ge- ändert werden. Die Strahltelleraugführungsform nach der fig 4 besteht aus ztci in einen vorgegebenen Abstand übereinander zngeerdneten Spiegeln Sl und S2. Der Spiegel. S1 ist teildurchlässig, während der Spiegel S2 vollreflektierend ist. Der ankommende Iaserstrahl s fällt auf' den teildurchlässigen Spiegel S1. Rin Teil des Strahles s passiert nun den teildurchlässigen Spiegel. S1 und wird damit zub Teilstrahl s2. Der von teildurchlässigen Spiegel S1 reflektierte Anteil des Laserstrahls s fällt auf den in einen geeigneten Neigungswinkel angeordneten vollreflektierenden Spiegel S2, dessen Reflexion den Zweiten Teilstrahl-s2 bildet. Durch verschiedene Grade der TeildurchlässigkeL des Spiegels S1 kann die Aufteilung des einfallenden Iaserstrahls s auf die beiden Teilstrahlen sl und s2 erreicht werden. Hei Verwendung eines Interferenzspiegels als teildurchlässiger Spiegel S1 kann düs Verhältnis der Aufteilung der Energie des Laserstrahls s auf die Teilstrahlen s1 und s2 durch den Neigungswinkel des Interferenzspiegels gegen den einfällenden Laserstrahl eingestellt werden, da der Grad der r-urchlässigkeit dieses Spiegels eben von der ge- nannten Neigungswinkel abhängig ist. Eine Änderung des Neigungswinkels des teildurchlässigen Spiegels S1 hat allerdings eine Lageänderung des Teilstrahls 92 an I Wirkungsart zur Folge, weil dessen Fortpflanzungsrichtung in Gegensatz zur Fortpflanzungsrichtung des Teilstrahls s1 ebenfall s von Neigungswinkel des teildurchlässigen Spiegels S1 abhängig ist. Diese I)oppelabhilngigkeit kann jedcch mit geringer, Aufwand dadurch beseitigt werden, daß dem vollreflektierenden Spiegel S2 über ein Ausgleichsgetriebe eine von der Drehbewegung des teildurchlässigen Spiegels S1 abhängige Drehbevregung mitgeteilt wird, und zwar derart, daß die Fortpflanzungsrichtung des Peilstrahles s2 erhalten bleibt. Sinnvoll wird in diesem Fall die Drehkopplung zwischen den beiden Spiegeln lösbar ausgeführt, um die Strahlrichtung des Teilstrahles s2 ebeilfalls einstellen zu können.
• Der Strahlteiler nach der Fig. 5 zeigt einen prismatischen Reflektor in Gestalt eines 90o-Frisrnas Fr', das hinsichtlich des Laserstrahls s entsprechend dem prismatischen Körper Fr nach der Fig. 3 angeordnet ist: Im Strahlengang der durch Reflexion des Laserstrahls s am 900-Frisma Pr' geronnenen Teilstrahlen s1 und s2 sind oberhalb und unterhalb des Frismas zwei Spiegel S angeordnet, die den Teilstrahlen s1 und s2 die gewünschte Richtung geben. Durch Verschieben des 90o-Prismas Pr' senkrecht zurr ankormenden Laserstrahl s kann wiederum das Verhältnis der Strahlaufteilung auf die beiden Teilstrahlen eingestellt werden.

  13 Patentansprüche

  5 Figuren

Claims (3)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Anordnung zur Materialbearbeitung mittels eines von einen optischen System am Wirkungsort fokussierten Zaserstrahlo, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des gebündelten Laserstrahls (s) vor dem optischen, System ein Strahlteiler (St) angeordnet ist, der den Laserstrahl (s) in zwei oder mehr Teilstrahlen (sj) mit unterschiedlicher Portpflanzungorichtung aufspaltet und daß das optische System ein den Teilstrahlen gemeinsamer Kondensor ist, der die Teilstrahlen in verschiedenen Raumpunkten (Fi) sammelt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gebündelte Laserstrahl (s) ein nahezu paralleler Strahl ist, der durch den Strahlteiler (St) in-ebenfalls nahezu parallele Teilstrahlen (si) zerlegt ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gebündelte Laserstrahl wie auch seine Teilbündel in Strahlrichtung hinter den Strahlteiler (St) eine Gewetrie haben, die aus der eines Parallelstrahls. durch eine einfache Transformation hervorgeht, beispielsi,eise Kugel- oder Zylinderwellen. Anordnung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensoreine Sammellinse (Z) ist. 5. Anordnung nach einer. der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Zage der Sammelpunkte (Bi) der Teilstrahlen (si) durch Einstellen ihrer Fortpflanzungsrichtung durch den Strahlteiler (St) und/cder der ihre Wellenform bestimmenden Grüßen einstellbar ist. 6. Anordnung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler vienigstens ein prismatischer lichtbrechender K:Örper (Fr) ist, der v;enigstens mit einer seiner Kanten in Strahlengang des Iaserntrahles (s) angeordnet ist. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der prismatische lichtbrechende Körper vorzugsweise senkrecht zur Richtung des laserstrahles. (s) verschiebbar ist. B. Anordnung nach einen der Ansprüche '! bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (St) aus doppelbrechenden Platten, Prismen-oder linsen besteht.