DE2348025A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von werkstuecken mittels laserstrahlung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 89 Augsburg-Göggingen 22, den 2\ September 1973

von-Eichendorf f-Straße 10

dr.ing. E. LIEBAU

rSiai in/- f" I ΙΕΓΕ3ΔΙΙ Unser Zeichen T 9247

DIPL. ING. Ij. LJ C. BM.U (Bei Rückantwort bitte angeben)

Ihr Zeichen 2348025

Anmelderin: Thorn Electrical Industries Limited

Thorn House, '

Upper Saint Martin's Lane, London, WC 2H 9ED England

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BEHANDLUNG VON WERKSTÜCKEN MITTELS LASERSTRAIiLUNG -_-_____ ___

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung von Werkstücken mittels Laserstrahlung.

Laserstrahlung hat sich als sehr nützlich zum Bohren, Schneiden und Schweißen kleiner Werkstücke erwiesen.

Wird ein kleines Werkstück mehreren Laserimpulsen unterworfen, die nacheinander auf verschiedene Punkte des Werkstücks gerichtet werden, so kann sich dieses verziehen. Ferner sind besondere Anordnungen erforderlich um die Impulsquelle zu

bewegen, damit die Impulse auf verschiedene Punkte des Werkstücks gerichtet werden können.

Die britische Pa__e£tschrift 1 262 613 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserenergie, wobei der Laserstrahl in eine Anzahl von getrennten Laserstrahlen unterteilt wird, von denen jeder zur Behandlung einer einzigen Phase zumindest eines Werkstückes geeignet ist. Um dies zu erreichen, ist ein optisches Strahlaufteilsystem vorgesehen, das aus einem halbdurchlässigen Spiegel und weiteren anderen Spiegeln besteht, die in einem geeigneten Gerüst angeordnet sind. Diese bekannte Vorrichtung hat sich jedoch als kompliziert und teuer erwiesen, so daß es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die einfach im Aufbau und verhältnismäßig billig ist.

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Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung ein

Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels der ein Werkstück mit Laserstrahlung an mehreren unterschiedlichen Punkten gleichzeitig bearbeitet werden kann.

Im Prinzip umschließt das erfindumrs gemäße Verfahrener Behandlung von Werkstücken mittels Laserstrahlung folgende Schritte: Erzeugen eines Laserstrahles xind Fokussieren dor durch jede von zumindest zwei.sich ^eerenseitie· ausschließender) Querschnittsflächen des Strahles an einen bestimmten Punkt dnr^iilaufenden Strahlung, wobei die Punkte voneinander in Abstand angeordnet sind.

Vorzugsweise umfasst der Schritt der Strahlung—

fokussierung ein Durchleiten der Strahlung durch mehrere Brechun<^TR-glieder, von denen eines oder mehrere den gesamten Strahl anffänct (sammelt) und ihn konvergent macht xxnd ein anderes oder mehrere derselben zumindest einen Teil des Strahles aufnehmen^ wel eher Teil durch eine oder mehrere der renannten Querschnlttsflachen verläuft, wobei das- oder diejenigen anderen Brechun^s'rlinfler derart axisgebildet sind, daß die Strahlung dxirch sie von ihrem Weg vor dem Eintritt in das entsprechende Brechuntrs«·! i ed abweicht.

Die erf in dxmgs gemäße Vorrichtuno· zur behänd Ixmp; von Werkstücken mit Laserstrahlxing umfasst eine Laserstrahlxxngsque 1 Ie, die einen erzeugten Laserstrahl auf Mittel zxir Fokxissierxmg der durch jede von zumindest zwei sich gegenseitig ausschließenden Querschnittsflächen des Strahles an einen bestimmten Punkt verlaufenden Strahlung, wobei die Pxmkte voneinander in Abstand angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzen

die Fokussiermittel mehrere Brechungsglieder, von denen ein oder mehrere den gesamten erzeugten Laserstrahl empfangen, und ihn konvergent machen und von denen eines oder mehrere nur einen Teil des Strahles aufnehmen, welcher Teil durch ein oder mehrere der genannten Querschnittsflächen läuft, wobei das oder jedes der renannten anderen Brechxmgsglieder derart ausgebildet ist, dal?· die

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BAp

durch das- oder dieselben laufende Strahlung um einen vorbestimmten Winkel von seinem We₁K vor Eintritt in das entsprechende Br^nhungserlied abweicht.

Vorzugsweise sind Vorrichtungen vorgesehen mit

dentil die relative Lage aller oder einiger der Brechungsglieder variiert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:-

Fig, 1, 2, 3 und 4 schematische Seitenansichten verschiedener optischer Systeme in verschiedenen Ausführungs— beisnielen gemäß der Erfindung und

Fjg. la, 2a, 3a und 4a Draufsichten auf Teile der optischen Systeme gemäß den Fig» I bis 4.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein optisches System einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Ausdruok "optisches System" bedeutet ein beliebiges System, das auf den Laserstrahl in einer Art einwirkt, die als Behandlung der Laserstrahlung als Lieht beschrieben werden kann. Das optische System 10 ist derart angeordnet, daß es in Betrieb einen praktisch parallelen Laserstrahl empfängt, der parallel zur Achse einer zusammengesetzten Konvergierlinse 11 verläuft, die ein Brechungsglied des Systems 10 darstellt. Die Linse 11 nimmt den gesamten Laserstrahl auf.

In der Nähe derjenigen Seite der Linse llj aus der

der von einer nicht gezeigten Quelle ausgesendete Laserstrahl austritt, ist ein Fresnel-Doppelprisma 12 angeordnet, dessen Dach— kante 13 durch die Achse der zusammengesetzten Linse 11 senkt— recht zweigeteilt wird.

Der Fachmann erkennt, daß das System zwei Brennpunkte 14 und 15 erzeugt, in denen die Laserstrahlung in einer Brennebene 16 des Systems konzentriert wird. Die Brennpunkte 14 und 15 sind durch die Endpunkte der beiden Strahlen 17 und 18 in Fig, I angedeutet.

In Betrieb konvergiert die Linse 11 den Strahl, wobei eine Hälfte des Doppelprismas 12 diejenige Strahlung, die

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durch eine Querschnittsfläche des Strahles verläuft auswählt und in der gewählten Richtung zu einem der Punkte 14 bzw. 15 ablenkt, während die zweite Hälfte des Doppelprismas 12 diejenige Strahlung auswählt, die durch die andere Querschnittsfläche des Strahles verläuft, und die gewählte Strahlung zu dem anderen der Punkte 14 bzw. 15 leitet. Die genannten Flächen überlappen sich nicht und sind somit sich gegenseitig ausschließend,

Fig. la zeigt das Doppelprisma 12 von der ihm gegenüberliegenden Stirnseite der Linse 11 aus gesehen.

Der Abstand zwischen den Punkten 14 und 15 kann sehr genau durch Änderung des AxialabStandes des Prismas 12 von der Linse 11 eingestellt werden.

Falls erwünscht kann die Lage der Linse 11 und des Doppelprismas 12 vertauscht werden.

Eine Verschiebung des Doppelprismas 12 senk^rrecht zu seiner Dachkante 13 in einer Ebene,die zur Achse der Linse 11 senkrecht ist, ändert die entsprechenden Anteile des auf die Punkte 14 und 15 gerichteten Strahles ohne deren Positionen zu verändern. Somit kann eine Bewegung des Doppelprismas dazu verwendet werden_>die an jeden der Punkte 14 und 15 empfangende Strahlungsmenge zu steuern. Diese Bewegung soll hier der Einfachheit halber als seitliche Bewegung des Doppelprismas bzw. Prismas bezeichnet werden. Werden anstelle des Doppelprismas 12 zwei getrennte Prismen verwendet, von denen jedes einer Halfte des Doppelprismas 12 entspricht, dann kann die Laserstrahlungsmenge an den Punkten 14 und 15 durch getrennte seitliche Bewegung der beiden Prismen unabhängig verändert werden.

Fig. 2 zeigt ein optisches System 20 des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung zur Fokussierung eines Laserstrahles auf drei Punkte, 24, 25 und 27 in einer Brennebene

Das System 20 besitzt eine zusammengesetzte Konvergierlinse 21 und zwei Prismen 22 und 23,

Die Linse 21 ist derart angeordnet, daß sie den gesamten Laserstrahl empfängt, während jedes der Prismen 22 und

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nur einen entsprechenden Teil des Strahles aufnimmt. Die Prismen 22 und 23 sind voneinander in Abstand angeordnet, so daß die Strahlung, die zwischen ihnen nach Austritt aus der Linse 21 hindurchläuft^unbeeinflußt bleibt, und in einen der drei Brennpunkte, nämlich 27, konvergiert, der auf der Achse der Linse 21 in der Ebene 26 liegt. Die durch die Linse 21 und das Prisma 22 verlaufende Strahlung wird in einem zweiten der drei Brennpunkte, nämlich 2h _f fokussiert, während die durch die Linse 21 und das Prisma 23 verlaufende Strahlung in einen dritten der drei Brennpunkte, nämlich 25, .fokussiert wird.

Fig. 2a zeigt eine ähnliche Ansicht wie Fig. la, jedoch von den Prismen 22 und 23 der Fig. 2.

Fig. 3 und 3a zeigen in ähnlicher Weise wie Fig. 2 und 2a ein optisches System 30 eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Fokussierung eines Laserstrahls in fünf Punkten einer Brennebene 36. Das System 30 unterscheidet sich vom System 20 dadurch, daß neben der Linse 31 und den Prismen 32 und 33 ein weiteres Paar von Prismen, nämlich 34 und 35, vorgesehen sind. Die Prismen 3h und 35 sind kleiner als die Prismen 32 und 33, wie dies aus Fig. 3 und 3a hervorgeht, und sind derart angeordnet, daß sie nur entsprechende Teile der entsprechenden Strahlenteile aufnehmen, die durch die Prismen 32 und 33 fallen. Somit ergeben, sich zusätzlich zu den drei Brennpunkten des Systems 20 der Fig. 2 und 2a bei dem System 30 durch die weitere Ablenkung zweier Strahlenteile mittels der Prismen 3h und 35 zwei weitere Brennpunkte.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die zwei oder mehr Brennpunkte längs einer Linie verteilt, durch die die Achse der Linse 11 bzw. 21 oder 31 läuft. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Differenzen in der Weglänge, wie sie durch die Prismen eingeführt werden_?nur in einer Ebene variieren, die die Achse der Linsen 11, 21 bzw. 31 enthält.

Fig. h und ha zeigen ein optisches System h0 eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dieses optische System h0 unterscheidet sich von den Systemen 2h und 30 dadurch, daß es zwei Ebenen besitzt, in denen die Achse einer Linse hl

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verläuft und die Differenzen j η der Weglänge, die sich quer zur Achse der Linse 41 ändert,durch vier Prismen 42, 43, 44 und 45 eingeführt werden, von denen jedes ähnlich dem Prisma 22 hzw. 23 der Figo 2 ausgebildet ist. Die vier Prismen 42 bis 45 sind in zwei Paaren angeordnet. Das erste Paar 42 und 43 ist relativ zu der Linse 41 in der gleichen Weise angeordnet, wie die Prismen 22 und 23 zur Linse 21. Das zweite Paar 44 und 45 ist derart angeordnet, daß sich ihre Längsausdehnung senkrecht zur Richtung der Längsausdehnung des ersten Paares erstreckt, und es liegt denjenigen Stirnseiten der Prismen 42 und 43 gegenüber, die von der Linse 41 entfernt sind. Die Prismen jedes Paares sind voneinander in Abstand angeordnet, so daß ein mittlerer Laserstrahl von quadratischem Querschnitt nach Austritt aus der Linse 41 ohne Ablenkung zu dem Hauptbrennpunkt 47 der Linse 41 in einer Brennebene 46 gelangt.

Die Anordnung der vier Prismen 42 bis 45 bewirkt acht unterschiedliche Gruppen von Wegen für unterschiedliche Strahlenteile, wobei die Weggruppen in ihrer Lage quer zur Achse der Linse 41 verschieden sind, und die sich zirkulär gesehen

abwechselnd in der Zahl der durchlaufenen Prismen unterscheiden; es sind vier Gruppen,von denen jede dem mittleren Teil eines entsprechenden der Prismen entspricht, bei denen nur das entsprechende eine Prisma durchlaufen wird, und vier Gruppen, von denen jede zwei überlappenden Seitenteilen eines benachbarten Prismenpaares z.B. 42 und 45 entspricht, bei denen die beiden überlappenden Prismen durchlaufen werden.

Somit ergeben sich acht weitere Brennpunkte 48 bis 55.

Bei allen in der Zeichnung gezeigten optischen Systemen ist die Vorrichtung zur Erzeugung eines konvergenten Strahles, nämlich die Linsen 11, 21, 31 bzw. 41 ein eigenes Glied, wobei die Konvergenz des Strahles durch die Prismen des Systems nicht beeinflusst wird. Es können andere Ausführungsformen aufgebaut werden, bei denen eines oder mehrere Brechungsglieder des Systems nicht nur die auf sie einfallende Strahlung konvergent machen, sondern auch die Strahlung als Ganzes von der Portpflan-

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BAD ORIGiNAL

zun^sri chtunp; des einfallenden Strahles ablenken. Weiterhin können derartige Glieder unterschiedliche Konvergenzgrade bewirken, so daß die sich ergebenden Brennpunkte nicht alle in der bleichen Ebene liegen. Andererseits können Ausführungsbei— spiele gebildet werden, bei denen keine alternative Verstellung der Brennpunkte erforderlich ist, und zwar dadurch, daß die Systen^wie sie in der Zeichnung gezeigt^sind als einziges integriertes Brechungsglied ausgebildet sind.

Wird eine Ausfiihrungsfonn der Erfindung zum

Schweißen, Bohren oder Schneiden von Metall verwendet, dann kann die Laserstrahlung entweder im sichtbaren oder benachbarten Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen, und die Linsen und Prismen können axis G] as oder Quarz gefertigt sein. Bei der Bearbeitung von gewissen nicht-metallischen Stoffen, beispielsweise Sillka (Siliziumoxyd) kann es zweckmäßig sein, eine Infrarotstrahlung mit größerer Wellenlänge, beispielsweise von 10,6 /Üfct zu verwenden, wie sie von einem CO„-*Laser ausgestrahlt wird. Dies kann es erforderlich machen , daß Brechungselemente verwendet werden, die aus einem synthetischen Salzkristall oder Germanium hergestellt sind.

Antireflektionsbeschichtungen (blooming), die

für die bestimmte verwendete Länge der Laserstrahlung geeignet ist, kann auf die Oberflächen der Prismen.und/oder anderen Brechungsglieder aufgebracht werden, durch die die Strahlung mit geringsten Verlusten verlaufen soll.

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Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1, / Verfahren zum Rebandeln von Werkstücken mitte]s aserstrahlung unter Erzeugung eines Strahles der Laserstrahlung,

   Aufteilen des Strahles in mehrere weitere Strahlen und Fokussieren jedes dieser weiteren Strahlen in einem entsprechenden Brennpunkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl durch Fokussierung der durch jede von zumindest zwei sich gegenseitig ausschließenden Querschnittsflächen des ursprünglichen Strahles verlaufenden Strahlting in einem entsprechenden Punkt aufgeteilt wird.

   2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung der Strahlung unter Findurchschicken der Strahlung durch mehrere Brechungsglieder erfolgt, von denen eines oder mehrere den gesamten ursprünglichen Strahl aufnehmen lind ihn konvergent machen, und von denen eines oder mehrere zumindest einen Teil des ursprünglichen Strahles aufnehmen, der durch eine oder mehrere der genannten Querschnittsflächen verläuft, wohei das eine oder jedes der weiteren Brechungsglieder derart ist, daß die durch das- oder dieselhen verlaufende Strahlung von ihrem Weg vor Eintritt in das entsprechende Brechungsglied ahgelenkt wird.

   3, Vorrichtung zur Behandlung von Werkstücken mittels Laserstrahlung mit einer Quelle für die Laserstrahlung, die einen erzeugten Laserstrahl auf Vorrichtungen zum Fokussieren der Strahlung in mehreren im Abstand voneinander angeordneten Brennpunkten richtet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Fokussierung der Strahlung aus einem optischen System (lO) bestehen, das die durch jede von zumindest zwei sich gegenseitig ausschließenden Flächen des Querschnitts des Strahles verlaufende Strahlung in einem entsprechenden Punkt fokussiert, wobei die Punkte voneinander in Abstand angeordnet sind.

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   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System (20) mehrere Brechungsglieder ( 21, 22, 23) besitzt, von denen eines oder mehrere den gesamten erzeugten Strahl aufnehmen und ihn konvergent machen und von denen ein oder mehrere weitere nur einen Teil des Strahles auf nehmen, we-1-eher Teil dxirch eine oder mehrere der genannten Querschnittsflächen verläuft, wobei das oder die weiteren Brechungsglieder (22, 23) derart sind, daß sie die durch dasselbe "bzw. dieselben verlaufende Strahlung um einen vorbestimmten Winkel von ihrem Weg vor dem Eintritt in das entsprechende Brechungsglied ablenken,

   5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k_f gekennzeichnet durch Vorrichtungen zum Variieren der relativen Lagen aller oder einiger der Brechungsglieder,

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