DE4034744C2

DE4034744C2 - Vorrichtung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen

Info

Publication number: DE4034744C2
Application number: DE4034744A
Authority: DE
Inventors: Gisbert Dr Staupendahl; Hartmut Dr Mueller; Manfred Dr Poehler; Jens Bliedtner
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2010-10-31
Also published as: DD288934A5; DE4034744A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die die Strahlteilung eines Laserstrahles, insbesondere eines intensiven Co₂-Laser strahles, bei in weiten Grenzen variablem Teilungsverhältnis, wobei diese Variation wahlweise auch sehr schnell in Zeiten ≦ 1 ms erfolgen kann, sowie die dem jeweiligen Anwendungszweck ange paßte Führung der erzeugten Teilstrahlen ermöglicht. Vorrangige Anwendungsgebiete der Erfindung sind Materialbearbeitungsaufga ben, die spezielle Intensitätsprofile mit rasch veränderlicher Intensitätsverteilung oder spezielle Polarisationseigenschaften erfordern, z. H. die Bearbeitung von unterschiedlichen Materiali en, insbesondere Metallen, bei höchster Qualität der Bearbei tungsparameter durch optimale Steuerung des Bearbeitungsprozes ses.

Es gibt zahlreiche bekannte Anordnungen zur Aufteilung von Laser strahlung einerseits und zur Bestrahlung des zu bearbeitenden Werkstückes mit mehreren Teilstrahlen andererseits.

Die Aufteilung der Laserstrahlen erfolgt dabei i. a. durch unter schiedlichste Anordnungen passiver optischer Elemente, insbeson dere Spiegelanordnungen, deren wesentlichster Nachteil das fest vorgegebene bzw. nur sehr eingeschränkt variable Teilungsverhält nis ist. So wird z. B. in DD 119 915 A1 in einer Vorrichtung zur Teilung der Strahlungsenergie eines Gaslasers ein Spiegelpolygen als Umlenkspiegel eingesetzt.

Eine spezifische Anordnung zur Aufspaltung eines Co₂-Laserstrah les und der Anwendung der Teilstrahlen zur Bearbeitung von Ther moplastwerkstücken wird in der US 398 9 774 beschrieben. Hier wird der Laserstrahl einfach mittels einer Teilerplatte aufge spalten, und anschließend werden beide Teilstrahlen getrennt durch Planspiegel auf das Werkstück gelenkt.

Eine Anordnung zur Erzeugung mehrerer Arbeitsstrahlenbündel eines CO₂-Hochleistungslasers bei gleichzeitiger externer Modulation der Strahlung wird in DD 248 229 A1 beschrieben, bei der durch das genutzte Modulatorprinzip auf der Basis eines Farby-Perot- Interferometers zwar eine hohe Variabilität der Strahlteilung gewährleistet ist, jedoch sämtliche erzeugten Teilstrahlen ein zeln einer Arbeitsaufgabe zugeführt werden. Möglichkeiten zur Führung der Teilstrahlen auf ein einziges Werkstück werden nicht angegeben.

Da es für zahlreiche Applikationen günstig ist, das Werkstück mit zwei Teilstrahlen zu beaufschlagen, die unterschiedliche Eigen schaften, insbesondere unterschiedliches räumliches oder zeit liches Intensitätsverhalten aufweisen, befaßt sich eine Reihe von Lösungen mit diesem Problem. In den einfachsten Varianten werden die getrennten Teilstrahlen mit separaten Fokussieroptiken in das gleiche Bearbeitungsvolumen fokussiert (vgl. US 360 4 890 und DD 231 522 A1). Diese Anordnungen besitzen den gravierenden Nach teil, daß beide Strahlen gegeneinander geneigt das Werkstück treffen, so daß von Vornherein eine Anisotropie in der Bearbei tungsebene in Kauf genommen werden muß.

Deshalb versucht man, mit speziellen Anordnungen die Teilstrahlen wieder zu vereinigen und kollinear auf das Werkstück zu schicken. I. a. werden dazu durchbohrte Optiken verwendet. So werden im DD 251 097 A1 Möglichkeiten für das Ineinanderführen von Laserstrah len sowohl bei Verwendung von Fokussierlinsen als auch bei Ver wendung von Hohlspiegeln beschrieben, wobei jedoch die Teilstrah len nach der Vereinigung stark unterschiedliche Divergenz besit zen, so daß eine gemeinsame Führung über größere Wegstrecken unmöglich ist.

In der Anordnung gemäß der DE 270 80 39 A1 kann dieser Nachteil zwar umgangen werden, dafür ist jedoch für die Modenstruktur der Teilstrahlen die einschneidende Voraussetzung zu erfüllen, daß einer der Strahlen eine ringförmige Energieverteilung aufweisen muß.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur variab len Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen, insbesondere intensiver CO₂-Laserstrahlung, um einerseits solche Materialbear beitungsaufgaben wie das Schneiden, Ritzen, Bohren und Abtragen spröder Werkstoffe, z. B. Glas, Keramik usw. , mit hoher Effekti vität und Qualität durchführen zu können und andererseits durch optimale Steuerung des Bearbeitungsprozesses z. B. beim Schneide von Metallen eine wesentliche Verbesserung der Bearbeitungsge nauigkeit zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine entsprechende Vorrichtung einen Laserstrahl, insbesondere den intensiven Strahl eines CO₂- Hochleistungslasers, aufzuteilen mit in weiten Grenzen variablem Teilungsverhältnis, wobei die Variation des Teilungsverhältnisses auch wahlweise sehr schnell, z. B. in Zeiten ≦ 1 ms, erfolgen kann und die anschließend noch in ihren Eigenschaften modifizierten Teilstrahlen so dem Bearbeitungsort zuzuführen, daß dort Laser strahlung mit einem veränderten, dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßten und insbesondere schnell variierbarem Intensitätspro fil oder Polarisationsverhalten entsteht, so daß unterschied lichste Anforderungen im Hinblick auf die Optimierung der jewei ligen Einsatzparameter erfüllt werden können.

Diese Aufgabe wird mit der im PA1 angegebenen Vorrichtung gelöst. Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2-5 enthalten.

Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist also folgender: Die Elemente der Vorrichtung sollen die gewünschten Strahlungseigenschaften in drei Etappen realisieren; in der er sten Etappe erfolgt die variable Strahlaufteilung, in der zweiter Etappe erfolgt die Modifizierung der räumlichen Ausbreitungsei genschaften bzw. der Polarisation eines Teilstrahles, und in der dritten Etappe erfolgt die Führung der Teilstrahlen zum Bearbei tungsort, insbesondere die Wiedervereinigung der beiden Teil strahlen zu einem Gesamtstrahl mit neuen Eigenschaften.

Konkret wird dies mit folgender Anordnung realisiert: Die Strah lung des Hochleistungslasers wird zunächst auf einen an sich bekannten Modulator geschickt, der auf dem Prinzip eines Fabry- Perot-Interferometers (FPI) beruht, also einer Anordnung, welche die auftreffende Strahlung definiert in einen reflektierten An teil der Leistung P_R und einen transmittierten Anteil der Lei stung P_T bei verschwindend kleinen Verlusten im Modulator selbst aufteilt. Das Teilungsverhältnis P_R/P_T zwischen diesen beiden An teilen kann nun im durch die Reflektivität R der beiden Interfe rometerplatten festgelegten Intervall 0 ≦ P_R/P_T ≦ 4R/(1 - R)² durch mehr oder weniger schnelle Änderungen des Abstandes d dieser Platten variiert werden, wobei je nach der Bauart des Modulators Frequenzen bis in den kHz-Bereich erzielt werden können.

Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen wird nun gemäß der Erfin dung der transmittierte Strahlungsanteil durch optische Mittel in seinen Ausbreitungseigenschaften, d. h. entweder seiner Divergenz oder seinem Strahldurchmesser oder seiner Polarisation, entspre chend der gewünschten Wirkung im Bearbeitungsprozeß verändert und anschließend durch die Interferometeranordnung "zurückgeschickt", so daß neben dem reflektierten Strahl der Leistung P_R ein zwei ter, ein "doppelt-transmittierter" Strahl der Leistung P_DT für Arbeitsaufgaben zur Verfügung steht. Da dieser Stlrahl durch ge eignete Anordnung der optischen Mittel genau richtungsgleich dem reflektierten Strahl überlagert werden kann, steht ein Arbeits strahl mit neuen, für zahlreiche Applikationen außerordentlich günstigen Eigenschaften zur Verfügung. Insbesondere lassen sich auf diese Weise neuartige kombinierte Intensitätsprofile bzw. Polarisationseigenschaften erzeugen, deren besonderen Vorzug ihre der jeweiligen Aufgabe anpaßfähige rasche Variabilität darstellt. Wahlweise kann der doppelt-transmittierte Strahl auch in eine vom reflektierten Strahl abweichende Richtung geschickt werden, so daß mit beiden oder je nach Einsatzfall auch nur einem, z. B. dem doppelt-transmittierten Strahl gearbeitet werden kann. Eine we sentliche Voraussetzung für die Funktion der Anordnung ist die Realisierung eines möglichst kleinen Neigungswinkels zwischen der optischen Achse des Modulators und der Achse des Laserstrahles. Der Neigungswinkel muß einerseits groß genug sein, damit sich das vom Modulator reflektierte Bündel gut separieren läßt, insbeson dere nicht in den Laserresonator zurückgekoppelt wird, und ande rerseits so klein sein, daß die Funktion des Modulators nicht durch mangelhafte Interferenz beeinträchtigt wird. Die letzte Forderung kann bei CO₂-Laserstrahlung (λ = 10,6 m) bis zu Neigungswinkeln von etwa 5° gut erfüllt werden, wenn der Abstand d der Interferometerplatten 0,1 mm nicht überschreitet. Da dieser Winkel auch für die Bündelseparation völlig ausreicht, läßt sich die Anordnung problemlos realisieren.

Zu beachten ist, daß auch der doppelt-transmittierte Strahl, unabhängig von seiner gezielten Beeinflussung, innerhalb dieses Winkelbereiches die Interferometeranordnung durchsetzen muß, damit unerwünschte Verluste vermieden werden.

Beim zweiten Durchgang des transmittierten Strahles durch das FPI tritt ein weiterer reflektierter Strahlungsanteil auf. Je nach gewählter Anordnung überlagert sich dieser Strahl, der einen relativ geringen Anteil an der Gesamtstrahlungsleistung aufweist, dem transmittierten Strahl, oder er kann separiert werden. In keinem Falle wird die Funktion der Anordnung merklich beeinträch tigt.

Im Falle seiner Separierbarkeit ist dieser reflektierte Strah lungsanteil für eine Diagnose der Gesamtanordnung gut geeignet.

Für die Wahl der optischen Mittel zur gezielten Formung des transmittierten Strahles gibt es eine ganze Reihe von Möglichkei ten. Die gesamte Palette der Strahlformungsvarianten läßt sich bei ausgezeichneter Abbildungsqualität durch eine Anordnung von drei justierbaren Spiegeln realisieren, wobei die Reflexionen einerseits unter sehr kleinen Winkeln zu den optischen Achsen und damit mit geringen Abbildungsfehlern erfolgen und andererseits zwei der Spiegel als Teleskop ausgebildet werden können, mit den drei Optionen Einengung, Aufweitung und gezielte Divergenzände rung für das transmittierte Bündel. Durch Ersetzen eines Spiegels durch einen Phasendreher und geeignete Anordnung können darüber hinaus die Polarisationseigenschaften des transmittierten Bündels gezielt beeinflußt und damit im Gesamtstrahl so modifiziert und schnell variiert werden, daß neuartige Wirkungen in der Materialbearbeitung erzielt werden können.

Bei einer vereinfachten Variante der Anordnung genügt ein ju stierbarer Spiegel zur Rückreflexion des transmittierten Bündels, der z. B. mit einem definierten Radius versehen werden kann, um die räumlichen Ausbreitungseigenschaften des doppelt-transmit tierten Strahles im gewünschten Maße zu beeinflussen.

Verzichtet man auf die Justierbarkeit dieses Spiegels und legt man sich auf eine Richtung für den modifizierten Arbeitsstrahl fest, kann die Austrittsfläche des FPI, also die Außenseite der zweiten FPI-Platte, als dieser rückreflektierende Spiegel ausge bildet werden.

Alle Varianten weisen einen weiteren Vorzug auf. Der beschriebene Modulator auf dem FPI-Prinzip besitzt in den herkömmlichen Ein satzfällen zwei Charakteristiken P (Δ d) für die Leistungsmodula tion, die Reflexionscharakteristik und die Transmissionscharakte ristik, die beide durch die Reflektivität R der beiden Interfero meterplatten fixiert werden. Durch die "Doppeltransmission" ent steht nun eine dritte Charakteristik, da die Transmissionscharak teristik praktisch noch einmal mit sich selbst multipliziert wird. Sie zeichnet sich insbesondere durch einen wesentlich höhe ren Kontrast gegenüber der einfachen Transmissionscharakteristik aus und besitzt wie letztere den großen Vorzug, daß T_max = 1 gilt. Dadurch wird die Anwendungsbreite der Anordnung wesentlich erweitert. Mit der Nutzung des doppelt-transmittierten Strahles stellt sie für viele Applikationen die günstigste Anordnung dar.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: eine Anordnungsvariante mit drei Spiegeln zur For mung und Führung des transmittierten Strahls;

Fig. 2: eine Anordnungsvariante mit zwei Spiegeln;

Fig. 3: eine Anordnungsvariante mit einem Spiegel;

Fig. 4: eine Anordnungsvariante mit als Spiegel ausgebil deter FPI-Austrittsfläche;

Fig. 5: T(Δ d)-Charakteristiken für Einfachtransmission (I) und Doppeltransmission (II) eines FPI mit R = 0,3;

Fig. 6: einige typische modifizierte Intensitätsprofile des aus der kollinearen Überlagerung des reflek tierten und des doppelt-transmittierten Anteiles resultierenden Gesamtstrahles.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel fällt die Strahlung 2 des CO₂-Hochleistungslasers 1 auf die von der Versor gungseinrichtung 4 angesteuerte Interferometeranordnung 3, die vorzugsweise durch den Modulator gemäß DD 234 208 A1 gebildet wird. Dessen optische Achse 5 ist unter einem Winkel α gegen die Richtung des Laserstrahles 2 geneigt. Der Modulator spaltet die sen Strahl auf in den reflektierten Anteil 6 und den transmit tierten Anteil 7, der durch ein von den Spiegeln 8 und 9 gebilde tes Teleskop geformt und mittels des justierbaren Spiegels 10 ein zweites Mal durch das FPI geschickt wird. Der doppelt-transmit tierte Anteil 11 kann dann wahlweise dem reflektierten Stahl 6 überlagert oder separat der Bearbeitungsaufgabe zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Variante mit zwei Spiegeln 12 und 13. Bei abbildender Funktion dieser Spiegel sind sie wegen der großen Reflexionswinkel als off-axis-Spiegel auszubilden. Die Darstellung illustriert für diese Anordnungsvariante die Nutzung des zweiten reflektierten Strahlungsanteiles 17 zur Strahlungs diagnostik mittels eines Detektors 18.

In Fig. 3 ist die Anordnungsvariante mit einem Spiegel 14 darge stellt.

Fig. 4 illustriert die Nutzung der Außenseite 15 der zweiten FPI- Platte 16 als rückreflektierendes Element.

Fig. 5 verdeutlicht den Unterschied in den T(Δ d)-Charakteristi ken für Einfachtransmission (Kurve I) und Doppeltransmission (Kurve II) eines FPI mit R = 0,3.

Bei den in Fig. 6 dargestellten typischen Intensitätsprofilen des aus der kollinearen Überlagerung des reflektierten Strahles 6 mit dem doppelt-transmittierten Strahl 11 resultierenden Gesamtstrah les wurde eine Einengung des transmittierten Strahles durch das Teleskop angenommen. Profil a) entspricht dann dem Fall T = 1 des FPI, Profil c) entspricht T = T_min und Profil b) zeigt einen Zwischenzustand.

Bezugszeichenliste

1

CO₂

-Hochleistungslaser

2

Laserstrahlung

3

Interferometeranordnung

4

Versorgungseinrichtung der Interferometeranordnung

5

Optische Achse

6

Reflektierter Anteil der Laserstrahlung

7

Transmittierter Anteil der Laserstrahlung

8

Teleskopspiegel

9

Teleskopspiegel

10

Justierbarer Umlenkspiegel

11

Doppelt-transmittierter Anteil der Laserstrahlung

12

Justierbarer Umlenkspiegel

13

Justierbarer Umlenkspiegel

14

Justierbarer Umlenkspiegel

15

Als Spiegel ausgebildete Außenseite der zweiten Interfero meterplatte

16

Zweite Interferometerplatte

17

Zweiter reflektierter Strahlungsanteil

18

Strahlungsdetektor

Claims

1. Vorrichtung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung der Teilstrahlen, insbesondere für CO₂-Hochleistungslaserstrahlen, bei der die Strahlung des Lasers auf einen Modulator fällt, der als Fabry-Perot- Interferometer mit schnell variierbarer Reflektivität ausgebildet ist und unter einem Winkel zwischen seiner optischen Achse und der Richtung der Laserstrahlung angeordnet ist, der einerseits so klein ist, daß die Interferenzfähigkeit des Modulatorsystems nur unwesentlich beeinflußt wird, und andererseits so groß ist, daß eine unerwünschte Rückkopplung des vom Modulator reflektierten Strahlungsanteils mit dem Laserresonator ohne die Verwendung optischer Hilfsmittel vermieden wird und dieser Strahlenanteil entweder direkt oder über einen Hilfsspiegel zum Bearbeitungsort gelangt, wobei das Leistungsverhältnis zwischen den beiden Teilstrahlen in von den Parametern des Modulators vorgegebenen Grenzen und mit Frequenzen innerhalb des ebenfalls durch den Modulator vorgegebenen Bereiches vorgebbar variiert, dadurch gekennzeichnet, daß optische Mittel den transmittierten Strahlungsanteil (7) in seinen räumlichen Ausbreitungseigenschaften, insbesondere seiner Divergenz, seinem Strahlungsdurchmesser oder seiner Polarisation, ändern und auf eine solche Weise wieder durch den Modulator (4) zurückschicken, daß dieser doppelt-transmittierte Strahl (11) wahlweise dem reflektierten Strahl (6) sich überlagert oder in einer vorgebbaren, dem winkelmäßigen Arbeitsbereich des Modulators (4), vorzugsweise einem Winkelbereich, der 5° Neigung gegen die Modulatorachse nicht überschreitet, entsprechenden Richtung an den Bearbeitungsort gelangt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Spiegel (14) vorgesehen ist, der den transmittierten Strahlungsanteil (7) zur Doppeltransmission durch den Modulator (4) reflektiert, wobei dieser Spiegel so nahe wie möglich am Fabry-Perot-Interferometer angeordnet und mit einem Krümmungsradius versehen ist, der die jeweils gewünschte Divergenz des doppelt-transmittierten Strahles (11) realisiert und andererseits so justierbar ist, daß der doppelt-transmittierte Strahl (11) die vorgebbare Richtung erhält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite (15) der zweiten Interferometerplatte (16), die wahlweise als ebener paralleler, ebener gekippter oder mit einem Krümmungsradius versehener Spiegel ausgeführt ist, den rückreflektierenden Spiegel bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückreflexion des transmittierten Strahlungsanteils (7) mittels zweier Spiegel (12, 13) erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückreflexion des transmittierten Strahlungsanteils (7) mittels dreier Spiegel (8, 9, 10) erfolgt, die so angeordnet sind, daß die Reflexionen unter möglichst kleinen Winkeln zu den Spiegelnormalen erfolgen und zwei von ihnen eine Teleskopanordnung bilden zur wahlweisen Aufweitung, Einengung oder Divergenzänderung des doppelt-transmittierten Strahls (11) und daß Justiereinrichtungen vorgesehen sind, die den doppelt transmittierten Strahl (11) in die vorgebbare Richtung lenken.