DE4230224A1 - Strahlaufspaltungs- und Fokussierungsoptik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Optik, die in der Laser­ materialbearbeitung zur Strahlformung eingesetzt werden kann.

Die grundlegenden Anforderungen an Optiken für die Laser­ materialbearbeitung sind beispielsweise in W. Brunner und K. Junge, "Wissensspeicher Lasertechnik", Fachbuchverlag Leipzig, 1982, S. 328 ff, dargestellt. Beispielsweise ist es üblich, auf einen einzigen Punkt fokussierende Optiken zu verwenden und mittels mechanischer Verstellung verschie­ dene Schweißpunkte zeitlich nacheinander zu setzen, wie das in der oben angeführten Literatur beschrieben wird.

Weiterhin ist aus der DE-OS 20 07 674 die Verwendung von Umlenkprismen zur Strahlteilung bekannt. Die Einfügung eines extra hergestellten Umlenkprismas in eine Optik stellt einen hohen Mehraufwand dar, wobei durch ein Prisma maximal zwei Strahlen erzeugt werden. Eine Nachrüstung vor­ handener Schweißoptiken erfordert damit einen hohen technischen Aufwand.

Der in der DE-PS 33 38 967 beschriebene Strahlteiler be­ steht aus einer großen Anzahl von trapezförmig bearbeiteten Glaskörpern und ist wesentlich aufwendiger, trotzdem können nur zwei Strahlen erzeugt werden.

Die in der DE-PS 40 34 744 vorgeschlagene Anordnung zur variablen Laserstrahlteilung und Führung von Teilstrahlen beinhaltet den Aufbau einer sehr aufwendigen Interferome­ teranordnung mit grundlegender Strahlrichtungsänderung und liefert ebenfalls nur zwei erzeugte Strahlen.

In der Zeitschrift "Feingerätetechnik", Berlin, Band 32, Heft 10 (1983), Seite 465 ff. sind Strahlvervielfachungs­ optiken angegeben, denen Teilerplatten oder einige räumlich unterschiedlich angeordnete Prismen zugrundeliegen. Dabei erfordern die Teilerplatten aber den Einsatz mehrerer Fokussierungsoptiken und mehrere räumlich getrennte Prismen erfordern einen hohen Aufwand an Bauelementen.

In dem Tagungsband ED. T. Tschudi, "Holographics 1990", Nürnberg 1990, S. 99 werden synthetisch erzeugte Kinoform­ elemente zur Fokussierung von Laserstrahlung vorgestellt, die geometrische Figuren zu erzeugen vermögen. Die synthe­ tische Herstellung derartiger Kinoformen ist außerordent­ lich teuer.

Alle bisherigen Lösungen zur Strahlvervielfachung und -fokussierung zeigen den Nachteil des aufwendigen Einfügens von optischen Zusatzkomponenten, die besonders bei der Er­ zeugung von mehr als zwei Strahlen sehr teuer sind.

Ziel der Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln bei Laser­ materialbearbeitungsoptiken eine Strahlvervielfältigung und -fokussierung zu ermöglichen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe-in Laser­ materialbearbeitungsoptiken billige Elemente derart einzu­ beziehen, daß preisgünstige Strahlvervielfachungsoptiken entstehen, wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Die Grundidee der Erfindung beruht darauf, in einem an sich gegebenen Fokussierungssystem durch eine einfache Abwand­ lung optischer Flächen eine Vervielfachung der Fokuspunkte zu erreichen. Beispielsweise können in einem System, das aus einer Abfolge von Linsen besteht, die auch Plankonvex- oder Plankonkavlinsen enthält, die Planflächen in Teilplan­ flächen aufgeteilt werden, die voneinander verschiedene Normalenrichtungen aufweisen. In einem solchen System kön­ nen aber auch die sphärischen Flächen in sphärische Teil­ flächen mit unterschiedlichen Krümmungsmittelpunkten unter­ teilt werden. Bei Systemen, die reflektierende Elemente enthalten, kann diese Unterteilung in Teilflächen analog erfolgen. Für einen Planumlenkspiegel bedeutet dies bei­ spielsweise die Unterteilung in Teilplanspiegel mit unter­ schiedlichen Normalenrichtungen. Für fokussierende Konkav­ spiegel bedeutet dies die Aufteilung in Teilspiegel mit unterschiedlichen Krümmungsmittelpunkten. Wird im System ein fokussierendes Gitter verwendet, so kann dieses eben­ falls in Teilgitter mit jeweils unterschiedlichen Fokus­ sierungseigenschaften, die über Linienzahl, Linienform und Gitterträgerform gestaltet werden können, aufgeteilt werden.

Es ist auch möglich, die Unterteilung in Teilflächen ziel­ gerichtet an mehreren Systemflächen vorzunehmen. Durch die Flächenanteile der Teilflächen an der entsprechenden optischen Fläche werden die Belichtungsenergieverhältnisse für die einzelnen Fokuspunkte gesteuert. Im Normalfall wer­ den alle Punkte die gleiche Belichtungsenergie erhalten, also werden die Teilflächen den gleichen Flächeninhalt auf­ weisen. Für unterschiedliche Belichtungsenergien sind die Flächeninhalte entsprechend zu variieren.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Fig. 1 näher erläutert. Die von einem Nd-YAG- Laser kommende Strahlung 1 wird in einer 200 µm-Faser 2 bis zur Endfläche 3 geleitet und breitet sich als divergentes Bündel 4 im Raume aus. Dieses Bündel wird durch die Plan­ konvexlinse 5 mit der Planfläche 6 und der Konvexfläche 7 kollimiert zum Bündel 8, das auf die erfindungsgemäß ge­ staltete Linse 9 mit Konvexfläche 10 trifft. Die in Lichtausbreitungsrichtung zweite Fläche der Linse 9 ist in die beiden Teilplanflächen 11 und 12 derart unterteilt, daß jede der beiden Teilplanflächen eine Hälfte der Linse über­ deckt und die eine der beiden Teilplanflächen gegen die andere um den Winkel 13 geneigt ist. Die fokussierte Strah­ lung ist nun in die beiden konvergenten Teilbündel 14 und 15 unterteilt, die in der Ebene 16 des zu bearbeitenden Werkstückes die beiden Fokuspunkte 17 und 18 erzeugen.

Die Bemessungen sind wie folgt: Die Scheitelabstände sind von 3 nach 6 44 mm, von 6 nach 7 4 mm, von 7 nach 10 20 mm, von 10 nach 11 4 mm und von 11 nach 16 20,5 mm. Die Krümmungsradien sind für die sphärische Fläche 7 24 mm und für die sphärische Fläche 10 12 mm. Der Winkel 13 beträgt 3° und der Durchmesser der Linsen 14 mm. Das verwendete Glas ist BK7. Die beiden Fokalpunkte 17 und 18 liegen damit um 600 µm auseinander.

Das optische System wurde aus kostengünstiger loser Optik zusammengestellt, wobei auf einer Planfläche die Zusatz­ fläche 12 angearbeitet wurde. Die experimentelle Erprobung mit einem Nd-YAG-Laser lieferte in Metall zwei kreisrunde Einschüsse oder für den Fall des Schweißens zwei Schweiß­ punkte mit derselben Qualität, wie sie bei zwei zeitlich nacheinander ausgeführten Schweißungen erreicht wird. Wenn in dem in Fig. 1 gezeigten System zusätzlich 6 durch zwei gegeneinander geneigte Teilplanflächen ersetzt wird, so ist bei 90°-Drehung der Trennlinie zwischen beiden Teil­ planflächen der Linse 5 gegen die Trennlinie zwischen den Teilplanflächen der Linse 9 eine Vervierfachung des Fokus­ punktes entsprechend den Eckpunkten eines Rechteckes mög­ lich. Sind die beiden Trennlinien gegeneinander nicht ver­ dreht, so kann man durch einen doppelt so großen Durchmes­ ser für die Linse 5 wie für die Linse 9 und eine entsprechend großen Abstand beider Linsen voneinander er­ reichen, daß sich beide Parallelbündel, die dann von 5 aus­ gehen, auf 9 genau überlappen. Dann sind in der Fokalebene 4 Punkte entlang einer Geraden möglich.

In Fig. 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem eine Strahlumlenkung um 90° mit entsprechender Spiegelgestaltung zu einer Verdreifachung des Fokuspunktes führt. Dabei trifft der kollimierte Nd-YAG-Laserstrahl 19 auf den Spiegel 20, der in die drei Teilplanflächen 21, 22 und 23 unterteilt ist. Bei Reflexion entstehen die drei kollimierten Teilbündel 24, 25 und 26, die durch die Linse 27 mit der sphärischen Konvexfläche 28 und der Planfläche 29 in die drei konvergierenden Teilbündel 30, 31 und 32 umgeformt werden, die dann ihrerseits auf dem Werkstück 33 die drei Brennpunkte 34, 35 und 36 erzeugen. Wir gehen aus von einem kollimierten Laserstrahl mit kreisförmigen Querschnitt von 16 mm Durchmesser. Die Trennlinien zwischen den Teilplanflächen 21 und 22 sowie zwischen 22 und 23 liegen senkrecht zur Zeichenebene und die Ausdehnung der Teilplanflächen entlang der Zeichenebene als Symmetrieebene des Systems ist für die Teilplanebene 21 gleich 8,9 mm, für die Teilplanebene 22 gleich 4,8 mm und für die Teilplanebene 23 gleich 8,9 mm. Dabei ist der spitze Winkel zwischen den Teilplanflächen 21 und 22 gleich 1,5° und der spitze Winkel zwischen den Teilplanflächen 22 und 23 ebenfalls 1,5°. Die vom Laser kommende Strahlung 19 fällt auf die Teilplanebene 22 unter einem Winkel von 45° ein. Dann erhalten alle drei Fokalpunkte die gleiche Belichtungsenergie. Der Scheitel der Linsenfläche 28 befindet sich vom Zentrum der Spiegelteilplanfläche 22 20 mm entfernt. Der Krümmungsradius der sphärischen Konvexfläche 28 ist 40 mm, die Dicke der Linse 27 5 mm, ihr Durchmesser 20 mm und das Linsenmaterial BK7. Dann ist das Werkstück 33 von der Planfläche 29 der Linse 10 79 mm entfernt und die drei Fokuspunkte 34,35 und 36 liegen mit dem jeweiligen Abstand von 4 mm äquidistant auf einer Geraden.

Claims (5)

1. Strahlaufspaltungs- und Fokussierungsoptik, bestehend aus einer räumlichen Anordnung von brechenden, beugenden und/oder reflektierenden optischen Elemen­ ten, gekennzeichnet dadurch, daß eine oder mehrere der optisch wirksamen Flächen der Strahlaufspaltungs- und Fokussierungsoptik aus jeweils einander nicht überschneidenden Teilflächen (11, 12, 21, 22, 23) bestehen, deren die Strahlablenkung an der Fläche bestimmenden Parameter, wie z. B. Oberflächen­ krümmung und Normalenrichtung bei reflektierenden oder brechenden Flächen oder Linienzahldichte, Linienorien­ tierung, Krümmung oder Normalenvektor bei beugenden Flächen, von einer Teilfläche (11, 12, 21, 22, 23) zur benachbarten Teilfläche (11, 12, 21, 22, 23) sich unstetig verhalten.

2. Strahlaufspaltungs- und Fokussierungsoptik nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Teil­ flächen (11, 12, 21, 22, 23) unterschiedlich gekrümmt sind.

3. Strahlaufspaltungs- und Fokussierungsoptik nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Teil­ flächen (11, 12, 21, 22, 23) Planflächen mit in unter­ schiedliche Richtungen zeigenden Normalvektoren sind.

4. Strahlaufspaltungs- und Fokussierungsoptik nach An­ spruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer üblichen Plankonvexlinse (9) auf die Planfläche Teil­ flächen (11, 12) unterschiedlicher Neigung ange­ schliffen sind.

5. Strahlaufspaltungs- und Fokussierungsoptik nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plankonvex­ linse (9) in einem System verwendet wird.