DE7026867U - Laser-anordnung zur erzeugung eines laserstrahlenbuendels bestimmter struktur. - Google Patents

Description

Laser-Anordnung zur Erzeugung eines Laseretrahlenbündels beetimmter Struktur

Prioritätι 15. August 1969; U.S.A.; ITr. 850 514

Die Erfindung bezieht sich auf eine bündeiförmige Laser» anordnung zur Erzeugung von Punktschweißstellen in bestimmter Gruppierung.

Um eine ausreichende Strahlungsenergiedichte zum Punktschweißen zu erhalten, ist eine Strahlungsquelle hoher Energie erforderlich; durch die Entwicklung von Laseranordnungen sind derartige Strahlungsquelleη verfügbar·

Übliche Laseranordnungen, die eine ausreichende Energiedichte für Zwecke der Metallverarbeitung oder für andere Zwecke erzeugen, arbeiten im allgemeinen mit Schwingungen vielfacher Schwingungsmodi, und die Abmessungen der Besonanzhohlräume sind groß im Vergleich zu der Wellenlänge der emittierten Strahlung. Die Ausgangsstrahlenbündel

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derartiger Anordnungen, können daher nioht auf einen derartig kleinen Pleok fokusievt werden, wie das für mikroskopisches Punktsohwelflen oder für medizinische Anwendungen «rf order Höh wäre· Ferner ist man bei den zur Zelt benutzten LaseffsohweiS» systemen auf das duroh die Laseretruktur jeweils gegebene Huster beschränkt· Die Entwicklung von bUndelfurmigen Lasersystemen, bei denen eine Anzahl von Stäben geringen Durohmessers In einem einzigen Laserhohlraum zur Anwendung kommt, hat teilweise zur Oberwindung dieser Schwierigkeiten beigetragen, da sich die Möglichkeit eröffnete· verschiedene Ausgangsmuster duroh Entfernung eines oder- r mehrerer Elemente des Systems zu erzeugen· Jedoch, hat sich auch bei einem derartigen bundeiförmigen Lasersystem ergeben, daß es nioht möglich ist, solche Ausgangs·» muster zu wählen, die einen Austritt von Strahlungsenergie in den Zwischenräumen zwischen den Laser-θlementen erfordern warden·

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung 1st es, eine Laseranordnung vorzusehen» die ein mikroskopisches Vielpunktschweifien gestattet» und die bezüglich der erzeugten Muster variabel ist· Dabei soll eine de -artige Anordnung eise Strahlungsenergiedichte err. ugen, die zum SdureiSen von Metallen oder zum Sehweiden der abgeästen Setzhaut eines Auges geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine bündeiförmige Lasereinneit mit einzelnen Laserstäben, von denen jeder eine Ausgangsstirnflächa aufweist, deren Hormale mit der Hauptachse des Stabes nicht eo-linear ist. Dabei ist jeder Stab drehbar

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und/oder versetzbar. In der Nähe des Auegangsendee jede« Stabes können optische Mittel vorgesehen werden, us das Sfahfelu das von der uündeiförmigen Laeeranordnung erzeugten AusgangBxnueters mit der gewünschten Vergrößerung auf das Werkstück abzubilden* Veränderungen des Husters können duroh Umordnung der einzelnen Stäbe oder durch Drehung der Stäbe herbeigeführt werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird ein optisches System zur Abbildung des Feinfeldes der schrägen Ausgangsenden der in dem Bündel angeordneten Stäbe auf eine zu schweißende Auffangfläche vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform wird die Richtung des emittierten Laserbündels durch Drehung der einzelnen Stäbe geändert, wodurch die Position der entsprechenden Flecken auf der Auffangfläche geändert wird. Auch die Größe der Flecken auf der Auffangfläche kann geändert werden, und zwar durch Änderung der Divergenz der einzelnen Strahlenbündel, indem die Länge oder die Bndreflektivität der einzelnen Stäbe in bestimmter Welse gewählt wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch an Hand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den belllegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigent

Figur 1 eine seitliche schematische Darstellung einer zum Schweißen geeigneten bündeiförmigen Laser» anordnung mit Uahfeld-Abbildung gemäß der vorliegenden Erfindung j

Figur 2 einen Schnitt durch die Anordnung von Figur 1 entlang der Linie 2-2 von Figur 1, wobei Einzelheiten der Gruppierung der Auegangsenden der einzelnen Stäbe gezeigt werden;

Figur 2A ist eine Stirnansicht des Resonanzhohlraums,

wobei die gezeigte Konstruktion eine Positionsänderung einzelner Stäbe gestattet;

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Figur 3 ist ein Schnitt durch die Anordnung von Figur 1 entlang der Linie 3-3 von Figur 1, wobei Einzelheiten des Bildes auf der AuffangflMnhe von Figur 1 gezeigt werdenί

Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform eines in der Anordnung von Figur 1 verwendbaren Laserstabes;

Figur 5 ist eine seitliche schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen bundeiförmigen Laseranordnung mit Fernfeldabbildung}

Figur 6 ist ein Schnitt durch die Anordnung von Figur 5 ν ntlang der Linie 6-6, wobei Einzelheiten der Gruppierung der Ausgangsenden der einzelnen Stäbe gezeigt werden; und

Figur 7 ist ein Schnitt durch die Anordnung von Figur 5 entlang der Linie 7-7, wobei das von de? Laeeretabgruppe durch Fernfeld-AbuilduBg auf der Auffangfläche erzeugte Bild gezeigt wird.

In 'den Figuren 1-3 wird eine bündelf«5rmige Laseranordnung 10 gezeigt, die einzelne Laserstäbe, 12, 14« 16» 18 in einem geeigneten Laserhohlraum 20 enthält, welcher mit einer üblichen Entladungsröhre, mit geeigneter Elektronik, mit üblichen Endreflektoren und mit anderen bei Lasern üblichen Bauteilen versehen ist, wobei diese Bauteile aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht gezeigt werden. Wie man sieht, verlaufen die Ausgangsenden 12a, 14a, 16a und 18a der einzelnen Stäbe des Bündels schräg zu den Hauptachsen der Stäbe. In einer Entfernung S-, von dem Ausgangsende der Stäbe befindet sich eine geeignete Linse 22 mit einer Brennweite f» Die Linse dient dazu, das Nahfeld des Laserausgangs an den Ausgangsenden der Stäbe auf eine Auffangfläche 24 abzubilden, die sich in einer Entfernung S₂ von der Linse 22 befindet. Auf die Auffangfläche in der Bildebene der

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Linse werden daher die BIl-*er 12·, 14Λ 16·, Ϊ8¹ der Stabausgänge gewori :^a_t

Natürlich können verschiedene Gruppierung en ein Bündel bildender Laserstäbe verwendet werden, je nachdem, ob ein Schweißvorgang auf dem Gebiet der Medizin, der Metallverarbeitung oder auf einem anderen Anwendungsgebiet durchgeführt werden soll· Bei einem bestimmten vorgegebenen Problem oder Satz von Problemen auf dem Gebiete der Schweißtechnik kenn im Rahmen der Erfindung eine variable Gruppierung von Stabbündeln vorgesehen werden. Variationen im Bild des Stabbündelausganges werden durch änderung der Position der einzelnen Stäbe durchgeführt, wobei z. B. die In Figur 2A gezeigte Ausgangsfläche 26 dee Reeonanzhohlraume Verwendung finden kann. Bei einer derartigen Anordnung werden die Stäbe 23, 30, 32, 34 mit geeigneten Keilen oder ähnlichem versehen, um einen oder mehrere der Stäbe in seiner Lage verändern zu können und dadurch eine Variation der Schweißflecken auf der Auffangfläohe zu bewirken. Die folgende Gleichung stellt die aus derartigen Positionsänderungen sich ergebende Verkleinerung oder Vergrößerung dar:

wobei 1 = 1 + 1 , d * der Durchmesser des Fleckens

auf der Auffangfläche und D « der Durohmesser des Fleckens am Ausgang der Stäbe ist·

Bei dem oben beschriebenen Nahfeldeystem können Änderungen des erzeugten Bildmuster« auch, durch ein in den Lichtweg gebrachtes astigmatischee optisches System erzeugt werden

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(Differenz der Brechkräfte in zwei verschiedenen Ebenen der Linse)·

Eine andere erfindungsgemäße Aus führ lUo, *or-ai Nahfeldabbildung ist in Figur 4 ge^^t* »ov ^! aur ein teilweiser Querschnitt des Aaagai.^'^uiöss der* Laserstabes gezeigt ist« In dieser Figur »ro ist ein Laserstab 37t der entweder unbeschichtet »der mit einer Ummantelung 39 umgeben sein kann, ein gebogenes Ende 33 und eine Ausgangsfläche 35 auf, die senkrecht zur Hauptachse des Stabes 37 verläuft· Eine Positionsänderung der Bilder auf der Auffangfläche 24 von Figur 1 wurde dann durch Drehung der einzelnen Stäbe erreidt werden, von denen jeder in der^1JFigur 4 gezeigten Weise ausgebildet ist· Die Ummantelung 39 besteht aus einem Material, das einen geringeren Brechungsindex als das Material des Stabes 37 aufweist, um mitzuwirken, daß der Stab das Laserlicht, während dieses durch die Form des Stabes abgebogen wird, durch den sogenannten Gasfasereffekt in seinem Inneren hält· Gemäß einer weiteren Ausfüiirungsforci kann eine zu der Hauptachse des Stabes 37 schräge Endfläche 35 vorgesehen werden, wobei der Stab ebenfalls ein gebogenes Ende aufweist. Diese Ausführungsformen sind auch bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Fernfeldabbildungen anwendbar*

Eine andere zum Schweißen verwendbare bündeiförmige Laseranordnung, bei der eine Fernfeldabbildung vorgenommen wird, wird in den Figuren 5-7 gezeigten denen eine bündelföriaige Anordnung 40 mit einer Anzahl von Laserstäben 42, 44» 46, 48 gezeigt wird. Vie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit Nahfeldabbildung sind die einzelnen Stäbe mit schrägen Stirnflächen versehen, und mit Hilfe der Linse 50, die sich

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,_ einer Entfernung S von den Ausgangsflachen der Stäbe efindet. wird eine Fernfeldabbildung des Ausgang si^ignals dieser Stäbe an ihren Ausgangsflächen durchgeführt. Die Auffangflache 52 ist in der Brennebene der Linse 50 in'einer Entfernung f· von der Linse aus angeordnet. IUt diesem optischen System wird das Fernfeld auf der Auffangfläche 52 abgebildet, d. h. es findet eine Übertragung des Ausfallwinkels des Lichtes aus den Stäben statt, wobei die Praition der einseinen Flecken 42 ·, 44*, 46», 48· auf der Auffangfläche nach der folgenden Gleichung bestimmt ist, wenn die Entfernung zwischen den Bildflecken A beträgt und der Winkel zwischen den Stabachsen und den Achsen der ausgehenden Lichtbündel mit © bezeichnet wird:

Sie Größe der Flecken wird durch Änderung der 0 des Lichtbündels variiert· Diese Änderung der Fleckengröße wird durch eine 'Änderung der Gesamtlänge der einzelnen Stäbe oder durch entsprechende Wahl der Reflektivität an den Endflächen der einzelnen Stäbe erreicht. Wie man sieht, wird daher die Größe der Ausgangsflecken 42, 44 % 46, 48 bei der Anordnung von Figur 6 bei der übertragung in die Flecken 42·, 44'» 46', 43* aufder Auffangfläche der Anordnung von Figur 7 eine 'Änderung erfährt» Ferner kann die Entfernung zwischen Flecken B der Anordnung von Figur 6 in eine Entfernung A der Attffangfläche von Figur abgebildet werden·

Eine sum Schweißen geeignete Laseranordnung gemäß den oben beschriebenen Beispielen kann bei verschiedenen Sohweifivorgängen sowohl auf dem Gebiet der Metallverarbeitung

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ale auch auf medizinischem Gebiet sowohl zum Bearbeiten von Mater it"_ als auch zum Schneiden verwendet werden. Eine vorbestimmte Vielzahl von Bildflecken auf dem Werkstück (Auffangfläche) wird dadurch vorgesehen, daß das llshfeld auf das Werkstück mit der gewünschten Vergrößerung abgebildet wird, wobei durch Umordnung der einzelnen Stäbe des Bündels oder durch Zwischenschaltung einzelner optischer Elemente zwischen die Stabenden und das Werkstück verschiedene Huster erhältlich sind. Auch durch Abbildung des Fernfeldes auf das Werkstück mit einer Vergrößerung, die durch Wahl der jeweiligen Strahlenbündeldivergenz variiert werden kann, wobei dies Position eines Fleckens durch Drehung der einzelnen Stäbe eingeteilt wird, können diese technischen Möglichkeiten erreicht werden. Bei allen Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Stabelemente mit einer Sndflache versehen, deren Normale nicht co-linear mit der Hauptachse des Stabes ist, damit der angestrebte Erfolg erreicht wird·

Andere Variationen der oben beschriebener» Ausfü*irungsbeispiele bestehen darin, daß Stäbe mit gebogenen Enden vorgesehen we 'den oder daß variierende längen der einzelnen das Stabbündel von Figur 5 bildenden Stäbe vorgesehen werden. Indem man übliche Mittel vorsieht, um diese verschiedenen Längen austauschbar zu machen, kann die Divergenz der von den einzelnen Stäben ausgehenden Strahlenbündel und damit die Größe der Flecken auf der Auffangfläche 52 geändert werden. Außer der Änderung der Stablänge können auch verschiedene Endreflektlvitäten für die Stäbe vorgesehen werden, um die Divergenz und damit die Fleckgröße

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zu variieren.

Die bündeiförmige Laseranordnung kann entweder ein Verstärker oder ein Oszillator sein. Bei der Ausführungsform als Verstärker würde ein gesonderter Laseroszillator die Energie erzeugen» und die Notwendigkeit, einzelne Ausgangespiegel für die Stäbe des Bündels vorzusehen, würde entfallen.

Schutzansprüche:

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Claims (9)

J. f. HaGEN W. aALKOFF MC:;CHiN 71 (Solln) Fratv£ Hals-Straße 21 TeL (08 '·■ 213/795431 A ' ■ 729a München, den 30- .Juli 1973 Dr.H./HM Aktenzeichen G 70 268 67.6 American Optical Corp. Schutzansprüche

1. Laseranordnung zur Erzeugung einer Laserstrahleribündels hoher Intensität, das in einem vorbestimmten Muster auf ein Werkstück auffallen soll, gekennzeichnet durch eine bündeiförmige Lasereinheit (10; 40) mit einzelnen Laserstäben (12, 14·, 16; 42, 44, 46), von denen jeder eine Ausgangsstirnfläche (12a, 14a, 16a; 35; 42, 44, 46) aufweist, deren Normale mit der Hauptachse des Stabes nicht co-linear ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gek^nn-r zeichnet, daß jeder einzelne Stab eine Ausgangsstirnfläche (12a, 14a, 16a; 42, 44, 46, 48) aufweist, die schräg zur Hauptachse des Stabes verläuft.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Teil des Stabes in der Nähe seiner Stirnfläche eine mit der Hauptachse des Stabes einen Winkel bildende Achse aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stab eine zur Hauptachse des Stabes senkrecht verlaufende Stirnfläche (35) aufweist und ein kleiner Teil des Stabes in der Nähe seiner Ausgangsstirnfläche eine mit der Hauptachse einen Winkel bildende Achse aufweist.

Bayerisdie Vereinsbank MUndien 823 101

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5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß sich eine Linse (22; 50) zwischen dem
Werkstück (24; 52) und den Laserstäben befindet.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein astigmatisch optisches System zwischen dem Werkstück und den Laserstäben befindet.

7· Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Linse (50) in einem der Brennweite der Linse gleichen Abstand (f) von dem Werkstück (52)
befindet.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (12, 14, 16; 42, 44, 46)
einzeln drehbar sind.

9. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (12, 14, 16; 42, 44, 46)
hinsichtlich ihrer Länge und ihrer Endreflektivitä+ einzeln
einstellbar sind.

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