WO2008155241A2

WO2008155241A2 - Vorrichtung zum bearbeiten eines werkstücks mittels eines laserstrahls

Info

Publication number: WO2008155241A2
Application number: PCT/EP2008/057052
Authority: WO
Inventors: Steffen Walter
Original assignee: Scansonic Gmbh
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2008-12-24
Also published as: DE102007028504A1; WO2008155241A3; DE102007028504B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, umfassend ein Optikgehäuse (1), eine daran angebrachte Aufnahme (2) zur Ankopplung einer Laserstrahlung übertragenden Lichtleitfaser, einen Kollimationsspiegel (3) und einen Fokussierspiegel (4). Erfindungsgemäß weisen der Kollimationsspiegel und der Fokussierspiegel jeweils eine Spiegelfläche in Form eines Off-Axis-Parabolids auf. Der Mittelpunkt der Endfläche (7) der Lichtleitfaser liegt dabei auf oder in der Nähe des Brennpunktes des Kollimationsspiegels (3). Dementsprechend fokussiert der Fokussierspiegel den Laserstrahl (5) auf oder in die Nähe des Brennpunktes des Fokussierspiegels (4). Vorzugsweise ist der Fokussierspiegel so angeordnet,dass in einer Spiegelsymmetrieebene des Kollimationsspiegels liegende Einzelstrahlen des auf den Kollimationsspiegel einfallenden Laserstrahlengangs in einer Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels liegen und die von der Rotationssymmetrieachse (10) des Kollimationsspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a..8e) der Einzelstrahlen am Kollimationsspiegel mit der von der Rotationssymmetrieachse (11) des Fokussierspiegels aus gezählten Reihenfolgeder Auftreffpunkte (8a..8e) der Einzelstrahlenam Fokussierspiegel übereinstimmt.

Description

Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die erreichbare mittlere Laserieistung und die Strahlqualität der verfügbaren Laserstrahlquellen steigt mit ihrem zunehmen Entwicklungsstand. Dies ergibt neue Anforderungen an die Bearbeitungsoptiken.

Zum einen ist die Zerstörschwelle der optischen Komponenten ein Problem, weiche oft durch einsatzbedingte Kontamination der Oberflächen noch herabgesetzt ist. Zum Anderen bewirken laserinduzierte thermische Einflüsse eine Veränderung des Laserfokus in Form und Lage. Dabei ist insbesondere die Abhängigkeit des Brechungsindexes aller transparenten Materialien von der Temperatur und der thermische Ausdehnungskoeffizient von Bedeutung. Diese Einflüsse sind beispielhaft beschrieben in: RJ. Tangeider, L.H.J.F. Beckmann, J. Meijer: "fnfiuence of Temperature Gradients on the Performance of ZnSe-Lenses", EOS/SPIE Conference on Lens and Optica! Systems Design, Berlin, 14.-18. September 1992, SPIE Proceedings vol. 1780.

Die Anforderungen an Bearbeitungsoptiken infolge hoher Laserleistung wurden im Zusammenhang mit der steigenden Leistung von CO₂-Lasern dadurch erfüllt, dass transmittierende Elemente wie z.B. ZnSe-Linsen durch gekühlte und beschichtete Kupfer-Spiegel ersetzt wurden. Diese sind robust, relativ unempfindlich gegen Verschmutzung und gut reinigbar. Da die Strahlleitung bei CO₂-Lasern im Freistrahl und die notwendigen Ablenkungen gegebenenfalls mittels ebener Spiegel erfolgt, steht am Optikeingang ein nahezu paralleler Laserstahl zur Verfügung. Fokussiert wird mit einem oder mehreren sphärischen Spiegeln, je nach Anforderung an den Fokus oder mitteis anderer asphärischer Flächen. Die gegenüber CO₂-Lasern kürzere Wellenlänge der Festkörperlaser wie z.B. Nd:YAG-Laser und der Diodenlaser ermöglicht die Strahl Übertragung mittels Lichtleitfaser. Hierbei wird der Laserstrahl fokussiert, indem das Faserende abgebildet wird. Dazu wird der aus der Faser austretende divergente Laserstrahl meist zunächst kollimiert und anschließend wieder fokussiert, um eine möglichst große gute Kombinierbarkeit der optischen Komponenten zu erhalten, im Paraileistrahlabschnitt ist dann auch problemlos eine Umienkung, Strahlteilung oder Strahiauskoppiung zu Beobachtungs- oder Analysezwecken möglich. Für Laserstrahlformung bei fasergekoppelten Lasern, also die Abbildung der strahlenden Faserendflächen, war bisher die Verwendung von transmissiven Elementen üblich. Einzelanwendungen verwendeten auch metallische Spiegel,

Um die deutlich verbesserte Laserstrahlqualität und die damit verbundene gute Fokussierbarkeit zu erhalten, muss die Beeinflussung der Laserstrahlung durch die optischen Elemente möglichst gering gehalten werden. In Björn Wedel, Roman Niedrig: „Fokussierung von High-Brightness-Lasern", Laser Technik Journal, 5/2006, S. 47-51 , werden verschiedene Wege aufgezeigt, um die laserinduzierte thermische Beeinflussung zu reduzieren. Sm Wesentlichen werden dabei die Verringerung der Materialabsorption und der Anzahl optischer Elemente als bevorzugte Möglichkeiten aufgezeigt. Gleichzeitig sorgt eine verstärkte Kühlung der Linsen an Ihren Fassungen zur Abführung der größeren Verlustleistungen.

Die Verwendung von gekühlten Spiegeln in Bearbeitungsoptiken ist möglich und wird insbesondere bei CO₂-Laser-Bearbeitungsoptiken genutzt, in DE 20 2006 015 539 U1 werden beispielsweise wassergekühlte Umlenkspiegel für CO₂- und Festkörperlaser vorgeschlagen.

Da wegen der nach der Faser divergent austretenden Strahlung die Gesamtbrennweite der Bearbeitungsoptik bei fasergekoppelten Lasern kleiner sein muss, als bei typischen CO2-Optiken, die nur aus einem Parallelstrahl fokussieren müssen, ist die Auswirkung von optischen Fehlern entsprechend größer.

Die DE 10 2004 007 178 B4 offenbart einen Laserbearbeätungskopf, dessen Laserstrahleinlass von einer Lichtaustrittsfläche einer optischen Lichtleitfaser gebildet ist. Der Laserbearbeitungskopf enthält einen Koliimationsspieget und einen Fokussierspiegei. Der Kollimationsspiege! kollimiert den über die Lichtleitfaser eingekoppelten Laserstrahl und lenkt diesen auf den Fokussierspiegei um, welcher den Laserstrahl schließlich in den Arbeitsfokus fokussiert. Um eine zweidimensionale Scan- oder Abtastbewegung des Arbeitsfokus zu ermöglichen, ist sowohl der Koilimationsspiegel als auch der Fokussierspiegei jeweils um eine Drehachse drehbar, die mit einer jeweiligen optischen Achse des einfallenden Arbeitsstrahlengangs koaxial ist, wobei der Fokussierspiege! bei einer Drehung des Koilimationsspiegels um seine Drehachse eine Schwenkbewegung um diese Drehachse, d.h. die Drehachse des Kollϊmationsspiegeis ausführt. Bei einer Realisierung dieser Anordnung werden wegen der geringen Anzahl von Spiegeleiementen und den großen Ablenkwinkeln aus optischen Gründen die Abbildungsqualität nur sehr gering und die erzielbaren Foki stark asymmetrisch sein.

Eine weiteres Anordnungsprinzip für einen Bearbeitungskopf offenbart die DE 102 30 960 A1. Ein Ellipsoid- und ein Paraboloid-Spiegel werden so angeordnet, dass Ihre Rotationssymmetrieachsen parallel, insbesondere kollinear, verlaufen. Die Anordnung arbeitet jedoch nur mit einem Parallelstrahl an ihrem Eingang. Weiterhin sind diese Spiegel nur paarweise zu betreiben. Eine Variation der Brennweite durch Austausch eines der Spiegel gegen einen Spiegel einer anderen Form ist nicht bzw. nur mit Einschränkungen in der Abbildungsgüte möglich.

Neben der systembedingten Fokusverlagerung, infolge materialspezifischer Absorption und temperaturabhängigem Brechungsindex der transmissiven optischen Elemente von Bearbeätungsoptiken, verursacht besonders die Langzeitdrift der Fokusiage oftmals Qualitätseinschränkungen in Laserbearbeitungsprozessen. Diese resultieren in der Praxis aus langsam kumulierter Kontamination der optischen Oberflächen zum Beispiel auf der Seite der Fasereinkopplung, durch das Faserstecken in der Industrieumgebung oder auf der Prozessseite durch den Bearbeitungsprozess selbst. Selbst unter besten Schutzvorkehrungen führen auf Dauer Schmauch und Partikel zu einer Verschmutzung, welche zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung eines oder mehrerer optischer Elemente führt, was infolge der Materialeigenschaften der transmittierenden Elemente, also beispielsweise auch der Schutzgläser, in einer Fokusdrift resultiert. Die verwendeten Schutzgiäser müssen regelmäßig gewechselt werden, was zu hohen Betriebskosten führt. Spiegeloptiken können dagegen, wie in der Praxis angewendet, ohne Schutzgfas betrieben werden.

Eine Kühlung der Linsen an ihrem Rand führt zwar die bei größeren Laserleistungen erhöhte Verlustleistungen ab, erhöht aber gleichzeitig den Temperatur- und damit den radialen Brechungsindexgradienten, was die Fokusdrift dann bei zunehmender Verschmutzung weiter verschlimmert.

Weiterhin führen transmissive optische Elemente zu Dispersion, da der Brechungsändex der verwendeten Materialien wellenlängenabhängig ist. Durch Auswahl passender optischer Gläser ließen sich diese Auswirkungen theoretisch kompensieren, praktisch sind derartige Gläser aufgrund ihrer Restabsorption, ihrer Wärmeausdehnung oder ihres Temperaturgangs nicht geeignet für die Verwendung bei Laserleistung von mehreren Kitowatt, Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Hochleistungsdiodenlasern, die auf Grund Ihrer Farbkopplung zur Leistungs- skaiierung mehrere Weilenlängen enthalten, die bis zu ca. 100 nm von einander abweichen. Spiegel hingegen weisen keine Dispersion auf.

Metallspiegel mit integrierter Kühlung besitzen auch einen Temperaturgang infolge thermischer Ausdehnung. Dieser ist in der Auswirkung auf die Laserstrahlung im Vergleich zu Linsen deutlich kleiner. Andererseits bieten Spiegelsysteme weniger Freiheitsgrade zur Korrektur von optischen Fehlern. Für die Materiaibearbeitung geeignete optische Abbildungssysteme mit sphärischen Spiegeln sind deshalb für eine sehr gute Abbiidungsqualität aufwendig, oft ungünstig gefaltet, groß und beinhalten zum Teil erhebliche Restfehler für die typischen faserseitigen numerischen Aperturen von ca. 0,1 - 0,2. Diese Nachteile sollen durch die Erfindung vermieden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige, preiswerte Vorrichtung zu schaffen, die unabhängig von Laserieistung, Laserwelienlänge und Temperatur eine aus einer Lichtleitfaser austretende Laserstrahlung mit guter Abbildungsqualität für Materialbearbeitungszwecke fokussiert. Diese Aufgabe wird durch die die Merkmaie des Anspruchs 1 aufweisende Vorrichtung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls umfasst also ein Optikgehäuse, durch das hindurch ein Laserstrahlengang von einer Lichtleitfaseraufnahme zu einem Laserstrahlauslass geführt ist, eine an dem Optikgehäuse angebrachten Lichtieitfaseraufnahme zur Ankopplung einer Laserstrahlung übertragenden Lichtleitfaser, einen in dem Optikgehäuse angeordneten Kollimationsspiegel und einen in dem Optikgehäuse angeordneten Fokussierspiegel, wobei der Kollimationsspiegel den über eine Lichtleitfaser in das Optikgehäuse eingekoppeiten Laserstrahl auf den Fokussierspiegel lenkt. Erfindungsgemäß weisen der Kollimationsspiegel und der Fokussierspiegei jeweils eine Spiegelfläche in Form eines Off-Axis-Paraboüds auf. Die Lichtieitfaseraufnahme ist dabei derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass der Mittelpunkt der Endfläche der daran angekoppelten oder ankoppelbaren Lichtleitfaser auf oder in der Nähe des Brennpunktes des Kollimationsspäegels liegt, wobei der Mittelpunkt der Endfläche der Lichtleitfaser nicht weiter als 15 %, vorzugsweise nicht weiter als 5 % des zentralen Krümmungsradius des Kollimationsspiegels von dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels beabstandet ist. Dementsprechend fokussiert der Fokussierspiegel den Laserstrahl auf oder in die Nähe des Brennpunktes des Fokussierspäegels, wobei der Laserstrahifokus nicht weiter als 15 %, vorzugsweise nicht weiter als 5 % des zentralen Krümmungsradius des Fokussierspiegels von dem Brennpunkt des Fokussierspäegeis beabstandet ist. Anders ausgedrückt liegt der Brennpunkt des Kollämationsspiegeis bzw. Fokussierspiegels im Abstand des halben zentralen Krümmungsradius vom Scheitel einer den Off-Axis-Parabolid definierenden Parabel auf der Symmetrieachse des Paraboloäds.

Die Erfindung stellt somit eine zuverlässige, preiswert realisierbare Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels fasergekoppelter Laser hoher Leistung zur Verfügung, die unabhängig von der Laserleistung und Temperatur eine aus einer Lichtleitfaser austretende Laserstrahlung mit guter Abbildungsqualität für Materiaibearbeitungs- zwecke fokussiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zudem durch Variation der Brennwetten von Einzeleiementen eine Anpassung an die Erfordernisse des jeweiligen Bearbeitungsprozesses innerhalb eines modularen Systems.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussierspiegel bezüglich des einfallenden Laserstrahlengangs so angeordnet ist, dass in einer Spiegelsymmetrieebene des Koliimationsspiegels liegende Einzelstrahlen des auf den Koilimationsspiegel einfallenden Laserstrahiengangs in einer Spiegelsymmetrieebene des Fokussier- spiegels liegen und die von der Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Koliimationsspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte der Etnzelstrahlen am Koilimationsspiegel, beginnend mit dem zur Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Kollimationsspiegels nächstliegenden Auftreffpunkt, mit der von der Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Fokussierspiegels aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte der Einzelstrahlen am Fokussierspiegel, beginnend mit dem zur Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Fokussierspiegels nächstliegenden Auftreffpunkt, übereinstimmt.

Durch diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können optische Fehler des abbildenden Spiegelsystems vollständig oder nahezu vollständig kompensiert werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mindestens ein weiteres optisches Element zur Formung und/oder Ablenkung des Laserstrahls vor dem Koilimationsspiegel, nach dem Fokusεierspiegei oder zwischen diesen Spiegein angeordnet sein. Das weitere optische Element zur Formung und/oder Ablenkung des Laserstrahls kann dabei insbesondere als eine Linse zur Anpassung des Gesamtabbildungsverhältnisses, als ein deformierbarer, adaptiver Spiegel zur axialen Fokusverlagerung, als ein in mindestens einer Richtung translatorisch oder rotatorisch beweglicher Spiegel zur lateralen Fokusverlagerung oder als ein die Intensitätsverteilung des Laserspots beeinflussendes Element ausgebildet sein. Die Spiegel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vorzugsweise wassergekühlt. Eine Luftkühlung ist ebenfalϊs möglich. Die Umlenkwinkel an den Spiegeln betragen in der bevorzugten Ausführungsform 90 Grad, können jedoch auch davon abweichen. Grundsätzlich können die Umlenkwinke! im Bereich von 0 Grad bis 180 Grad, bei Spiegeln mit zentraler Bohrung oder streifendem Einfall, liegen. Mit dem Umlenkwinkel variiert bei gleicher zentraler Krümmung die Brennweite des Off-Axis- Paraboloids. Die Ausgestaltung der Vorrichtung mit Umlenkwinkeln von 90 Grad ermögücht jedoch die Verwendung prismatischer Optikgehäuse bzw. Gehäuseteile, was hinsichtlich einer Modulbauweise der Vorrichtung von Vorteil ist.

Der Mittelpunkt der Endfläche der Lichtleitfaser liegt vorzugsweise genau auf dem Brennpunkt des Koliimationsspiegels und die Fokusmitte auf dem Brennpunkt des Fokussierspiegels. Der aus der Lichtleitfaser austretende, divergente Laserstrahl trifft auf den Kollimationsspiegel, wird umgelenkt und paralleSisiert. Der in einem Abstand dazu angeordnete Fokussierspiegel lenkt den parallelisierten Laserstrahl um und sammelt diesen im Fokus. Der Fokussierspiegel kann dabei einen beliebigen Verdrehwinkel um die Achse des Laserstrahls zwischen den Spiegeln gegenüber dem Kollimationsspiegel aufweisen. Für feste Optiken ist die bevorzugte Orientierung der Spiegel zueinander so, dass die Strahlachse des Laserstrahls am Faseraustritt und die Strahiachse des vom Fokussierspiege! ausgehenden Laserstrahls parallel sind und die gleiche Strahlrichtung aufweisen. Theoretisch ist für ein axiales Bünde! bei dieser Anordnung der Paraboloidflächen eine immer ideale Abbildung gewährleistet. Bei der Abbildung eines ausgedehnten Faserendes verursachen dagegen Astigmatismus, Koma und Bildfeldneigung eine Vergrößerung des kleinsten Fokusdurchmessers und eine Verzerrung der Intensitätsverteüung in der Nähe des Fokus. Der Verdrehwinkel des Fokussierspiegels um die Achse des Laserstrahls zwischen den Spiegeln hat einen besonderen Einfluss auf die Abbildungsgüte der aus mindestens zwei Off-Axis-Paraboloid-Spiegeln bestehenden Laserbearbeitungsoptik. Durch Austausch mindestens eines der Paraboloide, vorzugsweise des Fokussierspiegels, gegen einen Spiegel anderer Brennweite, ist die Anpassung der Optik an die Bearbeitungsaufgabe leicht möglich. Die Auswirkungen der Abbildungsfehler variieren mit dem Abbiidungsverhältnis der Bearbeitungsoptik. Für viele Bearbeitungsaufgaben ist die Abbildungsgüte unabhängig von Verdrehwinkel und Abbildungsverhältnis ausreichend. Sind Eintritts- und Austrittsachse des Laserstrahls parallel und die Strahlrichtung entgegengerichtet, tritt ein Minimum der Fehler auf. Die Einzelfehler der Paraboloidflächen kompensieren sich gegenseitig. Für den Fall gleicher Brennweiten von Kollimations- und Fokussierspiegel erfolgt die Kompensation nahezu vollständig. Es ist eine beugungsbegrenzte Abbildung über das gesamte Feld, auch für Faserdurchmesser bis ca. 1 mm und numerische Aperturen (NA) von 0,25 möglich.

Die Anordnung der Spiegel, in der sich die Fehler aufheben, ist jedoch für die meisten Anwendungsfälle ungeeignet da Faserende und Fokus auf der gleichen Seite der Bearbeitungsoptik liegen und die Zugänglichkeit zum Werkstück eingeschränkt ist. Durch Hinzufügen mindestens eines weiteren Planspiegels kann die Kompensationswirkung auch für Anordnungen mit guter Zugänglichkeit realisiert werden. Dieser eine oder diese mehreren Planspiegel müssen mit ihren Umlenkrichtungen so angeordnet sein, dass die in der Spiegelsymmetrieebene des Koilimationsspiegels liegenden Strahlen des axialen Bündels am Fokussierspiegel ebenfalls in der Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels liegen und die von der Rotationssymmetrieachse des Koilimationsspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte der Strahlen des axialen Bündels auf dem Koilimationsspiegel mit der von der Rotationssymmetrieachse des Fokussierspiegels aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte am Fokussierspiegel übereinstimmt. Die Kompensation erfolgt ebenfalls für Umlenkwinkei ungleich 90 Grad, wenn die Umlenkwinkel der Paraboloide gleich groß sind.

Für den Betrieb in Industrieumgebung sind vorzugsweise eine Kühlung der Spiegel und gegebenenfalls weiterer Komponenten, sowie Schutzmaßnahmen wie Crossjet und/oder Optikspülung, z.B. durch saubere Luft vorgesehen. Beschichtungen der Spiegel ermöglichen ein leichtes Reinigen. Je nach Prozessbedingungen können deshalb auf Schutzgläser verzichtet und weitere thermische Einflüsse dadurch vermieden werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispieie darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch: Fig. 1 den Aufbau einer Laserbearbeitungsopiik mit zwei Paraboloidspiegefn in unkompensierter Anordnung mit jeweils 90 Grad Umlenkwinkel an den Paraboloidspiegβin;

Fig. 2 das Funktionsprinzip der Erfindung in einer einfachen Ausführungsform mit jeweils 90 Grad Umlenkwinkel an den Paraboioidspiegein;

Fig. 3 das Funktionsprinzip der Erfindung in einer wetteren Ausführungsform mit einem zusätzlichen Planspiegel, zur Korrektur der Orientierung der Paraboloid-Spiegei zueinander;

Fig. 4 das Funktionsprinzip der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform mit zwei zusätzlichen Planspiegel und einigen Ergänzungsbaugruppen;

Fig. 5 das Funktionsprinzip der Erfindung ausgehend von Fig. 3 mit

Kompensationsspiege! und zusätzlichem optischen Element in der Ausführung mit schwacher Linse nach dem Fokussierspiegei; und

Fig. 6 das Funktionsprinzip der Erfindung ausgehend von Fig. 4 wobei der Planspiegel durch einen deformierbaren Spiegel ersetzt ist.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer Laserbearbeitungsoptik mit zwei Paraboioidspiegein zur Abbildung einer Endfläche 7 einer Lichtleitfaser in eine Fokusebene 6 gezeigt. Ein Optikgehäuse 1 enthält fest damit verbundene Spiegel 3 und 4 und eine Lichtleitfaseraufnahme 2 zur Ankopplung einer Laserstrahiung übertragenden Lichtleitfaser. Der Spiegel 3 wirkt als Kollimationsspiegei, während der Spiegel 4 ais Fokussierspiegei dient. Der Kollimationsspiegei 3 parallelisiert den aus der Faserendfläche 7 austretenden Laserstrahl. Im dargestellten Beispiel betragen die Umlenkwinkel 9 beide 90 Grad. Der zum Kollimattonsspiegel 3 entsprechend der Darstellung in Fig. 1 beabstandete Fokussierspiegei 4 sammelt den Laserstrahl im Laser-Fokus. Kollimationsspiegei 3 und Fokussierspiegei 4 sind als Off-Axis- Paraboloide ausgebildet. Die jeweilige Rotationssymmetrieachse der rotierten Parabel 12 der Spiegelflächen ist zur Verdeutlichung der Spiegelform eingezeichnet. Die Ebenen, in denen die Parabeln 12 sowohl für den Koliimationsspiegei 3 als auch für den Fokussierspiegβi 4 gezeichnet sind, beschreiben die Ebenen, in denen eine Spiegeisymmetrie der Off-Axis-Paraboloide vorliegt, idealer Weise befinden sich der Mittelpunkt der Endfläche 7 der Lichtleitfaser auf der Rotationssymmetrieachse 10 und dem Brennpunkt des Kolümationsspiegels 3 und der Mittelpunkt der Fokusebene 6 auf der Rotationssymmetrieachse 11 und dem Brennpunkt des Fokussierspiegels 4. Die Abbildung des axialen Punktes der Faserendfläche in die Bildebene erfolgt durch die Verwendung von Off-Axis-Paraboloiden in der Anordnung nach Fig. 1 geometrisch ideal. Die Abbildung des axialen Punkts ist beugungsbegrenzt. Eine Nachrechnung ergibt, dass jedoch als Abbildungsfehler für die Feldpunkte am Rand der Faserendfläche auch schon bei Faserdurchmessern von 100 μm und faserseitiger numerischer Apertur (NA) von nur 0,1 keine beugungsbegrenzte Abbildung mehr vorliegt Bei 200 μm und numerischer Apertur von 0,15 liegen nichtvernachlässigbar Astigmatismus, Koma und Bäldfeldneigung vor. Das heißt, die Abbildung des Faserrandes ist unscharf und die Fokusebene/Bildebene 6 liegt in einem Winkel zur Strahlachse. Bei dieser Anordnung der Spiegel tritt außerdem, je nach NA, ein (eicht asymmetrischer Strahlkegei aus der Bearbeitungsoptäk aus, was eine orientierungsunabhängige Materialbearbeitung stören kann.

Bei der Anordnung der Spiegel 3 und 4 nach Fig. 1 ist die Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a..8e) der Strahlen des axialen Bündeis auf den Koliämationsspiegel 3, von der Rotationssymmetrieachse 10 des Kolümationsspiegels 3 aus gezählt, nicht übereinstimmend mit der Reihenfolge der Auftreffpunkte auf dem Fokussierspiegel 4, von der Rotationssymmetrieachse 1 1 des Fokussierspiegeis 4 aus gezählt. Die optischen Fehler der Spiegel 3 und 4 werden nicht kompensiert. Häufig ist diese Abbildungsquaiität jedoch ausreichend. Bei relativ geringen Anforderungen an die Abbildungsquaiität ist mit dieser Anordnung gegebenenfalls eine thermisch stabile, robuste Bearbeitungsoptik aus modularen Komponenten aufbaubar.

Fig. 2 zeigt eine erste, relativ einfache Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Paraboloäd-Spiegei derart angeordnet sind, dass optische Fehler der Spiegel kompensiert werden. Die Vorrichtung besteht aus den Komponenten Optikgehäuse 1 , Lichtleitfaseraufnahme 2 und im Optikgehäuse 1 befestigten Spiegeln 3 und 4. Dabei dient ein erster Spiegel mit der Form eines Off-Axis- Paraboloids als Kollimationsspiegel 3 zur Kollimation der Laserstrahlung und ein zweiter Spiegel mit der Form eines Off-Axis-Paraboloids als Fokussierspiegel 4 zur Fokussierung des Laserstrah ϊs. Der Mittelpunkt der Endfläche 7 der Lichtleitfaser liegt auf der Rotationssymmetrieachse 10 und dem Brennpunkt des Kollimations- spiegeis 3, so dass sich ein UmlenkwinkeS 9 am Kollimationsspiegei 3 von 90 Grad ergibt. Die aus der Lichtleitfaser an der Faserendfiäche 7 austretende Laserstrahlung wird dadurch in eine der Rotationssymmetrieachse des KoHimationsspiegels 10 paralieien Richtung abgelenkt und kollimiert. Dieser so kollirnierte Laserstrahl trifft wiederum in einem Abstand den Fokussierspiegel 4 so, dass der Umlenkwinkel 9 am Fokussierspiegel 4 ebenfalls 90 Grad beträgt und der Laserstrahl derart fokussiert wird, dass der Mittelpunkt der Fokusebene auf der Rotationssymmetrieachse und dem Brennpunkt des Fokussierspiegels 4 liegt. Idealer Weise befinden sich der Mittelpunkt der Faserendfläche 7 auf der Rotationssymmetrieachse 10 und im Brennpunkt des KoHimationsspiegels 3 und der Mittelpunkt der Fokusebene 6 auf der Rotationssymmeträeachse 11 und im Brennpunkt des Fokussierspiegels 4. Die Strahiπchtung des Laserstrahls an der Faserendfläche 7 und am Fokus sind entgegengesetzt. Durch Variation des Winkels der Rotationssymmetrieachse 10 des KoHimationsspiegels 3 zur optischen Achse der Faserendfläche 7 bzw. des Winkels der Rotationssymmetrieachse 11 des Fokussierspiegels 4 zur optischen Achse der Fokusebene 6 sind auch abweichende Umlenkwinkel 9 einstellbar.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 ist der Fokussierspiegel 4 bezüglich des einfallenden Strahls so angeordnet, dass die in der Spiegeisymmetrieebene des Kollimationsspiegeis 3 verlaufenden Strahlen des axialen Bündels 8 auch in der Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels 4 liegen und die von der Rotationssymmetrieachse 10 des KoHimationsspiegels 3 aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen auf der konkaven Spiegelfläche des KoHimationsspiegels 3 mit der von der Rotationssymmetrieachse 11 des Fokussierspiegels 4 aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen auf der konkaven Spiegelfläche des Fokussierspiegels 4 übereinstimmt. Weiterhin sind in dieser vorteilhaften Ausführungsform die Brennweiten der beiden Spiegel 3 und 4 und deren Umlenkwinkel 9 gleich. Die gleiche Reihenfolge der Auftreffpunkte, die gleiche Brennweite und die gleichen Umlenkwinkel sind Bedingung für die vollständige oder nahezu vollständige Kompensation der optischen Fehler der Paraboloidfiächen. Wird eine Verminderung der Abbildungsquaiität toleriert, können bei einer oder mehreren dieser Bedingungen Abstriche gemacht werden. Die korrekte Reihenfolge wirkt auch bei ungleichen Brennweiten und ungleichen Umlenkwinkeln kompensierend, so dass die richtige Reihenfolge der Auftreffpunkte und damit die richtige Orientierung der Parabolidspiegel zueinander eingehalten werden sollte.

Fig. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gegenüber Fig. 2 führt die Hinzufügung eines Planspiegels 13 zu einer verbesserten Zugänglichkeit des Bearbeitungskopfes zum Werkstück. Die erfindungsgemäße Reihenfolge und Lage der Auftreffpunkte auf den betreffenden Spiegeln bezüglich der Rotationssymmetrieachse und Strahlachse ist auch in dieser Ausführungsform gegeben. Auch hier ist der Fokussierspiegel 4 bezüglich des einfallenden Strahls so angeordnet, dass die in der Spiegelsymmetrieebene des Koilimationsspiegels 3 verlaufenden Strahlen des axialen Bündeis 8 auch in der Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels 4 liegen und die von der Rotationssymmetrieachse 10 des Koliimationsspiegels 3 aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen am Koilimationsspiegel 3 mit der von der Rotationssymmetrieachse 11 des Fokussierspiegels 4 aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte 8a bis 8e der Strahlen am Fokussierspiegel 4 übereinstimmt. Würde der Planspiegel 13 den Laserstrahl 5 in die andere, gegenüber dem einfallenden Strahl um 180 Grad gedrehte Richtung unter 90 Grad ablenken, wären die Bedingungen zur Kompensation der optischen Fehler nicht gegeben. Die Abbildungsqualität wäre dann vergleichbar mit der Anordnung nach Fig. 1.

Erfolgt die Faltung des Laserstrahls durch weitere Planspiegel, sind zur Kompensation der optischen Fehler immer die Bedingung für die Reihenfolge und Lage der Auftreffpunkte auf den betreffenden Spiegel einzuhalten. Dann ist auch eine Faltung des Strahlengangs aus der Darstellungsebene von Fig. 3 heraus möglich.

Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Gegenüber Fig. 3 führt die Hinzufügung eines teildurchiässigen Planspiegels 14 zu einer Anordnung mit gestreckter Bauform, gleichzeitig ist durch den teildurchlässigen Planspiegel 14 eine messtechnische Erfassung des Bearbeitungsraumes mittels einer Sensoreinrichtung 15 möglich. Diese Sensorein- richtung 15 kann aus einem und/oder mehreren Sensoren bestehen, die physikalische Eigenschaften des Prozesses oder der Prozessumgebung über den Sensorstrahlengang 16 erfassen. Beispielsweise kann diese Sensoreinrichtung auch eine einfache Beobachtungskamera sein. Die Sensoreinrichtung 15 kann auch in Fortführung des einfallenden Laserstrahls 5 angeordnet sein, um Eigenschaften der Laserstrahlung zu erfassen. Diese Variante ist nicht dargestellt, in Fig. 4 sind weiterhin Schutzmaßnahmen bzw. Schutzeinrichtungen schematisch dargestellt. Eine Spüleinrichtung 18 erzeugt durch saubere Luft oder ein anderes Gas einen Überdruck im Inneren des Optikgehäuses 1 und verringert damit die Gefahr des Eindringens von Schmauch und anderen Verunreinigungen. Eine Crossjet- Einrichtung 17 schützt durch einen quer zur Laserstrahlrichtung angeordneten Gasstrahl das innere des Optikgehäuses vor Schweißspritzern. Alternativ oder zusätzlich kann als Schutzmaßnahme auch ein axialer Gasstrahl durch eine vorzugsweise koaxiale Düse erfolgen.

Mit den Bearbeitungsoptiken der erfindungsgemäßen Art ist es möglich, Laser- strahiung mit sehr hoher Leistung nach einer Faserübertragung ohne bzw. mit reduzierten Einflüssen auf die Strahleigenschaften sowohl für Schweiß- und Lötprozesse aber auch z.B. für das Beschichten und Schneiden einzusetzen. Die besondere Form der Kompensation der optischen Fehler der strahlformenden Einzelelemente ist dabei besonders vorteilhaft für das Schweißen und Schneiden.

Durch Hinzufügen weiterer optischer Elemente lassen sich die Anwendungs- mögiichkeiten der Grundanordnung weiter erhöhen. Je nach Gestaltung und Position der optischen Elemente lassen sich optische Abbiidungsverhältnisse mit minimalem Einfluss auf die Temperatur- und Wellenlängenabhängigkeit verändern, die Position des Laserspots bzw. Laserfokus sowohl lateral als auch in Strahlrichtung beeinflussen oder die Intensitätsverteilung im Laserspot den Bearbeitungsprozessen anpassen. Durch den Einsatz von refraktiven, reflektiven und/oder diffraktiven Strahlformungstechniken in optischen Elementen vor dem Kollimationsspiegei, hinter dem Fokussierspiegel und/oder dazwischen sind eine Vielzahl von Permutationen und auch Kombinattonen möglich, so dass nachfolgend nur einige wenige beispielhaft dargestellt werden. Fig. 5 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform, bei der durch Hinzufügen einer schwachen, dünnen Linse 19 als optisches Element nach dem Fokussier- spiege! 4 ein von 1 :1 abweichendes Abbiidungsverhältntsses mit sehr guter Abbildungsquaiität bei gleichzeitiger geringer Wellenlängen- und Temperaturabhängigkeit erreicht wird. Alternativ dazu kann die Linse auch vor dem Koilimations- spiegel angeordnet sein. Durch den Einsatz der zusätzlichen Linsen vor dem Koilimationsspiegel 3 und/oder nach dem Fokussierspiegel 4 werden Faserendfläche und/oder Fokus für die Off-Axis-Parabo!oid-Spiege!f!ächen zu virtuellen, auf den jeweiligen Rotationssymmetrieachsen liegenden Punkten 20. Zur Kompensation der optischen Fehler der Spiegelflächen, können die genannten Bedingungen eingehalten werden. Die thermische Stabilität der Bearbeitungsoptik bezüglich der Fokusverschiebung wird weitestgehend dadurch erreicht, dass die transmittierenden Elemente gegenüber den Spiegeln vom Betrag her nur große Brennweiten aufweisen und die Dicke nur gering ist. Im dargestellten Beispiel ist die Linse 19 schwach negativ und verschiebt den Fokus in Strahlrichtung und vergrößert so das Abbildungsverhältnis, Eine positive Linse würde das Abbildungsverhältnis verkleinern. Beim Einsatz der Linse vor dem Kollimationsspiegel 3 währe es umgekehrt,

Fig. 6 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform, bei der das weitere optische Element als so genannter adaptiver Spiegel ausgeführt ist. Diese als solches bekannten adaptiven Spiegel sind so aufgebaut, das sich ihre Oberfläche durch Druck oder andere Aktoren deformieren lässt, so dass sie als Spiegel mit verstellbarer Krümmung zur axialen Verlagerung des Laserfokus benutzt werden können. Diese Anordnung ist vergleichbar mit der aus Fig. 4, wobei der Planspiegel 13 durch den deformierbaren Spiegel 21 ersetzt ist. Bei einer konvexen Deformation der Spiegeloberfläche wird der Laserstrahl divergenter; der Fokus verschiebt sich in Strahlrichtung.

Anstelle des deformierbaren Spiegels 21 können beliebige andere Spiegel zur Strahlformung angeordnet sein. Zum Beispiel DachspiegeJ, Facettenspiegel oder ein Spiegel-Array. Weiterhin könnten diffraktive Elemente auf einer Spiegeioberfläche anstelle des deformierbaren Spiegels 21 eingesetzt werden. Damit ist die Intensitätsverteilung im Laserspot gezielt beeinfiussbar, um beispielsweise einen Doppeifokus bzw. Unienfokus oder auch eine besonders homogene Intensitätsverteilung zu erreichen.

Werden anstelle des deformierbaren Spiegels 21 bewegliche Spiegel, z.B. mit Galvanometerantrieben eingesetzt, wie sie bereits aus der so genannten Laser- Remote-Bearbeitung bekannt sind, so ist auch eine laterale Strahlabienkung mögüch.

Bezugszeichenliste

1 Optikgehäuse

2 Lichtleitfaseraufnahme

3 Koϊlimationsspiegei

4 Fokussierspiegel

5 Laserstrahl

6 Fokusebene (Bildebene)

7 Endfläche der Lichtleitfaser

8 Strahlen des axialen Strahtenbündels

8a Auftreffpunkt Strahi A

8b Auftreffpunkt Strahl B

8c Auftreffpunkt Strahl C

Sd Auftreffpunkt Strahl D

8e Auftreffpunkt Strahl F

9 Umienkwinkei

10 Rotationssymmetrieachse des Kollimationsspiegels

1 1 Rotationssymmetrieachse des Fokussierspiegels

12 Parabei

13 Planspiegel

14 teiidurchlässiger Planspiegel

15 Sensoreinrichtung

16 Sensorstrahlengang

17 Crossjet-Einrichtung

18 Spüleinrichtung

19 Linse

20 virtueller Punkt

21 deformierbarer Spiegel

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit: einem Optikgehäuse (1 ), durch das hindurch ein Laserstrahiengang von einer Lichtleitfaseraufnahme (2) zu einem Laserstrahlauslass geführt ist, einer an dem Optikgehäuse angebrachten Lichtleitfaseraufnahme (2) zur Ankopplung einer Laserstrahlung übertragenden Lichtleitfaser, einem in dem Optikgehäuse angeordneten Kollimationsspiegei (3) und einem in dem Optikgehäuse angeordneten Fokussierspiegel (4), wobei der Kollimationsspiegei den über eine Lichtleitfaser in das Optikgehäuse eingekoppelten Laserstrahl (5) auf den Fokussierspiege! lenkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimationsspiegei (3) und der Fokussierspiegel (4) jeweils eine Spiegelfläche in Form eines Off- Axis-Paraboiids aufweisen und die Lichtleitfaseraufnahme (2) derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Mittelpunkt der Endfläche (7) der daran angekoppelten oder ankoppelbaren Lichtleitfaser auf oder in der Nähe des Brennpunktes des Koliimationsspiegels (3) liegt, wobei der Mittelpunkt der Endfläche (7) der Lichtleitfaser nicht weiter als 15 %, vorzugsweise nicht weiter als 5 % des zentralen Krümmungsradius des Koliimationsspiegels (3) vom Brennpunkt des Kollimationsspiegeis beabstandet ist, und dass der Fokussierspiegel den Laserstrahl (5) auf oder in die Nähe des Brennpunktes des Fokussierspiegels fokussiert, wobei der Laserstrahlfokus nicht weiter als 15 %, vorzugsweise nicht weiter als 5 % des zentralen Krümmungsradius des Fokussierspiegels vom Brennpunkt des Fokussierspiegels beabstandet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussierspiegel (4) bezüglich des einfallenden Laserstrahlengangs so angeordnet ist, dass in einer SpiegeSsymmetrieebene des Koliimationsspiegels (3) liegende Einzelstrahlen des auf den Kollimationsspiegei (3) einfallenden Laserstrahlengangs in einer Spiegelsymmetrieebene des Fokussierspiegels (4) liegen und die von der Rotationssymmetrieachse der Spiegelfläche des Kollimationsspiegeis (3) aus gezählte Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a ,. 8e) der Einzel strahlen am Koilimationsspiegel, beginnend mit dem zur Rotations- Symmetrieachse der Spiegelfläche des Koilimationsspiegels (3) nächstliegenden Auftreffpunkt (8a), mit der von der Rotationssymmetrieachse (11 ) der Spiegelfläche des Fokussierspiegels (4) aus gezählten Reihenfolge der Auftreffpunkte (8a .. 8β) der Einzeistrahlen am Fokussierspiegel (4), beginnend mit dem zur Rotationssymmetrieachse (1 1 ) der Spiegelfläche des Fokussierspiegels (4) nächstliegenden Auftreffpunkt (8a), übereinstimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimationsspiegei (3) und der Fokussierspiegel (4) so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie jeweiis den einfalienden Laserstrahl mit dem gleichen Umlenkwinkel (9) ablenken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolümationsspiegel (3) und der Fokussierspiegel (4) die gleiche Brennweite aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Laserstrahlengang zwischen dem Kollimatäonsspiege! (3) und dem Fokussierspiegel (4) mindestens ein den Laserstrahlengang umlenkender Planspiegel (13) angeordnet ist,

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Laserstrahlengang mindestens ein den Laserstrahlengang umlenkender, teildurchlässiger Planspiegel (14) angeordnet ist, wobei diesem Planspiegel mindestens eine Sensoreinrichtung (15) zugeordnet ist, die physikalische Größen des Bearbeitungsprozesses oder der Prozessumgebung über einen Sensorstrahlengang (16) erfasst.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (15) aus einer Beobachtungskamera besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres optisches Element zur Formung und/oder Ablenkung des Laserstrahls vor dem Kotümationssptegel (3), nach dem Fokussierspiegel (4) oder zwischen diesen Spiegeln (3, 4) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere optische Element zur Formung und/oder Abienkung des Laserstrahls als eine Linse zur Anpassung des Gesamtabbildungsverhältnisses ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere optische Element zur Formung und/oder Ablenkung des Laserstrahls als ein deformierbarer, adaptiver Spiegel zur axialen Fokusverlagerung ausgebildet ist,

1 1. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere optische Element zur Formung und/oder Ablenkung des Laserstrahls als ein in mindestens einer Richtung translatorisch oder rotatorisch beweglicher Spiegel zur lateralen Fokusverlagerung ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere optische Element zur Formung und/oder Ablenkung des Laserstrahls als ein die Intensitätsverteilung des Laserspots beeinflussendes Element ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (3, 4, 13, 14) mit einer Kühieinrichtung versehen ist, so dass der Spiegel (3, 4, 13, 14} wassergekühlt und/oder luftgekühlt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Optikgehäuse (1 ) mit mindestens einer Einrichtung (17, 18) zum Schutz des Optikgehäuses (1) gegen Eindringen von Schmutz versehen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17, 18) zum Schutz des Optikgehäuses gegen Eindringen von Schmutz einen das Optikgehäuse (1 ) mit Überdruck spülenden Gasstrom und/oder einen außerhalb des Optikgehäuses (1 ) quer zum Laserstrahl verlaufenden Gasstrom erzeugt.