EP4676675A1 - Verfahren und laserbearbeitungseinrichtungen zur reduzierung der auswirkungen thermischer linseneffekte bei der lasermaterialbearbeitung - Google Patents

Verfahren und laserbearbeitungseinrichtungen zur reduzierung der auswirkungen thermischer linseneffekte bei der lasermaterialbearbeitung

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EP4676675A1
EP4676675A1 EP23710981.4A EP23710981A EP4676675A1 EP 4676675 A1 EP4676675 A1 EP 4676675A1 EP 23710981 A EP23710981 A EP 23710981A EP 4676675 A1 EP4676675 A1 EP 4676675A1
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EP
European Patent Office
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processing
laser
plane
laser beam
focal plane
Prior art date
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Pending
Application number
EP23710981.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Hofmann
Georg KÖNIG
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Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
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    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
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    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B23K26/048—Automatically focusing the laser beam by controlling the distance between laser head and workpiece

Definitions

  • the present invention relates to methods and laser processing devices for reducing the effects of thermal lens effects during laser material processing, which lead to a shift of the focal plane of the processing laser beam from the processing plane, wherein the shift of the focal plane from the processing plane is compensated by adjusting one or more optical components in the beam path of the processing laser beam, by adjusting which the focal plane of the processing laser beam can be shifted relative to the processing plane, or by changing the distance to the processing plane during laser material processing via an actuator.
  • Optical lenses and other optical elements that guide and/or shape the radiation are transparent to the laser light and absorb only a very small part of the laser power. However, even this small proportion is often enough to heat up the lenses or optical elements. This leads to the so-called thermal lens effect.
  • the low thermal conductivity of optical materials causes a strong temperature gradient.
  • the resulting refractive index gradient and the thermal deformation of the lens surfaces also contribute to the refractive power of the lens. This changes the focal length of the optical system changes, which leads to a defocusing of the radiation during processing and thus to a reduction in the intensity of the laser radiation on the workpiece. This can reduce the processing quality or even require the processing process to be aborted.
  • optical elements such as protective glass or diffractive optical elements, in the beam path of the processing laser beam can also contribute to the thermal lens effect. Since the change in focal length occurs during and depending on the processing process, and therefore usually also varies during the processing process, it has not been possible to measure and compensate for the thermal focus shift during the processing process directly in the processing plane.
  • a method for determining the focus shift before the process is started by measuring the temporal maximum intensity using a CCD camera is known from A. Gatej et al., "Methods for compensation of thermal lensing based on thermo-optical (TOP) analysis", in Optical Modelling and Design III, F. Wyrowski, JT Sheridan, J. Tervo, Y. Meuret, eds . (SPIE, 2014) , 91310F. 0. Blomster et al., "Optics performance at high-power levels", in Solid State Lasers XVII: Technology and Devices, WA Clarkson, N. Hodgson, RK Shori, eds.
  • thermal effects can be observed during laser material processing by partially decoupling radiation from the beam path to the processing plane.
  • the thermal shift can now be measured separately for the decoupled radiation. Since the beam path and thus also the number of irradiated or irradiated optical elements has changed due to the decoupling, a precise statement about the thermal effects for the complete beam path to the processing plane is not possible.
  • thermal simulations are also carried out before the process. Predictive control is also possible based on the simulated thermal shifts. However, the precision of the prediction is limited by the accuracy of the simulation.
  • optical system is designed with optical elements whose thermal effects are compensated by suitable choice of material compensate each other.
  • Corresponding optical elements are commercially available.
  • WO 2012/041 351 A1 describes a device for laser material processing in which a radiation pattern of electromagnetic radiation is generated on a partially reflecting surface in the beam path in front of the focus of the focused laser radiation and an image of the pattern is captured and processed in order to determine the focus position and to change it if necessary.
  • JP 2007-253 200 A describes a method for determining the correct focusing position of a processing laser beam in a laser welding device. For this purpose, two pilot laser beams of visible light are guided to the workpiece in such a way that their points of impact are aligned with the correct focusing of the processing laser beams lie on top of each other on the workpiece surface. If the focus is not correct, the impact points are separated from each other.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for reducing the effects of thermal lens effects during laser material processing, with which a focus shift in the processing plane caused by thermal lens effects can be directly detected and compensated by controlling an actuator.
  • the two proposed process alternatives and associated laser processing devices differ in the number of lasers used.
  • the first process alternative only the processing laser is used, while in the second process alternative, a measuring laser is also used.
  • the shift in the focal plane due to thermal lens effects is compensated in one embodiment by adjusting one or more optical components in the beam path of the processing laser beam during laser material processing via an actuator, the adjustment of which determines the The focal plane of the processing laser beam can be moved relative to the processing plane.
  • This can be, for example, a movable F-Theta lens or a dynamic focusing unit as part of the optical system for laser material processing.
  • compensation is achieved by changing the distance to the processing plane during laser material processing via an actuator. The distance can be changed by tracking the processing plane, i.e. the workpiece currently being processed, by tracking the entire laser processing head or just by tracking (in the sense of changing the distance to the processing plane) the optical arrangement for focusing.
  • the first process alternative is characterized by the fact that an amplitude or phase mask is used in the beam path of the processing laser beam, which creates a pattern in the focal plane of the processing laser beam that is characteristically deformed outside the focal plane.
  • the pattern created by the amplitude or phase mask in the processing plane is recorded during laser material processing and deformation of the pattern in the processing plane is counteracted by adjusting one or more optical components or the distance to the processing plane via the actuator.
  • the pattern can be recorded continuously or quasi-continuously, i.e. as individual measurements at short intervals.
  • the second alternative of the proposed method is characterized by the fact that in the beam path of the processing laser beam up to a measuring laser beam is coupled into the processing plane, which passes through the one or more optical components for compensating the shift in the focal plane (if provided in the corresponding design) and all optical elements in the beam path of the processing laser beam which cause thermal lens effects during laser material processing, and thereby has the same focal plane as the processing laser beam.
  • An amplitude or phase mask is used in the beam path of the measuring laser beam before it is coupled into the beam path of the processing laser beam, which creates a pattern in the focal plane of the measuring laser beam which is characteristically deformed outside the focal plane.
  • the pattern created by the amplitude or phase mask in the processing plane is recorded continuously or quasi-continuously during laser material processing, just as in the first process alternative, and deformation of the pattern in the processing plane is counteracted by adjusting the one or more optical components or the distance to the processing plane via the actuator.
  • the measuring laser beam preferably has a different wavelength than the processing laser beam so that it can be coupled into the beam path of the processing laser beam via a dichroic mirror.
  • a pattern generated by the amplitude or phase mask in the processing plane is recorded during laser processing and a focus shift is determined based on a change in the pattern, which is then adjusted by suitable control of the actuator, in particular by moving the one or more optical components, for example a lens of the optical system.
  • the adjustable optical component(s) can also be one or more liquid lenses, the focal length(s) of which is/are changed via the actuator, or one or more adjustable mirrors.
  • the adjustment of the one or more optical components (or the change in the distance to the processing plane) to compensate for the focus shift is preferably carried out by controlling the actuator via a control system.
  • the actuator itself is preferably formed by one or more actuators, for example piezoelectric or electromechanical actuators, in the proposed methods and associated laser processing devices.
  • the methods and the associated laser processing devices use an amplitude or phase mask, in which the distance to the focal plane can be determined from the deformation of the pattern. This information can then be used to select a higher adjustment speed, for example of the optical component(s), at a greater distance than at a smaller distance from the focal plane, and thus to speed up the control.
  • a so-called Bahtinov mask is particularly preferably used as an amplitude mask.
  • the pattern generated by the Bahtinov mask in the focal plane represents the Fourier transformation of the Bahtinov mask. If this pattern is viewed outside the focal plane, it deforms in a characteristic way so that the distance to the focal plane can be deduced.
  • the pattern in the processing plane is preferably observed using a so-called coaxial observation system.
  • Coaxial observation systems share the beam path with the processing laser and are thus always aligned to the interaction area of the laser beam with the workpiece. If the image or pattern that results from the introduction of the amplitude or phase mask in the observation plane is observed with a coaxially aligned camera, the shift in the focal plane during the process can be optimally observed and measured or used to control the actuator.
  • the associated laser processing devices accordingly have at least one processing laser, an optical arrangement for focusing a processing laser beam of the processing laser into a processing plane and, if necessary, for guiding it over the processing plane.
  • the optical arrangement comprises one or more optical components in the beam path of the processing laser beam, which can be adjusted via an actuator of the laser processing device such that they shift the focal plane of the processing laser beam relative to the processing plane.
  • the distance of the optical arrangement is adjustable via an actuator of the laser processing device.
  • an amplitude or phase mask is arranged in the beam path of the processing laser beam, which generates a pattern in the focal plane of the processing laser beam, which pattern is characteristically deformed outside the focal plane.
  • the laser processing device additionally has a measuring laser and at least one coupling element which couples the measuring laser beam into the beam path of the processing laser beam in such a way that the measuring laser beam passes through the one or more optical components adjustable via the actuator (if provided in the corresponding embodiment) and all optical elements in the beam path of the processing laser beam which cause thermal lens effects during laser material processing, and thereby has the same focal plane as the processing laser beam.
  • an amplitude or phase mask is arranged which is in the focal plane of the Measuring laser beam produces a pattern which is characteristically deformed outside the focal plane. The processing laser beam therefore does not pass through this amplitude or phase mask in this alternative.
  • the laser processing device has a camera with which the pattern produced by the amplitude or phase mask in the processing plane is recorded during laser material processing, as well as a control device which counteracts deformation of the pattern in the processing plane by adjusting the one or more optical components or changing the distance to the processing plane via the actuator during laser material processing.
  • the proposed methods and associated laser processing equipment offer particular advantages in laser processing processes where higher powers (>10W) are used and where thermal lensing effects are therefore to be expected.
  • Fig. 1 shows a first example of the proposed laser processing device
  • Fig. 2 shows a second example of the proposed laser processing device
  • Fig. 4 shows an example of a characteristic pattern as produced with a Bahtinov mask inside and outside the focal plane.
  • FIG 1 shows a first example of the proposed laser processing device in a schematic representation.
  • a processing laser 1 with a pilot laser is used.
  • the processing laser radiation can, for example, have a wavelength of 1064 nm, the wavelength of the pilot laser 632 nm.
  • the pilot laser serves as a measuring laser for detecting the focus shift.
  • the processing laser 1 emits both the processing laser beam 2 and the measuring laser beam 3, which is initially decoupled from the beam path of the processing laser beam via a dichroic mirror 7 and then coupled back in via a further dichroic mirror 7, as shown in Figure 1.
  • the measuring laser beam 3 passes through an amplitude or phase mask 8 in the decoupled section, through which a pattern is generated in its focal plane in the region of the processing plane 6 of the laser processing device, which pattern changes characteristically outside the focal plane.
  • This pattern is recorded and evaluated by the camera 9 with an objective coaxial to the processing and measuring laser beam and is used to control an actuator for adjusting the focus position of the processing laser beam 2 in the processing plane 6 .
  • the actuator is only indicated by the double arrow on the focusing lens 5 , which in this example is mounted so that it can be adjusted accordingly.
  • This is - as in the following figures - only a simplified Representation of the optical system of the laser processing device, which can also comprise several lenses.
  • the processing and measuring laser beams are guided over the processing plane 6 by means of a scanner 4.
  • the radiation of the measuring laser beam 3 is first linearly polarized using a linear polarizing filter 10. This ensures that light is not deflected onto the camera 9 on the way to the focal plane, since the polarizing beam splitter cube 11 only lets through light polarized perpendicular to it. Radiation that is instead propagated to the focal plane and back again passes twice through an X/4 plate 12. This allows the polarization to be rotated and the beam splitter cube 11 to be passed in the direction of the camera 9. In general, the polarization is not retained during reflection at the processing plane. This leads to a weakening of the intensity observed at the camera 9.
  • FIG 2 shows a further example of a laser processing device according to the present invention, in which a separately arranged measuring laser 13 is used in addition to the processing laser 1.
  • the beam paths of the measuring laser beam 3 and the processing laser beam 2, which here again have different wavelengths, are coaxially superimposed via a dichroic mirror 7 and focused into the processing plane 6 via the scanner 4 and the focusing lens 5.
  • an amplitude or phase mask 8 is arranged in the beam path of the measuring laser beam 3 before coupling into the beam path of the processing laser beam 2, as in Figure 1, which generates a pattern in the focal plane of the measuring laser beam 3 in the area of the processing plane 6, which pattern is located outside the focal plane.
  • This pattern is again recorded with the camera 9 with an objective coaxial to the processing and measuring laser beam and is used to control an actuator for adjusting the lens 5 and thus compensating the focus shift.
  • the measuring laser beam 3 is again initially linearly polarized via the linear polarizing filter 10, as already described in connection with Figure
  • FIG 3 shows another example of the proposed laser processing device, in which only the processing laser 1 is used.
  • An amplitude or phase mask 8 is introduced into the beam path of the processing laser 1, which creates a pattern in the focal plane of the processing laser beam 2 in the area of the processing plane 6, which pattern changes characteristically outside the focal plane. This pattern is coaxial to the processing laser beam
  • the amplitude or phase mask 8 is designed in such a way that it only uses a small proportion of the intensity of the processing laser beam 2 to generate the pattern in the focal plane.
  • a top view of the amplitude or phase mask is shown as an example. Only the marked area in the upper right corner of this cross section produces the characteristic pattern. The remaining area influences the processing laser beam 2.
  • beam 2 is not. Therefore, hardly any energy is taken from the process.
  • an aperture 15 is used on the camera 9, as can be seen in the cross-section in the lower right part of Figure 3.
  • the center of the aperture 15 blocks the parts of the processing laser beam 2 that were not influenced by the amplitude or phase mask 8 and therefore do not contribute to the characteristic pattern. This allows the pattern to be clearly recorded with the camera 9.
  • Figure 4 shows, as an example, in part A) a pattern created with a Bahtinov mask in the focal plane.
  • the lines of this pattern intersect in the middle at a point. Outside the focal plane, these lines shift against each other so that the camera, for example, captures a pattern as can be seen in part B) of Figure 4.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Laserbearbeitungseinrichtungen zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linseneffekte bei der Lasermaterialbearbeitung. Dabei wird eine Amplituden- oder Phasenmaske (8) im Strahlengang des Bearbeitungs- lasers (1) oder eines zusätzlichen Messlasers (13) eingesetzt, die in der Fokusebene im Bereich der Bearbeitungsebene (6) ein charakteristisches Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verändert. Das Muster wird in der Bearbeitungsebene (6) während der Laserbearbeitung mit einer Kamera (9) erfasst und anhand einer Veränderung des Musters ein Stellglied angesteuert, das optische Komponenten (5) zur Verschiebung der Fokuslage so ansteuert, dass eine durch thermische Linseneffekte erzeugte Fokusverschiebung in der Bearbeitungsebene (6) kompensiert wird. Alternativ kann das Stellglied auch den Abstand zur Bearbeitungsebene (6) entsprechend ändern. Die Verfahren und Laserbearbeitungsein- richtungen ermöglichen eine direkte Messung der Fokusverschiebung in der Bearbeitungsebene und eine zuverlässige Kompensation dieser Fokusverschiebung während der Lasermaterialbearbeitung.

Description

Verfahren und Laserbearbeitungseinrichtungen zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linsenef fekte bei der Lasermaterialbearbeitung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betri f ft Verfahren sowie Laserbearbeitungseinrichtungen zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linsenef fekte bei der Lasermaterialbearbeitung, die zu einer Verschiebung der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls aus der Bearbeitungsebene führen, wobei die Verschiebung der Fokusebene aus der Bearbeitungsebene durch Verstellen einer oder mehrerer optischer Komponenten im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls , über deren Verstellung die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene verschiebbar ist , oder durch Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied kompensiert wird .
Bei der Bearbeitung mit Laserstrahlung kommen häufig Laserleistungen von mehreren kW zum Einsatz . Optische Linsen und andere optische Elemente , die die Strahlung führen und/oder formen sind für das Laserlicht transparent und absorbieren nur einen sehr geringen Teil der Laserleistung . Doch auch dieser geringe Anteil reicht in vielen Fällen, um die Linsen oder optischen Elemente auf zuhei zen . Dies führt zum sogenannten thermischen Linsenef fekt . Die geringe thermische Leitfähigkeit optischer Materialien bewirkt dabei einen starken Temperaturgradienten . Der resultierende Brechungsindex-Gradient und die thermische Deformation der Linsenoberflächen tragen zusätzlich zur Brechkraft der Linse bei . Dadurch ändert sich die Brennweite des optischen Systems, was zu einer Defokussierung der Strahlung bei der Bearbeitung und damit zur Verringerung der Intensität der Laserstrahlung auf dem Werkstück führt. Dies kann die Bearbeitungsqualität verringern oder auch einen Abbruch des Bearbeitungsprozesses erfordern. Auch andere optische Elemente, wie z.B. Schutzgläser oder diffraktive optische Elemente, im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls können zum thermischen Linseneffekt beitragen. Da die Änderung der Brennweite während des und in Abhängigkeit des Bearbeitungsprozesses erfolgt, also in der Regel auch während des Bearbeitungsprozesses variiert, war es bisher nicht möglich, die thermische Fokusverschiebung während des Bearbeitungsprozesses direkt in der Bearbeitungsebene zu messen und zu kompensieren.
Stand der Technik
Aus A. Gatej et al., „Methods for compensation of thermal lensing based on thermo-optical (TOP) analysis", in Optical Modelling and Design III, F. Wyrowski, J.T. Sheridan, J. Tervo, Y. Meuret, eds . (SPIE, 2014) , 91310F ist eine Methode zur Bestimmung der Fokusverschiebung noch vor der Prozessführung durch Vermessung der zeitlichen Maximalintensität mittels CCD-Kamera bekannt. 0. Blomster et al., „Optics performance at high-power levels", in Solid State Lasers XVII: Technology and Devices, W.A. Clarkson, N. Hodgson, R.K. Shori, eds. (SPIE, 2008) , 68712B vermessen hierzu die Strahlkaustik mittels Strahlprofilmessungen. Anhand der Ergebnisse der durchgeführten Charakterisierung findet dann später im Bearbeitungsprozess im Rahmen einer prädikativen Regelung eine Anpassung der Fokuslage statt, wie dies beispielsweise in 0. Pütsch et al., „Echt zeit fähige Laserstrahlregelung zur Kompensation thermischer Ef fekte" , DGaO-Proceedings 2011 beschrieben ist . Bei diesen bekannten Techniken wird also das optische System vor der Prozess führung bezüglich der thermischen Ef fekte charakterisiert . Durch diese Charakterisierung vor dem Prozess können allerdings zeitlich veränderliche Aspekte wie Leistungsschwankungen des Lasers , Temperaturschwankungen der Versuchsumgebung oder eine mit der Prozessdauer graduell zunehmende Beschmutzung der Optiken, welche ebenfalls zu größeren thermischen Ef fekten führt , nicht ausreichend abgebildet werden .
Weiterhin ist es bekannt , thermische Ef fekte während der Lasermaterialbearbeitung durch eine teilweise Auskopplung von Strahlung aus dem Strahlengang bis zur Bearbeitungsebene zu beobachten . Für die ausgekoppelte Strahlung kann nun separat die thermische Verschiebung gemessen werden . Da sich der Strahlengang und somit auch die Anzahl der bestrahlten bzw . durchstrahlten optischen Elemente durch die Auskopplung verändert hat , ist eine präzise Aussage über die thermischen Ef fekte für den vollständigen Strahlengang bis zur Bearbeitungsebene allerdings nicht möglich .
Alternativ zu einer experimentellen Charakterisierung des optischen Systems werden außerdem vor dem Prozess thermische Simulationen durchgeführt . Anhand der simulierten thermischen Verschiebungen ist ebenfalls eine prädikative Regelung möglich . Die Präzision der Vorhersage ist j edoch durch die Genauigkeit der Simulation begrenzt .
Anstelle einer aktiven Kompensation sind auch passive Kompensationsmöglichkeiten bekannt . Hierbei wird das optische System mit optischen Elementen ausgelegt , deren thermische Ef fekte sich durch geeignete Materialwahl gegenseitig kompensieren . Entsprechende optische Elemente sind kommerziell verfügbar .
Die WO 2012 / 041 351 Al beschreibt eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, bei der ein Strahlungsmuster elektromagnetischer Strahlung auf einer teilweise reflektierenden Oberfläche im Strahlengang vor dem Fokus der fokussierten Laserstrahlung erzeugt und ein Bild des Musters erfasst und verarbeitet wird, um die Fokuslage zu bestimmen und bei Bedarf zu verändern .
Die DE 20 2005 010 715 Ul of fenbart eine Justiervorrichtung für einen fliegend angeordneten Laserschweißkopf , dessen Abstand zum Werkstück zur definierten Fokussierung des Laserstrahls mit Hil fe eines sichtbaren Justierlaserstrahls programmierbar ist . Zur Bestimmung der exakten Fokussierung werden Abstand, Form und Helligkeit von auf der Werkstückoberfläche erzeugten Justierlaserspots mit einer Beobachtungskamera erfasst .
Aus der DE 10 2011 054 941 B3 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Korrektur der thermischen Verschiebung der Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls bekannt , bei denen die aktuelle Fokuslage mit einem Fokussensor oder einem Wellenf rontsensor ermittelt wird .
Die JP 2007-253 200 A beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung der korrekten Fokussierposition eines Bearbeitungslaserstahls bei einer Laserschweißvorrichtung . Hierzu werden zwei Pilotlaserstrahlen sichtbaren Lichts so zum Werkstück geführt , dass ihre Auf tref fpunkte bei korrekter Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls auf der Werkstückoberfläche übereinanderliegen . Bei nicht korrekter Fokussierung sind die Auf tref fpunkte voneinander getrennt .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linsenef fekte bei der Lasermaterialbearbeitung anzugeben, mit denen eine durch thermische Linsenef fekte verursachte Fokusverschiebung in der Bearbeitungsebene direkt erfassbar und über Ansteuerung eines Stellgliedes kompensiert werden kann .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit den Verfahren und den zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen der Patentansprüche 1 , 2 , 9 und 10 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sowie der Laserbearbeitungseinrichtungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Aus führungsbeispielen entnehmen .
Die beiden vorgeschlagenen Verfahrensalternativen und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen unterscheiden sich in der Anzahl der eingesetzten Laser . Bei der ersten Verfahrensalternative wird nur der Bearbeitungslaser genutzt , bei der zweiten Verfahrensalternative zusätzlich ein Messlaser . Bei beiden Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen wird die Verschiebung der Fokusebene aufgrund thermischer Linsenef fekte in einer Ausgestaltung durch Verstellen einer oder mehrerer optischer Komponenten im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied kompensiert , über deren Verstellung die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene verschiebbar ist . Es kann sich hierbei beispielsweise um eine verschiebbare F-Theta- Linse oder auch um eine dynamische Fokussiereinheit als Bestandteil des optischen Systems für die Lasermaterialbearbeitung handeln . In einer anderen Ausgestaltung erfolgt die Kompensation durch Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied . Die Änderung des Abstandes kann dabei durch Nachführung der Bearbeitungsebene , also des gerade in Bearbeitung befindlichen Werkstücks , durch Nachführung des gesamten Laserbearbeitungskopfes oder auch nur durch Nachführung ( im Sinne einer Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene ) der optischen Anordnung zur Fokussierung erfolgen .
Die erste Verfahrensalternative zeichnet sich dadurch aus , dass im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls eine Amplituden- oder Phasenmaske eingesetzt wird, die in der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls ein Muster erzeugt , das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt . Das durch die Amplituden- oder Phasenmaske erzeugte Muster in der Bearbeitungsebene wird während der Lasermaterialbearbeitung erfasst und einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene durch Verstellen der einen oder mehreren optischen Komponenten oder des Abstandes zur Bearbeitungsebene über das Stellglied entgegengewirkt . Die Erfassung des Musters kann hierbei kontinuierlich oder auch quasi-kontinuierlich, also als Einzelmessungen in kurzen Zeitabständen, erfolgen .
Die zweite Verfahrensalternative des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus , dass in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls bis zur Bearbeitungsebene ein Messlaserstrahl eingekoppelt wird, der die eine oder die mehreren optischen Komponenten zur Kompensation der Verschiebung der Fokusebene ( falls in der entsprechenden Ausgestaltung vorgesehen) und alle optischen Elemente im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls durchläuft , die während der Lasermaterialbearbeitung thermische Linsenef fekte verursachen, und dadurch die gleiche Fokusebene wie der Bearbeitungslaserstrahl aufweist . Im Strahlengang des Messlaserstrahls vor der Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls wird dabei eine Amplituden- oder Phasenmaske eingesetzt , die in der Fokusebene des Messlaserstrahls ein Muster erzeugt , das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt . Das durch die Amplituden- oder Phasenmaske erzeugte Muster in der Bearbeitungsebene wird dabei ebenso wie bei der ersten Verfahrensalternative während der Lasermaterialbearbeitung kontinuierlich oder quasikontinuierlich erfasst und einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene durch Verstellen des einen oder der mehreren optischen Komponenten oder des Abstandes zur Bearbeitungsebene über das Stellglied entgegengewirkt . Der Messlaserstrahl weist dabei vorzugsweise eine andere Wellenlänge als der Bearbeitungslaserstrahl auf , so dass die Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls über einen dichroitischen Spiegel erfolgen kann .
Bei beiden Verfahrensalternativen wird somit während der Laserbearbeitung ein durch die Amplitudenoder Phasenmaske in der Bearbeitungsebene erzeugtes Muster erfasst und anhand einer Änderung des Musters auf eine Fokusverschiebung geschlossen, die dann über geeignete Ansteuerung des Stellgliedes , insbesondere durch Verschiebung der einen oder der mehreren optischen Komponente (n) , beispielsweise einer Linse des optischen Systems , kompensiert wird . Es kann sich bei der oder den verstellbaren optischen Komponente (n) auch um eine oder mehrere Flüssiglinse (n) handeln, deren Brennweite (n) über das Stellglied verändert wird bzw . werden, oder um einen oder mehrere verstellbare Spiegel . Die Verstellung der einen oder mehreren optischen Komponenten ( oder die Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene ) zur Kompensation der Fokusverschiebung erfolgt dabei vorzugsweise durch Regelung des Stellgliedes über ein Regelungssystem . Das Stellglied selbst ist bei den vorgeschlagenen Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen vorzugsweise durch einen oder mehrere Aktoren, beispielsweise piezoelektrische oder elektromechanische Aktoren, gebildet .
Durch die Nutzung der Phasen- bzw . Amplitudenmaske , die in der Fokusebene ein charakteristisches Muster erzeugt , das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt , kann eine Verschiebung der Fokusebene während des Bearbeitungsprozesses beobachtet und gemessen werden . Auf diese Weise existiert eine direkte Messmethode , mit welcher der Einfluss der thermischen Linsenef fekte mit Hil fe des Stellglieds , das beispielsweise eine variable Fokussiereinheit verstellt , kompensiert werden kann . Durch diese direkte Messung in der Bearbeitungsebene werden automatisch zeitlich veränderliche Aspekte wie Leistungsschwankungen des Lasers , Temperaturschwankungen der Versuchsumgebung oder eine durch graduell zunehmende Beschmutzung der Optiken verursachte Änderung der thermischen Ef fekte berücksichtigt . Damit werden auch der Einfluss des Schutzglases und des Prozessgases auf die thermischen Linsenef fekte berücksichtigt . Die Fokusverschiebung kann dadurch sehr zuverlässig erfasst und während des gesamten Bearbeitungsprozesses kompensiert werden .
Vorzugsweise wird bei den Verfahren und den zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen eine Amplituden- oder Phasenmaske eingesetzt , bei der aus der Verformung des Musters der Abstand zur Fokusebene bestimmt werden kann . Diese Information kann dann eingesetzt werden, um die Verstellgeschwindigkeit bspw . der optischen Komponente (n) bei größerem Abstand höher zu wählen als bei geringerem Abstand zur Fokusebene und dadurch die Regelung zu beschleunigen .
Besonders bevorzugt wird eine sogenannte Bahtinovmaske als Amplitudenmaske eingesetzt . Das durch die Bahtinovmaske in der Fokusebene erzeugte Muster stellt die Fourier-Trans formation der Bahtinovmaske dar . Wird dieses Muster außerhalb der Fokusebene betrachtet , verformt es sich charakteristisch, so dass auf den Abstand zur Fokusebene zurückgeschlossen werden kann .
Die Beobachtung des Musters in der Bearbeitungsebene erfolgt bei der Lasermaterialbearbeitung vorzugsweise mit einem sogenannten koaxialen Beobachtungssystem . Koaxiale Beobachtungssysteme teilen sich den Strahlengang mit dem Bearbeitungslaser und sind so stets auf den Interaktionsbereich des Laserstrahls mit dem Werkstück ausgerichtet . Wird das Bild bzw . Muster, welches sich durch das Einbringen der Amplituden- oder Phasenmaske in der Beobachtungsebene ergibt , mit einer koaxial ausgerichteten Kamera beobachtet , so kann die Verschiebung der Fokusebene während des Prozesses optimal beobachtet und ausgemessen bzw . zur Regelung des Stellglieds benutzt werden . Die zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen weisen entsprechend wenigstens einen Bearbeitungslaser, eine optische Anordnung zur Fokussierung eines Bearbeitungslaserstrahls des Bearbeitungslasers in eine Bearbeitungsebene sowie gegebenenfalls zur Führung über die Bearbeitungsebene auf . Die optische Anordnung umfasst dabei in einer Ausgestaltung eine oder mehrere optische Komponenten im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls , die über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung so verstellbar sind, dass sie die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls relativ zur Bearbeitungsebene verschieben . In der anderen Ausgestaltung ist der Abstand der optischen Anordnung über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung verstellbar . In der ersten Alternative der Laserbearbeitungseinrichtung ist im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls eine Amplituden- oder Phasenmaske angeordnet , die in der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls ein Muster erzeugt , das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt . In der zweiten Alternative weist die Laserbearbeitungseinrichtung zusätzlich einen Messlaser und wenigstens ein Einkoppelelement auf , das den Messlaserstrahl so in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls einkoppelt , dass der Messlaserstrahl die eine oder die mehreren über das Stellglied verstellbaren optischen Komponenten ( falls in der entsprechenden Ausgestaltung vorgesehen) und alle optischen Elemente im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls durchläuft , die während der Lasermaterialbearbeitung thermische Linsenef fekte verursachen, und dadurch die gleiche Fokusebene wie der Bearbeitungslaserstrahl aufweist . Im Strahlengang des Messlaserstrahls vor der Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls ist eine Amplitudenoder Phasenmaske angeordnet , die in der Fokusebene des Messlaserstrahls ein Muster erzeugt , das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt . Der Bearbeitungslaserstrahl durchläuft diese Amplitudenoder Phasenmaske in dieser Alternative also nicht . In beiden Alternativen weist die Laserbearbeitungseinrichtung eine Kamera auf , mit der das durch die Amplituden- oder Phasenmaske erzeugte Muster in der Bearbeitungsebene während der Lasermaterialbearbeitung erfasst wird, sowie eine Regeleinrichtung, die einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene durch Verstellen der einen oder der mehreren optischen Komponenten oder Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene über das Stellglied während der Lasermaterialbearbeitung entgegenwirkt .
Die vorgeschlagenen Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen bieten besondere Vorteile bei Laserbearbeitungsverfahren, bei denen höhere Leistungen ( >10W) eingesetzt werden und in denen daher mit thermischen Linsenef fekten zu rechnen ist .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagenen Verfahren und zugehörigen Laserbearbeitungseinrichtungen werden nachfolgend anhand von Aus führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen :
Fig . 1 ein erstes Beispiel der vorgeschlagenen Laserbearbeitungseinrichtung;
Fig . 2 ein zweites Beispiel der vorgeschlagenen Laserbearbeitungseinrichtung;
Fig . 3 ein drittes Beispiel der vorgeschlagenen
Laserbearbeitungseinrichtung; und Fig . 4 ein Beispiel für ein charakteristisches Muster, wie es mit einer Bahtinovmaske in- und außerhalb der Fokusebene erzeugt wird .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel der vorgeschlagenen Laserbearbeitungseinrichtung in schematischer Darstellung . In diesem Beispiel wird ein Bearbeitungslaser 1 mit einem Pilotlaser eingesetzt . Die Bearbeitungslaserstrahlung kann dabei beispielsweise bei einer Wellenlänge von 1064 nm, die Wellenlänge des Pilotlasers bei 632 nm liegen . Der Pilotlaser dient hierbei als Messlaser für die Erfassung der Fokusverschiebung . Der Bearbeitungslaser 1 emittiert in diesem Beispiel also sowohl den Bearbeitungslaserstrahl 2 als auch den Messlaserstrahl 3 , der zunächst über einen dichroitischen Spiegel 7 aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls ausgekoppelt und anschließend über einen weiteren dichroitischen Spiegel 7 wieder eingekoppelt wird, wie dies in Figur 1 dargestellt ist . Der Messlaserstrahl 3 durchläuft dabei in dem ausgekoppelten Abschnitt eine Amplituden- oder Phasenmaske 8 , durch die in seiner Fokusebene im Bereich der Bearbeitungsebene 6 der Laserbearbeitungseinrichtung ein Muster erzeugt wird, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verändert . Dieses Muster wird mit der Kamera 9 mit Obj ektiv koaxial zum Bearbeitungs- und zum Messlaserstrahl erfasst und ausgewertet und zur Ansteuerung eines Stellglieds zur Anpassung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 2 in der Bearbeitungsebene 6 genutzt . Das Stellglied ist in diesem Beispiel nur durch den Doppelpfeil an der Fokussierlinse 5 angedeutet , die in diesem Beispiel entsprechend verstellbar gelagert ist . Dies ist - wie auch in den nachfolgenden Figuren - nur eine vereinfachte Darstellung des optischen Systems der Laserbearbeitungseinrichtung, das auch mehrere Linsen umfassen kann . Der Bearbeitungs- und der Messlaserstrahl werden bei der Bearbeitung mittels eines Scanners 4 über die Bearbeitungsebene 6 geführt . In diesem Beispiel wird die Strahlung des Messlaserstrahls 3 zunächst über einen linearen Pol filter 10 linear polarisiert . So ist sichergestellt , dass auf dem Hinweg zur Fokusebene nicht bereits Licht auf die Kamera 9 abgelenkt wird, da der polarisierende Strahlteilerwürfel 11 nur hierzu senkrecht polarisiertes Licht hindurchlässt . Strahlung, die stattdessen zur Fokusebene und wieder zurück propagiert ist , durchläuft zwei fach ein X/ 4-Plättchen 12 . Hierdurch kann die Polarisation gedreht und der Strahlteilwürf el 11 in Richtung Kamera 9 passiert werden . Im Allgemeinen bleibt die Polarisation bei der Reflexion an der Bearbeitungsebene nicht erhalten . Dies führt zu einer Abschwächung der an der Kamera 9 beobachteten Intensität .
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Laserbearbeitungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der ein separat angeordneter Messlaser 13 zusätzlich zum Bearbeitungslaser 1 eingesetzt wird . Die Strahlengänge des Messlaserstrahls 3 und des Bearbeitungslaserstrahls 2 , die hier wiederum unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, werden über einen dichroitischen Spiegel 7 koaxial überlagert und über den Scanner 4 und die Fokussierlinse 5 in die Bearbeitungsebene 6 fokussiert . Auch hier ist im Strahlengang des Messlaserstrahls 3 vor der Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 2 wie auch bereits bei Figur 1 eine Amplituden- oder Phasenmaske 8 angeordnet , die in der Fokusebene des Messlaserstrahls 3 im Bereich der Bearbeitungsebene 6 ein Muster erzeugt , das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verändert . Dieses Muster wird wiederum mit der Kamera 9 mit Obj ektiv koaxial zum Bearbeitungsund zum Messlaserstrahl erfasst und zur Ansteuerung eines Stellgliedes für die Verstellung der Linse 5 und damit die Kompensation der Fokusverschiebung genutzt . Auch in diesem Beispiel wird der Messlaserstrahl 3 wiederum über den linearen Pol filter 10 zunächst linear polarisiert , wie dies bereits im Zusammenhang mit Figur
1 näher erläutert wurde . Dies gilt auch für die Anordnung der X/ 4-Platte 12 und des polarisierenden Strahlteilerwürfels 11 vor der Kamera 9 .
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel der vorgeschlagenen Laserbearbeitungseinrichtung, bei dem nur der Bearbeitungslaser 1 genutzt wird . In den Strahlengang des Bearbeitungslasers 1 ist hierbei eine Amplituden- oder Phasenmaske 8 eingebracht , die in der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls 2 im Bereich der Bearbeitungsebene 6 ein Muster erzeugt , das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verändert . Dieses Muster wird koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl
2 mit der Kamera 9 mit Obj ektiv über einen teildurchlässigen Spiegel 14 erfasst und zur Steuerung des Stellglieds für die Verstellung der Fokussierlinse 5 zur Kompensation der Fokusverschiebung genutzt . Zur Vermeidung einer zu starken Schwächung des Bearbeitungslaserstrahls 2 durch die Amplituden- oder Phasenmaske 8 ist diese so ausgebildet , dass sie lediglich einen geringen Intensitätsanteil des Bearbeitungslaserstrahls 2 für die Erzeugung des Musters in der Fokusebene nutzt . Im linken unteren Teil der Figur 3 ist hierzu beispielhaft eine Draufsicht auf die Amplituden- oder Phasenmaske dargestellt . Lediglich der markierte Bereich an der oberen rechten Ecke dieses Querschnitts erzeugt das charakteristische Muster . Der verbleibende Bereich beeinflusst den Bearbeitungslaser- strahl 2 nicht . Dem Prozess wird daher kaum Energie entzogen . Um das damit erzeugte sehr schwache Muster mit der Kamera 9 erfassen zu können, wird in diesem Beispiel eine Blende 15 an der Kamera 9 eingesetzt , wie sie beispielhaft im Querschnitt im unteren rechten Teil der Figur 3 zu erkennen ist . Die Mitte der Blende 15 blockt die Anteile des Bearbeitungslaserstrahls 2 , die nicht durch die Amplituden- oder Phasenmaske 8 beeinflusst wurden und somit nicht zum charakteristischen Muster beitragen . Damit lässt sich das Muster mit der Kamera 9 deutlich erfassen .
Figur 4 zeigt schließlich beispielhaft in Teilabbildung A) ein mit einer Bahtinovmaske in der Fokusebene erzeugtes Muster . Die Linien dieses Musters kreuzen sich in der Mitte in einem Punkt . Außerhalb der Fokusebene verschieben sich diese Linien gegeneinander, so dass die Kamera beispielsweise ein Muster erfasst , wie es in der Teilabbildung B ) der Figur 4 zu erkennen ist .
Bezugs zeichenliste
1 Bearbeitungslaser
2 Bearbeitungslaserstrahl
3 Messlaserstrahl
4 Scanner
5 Fokussierlinse
6 Bearbeitungsebene
7 dichroitischer Spiegel
8 Amplituden- oder Phasenmaske
9 Kamera mit Obj ektiv
10 linearer Pol filter
11 polarisierender Strahlteilerwürfel
12 X/ 4-Platte
13 Messlaser
14 teildurchlässiger Spiegel
15 Blende

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linseneffekte bei der Lasermaterialbearbeitung, die zu einer Verschiebung einer Fokusebene eines Bearbeitungslaserstrahls (2) aus einer Bearbeitungsebene (6) führen, bei dem
- die Verschiebung der Fokusebene aus der Bearbeitungsebene (6) durch Verstellen einer oder mehrerer optischer Komponenten (5) im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) , über deren Verstellung die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls (2) relativ zur Bearbeitungsebene (6) verschiebbar ist, oder durch Änderung eines Abstandes zur Bearbeitungsebene (6) während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) eine Amplituden- oder Phasenmaske (8) eingesetzt wird, die in der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls (2) ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt,
- das durch die Amplituden- oder Phasenmaske (8) in der Bearbeitungsebene (6) erzeugte Muster während der Lasermaterialbearbeitung erfasst wird, und
- einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene (6) durch Verstellen der einen oder der mehreren optischen Komponenten (5) oder Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene (6) über das Stellglied entgegengewirkt wird.
2. Verfahren zur Reduzierung der Auswirkungen thermischer Linseneffekte bei der Lasermaterialbearbeitung, die zu einer Verschiebung einer Fokusebene eines Bearbeitungslaserstrahls (2) aus einer Bearbeitungsebene (6) führen, bei dem
- die Verschiebung der Fokusebene aus der Bearbeitungsebene (6) in einer ersten Alternative durch Verstellen einer oder mehrerer optischer Komponenten (5) im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) , über deren Verstellung die Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls (2) relativ zur Bearbeitungsebene (6) verschiebbar ist, oder in einer zweiten Alternative durch Änderung eines Abstandes zur Bearbeitungsebene (6) während der Lasermaterialbearbeitung über ein Stellglied kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) ein Messlaserstrahl (3) eingekoppelt wird, der alle optischen Elemente im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) , die während der Lasermaterialbearbeitung thermische Linseneffekte verursachen, und in der ersten Alternative zusätzlich die eine oder die mehreren optischen Komponenten (5) zur Kompensation der Verschiebung der Fokusebene durchläuft und dadurch die gleiche Fokusebene wie der Bearbeitungslaserstrahl (2) aufweist,
- im Strahlengang des Messlaserstrahls (3) vor der Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) eine Amplituden- oder Phasenmaske (8) eingesetzt wird, die in der Fokusebene des
Messlaserstrahls (3) ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt, - das durch die Amplituden- oder Phasenmaske (8) in der Bearbeitungsebene (6) erzeugte Muster während der Lasermaterialbearbeitung erfasst wird, und
- einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene (6) durch Verstellen der einen oder der mehreren optischen Komponenten (5) oder Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene (6) über das Stellglied entgegengewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlaserstrahl (3) eine andere Wellenlänge als der Bearbeitungslaserstrahl (2) aufweist .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplituden- oder Phasenmaske (8) eingesetzt wird, bei der aus der Verformung des Musters ein Abstand zur Fokusebene bestimmt werden kann .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Amplitudenmaske (8) eine Bahtinovmaske eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der einen oder der mehreren optischen Komponenten (5) oder Änderung des Abstandes zur Bearbeitungsebene (6) durch Regelung des Stellgliedes über ein Regelungssystem erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Amplituden- oder Phasenmaske (8) in der Bearbeitungsebene (6) erzeugte Muster koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl (2) mit einer Kamera (9) erfasst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplituden- oder Phasenmaske (8) eingesetzt wird, die den Bearbeitungslaserstrahl (2) beim Durchgang um weniger als 0,5% schwächt.
9. Laserbearbeitungseinrichtung mit wenigstens
- einem Bearbeitungslaser (1) ,
- einer optischen Anordnung zur Fokussierung eines Bearbeitungslaserstrahls (2) des Bearbeitungslasers (1) in eine Bearbeitungsebene (6) , optional auch zur Führung über die Bearbeitungsebene (6) , wobei entweder die optische Anordnung eine oder mehrere optische Komponenten (5) im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) aufweist, die über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung so verstellbar sind, dass sie eine Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls (2) relativ zur Bearbeitungsebene (6) verschieben, oder ein Abstand der optischen Anordnung zur Bearbeitungsebene (6) über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung verstellbar ist,
- einer Amplituden- oder Phasenmaske (8) im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) , die in der Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls (2) ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt,
- einer Kamera (9) , mit der das durch die Amplituden- oder Phasenmaske (8) erzeugte Muster in der Bearbeitungsebene (6) während der Lasermaterialbearbeitung erfassbar ist, und
- einer Regeleinrichtung, die einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene (6) durch Verstellen der einen oder der mehreren optischen Komponenten (5) oder durch Änderung des Abstandes der optischen Anordnung zur Bearbeitungsebene (6) über das Stellglied während der Lasermaterialbearbeitung entgegenwirkt.
10. Laserbearbeitungseinrichtung mit wenigstens
- einem Bearbeitungslaser (1) ,
- einer optischen Anordnung zur Fokussierung eines Bearbeitungslaserstrahls (2) des Bearbeitungslasers (1) in eine Bearbeitungsebene (6) , optional auch zur Führung über die Bearbeitungsebene (6) , wobei entweder die optische Anordnung in einer ersten Alternative eine oder mehrere optische Komponenten (5) im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) aufweist, die über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung so verstellbar sind, dass sie eine Fokusebene des Bearbeitungslaserstrahls (2) relativ zur Bearbeitungsebene (6) verschieben, oder in einer zweiten Alternative ein Abstand der optischen Anordnung zur Bearbeitungsebene (6) über ein Stellglied der Laserbearbeitungseinrichtung verstellbar ist,
- einem Messlaser (13) ,
- einem Einkoppelelement (7) , das einen Messlaserstrahl (3) des Messlasers (13) so in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) einkoppelt, dass der Messlaserstrahl (3) alle optischen Elemente im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) , die während der Lasermaterialbearbeitung thermische Linseneffekte verursachen, und in der ersten Alternative zusätzlich die eine oder die mehreren optischen Komponenten (5) zur Kompensation der Verschiebung der Fokusebene durchläuft und dadurch die gleiche Fokusebene wie der Bearbeitungslaserstrahl (2) aufweist,
- einer Amplituden- oder Phasenmaske (8) im Strahlengang des Messlaserstrahls (3) vor der Einkopplung in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (2) , die in der Fokusebene des Messlaserstrahls (3) ein Muster erzeugt, das sich außerhalb der Fokusebene charakteristisch verformt,
- einer Kamera (9) , mit der das durch die Amplituden- oder Phasenmaske (8) in der Bearbeitungsebene (6) erzeugte Muster während der Lasermaterialbearbeitung erfassbar ist, und
- einer Regeleinrichtung, die einer Verformung des Musters in der Bearbeitungsebene (6) durch Verstellen der einen oder der mehreren optischen Komponenten (5) oder durch Änderung des Abstandes der optischen Anordnung zur Bearbeitungsebene (6) über das Stellglied während der Lasermaterialbearbeitung entgegenwirkt.
11. Laserbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messlaser (13) eine andere Wellenlänge als der Bearbeitungslaser (1) aufweist.
12. Laserbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden- oder Phasenmaske (8) so gewählt ist, dass aus der Verformung des Musters ein Abstand zur Fokusebene bestimmt werden kann.
13. Laserbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitudenmaske (8) eine Bahtinovmaske ist .
14. Laserbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Amplituden- oder Phasenmaske (8) in der Bearbeitungsebene (6) erzeugte Muster mit der Kamera (9) koaxial zum Bearbeitungs- laserstrahl (2) erfasst wird.
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