WO2008110613A1 - Vorrichtung und verfahren zum führen eines lichtstrahls - Google Patents

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WO2008110613A1
WO2008110613A1 PCT/EP2008/053042 EP2008053042W WO2008110613A1 WO 2008110613 A1 WO2008110613 A1 WO 2008110613A1 EP 2008053042 W EP2008053042 W EP 2008053042W WO 2008110613 A1 WO2008110613 A1 WO 2008110613A1
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guiding
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David Ashkenasi
Norbert Müller
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Laser und Medizin Technologie GmbH
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    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements

Definitions

  • the invention presented here describes a method and a device for realizing a fast linear or circular or elliptical-shaped guidance of a light beam, in particular a laser beam by deflecting the beam from the original propagation direction or optical axis.
  • a deflection is desired to perform a targeted micromachining of any materials by using focused laser radiation by a laser beam is focused on a workpiece and a combination of movements, of which at least one movement has a high speed, is performed.
  • Such a variant in the laser micromachining for the introduction of linear sections, for the structuring of surfaces or for separating is referred to in this invention as a laser beam planer.
  • DE 40 26 130 A1 for this purpose is a device for deflecting a light beam with a combined mirror system, which allows to guide the light beam without distortion to the destination.
  • This is mainly the labeling by laser beam.
  • Mirror systems which are arranged behind the focusing optics, do not permit a short focal-range focusing system, since in mirror systems - or even individual mirrors - the deflection of the beam is usually used for reflection, and this can only be realized with a certain optical path length.
  • distortion errors pincushion and barrel distortion
  • Another disadvantage is the difficulty with mirror systems to realize small distances, as due to the property of the mirror (angle of incidence equal angle of reflection) extremely small angles of attack are required. These small ways can not be achieved by currently available drives (galvo systems) at high frequencies.
  • Another drive option is piezoelectric drives, which cope well with these short distances; However, these have the disadvantage that the piezoceramic incorporated in continuous operation on one and the same place in the treads and this very quickly leads to failures.
  • Another disadvantage of mirror systems is that the direction of movement must be reduced to zero before it can be accelerated in the opposite direction.
  • DE 100 54 853 A1 discloses a method for introducing microbores in mainly metallic materials in which by means of rotating wedge plates, a beam is placed in tumbling motion about the optical axis. High rotational speeds are excluded in this method by the uneven mass distribution.
  • the laser described represents a system which is equipped with pulse widths in the nanosecond range and moderate repetition rates and in combination with the slow movement of the tumbling jet is unsuitable for processing brittle materials.
  • the deflected beam does not run parallel to the optical axis, which means that protection against machining residues can not be achieved without influencing the beam path and the beam quality. This is an essential point in laser micro machining, which influences the quality of the processing result.
  • From DE 101 05 346 A1 discloses a device for helical cutting holes in workpieces is known in which by means of wedge plates, a beam is deflected from the optical axis, which he rotates when turning the wedge plate combination about the optical axis.
  • ⁇ / 4 or ⁇ % plates are also rotated in order to carry the polarization direction with respect to the processing.
  • This system also serves to produce small holes in predominantly metallic materials with high efficiency.
  • the parameters necessary for the production of micrographs such as rotational speed, plane-parallel offset and wavelength independence are not given.
  • US Pat. No. 4,461,947 describes a method in which, by means of a lens arranged eccentrically on the optical axis, the rotation of which causes the beam to be set in a rotating movement with respect to the optical axis. Again, according to the described embodiments, the problem of unequal mass distribution that does not allow high speeds.
  • DE 10 2005 047 328 B3 discloses a method in which a dove prism is used as an image rotator in a hollow shaft motor. It is advantageously described that the setting of a parallel beam offset is independent of the rotation of the dove prism and thus the adjustment mechanism for the beam offset can be mechanically relatively easily performed.
  • a disadvantage is also in this device, the non-rotationally symmetric mass distribution of the Dove prism, whereby an imbalance arises at high speeds.
  • the prism requires a relatively large hollow space. Ie the rotary drive, which limits the speed of the available motors.
  • the object of the invention is to provide an improved apparatus for guiding a laser beam, which in particular allows to move the focus of a light beam at high web speed.
  • a device for guiding a light beam having a rotating or oscillating driven light guide element having at least one optical group, which in turn has at least in an operating state two plane-parallel surfaces which are aligned transversely to the light beam at an adjustable tilt angle.
  • optical group is used here in a conventional manner so that the optical group may contain a single isolated optical element, or several directly adjacent optical elements, which, however, need not be cemented together in the present case. Rather, the term optical group should also refer to a combination of two optical elements which are displaceable relative to one another along mutually opposite, congruent surfaces, wherein a negligible air gap can also exist between the two surfaces lying opposite one another.
  • the optical group is formed by a single optical element with two plane-parallel surfaces, which is also referred to below as a plane-parallel plate.
  • the plane-parallel plate according to the first preferred embodiment variant is connected to a drive which is designed so that it puts the plane-parallel plate in operation in an oscillating pivoting movement about an at least approximately perpendicular to the optical axis pivot axis.
  • the light guide element is thus driven to oscillate about an at least approximately perpendicular to the optical axis extending pivot axis.
  • the pivot axis intersects the optical axis at right angles.
  • the light guide element is driven in rotation about a rotation axis extending parallel to the optical axis of the light beam.
  • the optical group is connected to an adjusting device, which makes it possible to adjust the tilt angle of the optical group.
  • the adjusting device is designed so that it allows the setting of the tilt angle both at rest as well as rotating optical group.
  • a third preferred embodiment is characterized in that the optical group is formed by two optical elements and has two planar surfaces as end faces.
  • the optical elements of the optical group have mutually facing, complementary spherically curved surfaces, of which one curved surface forms a concave surface of the first optical element and the second curved surface forms a convex surface of the second optical element and the concave surface and the convex surface have the same radius of curvature.
  • the two optical elements of the optical group are to be displaced relative to one another along the mutually facing spherical surfaces in such a way that the planar surfaces, as surfaces facing away from the respective spherical surface of a respective optical element, are either plane-parallel or at an angle to one another.
  • a further aspect of the invention consists in a method for guiding a light beam, in which a light beam is guided through an optical group having plane-parallel faces at least in an operating state, wherein the optical group is continuously moved such that the direction of a surface normal is one of the planar Periodically changes the end faces of the optical group with respect to the optical axis.
  • the optical group is preferably moved continuously in such a way that the angle between a surface normal of one of the planar end faces of the optical group and the optical axis changes in an oscillating manner.
  • a laser beam pulsed at a repetition rate is used as the light beam and the optical group is oscillated back and forth at an oscillation frequency which is tuned to the repetition rate. In this way, in particular, a desired pulse-to-pulse overlap can be set, as described in more detail below.
  • the optical group can be tilted relative to the optical axis and rotated, so that the surface normal of one of the planar end faces of the optical group rotates about the optical axis and thus changes its direction with respect to the optical axis.
  • the light beam is a laser beam pulsed at a repetition rate and the optical group rotates at a rotational speed which is tuned to the repetition rate in order, for example, to achieve a desired pulse-to-pulse overlap.
  • the solution according to the invention and its variants have the advantage that a linear or circular deflection of the light beam for small to very small amplitudes can be realized with high web speeds without lingering in the end positions and with short focal length processing optics.
  • Another advantage is that the straight or circular deflected beam is aligned in all positions parallel to the optical axis, and thus orthogonal to the workpiece. Particularly in the processing of brittle materials, such as glass or ceramic, this type of beam guidance results in a high quality of processing, which is reflected in the good edge quality (minimization of scalloping and cracking).
  • the solution according to the invention is not limited by restrictions with regard to the pulse duration or wavelength. Suitable arrangements in beam path or materials are known for all pulse durations from continuous wave (cw) to femtosecond pulses, which can be used as a plane-parallel offset plate (3) in the manner described. The beam deflection of different wavelengths can also be used with the described principle by suitable selection of materials from UV applications to infrared laser radiation.
  • Another significant advantage is that the application can be controlled by the targeted control of the oscillation or rotation speed and thus the definition of a pulse-to-pulse overlap of the laser radiation on the workpiece to be machined, without entering the parameter field of the laser, eg the repetition rate, which in turn not only provides gentle processing, but also maximizes processing efficiency.
  • the amplitude can be adapted for a wide range of applications.
  • the beam can also strike the optics slightly eccentrically, without this having any effect on the beam offset.
  • the focal length can be determined by selecting a suitable focusing optics or their spatial position relative to the plane-parallel plate. It is even possible to use the same focusing optics which were also used before the use of the solution according to the invention.
  • One advantage of the embodiment variant with a rotationally driven, tilted plane-parallel plate is the possibility of adjusting the beam offset during processing or else in a stationary position.
  • This allows, coupled by a motorized X-Y drive to the device (such as on a CNC trajectory), a complex, program-based applications of the laser beam milling machine.
  • free-form removal tracks with adjustable width can be generated with the device according to the invention.
  • the beam can be moved in one axis, which allows very narrow micro-trenches or a slot-shaped breakthrough or the separation of thin components.
  • the angle adjustment takes place with two lenses with the same surface curvature, more precisely a combination of a concave lens and a convex lens.
  • lens pairs with different radius pairs can be selected here.
  • the order of the lens combination concave-convex or convex-concave can be reversed to achieve an angle reversal. This makes it possible, depending on the choice of the lens radii and order of the concave and convex lenses relative to the direction of laser beam to set a predetermined angle.
  • the tilt angle is limited only because of the beam distortion, but this can be compensated by the choice of materials. It is not necessary to specify micro or macro processing. dig, since this depends only on the selected lens diameters and the focal length of the focusing lens.
  • An essential component of this third embodiment are thus two with their curved surfaces superimposed plano-concave and plano-convex lenses.
  • the adjustment of the angle is the
  • Angle adjustment of the focused processing beam is carried out analogously, as provided according to the second preferred embodiment for the plane-parallel plate.
  • the adjustment of the beam offset is also analogous to the second preferred embodiment.
  • the diameter of the machining focus must be reduced with increasing z-feed (movement of the focus to the material surface).
  • Such an embodiment for the introduction of holes also in greater depth of material, for the precise structuring of surfaces or for cutting in any contours is referred to in this invention as Laserstrahlfräse with selectable angle.
  • Winkelein- position acts completely independent of the adjustment of the parallel beam offset and can thus serve to produce cavities with "punctiform" opening.
  • a set angle of attack of the laser radiation above 0 ° which counteracts a notch of the processing in greater depth and thus minimizes the effect of rejuvenation during processing in greater depth or even completely excludes, thus ensuring the production of significantly higher aspect ratios.
  • This method also prevents different diameters from being formed in the inlet and outlet bores of the workpiece as a result of absorption of the laser radiation at the workpiece edge. This is expediently carried out in that the jet flank, which is at the outer edge of the bore, is aligned coaxially with the axis of the bore.
  • the minimum achievable diameter of the cylindrical bore is determined by the beam diameter at the level of the bore entrance.
  • Another advantage of the third embodiment is that when changing the angle of attack of the focused processing beam by tilting the concave lens and the convex lens relative to the optical axis, the optical beam path is not further changed or disturbed to the desired angular displacement, with the result that the optimum focusing for the processing is only minimally disturbed.
  • an adjustment of the angle during processing without great influence on the other settings (laser parameters, machining distance, gas flow, etc.) optimized cutting and removal performance is possible.
  • micro trenches or a slit-shaped breakthrough or the separation of thin components under an adjustable edge angle can be made possible during laser ablation, for example as preparation for (laser) welding of overlapping components or inclined edges in impact welding or for laser-assisted separation in corners and angles and for the removal (hole, slot, countersink, chamfer) in angular components or for the taper of a leg of angled components. Laser welding on inclined surfaces is also possible.
  • the described invention also permits independent movement of plane-parallel plate and the optical group comprising the lens combination concave lens and convex lens. This allows angular movement along a circular path with a small diameter, which can be controlled depending on the speed of the moving components. For example, e.g. in conjunction with a linear axis, a complex shaped track with changing geometries (removal width, angle of the wall surfaces, course, etc.) in the micrometer range possible by changing angles of attack.
  • Figure 1 shows the physical action principle of the invention with its necessary components and their directions of movement.
  • FIG. 3 is a perspective view of a machined workpiece with a removal track and an indication of the oscillating laser beam
  • FIG. 4 is a sectional view of a possible implementation variant with adjusting ring for tilting the plane-parallel plate.
  • FIG. 5 shows a perspective view of a machined workpiece with a removal track and an indication of the tumbling laser beam
  • Fig. 6 shows the physical action principle of the invention in combination with a plane-parallel plate as an application example. The necessary components and their directions of movement are shown;
  • Fig. 7 shows the physical working principle of the invention with the inclusion of the function of the plane-parallel plate in the lens combination.
  • FIG. 8 is a perspective view of a machined workpiece with a removal track and a counterbore and an indication of the tumbling focused laser beam; and 9 to 12 calculated by a simulation beam trajectories for different implementation examples of the laser beam cutter with selectable angle of attack.
  • FIG. 1 The schematically outlined in Fig. 1 apparatus for micromachining of materials has an arrangement based on the physical principle of refraction of light on a plane-parallel plate 6.
  • the plane-parallel plate 6, which need not have a circular shape, can, as explained below to FIGS. 2 and 3, be set in a rapid pivoting movement. In addition, the distance from the focusing optics 4 can be changed.
  • plane-parallel plate 6 as explained below to Figs. 4 and 5, are set in rotation and tilted.
  • the angle of incidence ⁇ continuously changes, which leads to a parallel movement. offset S and thus leads to the linear movement orthogonal to the optical axis.
  • the focus be adapted to the respective working level and the corresponding processing.
  • the plane-parallel plate 6 standing under the angle of incidence ⁇ that is, tilted with respect to the light beam and arranged behind the focusing lens 4
  • the beam moves due to the parallel offset S centric around the optical axis.
  • the angle of incidence a is changed, which results in the parallel offset S of the radiation.
  • the diameter of the beam moving centrically around the optical axis is changed.
  • plan offset S Another possibility for influencing the plan offset S is achieved via the thickness d and the refractive index n of the plane-parallel plate 6.
  • a preselection of the plan offset S can be determined. Due to the arrangement and the drive of the moving parts, it is possible to realize a wide variety of movement speeds and Strahlaus- deflections, wherein the moving beam follows approximately a sine function. The moving beam is always orthogonal to the working plane during the offset movement, which positively influences the quality of the processing.
  • a first embodiment of the invention which allows to offset a plane-parallel plate 6 in an oscillating movement, in which the plane-parallel plate 6 is tilted continuously oscillating.
  • the focusing optics 4 is in a socket that can be adapted to different variants with the aid of a corresponding tube (not shown).
  • the plane-parallel plate 6 is guided in a second version, which in turn is mounted in a bearing block 12 so that it can be tilted perpendicular to the plane of the drawing.
  • the crank disk 8 is here designed so that it provides for a balancing mass distribution, and so a swing - especially at high speeds - prevented.
  • the device is integrated into a housing which is provided with a protective glass at the jet exit side (not shown).
  • a protective glass at the jet exit side (not shown).
  • the housing In order to support workpiece machining, the housing also offers the possibility of providing a gas connection in order to create a corresponding (protective gas) atmosphere at the processing station.
  • FIG. 3 shows a workpiece 18 in which a free-formed trench 20, also referred to below as a removal track, has been removed, as can be produced with the device according to FIG. 2.
  • the oscillating beam 16 describes a linear movement orthogonal to the working plane and thus carries material from the workpiece, similar to a planer.
  • the efficiency of the removal is determined very strongly by the pulse-to-pulse overlap and thus by the oscillation speed of the plane-parallel plate 6.
  • f r is the number of laser pulses per second (repetition rate) determined
  • _ the effective laser beam diameter on the work piece
  • S is the parallel displacement according to Equation [1]. Beam deflection and thus the amplitude is equal to 2 * S.
  • FIG. 4 shows a sectional view of a second embodiment variant of the invention, in which a fixed tilt angle can be set and the plane-parallel plate 6 can be set in rotation at the set tilt angle.
  • the focusing optics is in a version that can be adapted to different variants with the aid of a corresponding tube.
  • the plane-parallel plate 6 is guided in a second version, which in turn is mounted in a sleeve 22.
  • the running sleeve 22 in turn is rotated by an externally acting force, in this embodiment, a toothed belt in rotation.
  • Speed limiting acts only the storage of the sleeve 22, which is executed in the embodiment in the form of ball bearings.
  • all other types of bearings are conceivable that allow a much higher speed, for example with magnetic, sliding or air bearing.
  • a tilt angle of the plane-parallel plate 6 can be set both in the stationary state and during the fast rotation, ie the plane-parallel plate 6 can both in the stationary state as well as being tilted during the fast rotation so as to adjust an offset of the beam.
  • the adjusting ring 24 also offers the possibility of providing a gas connection in order to create a corresponding (protective gas) atmosphere at the processing point.
  • the protective glass 26 protects the internal components from contamination and damage by the residues of processing, without affecting the deflected beam.
  • FIG. 5 shows a workpiece 18 'in which a free-formed trench 20' is removed, as can be produced with the device according to FIG. 4.
  • the tumbling beam 28 describes a circular movement about the optical axis and thus carries - like a milling head - material from the workpiece.
  • the efficiency of the removal is determined very strongly by the pulse-to-pulse overlap and thus by the rotational speed of the plane-parallel plate 6.
  • Particularly in the case of laser radiation with a high repetition rate or pulse repetition frequency (eg 100,000 pulses per second) extremely gentle speeds (up to 100,000 rpm) are required for the gentlest possible machining.
  • the required speeds in rpm U rJ for a given optimum pulse-to-pulse overlap O can be determined according to the following relationship:
  • f r is the number of laser pulses per second (repetition rate) determined
  • d L is the effective laser beam diameter on the work piece
  • S is the parallel displacement according to Equation [1].
  • the circumference of the beam deflection is equal to 2 * ⁇ * p.
  • the bundled laser beam has an effective diameter on the material c /
  • _ 100 ⁇ m, ie a mean distance of 50 ⁇ m should lie between the laser pulses.
  • the bundled laser beam has an effective diameter c /
  • _ 20 ⁇ m on the material.
  • the schematically illustrated in Fig. 6 third embodiment of a device for micromachining of materials has an arrangement based on the physical principle of refraction of light on optical surfaces of the components focusing lens 4, plane-parallel plate 6, concave lens 30 and convex lens 32.
  • the concave lens 30 and the convex lens 32 form an optical group.
  • the plane-parallel plate 6 and the concave 30 and convex lens 32 can be rotated together.
  • the plane-parallel plate can be tilted by the angle ⁇ and bow the concave 30 and the convex lens 32 in equal parts by the angle ß and ⁇ in the opposite direction.
  • the distance of the focusing optics 4 can be changed to adjust the focal length.
  • arrows in Fig. 6 indicate the articulation of the components, i. the forces that cause an adjustment, or rotation.
  • a parallel displacement S occurs when the light beam 2 passes through an inclined plane-parallel plate 6.
  • the beam 2 Upon further passage, the beam 2 impinges on a lens combination consisting of a concave lens 30 with refractive index ni and a convex lens 32 with refractive index n 2 with a common axis of rotation.
  • the beam moves on the basis of the parallel offset S at an angle ⁇ on a conical surface Path around the optical axis.
  • the focus diameter can be adapted to the respective working plane and the corresponding processing.
  • Angle reversal can also be achieved with an unchanged angle of inclination by a simple exchange of the order within the lens combination of concave 30 and convex lens 32.
  • ß and ⁇ for adjusting the parallel offset S and the angle of attack ⁇ can also by the choice of the thickness of the plane-parallel plate d, as well as influencing the refractive index n, H 1 , n 2 of said optical components focusing lens 4, concave 30 and convex lens 32 influence on the parameters S and ⁇ are taken.
  • a preselection of the parameters S and ⁇ can be determined, wherein tilt and inclination of the fine adjustment are used.
  • a beam cone of approx. 6 ° is created. If you now want to introduce a cylindrical bore in a workpiece, the beam cone must be changed at an angle so that on the outside of the beam rotated in diameter perpendicular to the bore axis.
  • the concave lens 30 and the convex lens 32 are inclined with their common pivot point symmetrically opposite to each other out of the axis. The inclination is here about 3 °.
  • Fig. 7 shows a structure analogous to FIG. 6, in which the plane-parallel plate 6 is summarized in the components Konkav- 30 and convex lens 32, therefore referred to as a plane-parallel plate with concave lens 40 and plane-parallel plate with convex lens 42.
  • a plane-parallel plate with concave lens 40 and plane-parallel plate with convex lens 42 This means that the Lens combination against each other and also can be tilted together around their main plane.
  • Such solutions can also be used with a fixed angle ⁇ (or exchangeable exchangeable sets).
  • FIG. 8 shows a workpiece 18 "in which a freely shaped removal track 20" has been introduced, as can be produced with the devices according to FIGS. 6 or 7.
  • the tumbling beam 34 describes a concentric movement about the optical axis and thus carries - similar to a milling head with a conical milling tool material from the workpiece.
  • the efficiency of the removal is very strongly determined by the pulse-to-pulse overlap and thus by the rotational speed of the optical components plane-parallel plate 6, the concave lens 30 and the convex lens 32.
  • FIGS. 9 to 12 show results of numerical calculations for the beam path of the focused laser beam for different conversion examples of the device of FIG. 6 with regard to the selection and arrangement of the optical components for the described invention.
  • a selection was made of the optical components focusing lens 4, plane-parallel plate 6, concave lens 30 and convex lens 32 in a numerical simulation for beam propagation with different parameters such as the distance between the surfaces, refractive index, radii of curvature and tilt angle , calculated.
  • the following table shows the application-relevant results for a focused laser beam with a focusing lens 4 of the focal length of 30 mm and a beam diameter of the incident laser beam 2 in front of the focusing lens 4 of 2mm.
  • a laser beam with an optimal mode profile TEM O o was chosen.
  • the parameters for Fig. 9 produce a cone.
  • Fig. 10 results in a truncated cone with a straight side surface, ie a cylindrical bore.
  • angles are selected to produce an undercut, which are thus also used in the literature for inclined beams.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls mit einem rotierend oder oszillierend angetriebenes Lichtführungselement mit wenigstens einer optischen Gruppe, die zumindest in einem Betriebszustand zwei planparallele Oberflächen aufweist, die quer zum Lichtstrahl um einen einstellbaren Kippwinkel geneigt ausgerichtet sind. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls, bei dem ein Lichtstrahl durch eine optische Gruppe mit wenigstens in einem Betriebszustand zueinander planparallelen Stirnflächen geführt wird, wobei die optische Gruppe kontinuierlich derart bewegt wird, dass sich die Richtung einer Flächennormalen einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe bezüglich der optischen Achse periodisch ändert.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Führen eine Lichtstrahls
Die hier vorgestellte Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Realisierung einer schnellen linearen oder kreis- bzw. ellipsenför- migen Führung eines Lichtstrahls, insbesondre eines Laserstrahls durch Ablenkung Strahls von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung bzw. opti- sehen Achse. Eine solche Ablenkung ist gewünscht um durch Einsatz von gebündelter Laserstrahlung eine gezielte Mikromaterialbearbeitung von beliebigen Werkstoffen durchzuführen, indem ein Laserstrahl auf ein Werkstück fokussiert wird und über eine Kombination von Bewegungen, von der mindestens eine Bewegung eine hohe Geschwindigkeit aufweist, geführt wird. Eine solche Ausführungsvariante in der Laser-Mikrobearbeitung zur Einbringung von linearen Schnitten, zur Strukturierung von Oberflächen oder zum Trennen wird in dieser Erfindung als Laserstrahlhobel bezeichnet.
Aus DE 40 26 130 A1 ist hierzu eine Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls mit einem kombinierten Spiegelsystem, welches es erlaubt, den Lichtstrahl ohne Verzerrung zum Ziel zu führen. Dies dient vorwiegend der Beschriftung mittels Laserstrahl. Spiegelsysteme, die hinter der Fokussierungsoptik angeordnet sind, erlauben kein kurzbrennweitiges Fokussiersystem, da bei Spiegelsystemen - oder auch einzelnen Spiegeln - zur Reflektion meist die Umlenkung des Strahls genutzt wird, und diese nur mit einer bestimmten optischen Weg- länge zu realisieren ist. Außerdem treten bei Nichtkompensieren der Spiegelablenkeinheit Verzerrungsfehler (kissen- und tonnenförmige Verzeichnung) auf, wie sie in „Laser Beam Scanning" von Marshall, Dekker, Basel, 1985, auf Seite 226 ff beschrieben sind.
Ein weiterer Nachteil ist die Schwierigkeit mit Spiegelsystemen kleine Wegstrecken zu realisieren, da aufgrund der Eigenschaft des Spiegels (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) extrem kleine Anstellwinkel gefordert sind. Diese kleinen Wege können die derzeit erhältlichen Antriebe (Galvosyste- me) bei hohen Frequenzen nicht leisten. Eine weitere Antriebsmöglichkeit stellen Piezoantriebe dar, die diese kurzen Wege gut bewältigen; jedoch haben diese den Nachteil, dass sich die Piezokeramik bei Dauerbetrieb auf ein und der selben Stelle in die Laufflächen einarbeitet und dies sehr schnell zu Ausfällen führt. Ein weiterer Nachteil von Spiegelsystemen ist, dass beim Richtungswechsel die Bewegung auf Null gefahren werden muss, bevor wieder in die Gegenrichtung beschleunigt werden kann.
Eine vorbekannte Möglichkeit kurzbrennweitig zu arbeiten, ist die Verwendung eines F-Theta-Objektivs hinter dem Spiegelsystem. Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Objektive haben einen minimalen Arbeitsabstand von knapp 30mm, jedoch werden in der Mikromaterialarbeit oft kürzere Brennweiten benutzt.
Weiterhin ist aus DE 100 54 853 A1 ein Verfahren zum Einbringen von Mikrobohrungen in vorwiegend metallische Werkstoffe bekannt, bei dem mittels rotierender Keilplatten ein Strahl in taumelnde Bewegung um die optische Achse versetzt wird. Hohe Drehgeschwindigkeiten sind bei diesem Verfahren durch die ungleiche Massenverteilung ausgeschlossen. Zudem stellt der beschriebene Laser ein System dar, welches mit Pulsbreiten im Nanosekunden-Bereich und moderaten Repetitionsraten ausgestattet ist und in Kombination mit der langsamen Bewegung des taumelnden Strahls für die Bearbeitung von spröden Materialien ungeeignet ist. Auch läuft der ausgelenkte Strahl nicht parallel zur optischen Achse, was dazu führt, dass ein Schutz vor Bearbeitungsrückständen nicht realisiert werden kann, ohne den Strahlweg und die Strahlqualität zu beeinflussen. Dies ist in der Lasermikrobearbeitung ein wesentlicher Punkt, der in die Qualität des Bearbeitungsergebnisses einfließt.
Aus DE 101 05 346 A1 ist eine Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke bekannt, bei der mittels Keilplatten ein Strahl so aus der optischen Achse ausgelenkt wird, das er beim Drehen der Keilplattenkombination um die optische Achse rotiert. Zusätzlich werden hier λ/4- bzw. λ%- Plättchen mit in Drehung gebracht, um die Polarisationsrichtung bezüglich der Bearbeitung mitzuführen. Auch dieses System dient der Her- Stellung von kleinen Bohrungen in überwiegend metallischen Werkstoffen mit hoher Effizienz. Jedoch sind auch hier die für die Herstellung von Mik- rogräben notwendigen Parameter wie Rotationsgeschwindigkeit, planparalleler Versatz und Wellenlängen-Unabhängigkeit nicht gegeben.
In US 4,461 ,947 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels einer exzentrisch der optischen Achse angeordneten Linse durch deren Drehung der Strahl in eine rotierende Bewegung zur optischen Achse versetzt wird. Auch hier besteht nach den beschriebenen Ausführungen das Problem der ungleichen Masseverteilung, die hohe Drehzahlen nicht zulässt.
Aus DE 10 2005 047 328 B3 ist schließlich ein Verfahren bekannt, bei dem ein Doveprisma als Bildrotator in einem Hohlwellenmotor Verwendung findet. Vorteilhaft ist darin beschrieben, dass die Einstellung eines parallelen Strahlversatzes unabhängig von der Rotation des Doveprismas ist und dadurch der Verstellmechanismus für den Strahlversatz mechanisch relativ einfach ausgeführt werden kann. Nachteilig ist jedoch auch in dieser Vorrichtung die nicht rotationssymmetrische Massenverteilung des Doveprismas, wodurch bei hohen Drehzahlen eine Unwucht entsteht. Außerdem benötigt das Prisma aufgrund seiner Geometrie eine relativ große Hohlwel- Ie beim Rotationsantrieb, was die Drehzahl der lieferbaren Motoren begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Vorrichtung zum Führen eines Laserstrahls zu schaffen, die es insbesondere erlaubt, den Fokus eines Lichtstrahls mit hoher Bahngeschwindigkeit zu bewegen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gelöst, die ein rotierend oder oszillierend angetriebenes Lichtführungselement mit wenigstens einer optischen Gruppe aufweist, die ihrerseits zumindest in einem Betriebszustand zwei planparallele Oberflächen aufweist, die quer zum Lichtstrahl um einen einstellbaren Kippwinkel geneigt ausgerichtet sind. Der Begriff optische Gruppe wird hier in herkömmlicher Manier so verwendet, dass die optische Gruppe ein einziges isoliertes optisches Element enthalten kann, oder mehrere unmittelbar aneinander angrenzende optische Elemente, die jedoch im vorliegenden Fall nicht miteinander verkittet sein müssen. Vielmehr soll sich der Begriff optische Gruppe auch auf eine Kombination von zwei optischen Elementen beziehen die entlang einander gegenüberliegender, kongruenter Oberflä- chen relativ zueinander verschieblich sind, wobei zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen auch ein zu vernachlässigender Luftspalt bestehen kann.
Gemäß einer ersten und zweiten, bevorzugten Ausführungsvariante ist die optische Gruppe von einem einzigen einem optischen Element mit zwei planparallelen Oberflächen gebildet, welches im Folgenden auch als planparallele Platte bezeichnet wird.
Dabei ist die planparallele Platte gemäß der ersten bevorzugten Ausfüh- rungsvariante mit einem Antrieb verbunden, der so gestaltet ist, dass er die planparallele Platte im Betrieb in eine oszillierende Schwenkbewegung um eine wenigstens annähernd senkrecht zur optischen Achse verlaufende Schwenkachse versetzt. Bei dieser Ausführungsvariante ist somit das Lichtführungselement um eine wenigstens annähernd senkrecht zur optischen Achse verlaufende Schwenkachse oszillierend angetrieben. Vorzugsweise schneidet hierbei die Schwenkachse die optische Achse im rechten Winkel.
Gemäß einer zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsvariante ist das Lichtführungselement um eine parallel zur optischen Achse des Lichtstrahls verlaufende Rotationsachse rotierend angetrieben. Vorzugsweise ist hierbei die optische Gruppe mit einer Einstelleinrichtung verbunden, die es erlaubt, den Kippwinkel der optischen Gruppe einzustellen. Besonders bevorzugt ist die Einstelleinrichtung so ausgebildet, dass sie das Einstellen des Kippwinkels sowohl bei ruhender als auch bei rotierender optischer Gruppe erlaubt.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Gruppe von zwei optischen Elementen gebildet ist und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist. Hierbei weisen die optischen Elemente der optischen Gruppe einander zugewande, komplementäre sphärisch gekrümmte Oberflächen auf, von denen die eine gekrümmte Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die zweite gekrümmte Fläche eine konvexe Fläche es zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen. Die beiden optischen Elemente der optischen Gruppe sind derart relativ zueinander entlang der einander zu- gewandten sphärischen Oberflächen so zu verschieben, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandte Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Winkel zueinander verlaufen.
Ein weiterer Erfindungsaspekt besteht in einem Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls, bei dem ein Lichtstrahl durch ein eine optische Gruppe mit wenigstens in einem Betriebszustand zueinander planparallelen Stirnflächen geführt wird, wobei die optische Gruppe kontinuierlich derart bewegt wird, dass sich die Richtung einer Flächennormalen einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe bezüglich der optischen Achse periodisch ändert.
Vorzugsweise wird hierbei die optische Gruppe kontinuierlich derart be- wegt, dass sich der Winkel zwischen einer Flächennormalen einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe und der optischen Achse oszillierend ändert. Vorzugsweise wird als Lichtstrahl ein mit einer Repetitionsrate gepulster Laserstrahl verwendet und die optische Gruppe mit einer Oszillationsfrequenz hin- und hergeschwenkt, die auf die Repetitionsrate abges- timmt ist. Auf diese weise lässt sich insbesondere auch ein gewünschter Impuls-zu-lmpuls-Überlapp einstellen, wie er nachfolgend noch näher beschrieben ist.
Alternativ kann die optische Gruppe gegenüber der optischen Achse ge- kippt und in Rotation versetzt werden, so dass die Flächennormale einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe um die optische Achse rotiert und derart ihre Richtung gegenüber der optischen Achse ändert. Auch hierbei ist es vorteilhaft wenn der Lichtstrahl ein mit einer Repetitionsrate gepulster Laserstrahl ist und die optische Gruppe mit einer Drehzahl rotiert, die auf die Repetitionsrate abgestimmt ist, um beispielsweise einen gewünschten Impuls-zu-lmpuls-Überlapp zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Lösung und ihre Varianten haben den Vorteil, dass eine lineare oder kreisförmige Ablenkung des Lichtstrahles für kleine bis sehr kleine Amplituden mit hohen Bahngeschwindigkeiten ohne Verweilen in den Endlagen und mit kurzbrennweitigen Bearbeitungsoptiken realisiert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der geradlinig oder kreisförmig ausgelenkte Strahl in allen Stellungen parallel zur optischen Achse ausgerichtet ist, und somit orthogonal zum Werkstück. Besonders bei der Bear- beitung von spröden Werkstoffen, wie z.B. Glas oder Keramik, ergibt sich durch diese Art der Strahlführung eine hohe Bearbeitungsqualität, die sich in der guten Kantenqualität (Minimierung der Ausmuschelung und Rissbildung) widerspiegelt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass der Strahlengang bis auf den gewünschten Strahlversatz nicht weiter verändert oder gestört wird, was zu Folge hat, das die optimale Fokussierung (mit Sammellinse und Laserstrahlung hoher Qualität) erhalten bleibt. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Lösung nicht durch Einschränkungen hinsichtlich der Pulsdauer oder Wellenlänge beschränkt. Es sind für alle Pulsdauern von Dauerstrich (cw) bis hin zu Femtosekunden-Pulsen geeignete Anordnungen in Strahlweg oder Materialien bekannt, die als planparallele Versatzplatte (3) in der beschriebenen Art genutzt werden können. Auch ist die Strahlauslenkung verschiedener Wellenlängen durch geeignete Materialauswahl von UV-Anwendungen bis hin zu Infrarot-Laserstrahlung mit dem beschriebenen Prinzip nutzbar.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch die gezielte Steuerung der Oszillations- oder Rotationsgeschwindigkeit und damit die Festlegung einer Impuls-zu-lmpuls-Überlappung der Laserstrahlung auf dem zu bearbeiteten Werkstück, die Applikation gesteuert werden kann, ohne in das Parameterfeld des Lasers, z.B. die Repetitionsrate, einzugreifen, was wiederum nicht nur eine möglichst schonende Bearbeitung liefert, sondern auch eine Maximierung der Bearbeitungseffizienz bedeutet.
Durch den Vorteil der mechanischen Verstellung des Strahlversatzes (S) kann die Amplitude für ein breites Applikationsspektrum angepasst werden.
In der Anwendung ist es außerdem von Vorteil, dass der Strahl auch leicht ex-zentrisch auf die Optik treffen kann, ohne dass dies eine Auswirkung auf den Strahlversatz hat. Ebenso lässt sich die Fokuslänge durch die Auswahl einer geeigneten Fokussieroptik bzw. deren räumliche Lage zur planparallelen Platte bestimmen. Es kann sogar die gleiche Fokussieroptik verwen- det werden, die auch vor dem Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung im Einsatz war.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens können mehrere Vorrichtungen übereinander angeordnet werden, um zwei unabhängige Schwingungen wirken zu lassen und durch Abtrag Mikrobohrungen mit rechteckigem Profil zu erzeugen. Mit der gleichen Anordnung können auch Lissajousfiguren mit all ihren Varianten erstellt werden. Durch die Ausblendung der Umkehrpunkte in der Bewegung der planparallelen Platte erreicht man eine homo- gene Verteilung der Laserstrahlung über die Fläche.
Ein Vorteil der Ausführungsvariante mit rotierend angetriebener, gekippter planparalleler Platte (im Folgenden auch als Versatzplatte bezeichnet) ist die Möglichkeit einer Verstellung des Strahlversatzes während der Bearbei- tung oder auch in ruhender Lage. Dies ermöglicht, durch einen motorischen X-Y-Antrieb an die Vorrichtung gekoppelt (etwa an einer CNC- Verfahreinheit), eine komplexe, programmgestützte Applikationen der Laserstrahlfräse. Somit können auch freigeformte Abtragsspuren mit einstellbarer Breite mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden.
Auch bei nicht-rotierender Versatzplatte kann der Strahl in einer Achse bewegt werden, was sehr schmale Mikrogräben oder einen schlitzförmigen Durchbruch oder die Trennung von dünnen Bauteilen ermöglicht.
Gemäß einer dritten Ausführungsvariante erfolgt die Winkeleinstellung mit zwei Linsen mit gleicher Oberflächenkrümmung, genauer gesagt einer Kombination aus einer Konkavlinse und einer Konvexlinse. Je nach gewünschtem Winkel können hier Linsenpaare mit verschieden Radiuspaaren gewählt werden. Außerdem kann die Reihenfolge der Linsenkombination konkav-konvex bzw. konvex-konkav vertauscht werden, um eine Winkel- umkehrung zu erzielen. Hierdurch wird es möglich, je nach Wahl der Linsenradien und Reihenfolge der Konkav- und Konvexlinsen relativ zur Laserstrahlausbreitungsrichtung einen vorbestimmten Anstellwinkel einzurichten.
Wesentlich ist hierbei, dass der Kippwinkel nur wegen der Strahlverzerrung begrenzt ist, was aber durch die Wahl der Materialien kompensiert werden kann. Eine Festlegung auf Mikro- oder Makro-Bearbeitung ist nicht notwen- dig, da dies nur von den gewählten Linsendurchmessern und der Brennweite der Fokussierlinse abhängt.
Ein wesentlicher Bestand dieser dritten Ausführungsvariante sind somit zwei mit ihren gekrümmten Oberflächen aufeinander liegende plan-konkav bzw. plan-konvex Linsen. Vorzugsweise ist die Verstellung des Winkels der
Linsen zueinander, der die Winkelanstellung des Laserstrahls bewirkt, so realisiert, dass ich eine rotationssymmetrische Massenverteilung ergibt. Die
Winkeleinstellung des fokussierten Bearbeitungsstrahles wird analog vor- genommen, wie gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsvariante für die planparallele Platte vorgesehen. Die Verstellung des Strahlversatzes erfolgt ebenfalls analog zur zweiten bevorzugten Ausführungsvariante.
Durch gleichzeitige Veränderung von Durchmesser und Anstellwinkel des Bearbeitungs-Lichtstrahls sind auch anspruchsvolle Bearbeitungsformen zu realisieren. Für eine Senkung muss beispielsweise der Durchmesser des Bearbeitungsfokus mit zunehmendem z-Vorschub (Bewegung des Fokus zur Werkstoffoberfläche) reduziert werden. Eine solche Ausführungsvariante zur Einbringung von Löchern auch in größerer Materialtiefe, zur präzisen Strukturierung von Oberflächen oder zum Trennen in beliebigen Konturen wird in dieser Erfindung als Laserstrahlfräse mit wählbarem Anstellwinkel bezeichnet.
Ein weiterer Vorteil der dritten Ausführungsvariante ist, dass die Winkelein- Stellung völlig unabhängig von der Verstellung des parallelen Strahlversatzes wirkt und so zur Herstellung von Hohlräumen mit „punktförmiger" Öffnung dienen kann.
Ebenso sind die Anfertigung von zylindrischen Bohrungen mit kleinstem Durchmesser, die bei der konventionellen Laserbearbeitung mit einem bestimmten Aspektverhältnis behaftet, d.h. kegelförmig, sind, möglich. Ohne Anstellwinkel wird beobachtet, dass bei größerer Schnitt- oder Bohrtiefe die gewünschte Abtragstiefe nicht erzielt wird. Der Abtrag wird häufig durch eine Einkerbung bzw. Verjüngung in der Schnittbreite bzw. im Bohr- lochdurchmesser mit zunehmender Tiefe unterbrochen. Eine Nachführung der fokussierten Laserstrahlung in eine größere Tiefe führt häufig zu keiner Lösung, da dann ein großer Anteil der Laserenergie an der bereits generierten Eintritts-Öffnung absorbiert oder reflektiert wird und somit nicht die zu bearbeitende Fläche in der Tiefe erreichen kann. Die Strahlverluste am Bohrungseingang verhindern somit einen weiteren Abtrag in größere Bearbeitungstiefe. Ein eingestellter Anstellwinkel der Laserstrahlung über 0°, der einer Einkerbung der Bearbeitung in größerer Tiefe entgegenwirkt und somit den Effekt der Verjüngung bei der Bearbeitung in größerer Tiefe minimiert bzw. sogar komplett ausschließt, gewährleistet so die Herstellung von deutlich höheren Aspektverhältnissen. Mit diesem Verfahren wird auch verhindert, dass durch Absorption der Laserstrahlung an der Werkstückkante unterschiedliche Durchmesser in der Eintritts- und Austrittsbohrung des Werkstücks entstehen. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, dass die Strahlflanke, die zum Außenrand der Bohrung steht, koaxial zur Achse der Bohrung ausgerichtet ist. Somit ist der minimal erzielbare Durchmesser der zylindrischen Bohrung vom Strahldurchmesser in Höhe des Bohrungseinganges bestimmt.
Ein weiterer Vorteil der dritten Ausführungsvariante ist, dass bei der Änderung des Anstellwinkels des fokussierten Bearbeitungsstrahls durch Neigung der Konkavlinse sowie der Konvexlinse relativ zur optischen Achse, der optische Strahlengang bis auf die gewünschte Winkelverstellung nicht weiter verändert oder gestört wird, was zur Folge hat, dass die für die Bearbeitung optimale Fokussierung nur minimal gestört wird. Somit ist eine Verstellung des Winkels während der Bearbeitung ohne großen Einfluss auf die durch andere Einstellungen (Laserparameter, Bearbeitungsentfernung, Gasstrom, etc.) optimierte Schneid- bzw. Abtragsleistung möglich.
Ebenso ist eine Änderung des Anstellwinkels des fokussierten Bearbeitungsstrahls durch Neigung der Konkavlinse sowie der Konvexlinse relativ zur optischen Achse sowohl während der Bearbeitung oder auch in ruhender Lage möglich. Dies erlaubt bei nicht-rotierender Konkavlinse und Konvexlinse den Strahl z.B. mit einer Verfahreinheit lateral in den unterschiedli- chen Achsen zu bewegen, etwa durch einen motorischen XY-Antrieb, der an die Vorrichtung oder das Werkstück gekoppelt ist (etwa eine CNC- Verfahreinheit). Hier können durch eine komplexe, programmgestützte Applikation der Laserstrahlfräse mit steuerbarem Anstellwinkel auch freige- formte Abtragsspuren mit einstellbarer Breite und Anstellwinkel mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden (etwa beliebig zur Oberfläche geneigte Schlitze). Auch können beim Laserabtrag sehr schmale Mikrogräben oder einen schlitzförmigen Durchbruch oder die Trennung von dünnen Bauteilen unter einem einstellbaren Kantenwinkel ermöglicht wer- den, z.B. als Vorbereitung von (Laser-)Schweißungen von überlappenden Bauteilen bzw. geneigten Kanten bei Stoßschweißungen oder zur lasergestützten Trennung in Ecken und Winkeln sowie zum Abtrag (Bohrung, Schlitz, Senkung, Fase) in Winkelbauteilen oder zur Verjüngung eines Schenkels von winkligen Bauteilen. Auch eine Laserschweißung an geneig- ten Flächen ist somit möglich.
Die beschriebene Erfindung erlaubt auch eine unabhängige Bewegung von planparalleler Platte und der die Linsenkombination Konkavlinse und Konvexlinse umfassenden optischen Gruppe. Hierdurch wird eine Winkelbewe- gung entlang einer Kreisbahn mit geringem Durchmesser ermöglicht, die sich je nach Geschwindigkeit der bewegten Komponenten steuern lässt. So ist z.B. in Verbindung mit einer Linearachse eine komplex geformte Spur mit wechselnden Geometrien (Abtragsbreite, Winkel der Wandflächen, Verlauf, etc.) im Mikrometerbereich durch veränderte Anstellwinkel möglich.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens können durch vorherige Aufteilung des Laserstrahls mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zu versorgen und diese am Umfang eines zu bearbeiteten Werkstücks anzuordnen, um so mehrere Bearbeitungsschritte zeitgleich auszuführen.
Die Erfindung soll nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von diesen zeigt: Fig. 1 das physikalische Wirkprinzip der Erfindung mit ihren notwendigen Komponenten sowie ihren Bewegungsrichtungen;
Fig. 2 eine Teilschnittdarstellung einer möglichen Realisierungsvarian- te mit exzentrischem Antrieb zur Verkippung der planparallelen
Platte;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks mit Abtragsspur und Andeutung des oszillierenden La- serstrahls;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer möglichen Realisierungsvariante mit Stellring zur Verkippung der planparallelen Platte;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks mit Abtragsspur und Andeutung des taumelnden Laserstrahls;
Fig. 6 das physikalische Wirkprinzip der Erfindung in Kombination mit einer planparallelen Platte als Anwendungsbeispiel. Die notwendigen Komponenten sowie ihre Bewegungsrichtungen sind dargestellt;
Fig. 7 das physikalische Wirkprinzip der Erfindung mit Einbeziehung der Funktion der planparallelen Platte in die Linsenkombination.
Die notwendigen Komponenten sowie ihre Bewegungsrichtungen sind dargestellt;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werk- stücks mit Abtragsspur und einer Senkbohrung sowie eine Andeutung des taumelnden fokussierten Laserstrahls; und Fig. 9 bis 12 durch eine Simulation berechnete Strahlverläufe für verschiedene Umsetzungsbeispiele der Laserstrahlfräse mit wählbarem Anstellwinkel.
Die in Fig. 1 schematisch skizzierte Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstoffen weist eine Anordnung auf, die auf dem physikalischen Prinzip der Brechung von Licht an einer planparallelen Platte 6 beruht.
Die planparallele Platte 6, die nicht eine Kreisform aufweisen muss, kann, wie weiter unten zu den Fig. 2 und 3 erläutert wird, in eine schnelle schwenkende Bewegung versetzt werden. Zusätzlich kann der Abstand von der Fokussieroptik 4 verändert werden.
Ebenfalls kann planparallele Platte 6, wie weiter unten zu den Fig. 4 und 5 erläutert wird, in Rotation versetzt und gekippt werden.
Beim Durchlaufen des Lichtstrahls 2 durch eine planparallele Platte 6 tritt eine Parallelverschiebung S auf. Die Größe von S wird durch den Einfallswinkel a des einfallenden Strahls 2 auf die planparallele Platte 6, die Dicke d der planparallelen Platte 6 und dem Brechungsindex n der planparallelen Platte 6 bestimmt. Daraus folgt: S = f{O, d, n)
S o = d j * * si •nα 1 11 - COS 0C
Λi n2 - sin 2 CC
[1]
Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel α stehende und hinter der Fokussierlinse 4 angeordnete planparallele Platte 6 in eine schwenkende oder kippende Bewegung (siehe auch die Beschreibungen zu den Fig. 2 und 3), ändert sich fortlaufend der Einfallswinkel α, was zu einem Parallel- versatz S und somit zur linearen Bewegung orthogonal zur optischen Achse führt. Je nach Abstand bzw. Brennweite der Linse kann so der Fokus- durchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie an die entsprechende Bearbeitung angepasst werden.
Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel α stehende, d.h., gegenüber dem Lichtstrahl gekippte, und hinter der Fokussierlinse 4 angeordnete planparallele Platte 6 in Rotation (siehe auch die Beschreibungen zu den Fig. 4 und 5), bewegt sich der Strahl auf Grund des Parallelversatzes S zentrisch um die optische Achse. Je nach Abstand bzw. Brennweite der Linse kann so der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie der entsprechenden Bearbeitung angepasst werden. Durch Verkippung der planparallelen Platte 6 wird der Einfallswinkel a verändert, was im Parallelversatz S der Strahlung resultiert. Somit wird der Durchmesser des sich zentrisch um die optische Achse bewegenden Strahls verändert.
Eine weitere Möglichkeit, den Planversatz S zu beeinflussen, wird über die Dicke d, sowie den Brechungsindex n der planparallelen Platte 6 erreicht. Hiermit lässt sich eine Vorauswahl des Planversatzes S bestimmen. Auf Grund der Anordnung und des Antriebs der sich bewegenden Teile ist es möglich, unterschiedlichste Bewegungsgeschwindigkeiten und Strahlaus- lenkungen zu realisieren, wobei der sich bewegende Strahl annähernd einer Sinusfunktion folgt. Der sich bewegende Strahl steht während der Versatz-Bewegung immer orthogonal zur Bearbeitungsebene, was die Qualität der Bearbeitung positiv beeinflusst.
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt, die es erlaubt, eine planparallele Platte 6 in eine oszillierende Bewegung zu versetzen, bei der die planparallele Platte 6 kontinuierlich oszillierend gekippt wird. Hierbei befindet sich die Fokussieroptik 4 in einer Fassung, die mit Hilfe eines entsprechenden Tubus (nicht dargestellt) auf unterschiedli- che Varianten angepasst werden kann. Die planparallele Platte 6 wird in einer zweiten Fassung geführt, die ihrerseits in einem Lagerbock 12 so gelagert ist, dass sie senkrecht zur Zeichnungsebene gekippt werden kann. Über den Pleuel 10 und dessen exzentrischer Befestigung an der Kurbelscheibe 8 wird die planparallele Platte 6 in eine oszillierende Bewegung, um die Dreh-Achse 14, versetzt. Die Kurbelscheibe 8 ist hierbei so gestaltet, dass sie für eine ausgleichende Massenverteilung sorgt, und so ein Aufschwingen - gerade bei hohen Drehzahlen - verhindert.
Durch Verbindung einer zusätzlichen Exzenterscheibe (nicht dargestellt) mit der Kurbelscheibe 8 kann die Winkelverstellung und damit die Kippung der planparallelen Platte individuell vorgenommen werden. Hieraus folgt, dass der Strahlversatz S und damit die zu bearbeitende Strecke einstellbar ist.
Um Optik und Mechanik vor den Einflüssen der Bearbeitung zu schützen wird die Vorrichtung in ein Gehäuse integriert, welches an der Strahlaustrittseite mit einem Schutzglas versehen ist (nicht dargestellt). Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass der Strahl in jeder Stellung der plan- parallelen Platte 6 parallel der optischen Achse steht und störungsfrei das Schutzglas passieren kann.
Um die Werkstück-Bearbeitung zu unterstützen, bietet das Gehäuse auch die Möglichkeit, einen Gasanschluss vorzusehen, um an der Bearbeitungs- stelle eine entsprechende (Schutzgas-)Atmosphäre zu schaffen.
Fig. 3 zeigt ein Werkstück 18, in dem ein frei geformter Graben 20, im folgenden auch Abtragspur genannt, abgetragen ist, wie er mit der Vorrichtung gemäß Fig. 2 erzeugt werden kann. Hierbei beschreibt der oszillieren- de Strahl 16 eine linienförmige Bewegung orthogonal zur Bearbeitungsebene und trägt so - ähnlich eines Hobels - Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls-zu-lmpuls-Überlapp und somit von der Oszillationsgeschwindigkeit der planparallelen Platte 6 bestimmt.
Besonders bei Applikationen, wo durch Linearbewegungen von wenigen μm im Zusammenhang mit hoch repetierenden Lasern bzw. schnellen Pulsfolgefrequenzen (z. B. 100 000 Impulse pro Sekunde) eine möglichst schonend Bearbeitung erfolgen soll, sind hohe Bahngeschwindigkeiten bei extrem kurzen Wegen notwendig.
Die erforderliche Oszillation und somit die Drehzahlen in U/min l/rO bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-lmpuls-Überlapp O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln:
Figure imgf000018_0001
wobei fr die Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) bestimmt, c/|_ den wirksamen Laserstrahldurchmesser auf dem Werkstück und S die Parallelverschiebung nach Gleichung [1]. Strahlablenkung und somit die Amplitude ist gleich 2*S.
Anwendungsbeispiel 1 für die erste Ausführungsvariante:
Beim schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Mikroschnitts an einem Wendeldraht ein optimaler Impuls-zu-lmpuls- Überlapp von O = 75 % ermittelt bzw. festgelegt, d.h. nach Einwirkung des Laserimpulses auf die zu bearbeitende Oberfläche soll der nachfolgende Laserimpuls beim Auftreffen 75 % der Fläche bedecken, die der vorangegangene Laserimpuls bestrahlt hat. Der gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstück einen wirksamen Durchmesser d\_ = 20 μm, so dass ein mittlerer Abstand von 50 μm zwischen den Laserimpulsen liegt. Eine geradlinige Bearbeitung mit einer Auslenkung S = 0,1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von fr = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl Uro = 4 500 U/min. Das entspricht 9 000 Richtungswechsel pro min bei einer Bahngeschwindigkeit von durchschnittlich 3,6 m/min.
Anwendungsbeispiel 2 für die erste Ausführungsvariante: Beim schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Präzisionsschnittes an einem zu bearbeitenden keramischen Werk- stoff ein optimaler Impuls-zu-lmpuls-Überlapp von O = 30 % ermittelt bzw. festgelegt, um das Aufheizen und somit den thermischen Schock zu minimieren. Der gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser d\_ = 10 μm. Eine linearförmige Bearbeitung mit einer Auslenkung von S = 0,25 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von fr = 5 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl IΛo = 4 200 U/min.
Wie diese Berechnungen zeigen, sind am Markt erhältliche CNC- Maschinen (spanende Bearbeitung) hinsichtlich der sich aus der Vorrich- tung ergebenden Oszillationsgeschwindigkeiten und den daraus folgenden häufigen Richtungswechsel um Größenordnungen entfernt.
In Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt, bei der ein fester Kippwinkel eingestellt und die plan- parallele Platte 6 mit dem eingestellten Kippwinkel in Rotation versetzt werden kann. Hierbei befindet sich die Fokussieroptik in einer Fassung, die mit Hilfe eines entsprechenden Tubus auf unterschiedliche Varianten an- gepasst werden kann. Die planparallele Platte 6 wird in einer zweiten Fassung geführt, die ihrerseits in einer Laufhülse 22 gelagert ist. Die Laufhülse 22 wiederum wird von einer extern einwirkenden Kraft, in diesem Ausführungsbeispiel ein Zahnriemen, in Drehung versetzt. Drehzahlbegrenzend wirkt hier nur die Lagerung der Laufhülse 22, die im Ausführungsbeispiel in Form von Kugellagern ausgeführt ist. Natürlich sind alle anderen Arten von Lagerungen denkbar, die eine weit höhere Drehzahl ermöglichen, bei- spielsweise mit Magnet-, Gleit- oder Luftlagerung.
Mit einem Stellring 24 lässt sich eine Kippwinkel der planparallelen Platte 6 sowohl im ruhenden Zustand als auch während der schnellen Rotation einstellen, d.h. die planparallele Platte 6 kann sowohl im ruhenden Zustand als auch während der schnellen Rotation verkippt werden, um so einen Versatz des Strahls einzustellen. Um die Werkstück-Bearbeitung zu unterstützen, bietet der Stellring 24 auch die Möglichkeit, einen Gasanschluss vorzusehen, um an der Bearbeitungsstelle eine entsprechende (Schutz- gas-)Atmosphäre zu schaffen. Das Schutzglas 26 schützt die innenliegenden Bauteile vor Verschmutzung und Beschädigung durch die Rückstände der Bearbeitung, ohne den ausgelenkten Strahl zu beeinträchtigen.
Fig. 5 zeigt ein Werkstück 18', in dem ein frei geformter Graben 20' abge- tragen ist, wie er mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 erzeugt werden kann. Hierbei beschreibt der taumelnde Strahl 28 eine kreisförmige Bewegung um die optische Achse und trägt so - ähnlich einem Fräskopf - Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls- zu-lmpuls-Überlapp und somit von der Rotationsgeschwindigkeit der plan- parallelen Platte 6 bestimmt. Besonders bei Laserstrahlung mit hoher Re- petitionsrate bzw. Pulsfolgefrequenz (z. B. 100 000 Impulse pro Sekunde) werden bei einer möglichst schonenden Bearbeitung extrem hohe Drehzahlen (bis zu 100 000 U/min) notwendig.
Die erforderliche Drehzahlen in U/min UrJ bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-lmpuls-Überlapp O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln:
Figure imgf000020_0001
wobei fr die Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) bestimmt, dL der wirksame Laserstrahldurchmesser auf dem Werkstück ist und S die Parallelverschiebung nach Gleichung [1] ist. Der Kreisumfang der Strahlablenkung ist gleich 2*π*S.
Anwendungsbeispiel 1 für die zweite Ausführungsvariante: Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung einer Mikrobohrung an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 50 % ermittelt bzw. festgelegt, d.h. nach Einwirkung des Laserimpulses auf die zu bearbeitende Oberfläche soll der nachfolgende Laserimpulse beim Auftreffen nur knapp 50 % der Fläche bedecken, die der vorangegangene Laserimpuls bestrahlt hat. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser c/|_ = 100 μm, d.h. ein mittlerer Abstand von 50 μm soll zwischen den Laserimpulsen liegen. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 0,5 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetiti- onsrate von fr = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [3] eine erforderliche Drehanzahl l/rT = 10 000 U/min.
Anwendungsbeispiel 2 für die zweite Ausführungsvariante:
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Präzisionsschnittes an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optima- ler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 70 % ermittelt bzw. festgelegt. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser c/|_ = 20 μm. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 0,1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitions- rate von fr = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Glei- chung [3] eine erforderliche Drehanzahl l/rT = 6 000 U/min.
Anwendungsbeispiel 3 für die zweite Ausführungsvariante:
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit ultra-kurz gepulster La- serstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung einer Mikrostruktur an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 99 % ermittelt bzw. festgelegt. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser dι = 5 μm. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von fr = 100 Millionen Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [3] eine erforderliche Drehanzahl UrJ = 50 000 U/min.
Wie diese Berechnungen zeigen, sind am Markt erhältliche CNC- Maschinen (spanende Bearbeitung) hinsichtlich der sich aus der Vorrichtung ergebenden Umfangsgeschwindigkeiten um Größenordnungen entfernt.
Die in Fig. 6 schematisch skizzierte dritte Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstoffen weist eine Anordnung auf, die auf dem physikalischen Prinzip der Brechung von Licht an optischen Flächen der Bauteile Fokussierlinse 4, planparallele Platte 6, Konkavlinse 30 und Konvexlinse 32 beruht. Die Konkavlinse 30 und die Konvexlinse 32 bilden dabei eine optische Gruppe. Die planparallele Platte 6 sowie die Konkav- 30 und Konvexlinse 32 können gemeinsam in Rotation versetzt werden. Dabei lässt sich die planparallele Platte um den Winkel α kippen und die Konkav- 30 und die Konvexlinse 32 zu gleichen Teilen um den Winkel ß und γ in entgegengesetzter Richtung verneigen. Der Abstand der Fokussieroptik 4 kann zur Einstellung der Brennweite verändert werden.
Die in Fig. 6 eingezeichneten Pfeile geben die Anlenkung der Bauteile an, d.h. die Kräfte, die eine Verstellung, bzw. Rotation bewirken.
Wie bereits zu Fig. 1 erläutert, tritt beim Durchlaufen des Lichtstrahls 2 durch eine geneigte planparallele Platte 6 eine Parallelverschiebung S auf. Die Größe von S wird durch den Einfallswinkel a des einfallenden Strahls 2 auf die planparallele Platte 6, die Dicke d der planparallelen Platte 6 und dem Brechungsindex n der planparallelen Platte 6 bestimmt. Daraus folgt für den Strahlversatz in Luft (Brechungsindex für Luft nL =1 ): S = f{O, d, n) :
Figure imgf000022_0001
Beim weiteren Durchgang trifft der Strahl 2 auf eine Linsenkombination, bestehend aus einer Konkavlinse 30 mit Brechungsindex n-i und einer Konvexlinse 32 mit Brechungsindex n2 mit gemeinsamer Rotationsachse. Diese Linsenkombination gleicht in der optischen Wirksamkeit einem veränderlichen Prisma. Es ist bekannt, dass ein durch das Prisma geführter optischer Strahl, z.B. ein Laserstrahl, um einen Winkel δ abgelenkt wird. Ist das Prisma mit der Brechzahl (n12 = H1 = n2) von Luft (Brechungsindex von Luft nL = 1 ) umgeben, so erhält man für den Austrittswinkel δ am durch die Linsenkombination gebildeten Prisma: δ = f(χ ß, γ, n12)
δ = aresin cos χ * sin ß - sin χ y W12 2 - sin 2 ß [4]
Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel Ct relativ zum Laserstrahl stehende und hinter der Fokussierlinse 4 angeordnete planparallele Platte 6 sowie die Linsenkombination aus Konkav- 30 und Konvexlinse 32 in Rotation, bewegt sich der Strahl auf Grund des Parallelversatzes S unter dem Anstellwinkel δ auf einer kegelförmigen Bahn um die optische Achse. Je nach Wahl der Brennweite der Fokussierlinse 4 bzw. Abstand der Fo- kussierlinse 4 zum Werkstück 18 kann der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie die entsprechende Bearbeitung angepasst werden.
Mit Neigung der Linsenkombination aus Konkav- 30 und Konvexlinse 32 in die entgegengesetzte Richtung kann auch eine Winkelumkehrung des Anstellwinkels δ erzielt werden. Eine Winkelumkehrung lässt sich bei unveränderten Neigungswinkel auch durch einen einfachen Tausch der Reihenfolge innerhalb der Linsenkombination aus Konkav- 30 und Konvexlinse 32 erreichen.
Neben Winkelverstellung von a, ß und γ zur Einstellung des Parallelversatzes S und des Anstellwinkels δ kann auch durch die Wahl der Dicke der planparallelen Platte d, sowie der Beeinflussung des Brechungsindexes n, H1, n2 der genannten optischen Komponenten Fokussierlinse 4, Konkav- 30 und Konvexlinse 32 Einfluss auf die Parameter S und δ genommen werden. Mit den zuletzt genannten Einflussgrößen lässt sich eine Vorauswahl der Parameter S und δ bestimmen, wobei Verkippung und Neigung der Feineinstellung dienen.
Die einfachen Zusammenhänge sind in den Gleichungen [1] und [4]dargestellt. Wegen der Komplexität der Berechnung sind für die zu wählenden Parameter Simulationsprogramme oder ein Ausprobieren erforder- lieh.
Auf Grund der Anordnung der sich bewegenden Teile, wodurch die optische Achse mit der mechanischen Achse zusammenfällt, sowie deren Gestaltung wird eine Ungleichverteilung der Massen exzentrisch der Achse vermieden, so dass eine sehr hohe Drehgeschwindigkeit und damit auch eine sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden kann.
Anwendungsbeispiel für die dritte Ausführungsvariante
Wird ein Laserstrahl mit einem Durchmesser von 5mm mit einer Linse von f = 50mm auf eine Fokusfläche von 50μm fokussiert entsteht ein Strahlkegel von ca. 6°. Will man nun eine zylindrische Bohrung in ein Werkstück einbringen, muss der Strahlkegel im Winkel so verändert werden, dass auf der Außenseite des im Durchmesser rotierten Strahls eine Senkrechte zur Bohrungsachse entsteht. Hierzu werden wie in Fig. 6 gezeigt, die Konkav- linse 30 sowie die Konvexlinse 32 mit ihrem gemeinsamen Drehpunkt symmetrisch entgegengesetzt aus der Achse geneigt. Die Neigung beträgt hier jeweils ca. 3°.
Wie dieses Beispiel zeigt ist zur Herstellung von zylindrisch kleinen Bohrungen mit Laserstrahl eine Kompensation durch Neigung der Strahlachse und damit der optischen Achse notwendig. Natürlich ist es auch möglich, durch Überkompensation Unterschneidungen bzw. Senkungen herzustellen. Fig. 7 zeigt einen Aufbau analog zu Fig. 6, bei dem die planparallele Platte 6 zusammengefasst ist in den Bauteilen Konkav- 30 und Konvexlinse 32, daher bezeichnet als planparallele Platte mit Konkavlinse 40 und planparallele Platte mit Konvexlinse 42. Dies bedeutet, dass die Linsenkombination gegeneinander und außerdem gemeinsam um ihre Hauptebene verkippt sein kann. Solche Lösungen können auch mit einem festen Winkel α (bzw. austauschbaren Wechselsätzen) zur Anwendung kommen.
Fig. 8 zeigt ein Werkstück 18", in dem eine frei geformte Abtragsspur 20" eingebracht wurde, wie sie mit den Vorrichtungen gemäß den Fig. 6 oder 7 erzeugt werden kann. Hierbei beschreibt der taumelnde Strahl 34 eine konzentrische Bewegung um die optische Achse und trägt so - ähnlich einem Fräskopf mit einem konischen Fräswerkzeug Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls-zu- Impuls-Überlapp und somit von der Rotationsgeschwindigkeit der optischen Komponenten planparallelen Platte 6, der Konkavlinse 30 und der Konvexlinse 32 bestimmt.
Umsetzungsbeispiele:
In Fig. 9 bis 12 sind Ergebnisse aus numerischen Berechnungen für den Strahlverlauf des fokussierten Laserstrahls für verschiedene Umsetzungs- beispiele der Vorrichtung aus Fig. 6 bezüglich der Wahl und Anordnung der optischen Komponenten für die beschriebene Erfindung dargestellt. In den vier Beispielen wurde eine Auswahl von den in Fig. 6 beschriebenen optischen Komponenten Fokussierlinse 4, planparallele Platte 6, Konkavlinse 30 und Konvexlinse 32 in einer numerischen Simulation zur Strahlpropaga- tion mit unterschiedlichen Parametern wie Abstand der Flächen zueinander, Brechungsindex, Krümmungsradien und Verkippungswinkel, berechnet. Die folgende Tabelle zeigt die applikationsrelevanten Ergebnisse für einen fokussierten Laserstrahl mit einer Fokussierlinse 4 der Brennweite von 30mm und einem Strahldurchmesser des einfallenden Laserstrahls 2 vor der Fokussierlinse 4 von 2mm. Für die Simulation wurde ein Laserstrahl mit einem für die Fokussierung optimalen Modenprofil TEMOo gewählt. Die Parameter für Fig. 9 erzeugen einen Kegel. In Fig. 10 ergibt sich ein Kegelstumpf mit gerader Seitenfläche, d.h. eine zylindrische Bohrung. Für Fig. 11 und Fig. 12 sind zur Erzeugung einer Unterschneidung Winkel gewählt, die so auch in der Literatur bei geneigten Strahlen angewendet werden.
Figure imgf000026_0001
In den Figuren sind jeweils 3 Aspekte dargestellt. Links oben der 3-D Fokus, wie er z.B. einem Einschussprofil von Cθ2-Lasern in Plexiglas entspricht; Rechts oben die Strahlverzerrung. Hier wurde ein gleichmäßiges, rundes Punktraster von der Laserquelle durch die Optik propagiert und die Rasterpunkt-Verteilung am Bearbeitungspunkt dargestellt; Unten der Strahlverlauf mit dem Anstellwinkel und Strahlversatz in der Seitenansicht.
Liste der Bezugs- und Formelzeichen für Figuren 1 bis 12
2 einfallender Strahl
4 Fokussierlinse 6 planparallele Platte
8 Kurbelscheibe
10 Pleuel
12 Lagerbock
14 Dreh-Achse 16 oszillierender Strahl
18 Werkstück
18' Werkstück
18" Werkstück
20 Graben/Abtragsspur 20' Graben/Abtragsspur
20" Graben/Abtragsspur
22 Laufhülse
24 Stellring
26 Schutzglas 28 taumelnder/rotierender Strahl
30 Konkavlinse
32 Konvexlinse
34 fokussierter Strahl
36 Bearbeitungsfokus mit der erforderlichen Intensität für Abtrag oder Schwei- ßung
38 Bohrung mit Senkung 40 planparallele Platte mit Konkavlinse 42 planparallele Platte mit Konvexlinse
α Einfallswinkel ß Kippwinkel von (30) γ Kippwinkel von (32) δ Anstellwinkel des fokussierten Laserstrahls auf (18) χ Winkel der Prismenflächen zueinander d Dicke von (6) fr Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) n Brechungsindex von (6) rπ Brechungsindex von (30) n2 Brechungsindex von (32) nL Brechungsindex von Luft (nL = 1 )
O Impuls-zu-lmpuls-Überlapp
S Parallelversatzes des Strahls
Uro Drehzahl der Oszillationsoptik bei gegebenem O
Urj Drehzahl der Taumeloptik bei gegebenem O

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls, gekennzeichnet durch ein rotierend oder oszillierend angetriebenes Lichtführungselement mit wenigstens einer optischen Gruppe, die zumindest in einem Betriebszustand zwei planparallele Oberflächen aufweist, die quer zum Lichtstrahl um einen einstellbaren Kippwinkel geneigt ausgerichtet sind.
2. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Gruppe von einem einzigen einem optischen Element mit zwei planparallelen Oberflächen gebildet ist.
3. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Gruppe von zwei opti- sehen Elementen gebildet ist und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist, wobei die optischen Elemente der optischen Gruppe
einander zugewande, komplementäre sphärische Oberflächen aufweisen, von denen die eine sphärische Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die zweite sphärische Fläche eine konvexe Fläche es zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen und
- derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen so zu verschieben sind, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandte Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Winkel zueinander verlau- fen.
4. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtführungselement um eine wenigstens annähernd senkrecht zur optischen Achse verlaufende Schwenkachse oszillierend angetrieben ist.
5. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse die optische Achse im rechten Winkel schneidet.
6. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtführungselement um eine parallel zur optischen Achse des Lichtstrahls verlaufende
Rotationsachse rotierend angetrieben ist.
7. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Kippwinkels der optischen Gruppe aufweist, die mit der optischen Gruppe verbunden und ausgebildet ist, den Kippwinkel der optischen Gruppe einzustellen.
8. Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie das Einstellen des Kippwinkels sowohl bei ruhender als auch bei rotierender optischer Gruppe erlaubt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, dass sie mit einem pulsten Laser als Quelle für den Lichtstrahl verbunden ist.
10. Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl durch eine optische Gruppe mit wenigstens in ei- nem Betriebszustand zueinander planparallelen Stirnflächen geführt wird, wobei die optische Gruppe kontinuierlich derart bewegt wird, dass sich die Richtung einer Flächennormalen einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe bezüglich der optischen Achse periodisch ändert.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Gruppe kontinuierlich derart bewegt wird, dass sich der Winkel zwischen einer Flächennormalen einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe und der optischen Achse oszillierend ändert.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl ein mit einer Repetitionsrate gepulster Laserstrahl ist und die optische Gruppe mit einer Oszillationsfrequenz hin- und herge- schwenkt wird, die auf die Repetitionsrate abgestimmt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Gruppe gegenüber der optischen Achse gekippt und in Rotation versetzt wird, so dass die Flächennormale einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe um die optische Achse rotiert und derart ihre Richtung gegenüber der optischen Achse ändert.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl ein mit einer Repetitionsrate gepulster Laserstrahl ist und die optische Gruppe mit einer Drehzahl rotiert, die auf die Repetitionsrate abgestimmt ist.
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