DE102012219635A1

DE102012219635A1 - Vorrichtung zur Absorption eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102012219635A1
Application number: DE102012219635.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Armbruster; Markus Weber
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-02-13
Also published as: WO2014063947A1

Abstract

Bei einer Absorptionsvorrichtung (1) zur Absorption eines einfallenden Laserstrahls (2) mit einer Zerstreuungsoptik (3) zur Aufweitung des einfallenden Laserstrahls (2) und mit einem Absorptionskörper (4), der eine sich in der Einfallsrichtung (5) des aufgeweiteten Laserstrahls (2) verjüngende Eintrittsöffnung (7) aufweist, ist erfindungsgemäß zwischen der Zerstreuungsoptik (3) und dem einen, ersten Absorptionskörper (4) ein zweiter Absorptionskörper (10) mit einer den aufgeweiteten Laserstrahl (2) umgebenden Durchtrittsöffnung (11) angeordnet, die sich entgegen der Einfallsrichtung (5) des Laserstrahls (2) verjüngt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absorption eines einfallenden Laserstrahls, mit einer Zerstreuungsoptik zur Aufweitung des einfallenden Laserstrahls und mit einem Absorptionskörper, der eine sich in der Einfallsrichtung des aufgeweiteten Laserstrahls verjüngende Eintrittsöffnung aufweist.
Bekannt sind Absorptionsvorrichtungen, bei denen die Zerstreuungsoptik mit ihrer einen Seite in eine Absorptionsflüssigkeit eingetaucht ist, die den durch die Zerstreuungsoptik aufgeweiteten Laserstrahl absorbiert. Allerdings können bereits geringste Verunreinigungen in der Absorptionsflüssigkeit dazu führen, dass sich die Verunreinigungen in die Zerstreuungsoptik einbrennen und diese mit der Zeit unbrauchbar machen.
Es sind ferner Absorptionsvorrichtungen bekannt, bei denen der Laserstrahl, nachdem er durch die Zerstreuungsoptik aufgeweitet wurde, zur Absorption auf zwei Platten auftrifft, die so zueinander ausgerichtet sind, dass sie einen keilförmigen Hohlraum bzw. eine keilförmige Eintrittsöffnung bilden. Der aufgeweitete Laserstrahl tritt in den keilförmigen Hohlraum ein und wird an den absorbierenden Platten mehrfach reflektiert, wobei bei jeder Reflektion sukzessive ein Großteil der Strahlungsenergie absorbiert wird. Allerdings sind diese Absorptionsvorrichtungen vergleichsweise groß, in der Regel aufwändig zu montieren und insbesondere schwer abzudichten, weswegen sich insgesamt hohe Herstellungskosten. ergeben.
Aus der JP2011-82298 ist ferner eine Absorptionsvorrichtung mit einem als hohler Absorptionskegel ausgebildeten Absorptionskörper bekannt. Der dortigen Zerstreuungsoptik ist eine Diffusionsplatte mit einer Antireflex-Beschichtung oder eine diffraktive Optik vorgeschaltet, sodass der einfallende Laserstrahl bereits vor dem Auftreffen auf die Zerstreuungsoptik beeinflusst, insbesondere im Durchmesser geringfügig vergrößert, wird. Nachdem der Laserstrahl durch die Zerstreuungsoptik weiter aufgeweitet wurde, trifft er durch wiederholtes Reflektieren mehrfach auf die kegelinnenseitige Absorptionsfläche des Absorptionskegels auf. Die durch die Absorption der Strahlungsenergie in dem Absorptionskegel entstehende Wärme wird durch ein Umspülen der Kegelaußenseite mit Wasser abgeführt. Auch diese Absorptionsvorrichtung ist vergleichsweise groß, wodurch ihre Einsetzbarkeit, insbesondere für kompakte Anwendungen, limitiert ist.
Bei den bekannten Absorptionsvorrichtungen, die sich der mehrfachen Reflektion der aufgeweiteten Laserstrahlen an der Kegelinnenoberfläche eines Absorptionskegels oder an den Innenseiten von absorbierenden Platten bedienen, besteht darüber hinaus grundsätzlich die Gefahr, dass – insbesondere bei hohen Laserleistungen – der Laserstrahl gegebenenfalls nicht vollständig absorbiert wird und sich Rückreflektionen einstellen. Bei diesen Rückreflektionen handelt es sich um Laserstrahlung, die entgegen der ursprünglichen Einfallsrichtung des Laserstrahls nach und nach durch mehrfache Reflektion wieder in Richtung der Zerstreuungsoptik (zurück) wandert und dort gegebenenfalls zu Beschädigungen führen kann oder in unerwünschter Weise aus der Absorptionsvorrichtung austritt.
Es ist demgegenüber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Absorptionsvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass das Risiko von Rückreflektion bzw. Rückstreuung minimiert bzw. verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen der Zerstreuungsoptik und dem einen, ersten Absorptionskörper ein zweiter Absorptionskörper mit einer den aufgeweiteten Laserstrahl umgebenden Durchtrittsöffnung angeordnet ist, die sich entgegen der (ursprünglichen) Einfallsrichtung des Laserstrahls verjüngt.
Erfindungsgemäß wird von dem ersten Absorptionskörper nicht vollständig absorbierte sondern teilweise rückreflektierte Laserstrahlung von dem zweiten Absorptionskörper vollständig oder zumindest größtenteils absorbiert, sodass keine rückreflektierte Laserstrahlung die Zerstreuungsoptik erreicht oder gar durch sie aus der Absorptionsvorrichtung wieder austritt. Ein entgegen der ursprünglichen Einfallsachtung des Laserstrahls rückreflektierter Laserstrahl trifft auf die Oberfläche des zweiten Absorptionskörpers auf und wird von dort reflektiert, wobei bei jedem Auftreffen ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie absorbiert wird. Erfindungsgemäß wird somit in vorteilhafter Weise ein Bereich zwischen der Zerstreuungsoptik und dem ersten Absorptionskörper zur Absorption von rückreflektierter Laserstrahlung genutzt. Erfindungsgemäß sind die rückreflektierte Laserstrahlung bzw. die Rückreflexe minimiert, so dass die Absorptionsvorrichtung vorteilhaft kompakter, nämlich in Einfallsrichtung des Laserstrahls kürzer, gebaut werden kann.
Vorzugsweise schließen die Eintrittsöffnung des ersten Absorptionskörpers und die Durchtrittsöffnung des zweiten Absorptionskörpers stufenlos aneinander an, da andernfalls Stufen vorhanden wären, an denen es zu einer ungerichteten Streuung von Laserstrahlung kommen könnte.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste und/oder der zweite Absorptionskörper jeweils als ein hohler Absorptionskegel ausgebildet. Vorzugsweise betragen die Kegelöffnungswinkel des ersten und zweiten Absorptionskegels zwischen 20° und 40° und können vorteilhaft gleich sein. Besonders bevorzugt weist der erste Absorptionskegel eine im Vergleich zu seinem Kegelöffnungswinkel stumpfere Kegelspitze auf, was eine noch kürzere bzw. kompaktere Bauweise der Absorptionsvorrichtung ermöglicht.
Die Absorptionskörper sind bevorzugt aus Kupfer und/oder Aluminium gebildet, welche eine für die Laserwellenlänge hochabsorbierende Schicht aufweisen, sodass ein hoher Anteil der Strahlungsenergie, insbesondere ca. 95% der Strahlungsenergie, bei jedem Auftreffen von Laserstrahlung absorbiert wird. Die hochabsorbierende Schicht, kann z. B. aus Schwarz-chrom, Schwarz-eloxiert, Schwarz-Nickel oder andere bekannte für die Laserwellenlänge hochabsorbierende Materialien bestehen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Absorptionsvorrichtung; und
2 einen vergrößerten Detailausschnitt gemäß II aus 1.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Absorption eines einfallenden Laserstrahls 2 und umfasst eine Zerstreuungsoptik 3 zur Aufweitung bzw. Auffächerung des einfallenden Laserstrahls 2 und einen ersten hohlen Absorptionskegel 4, der sich in der Einfallsrichtung 5 des Laserstrahls 2 verjüngt und eine im Vergleich zum Kegelöffnungswinkel β₁ stumpfere Kegelspitze 6 aufweist. Die Zerstreuungsoptik 3 ist typischerweise eine Zerstreuungslinse, insbesondere eine Bikonkavlinse.
Der aufgeweitete bzw. aufgefächerte Laserstrahl 2 (in 1 schematisch durch mehrere Einzelstrahlen dargestellt) tritt in die Kegelöffnung (Eintrittsöffnung) 7 des ersten Absorptionskegel 4 ein, trifft auf die absorbierende Kegelinnenoberfläche 8 und wird daran mehrfach reflektiert, wobei bei jedem Auftreffen auf die Kegelinnenoberfläche 8 ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie absorbiert wird. Ist die eintretende Strahlungsenergie des Laserstrahls 2 jedoch entsprechend hoch, so ist es möglich, dass sich der Laserstrahl 2 bis zur Kegelspitze 6 ausbreitet und anschließend rückreflektiert wird, d. h. sich entgegen der ursprünglichen Einfallsrichtung 5 des Laserstrahls 2 in Richtung 9 auf die Zerstreuungsoptik 3 ausbreitet.
Um zu minimieren bzw. zu verhindern, dass rückreflektierte Laserstrahlung die Zerstreuungsoptik 3 erreicht oder gar durch sie hindurchtritt und die Absorptionsvorrichtung 1 wieder verlässt, ist zwischen der Zerstreuungsoptik 3 und dem ersten Absorptionskegel 4 ein sich entgegen der Einfallsrichtung 5 verjüngender zweiter hohler Absorptionskegel bzw. -kegelstumpf 10 angeordnet, der den einfallenden aufgeweiteten Laserstrahl 2 umgibt. Der Kegelöffnungswinkel β₂ des zweiten Absorptionskegels 9 ist so groß gewählt, dass der in die Kegelöffnung (Durchtrittsöffnung) 11 des zweiten Absorptionskegels 10 eintretende aufgeweitete Laserstrahl 2 nicht auf die absorbierende Kegelinnenoberfläche 12 trifft. Wie vorliegend können die beiden Kegelöffnungswinkel β₁, β₂ etwa gleich groß sein und ca. 30° ± 10° betragen. Die beiden Absorptionskegel 4, 10 sind aus Material, wie z. B. aus Kupfer und/oder Aluminium, gebildet und weisen eine für die Laserwellenlänge hochabsorbierende Schicht auf, sodass vorteilhaft bei jedem Auftreffen des Laserstrahls 2 ca. 95% der Strahlungsenergie absorbiert wird.
Das Wirkprinzip des zweiten Absorptionskegels 9 ergibt sich schematisch aus 2. Ein entgegen der ursprünglichen Einfallsrichtung 5 des Laserstrahls 2 rückreflektierter Einzelstrahl 2a trifft unter einem Einfallswinkel α₁ bezüglich des Einfalllots 13 auf die absorbierende Kegelinnenoberfläche 12 des zweiten Absorptionskegels 10 und wird unter demselben Ausfallswinkel α₁ an der Kegelinnenoberfläche 12 reflektiert. Sofern nun, wie in 2 gezeigt, der Einfallswinkel α₁ größer als der halbe Kegelöffnungswinkel β₂ ist, also α₁ > ½β₂, weist der reflektierte Einzelstrahl 2b eine in Richtung zurück auf die Zerstreuungslinse 3 gerichtete Ausbreitungskomponente auf. Der reflektierte Einzelstrahl 2b trifft an gegenüberliegender Stelle erneut auf die absorbierende Kegelinnenoberfläche 12 des zweiten Absorptionskegels 10 unter einem nun kleineren Einfallswinkel α₂ (α₂ < α₁) bezüglich des Einfalllots 13 und wird unter demselben Ausfallswinkel α₂ an der Kegelinnenoberfläche 12 reflektiert. Sofern nun, wie in 2 gezeigt, der Einfallswinkel α₂ kleiner als der halbe Kegelöffnungswinkel β₂ ist, also α₂ < ½β₂, weist der reflektierte Einzelstrahl 2c keine in Richtung zurück auf die Zerstreuungslinse 3, sondern nur in Richtung auf den ersten Absorptionskegel 4 gerichtete Ausbreitungskomponente auf. Der Einzelstrahl 2c tritt, gegebenenfalls nach weiteren Reflexionen an der Kegelinnenoberfläche 12 des zweiten Absorptionskegels 10, schließlich wieder in den ersten Absorptionskegel 4 ein. Dabei wird auch bei jedem Auftreffen auf die Kegelinnenoberfläche 12 des zweiten Absorptionskegels 10 ein bestimmter Anteil der Strahlungsenergie absorbiert, bis schließlich die Strahlungsenergie des Laserstrahls 2 vollständig absorbiert ist.
Obwohl in 2 nur der Strahlengang eines Einzelstrahls 2a–2c gezeigt ist, der sich in einer Radialebene zur optischen Achse 14 ausbreitet, gilt ein analoger Strahlengang auch für alle anderen Einzelstrahlen, die nicht in einer Radialebene verlaufen.
Wie in 1 gezeigt, schließen die beiden Absorptionskegel 4, 10 mit ihren Kegelinnenoberflächen 8, 12 stufenlos aneinander an. Zur Abführung der durch die Absorption der Strahlungsenergie in den Absorptionskegeln 4, 10 entstehenden Wärme sind die beiden Absorptionskegel 4, 10 jeweils von einem kühlwasserdurchströmten Ringraum 15, 16 umgeben, der innenseitig durch die Kegelaußenoberflächen der beiden Absorptionskegel 4, 10 begrenzt ist. Die Kühlwasserzuleitungen und -ableitungen der Ringräume 15, 16 sind jeweils mit 17 und 18 bezeichnet.
Anstatt wie gezeigt durch Absorptionskegel können die beiden Absorptionskörper jeweils auch durch zwei Platten gebildet sein, die so zueinander ausgerichtet sind, dass sie eine keilförmige Eintrittsöffnung bilden. Die keilförmige Eintrittsöffnung des einen, ersten Absorptionskörpers verjüngt sich in der Einfallsrichtung des aufgeweiteten Laserstrahls, und die keilförmige Eintrittsöffnung des zwischen der Zerstreuungsoptik und dem ersten Absorptionskörper angeordneten anderen, zweiten Absorptionskörpers umgibt den aufgeweiteten Laserstrahl und verjüngt sich entgegen der Einfallsrichtung des Laserstrahls.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2011-82298 [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Absorption eines einfallenden Laserstrahls (2), mit einer Zerstreuungsoptik (3) zur Aufweitung des einfallenden Laserstrahls (2) und mit einem Absorptionskörper (4), der eine sich in der Einfallsrichtung (5) des aufgeweiteten Laserstrahls (2) verjüngende Eintrittsöffnung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zerstreuungsoptik (3) und dem einen, ersten Absorptionskörper (4) ein zweiter Absorptionskörper (10) mit einer den aufgeweiteten Laserstrahl (2) umgebenden Durchtrittsöffnung (11) angeordnet ist, die sich entgegen der Einfallsrichtung (5) des Laserstrahls (2) verjüngt.
Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchtrittsöffnung (11) des zweiten Absorptionskörpers (10) kontinuierlich verjüngt.
Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (7) des ersten Absorptionskörpers (4) und die Durchtrittsöffnung (11) des zweiten Absorptionskörpers (10) stufenlos aneinander anschließen.
Absorptionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Absorptionskörper jeweils als ein Absorptionskegel (4, 10) ausgebildet sind.
Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelöffnungswinkel (β₂) des zweiten Absorptionskegels (10) zwischen 20° und 40° beträgt.
Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelöffnungswinkel (β₁) des ersten Absorptionskegels (4) zwischen 20° und 40° beträgt.
Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelöffnungswinkel (β₁, β₂) des ersten und des zweiten Absorptionskegels (4, 10) gleich groß sind.
Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Absorptionskegel (4) eine im Vergleich zu seinem Kegelöffnungswinkel (β₁) stumpfere Kegelspitze (7) aufweist.
Absorptionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskörper (4, 10) aus Kupfer und/oder Aluminium gebildet sind.
Absorptionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskörper (4, 10) eine für die Laserwellenlänge hochabsorbierende Schicht aufweist.