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WO2008019681A1 - Verfahren und vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung Download PDF

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Publication number
WO2008019681A1
WO2008019681A1 PCT/DE2007/001511 DE2007001511W WO2008019681A1 WO 2008019681 A1 WO2008019681 A1 WO 2008019681A1 DE 2007001511 W DE2007001511 W DE 2007001511W WO 2008019681 A1 WO2008019681 A1 WO 2008019681A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
group
lens group
lenses
lens
laser beam
Prior art date
Application number
PCT/DE2007/001511
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roman Niedrig
Original Assignee
Highyag Lasertechnologie Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Highyag Lasertechnologie Gmbh filed Critical Highyag Lasertechnologie Gmbh
Priority to DE112007001944.1T priority Critical patent/DE112007001944B4/de
Publication of WO2008019681A1 publication Critical patent/WO2008019681A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/16—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group
    • G02B15/163—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective with interdependent non-linearly related movements between one lens or lens group, and another lens or lens group having a first movable lens or lens group and a second movable lens or lens group, both in front of a fixed lens or lens group

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for focusing a laser beam, as used for example in laser material processing.
  • Devices with special optical systems are known from the prior art, for example from DE 41 43 414.
  • a focusing lens or a focusing lens system is disclosed, which are arranged movably in the axial direction, the position of the lens being varied by a positioning motor can be.
  • the position of the laser beam focus shifts in the same direction and by the same amount.
  • the adjustment is relatively small, it corresponds to the mechanical displacement of the lens.
  • an apparatus for focusing a laser beam by means of an optics which has four lens groups.
  • the first group collimates the laser radiation
  • the second or the third lens group is movably mounted in the axial direction
  • the fourth lens group is immovable with respect to arranged on the other lens groups, wherein the movably mounted lens group is designed such that it is suitable for adjusting the focus position with constant magnification of the optics in the axial direction.
  • the second lens group has a positive refractive power
  • the third group has a negative refractive power
  • the fourth group has a positive refractive power
  • the first lens group consists of 2 to 4 lenses
  • the second lens group consists of 1 or 2 lenses
  • the third lens group consists of 1 or 2 lenses
  • the fourth lens group consists of 1 to 4 lenses.
  • the collimator it is customary to use at least 2 lenses for the correction, in particular of the aperture error.
  • the third lens group it is possible to use only one lens at a time, since according to the invention the third lens group has a negative refractive power and can therefore be used for at least partial correction of the aperture error.
  • the use of multiple lenses is also provided in the other lens groups. If the optical system is constructed as compactly as possible, that is to say with small distances between the groups, very large refractive powers are required, in particular in the case of the third and fourth groups. This can also be seen with reference to FIG. 1 on the correspondingly large change in the angle of the marginal rays.
  • the division of the power into several lenses per group then allows significantly lower aberrations and the better correction of the same. Therefore, the use of 2 lenses in the third and he fourth Group particularly preferred.
  • the use of several lenses per group does not change the basic mode of operation of the optics, it only improves the imaging quality and therefore also allows particularly small focus diameters of the laser beam.
  • this has a servomotor for moving the movably arranged lens group.
  • the second lens group is movably mounted in the axial direction and the third and the fourth group are fixed.
  • Another object of the present invention is a method for focusing a laser beam by means of a device having four lens groups wherein the laser beam is collimated by a first lens group and the focus of the laser beam is positioned in the axial direction by adjusting an axially movable second or third lens group, whereby the magnification of the optics is not changed.
  • the laser radiation is focused by the second lens group, scattered by the third group and bundled again by the fourth group.
  • the laser radiation is collimated by 2 to 4 lenses in the first lens group, by 1 or 2 lenses in the second lens group, by 1 or 2 lenses in the third lens group, and by the fourth lens group in the third lens group is bundled by 1 to 4 lenses.
  • the movably arranged lens group is moved by a servomotor.
  • a method in which the second lens group is moved in the axial direction and the third and fourth groups are not moved is particularly preferable.
  • the amount of the focal length of the second lens group is preferably larger than the amount of the focal length of the third lens group. It is particularly preferable to select the focal length of the second group between 1.5 times and 4 times larger than the focal length of the third group.
  • the distance between the third group and the fourth group approximately equal to the difference between the magnitudes of the focal lengths of the fourth and third group.
  • M is the magnification
  • f 2 the focal length of the second (variable) lens group
  • f 3 the focal length of the third lens group
  • f 4 the focal length of the fourth lens group.
  • both the magnification of the optics and the adjustment range of the laser beam focus can be set to the desired values.
  • the collimator (Group 1) can be easily exchanged to change the magnification of the optical system; as well as the focus (group 4). Furthermore, with a suitable choice of the refractive powers and the distances of the groups 2 to 4, an adjustment of the focus position with constant focus size or magnification is possible.
  • the solution according to the invention has the advantage that only one lens or lens group has to be moved in order to solve the problem.
  • the mobility of several lenses or coupled lenses is necessary in all disclosed optical systems.
  • the optical system of DE 198 25 092 C2 is not suitable for achieving the object of the present invention, since it only allows a change in the magnification of the focus in a focal plane.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are preferably used in connection with very low-absorption lens material, such as, for example, quartz, in particular in a highly pure form, or else zinc sulfide.
  • very low-absorption lens material such as, for example, quartz, in particular in a highly pure form, or else zinc sulfide.
  • FIG 1 is a schematic representation of the invention in the
  • Embodiment with second lens group as a movable subsystem Embodiment with second lens group as a movable subsystem.
  • a device for laser material processing with optics is provided, which is structured into 4 lens groups 21 to 24.
  • At least a part of the optical system which serves to image the laser radiation is movably mounted by means of a linear guide 31 in the direction of the optical axis.
  • the movable subsystem is driven by a servomotor 30.
  • the movable part of the optical system for example the second lens group 22 in Fig. 1, may be a single lens or a group of lenses.
  • the optics is made up of a total of four groups.
  • the divergent laser beam 11 emerging from the optical fiber cable tip 10 strikes the first group 21 of the optical system.
  • the first group 21 (in the beam direction) is a group with positive refractive power, consisting of 2 to 4 lenses (preferably 2), which has the function of a collimator, after which the beam 12 is thus collimated, ie approximately parallel.
  • the second group 22 also has a positive refractive power and consists of 1 or 2 lenses (preferably 1 lens). Due to the positive refractive power of the second group, the beam now converges.
  • a third group 23 with negative refractive power consisting of 1 or 2 lenses, after which the beam now runs divergently, ie is widened.
  • the fourth group 24 follows with a total of positive refractive power, consisting of 1 to 4 lenses, which finally focuses the beam.
  • the position of the laser beam focus can be continuously varied from the minimum distance 15 to the optics up to the maximum distance 16.
  • either the second group 22 or the third group 23 is movably mounted, preferably the second group 22.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls mit einem in (4) Linsengruppen gegliederten optischen System, wobei die erste Gruppe (21) die Funktion eines Kollimators hat, und wobei die zweite (22) oder die dritte (23) Linsengruppe in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und die vierte (24) Linsengruppe fixiert ist, wobei durch die Verstellung der bewegbaren Linsengruppe die Fokusposition in axialer Richtung bei gleich bleibender Vergrößerung verstellbar ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und eine Verfahren zur Fokussierung eines Laserstrahls, wie er beispielsweise bei der Lasermaterialbearbeitung verwendet wird.
Sofern Laserlichtquellen bei der Bearbeitung von Werkstücken zum Einsatz kom- men, ist eine Optik zur Fokussierung der Laserstrahlung notwendig. Je nach Verstellbereich der Fokusposition eines Laserstrahls sind verschiedene Aufgaben zu erfüllen. So beispielsweise die Korrektur der Fokusposition bei Werkstücktoleranzen, oder auch zur Einstellung einer erwünschten Defokussierung, was zur Erhöhung der Nahtqualität zu Beginn und Ende einer Naht sinnvoll sein kann. Weiterhin aber auch die kontinuierliche Anpassung der Fokuslage bei der Bearbeitung von komplexen dreidimensionalen Konturen.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen mit speziellen optischen Systemen bekannt, wie beispielsweise aus der DE 41 43 414. Darin wird eine Fokussierlinse oder ein Fokussierlinsensystem offenbart, welche in axialer Richtung bewegbar an- geordnet sind, wobei die Position der Linse durch einen Stellmotor variiert werden kann. Dadurch verschiebt sich die Position des Laserstrahlfokus in der gleichen Richtung und um den gleichen Betrag. Naturgemäß ist daher der Verstellbereich relativ klein, er entspricht dem mechanischen Verstellweg der Linse.
Dieser grundsätzliche Nachteil kann auch nicht dadurch umgangen werden, dass das Fokussierlinsensystem in zwei Gruppen aufgeteilt wird, von denen eine Gruppe fixiert ist und die zweite Gruppe beweglich ist, wie dies in der JP 7136790 angegeben ist. Es liegt der Gedanke nahe, die Verstellung der Fokuslage nicht durch Verschiebung des Fokussieriinsensystems vorzunehmen, sondern durch die Verschiebung des Kollimators. Hierbei kann man einen größeren Fokusverstellbereich erreichen als es der mechanischen Verschiebung entspricht, sofern das System einen Abbildungs- maßstab größer 1 besitzt, d.h. wenn die Fokussierbrennweite größer ist als die Kollimatorbrennweite. Allerdings bewirkt die Verschiebung des Kollimators zwangsläufig gleichzeitig eine Veränderung des Abbildungsmaßstabes, d.h. der Fokusdurchmesser ist nicht mehr konstant, sondern er ändert sich mit der Fokusposition.
Schließlich sind Anordnungen von Linsen bekannt, bei denen eine oder mehrere Linsen in axialer Richtung verschiebbar angeordnet sind. So beschreibt die DE 198 25 092 C2 unter anderem ein System aus 3 Linsen, wobei die erste Linse die Funktion eines Kollimators hat. Dabei sind die zweite und dritte Linse verschiebbar. Weiterhin wird ein System aus insgesamt 4 Linsen offenbart, wobei 3 Linsen nach dem Kollimator angeordnet sind und wobei die dritte und vierte Linse gekoppelt mitein- ander verschiebbar sind. Es sind also jeweils die letzten beiden Linsen verschiebbar angeordnet. Die beschriebenen Anordnungen dienen dem Zweck, den Durchmesser des Laserfokus, mithin also die Vergrößerung des Systems, in einer Fokusebene ändern zu können.
Aus dem Stand der Technik ist keine Vorrichtung bekannt, die geeignet ist, um bei gleichbleibender Vergrößerung den axialen Abstand des Laserstrahlfokus zum optischen System in einem weiten Bereich verändern zu können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, wodurch es möglich wird, den Fokusabstand in axialer Richtung bei konstanter Größe des La- serfokus variieren zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls mittels einer Optik vorgesehen, die vier Linsengruppen aufweist. Dabei kollimiert die erste Gruppe die Laserstrahlung, die zweite oder die dritte Linsengruppe ist in axialer Richtung bewegbar gelagert und die vierte Linsengruppe ist unbeweglich in Bezug auf die anderen Linsengruppen angeordnet, wobei die beweglich gelagerte Linsengruppe derart ausgestaltet ist, dass sie zur Einstellung der Fokusposition bei konstanter Vergrößerung der Optik in axialer Richtung geeignet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform weist die zweite Linsengruppe eine positive Brechkraft, die dritte Gruppe eine negative Brechkraft und die vierte Gruppe eine positive Brechkraft auf.
Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, eine axiale Verschiebung der Fokusposition bei gleichbleibender Größe des Fokus zu ermöglichen, wobei die Position des Fokus in einem weiten Bereich verschoben werden kann. Dies ermöglicht die Nachführung des Fokus mit konstantem Durchmesser bei der Verarbeitung von Werkstücken, die nicht in einer z-Ebene liegen, also eine komplexe dreidimensionale Form haben.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die erste Linsengruppe aus 2 bis 4 Linsen besteht, die zweite Linsengruppe aus 1 oder 2 Linsen besteht, die dritte Lin- sengruppe aus 1 oder 2 Linsen besteht und die vierte Linsengruppe aus 1 bis 4 Linsen besteht.
Bevorzugt ist die Verwendung von so wenig Linsen pro Linsengruppe wie möglich. Bei der ersten Linsengruppe, dem Kollimator, ist es üblich, zur Korrektion insbesondere des Öffnungsfehlers mindestens 2 Linsen zu verwenden. Bei den übrigen drei Linsengruppen ist es möglich, jeweils nur eine Linse zu verwenden, da erfindungsgemäß die dritte Linsengruppe eine negative Brechkraft besitzt und somit zur zumindest teilweisen Korrektion des Öffnungsfehlers herangezogen werden kann.
Darüber hinaus ist auch bei den übrigen Linsengruppen die Verwendung mehrerer Linsen vorgesehen. Wenn das optische System möglichst kompakt, also mit gerin- gen Abständen zwischen den Gruppen aufgebaut wird, so werden insbesondere bei der dritten und vierten Gruppe sehr große Brechkräfte benötigt. Dies ist auch anhand der Figur 1 an der entsprechend großen Änderung des Winkels der Randstrahlen erkennbar. Die Aufteilung der Brechkraft in mehrere Linsen pro Gruppe ermöglicht dann deutlich geringere Abbildungsfehler bzw. die bessere Korrektion derselben. Daher ist auch die Verwendung von 2 Linsen in der dritten und er vierten Gruppe besonders bevorzugt. Im übrigen ändert die Verwendung von mehreren Linsen pro Gruppe nichts an der grundsätzlichen Funktionsweise der Optik, sie verbessert nur die Abbildungsqualität und ermöglicht deshalb auch besonders kleine Fokusdurchmesser des Laserstrahls.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese einen Stellmotor zur Bewegung der bewegbar angeordneten Linsengruppe auf.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die zweite Linsengruppe in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und die dritte und die vierte Gruppe fixiert sind.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Fokussie- rung eines Laserstrahls mittels einer Vorrichtung mit vier Linsengruppen wobei der Laserstrahl durch eine erste Linsengruppe kollimiert wird und der Fokus des Laserstrahl in axialer Richtung durch Verstellung einer axial bewegbaren zweiten oder dritten Linsengruppe positioniert wird, wobei die Vergrößerung der Optik nicht ver- ändert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Laserstrahlung durch die zweite Linsengruppe gebündelt, durch die dritte Gruppe gestreut und durch die vierte Gruppe wieder gebündelt.
Weiterhin ist bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Laserstrahlung bei der ersten Linsengruppe durch 2 bis 4 Linsen kollimiert wird, bei der zweiten Linsengruppe durch 1 oder 2 Linsen gebündelt wird, bei der dritten Linsengruppe durch 1 oder 2 Linsen gestreut und bei der vierten Linsengruppe durch 1 bis 4 Linsen gebündelt wird.
Zudem ist vorgesehen, dass die bewegbar angeordnete Linsengruppe durch einen Stellmotor bewegt wird.
Ein Verfahren, wonach die zweite Linsengruppe in axialer Richtung bewegt wird und die dritte und die vierte Gruppe nicht bewegt werden, ist besonders bevorzugt. Der Betrag der Brennweite der zweiten Linsengruppe ist vorzugsweise größer zu wählen als der Betrag der Brennweite der dritten Linsengruppe. Besonders bevorzugt ist es, den Brennweitenbetrag der zweiten Gruppe zwischen 1 ,5 mal und 4 mal größer zu wählen als den Brennweitenbetrag der dritten Gruppe.
Weiterhin ist bevorzugt, den Abstand zwischen der dritten Gruppe und der vierten Gruppe etwa gleich der Differenz aus den Beträgen der Brennweiten von vierter und dritter Gruppe zu wählen.
Es ergibt sich dann für die Gesamtvergrößerung der Optik folgender Zusammenhang:
Figure imgf000006_0001
)
Dabei ist M die Vergrößerung, fi die Brennweite der ersten Linsengruppe (Kollimator), f2 die Brennweite der zweiten (verstellbaren) Linsengruppe, f3 die Brennweite der dritten Linsengruppe, f4 die Brennweite der vierten Linsengruppe.
Für den Verstellbereich des Laserstrahlfokus in Abhängigkeit von dem Verstellbe- reich der Linsengruppe 2 ergibt sich folgender Zusammenhang:
(Verstellbereich Fokus) = ( f4 / f3 )2 * (Verstellbereich Gruppe 2 )
Somit kann durch geeignete Wahl der Brennweiten der einzelnen Linsengruppen sowohl die Vergrößerung der Optik als auch der Verstellbereich des Laserstrahlfokus auf die gewünschten Werte eingestellt werden.
Die sich ergebenden Vorteile sind: der Kollimator (Gruppe 1) kann zur Änderung der Vergrößerung des optischen Systems leicht ausgetauscht werden; ebenso die Fo- kussierung (Gruppe 4). Ferner ist bei einer geeigneten Wahl der Brechkräfte und der Abstände der Gruppen 2 bis 4 eine Verstellung der Fokusposition bei gleich bleibender Fokusgröße bzw. Vergrößerung möglich.
Die erfindungsgemäße Lösung weist den Vorteil auf, dass lediglich nur eine Linse oder Linsengruppe verschoben werden muss, um die Aufgabe zu lösen. In der DE 198 25 092 C2 ist in allen offenbarten optischen Systemen die Beweglichkeit mehrer Linsen oder gekoppelter Linsen notwendig.
Im Übrigen ist das optische System der DE 198 25 092 C2 nicht zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe der vorliegenden Erfindung geeignet, da damit ledig- lieh in einer Fokusebene eine Änderung der Vergrößerung des Fokus ermöglicht wird.
Die DE 198 25 092 C2 gibt aufgrund der vollkommen anderen Anwendung des offenbarten Systems auch keine Hinweise auf die mit dieser Erfindung offenbarten Lösung, denn innerhalb eines mehrlinsigen (oder mehrgruppigen) Systems ist für einen Fachmann nicht offensichtlich erkennbar, welche Effekte durch eine Änderung der Brechkraft und beweglichen Anordnung einer einzelne Linse (oder Gruppe) erzielt werden. Durch derartige Änderungen eines optischen Systems ändert man damit eigentlich fast immer mehrere optische Parameter gleichzeitig, also z.B. Vergrößerung und Fokusabstand. Man braucht dann in der Regel eine zweite Linse (oder Gruppe), die man zusätzlich verschiebt, und zwar meist in einem hochgradig nichtlinearen Zusammenhang zur Bewegung der ersten Linse, um zu erreichen, dass sich nur der gewünschte Parameter ändert und alle anderen unverändert bleiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden bevorzugt im Zusammenhang mit sehr absorptionsarmem Linsenmaterial, wie beispielsweise Quarz, insbesondere in einer hochreinen Form, oder auch Zinksulfid verwendet.
Weiterhin sind Verfahren und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für Hochleistungsfestkörperlaser, insbesondere Faser-, Scheiben- und Diodenlaser sowie Nd.ΥAG-Laser mit Leistungen oberhalb 500 W, bevorzugt oberhalbiOOO W vorgesehen.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung wird anhand der Figur 1 näher beschrieben; es zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung der Erfindung in der
Ausführungsform mit zweiter Linsengruppe als bewegliches Teilsystem.
Erfindungsgemäß ist danach - wie aus der Figur 1 ersichtlich - eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Optik vorgesehen, die in 4 Linsengruppen 21 bis 24 gegliedert ist.
Mindestens ein Teil des optischen Systems, das zur Abbildung der Laserstrahlung dient, ist mittels einer Linearführung 31 in Richtung der optischen Achse bewegbar gelagert. Das bewegliche Teilsystem wird von einem Stellmotor 30 angetrieben. Der bewegbare Teil des optischen Systems, in Fig. 1 ist dies beispielsweise die zweite Linsengruppe 22, kann eine einzelne Linse oder eine Gruppe von Linsen sein. Durch die Verstellung der bewegbaren Linsengruppe wird der Laserstrahlfokus in z- Richtung, d.h. in Richtung der Strahlachse verstellt. Auf diese Weise steht einem Handhabungssystem (Führungsmaschine oder Roboter) dann eine zusätzliche Be- wegungsachse zu Verfügung. Die Zusatzachse dient damit zur gezielten Verstellung der Fokusposition in Richtung der Strahlachse.
Die Optik ist aus insgesamt vier Gruppen aufgebaut. Der aus der Lichtleitkabelspitze 10 austretende divergente Laserstrahl 11 trifft auf die erste Gruppe 21 des optischen Systems. Die erste Gruppe 21 (in Strahlrichtung) ist eine Gruppe mit positiver Brechkraft, bestehend aus 2 bis 4 Linsen (bevorzugt 2), die die Funktion eines Kollimators hat, wonach der Strahl 12 also kollimiert ist, d.h. annähernd parallel verläuft. Die zweite Gruppe 22 hat ebenfalls eine positive Brechkraft und besteht aus 1 oder 2 Linsen (bevorzugt 1 Linse). Aufgrund der positiven Brechkraft der zweiten Gruppe verläuft der Strahl nun konvergent. Es schließt sich eine dritte Gruppe 23 an mit negativer Brechkraft, bestehend aus 1 oder 2 Linsen, wonach der Strahl nun divergent verläuft, d.h. aufgeweitet wird. Schließlich folgt die vierte Gruppe 24 mit insgesamt positiver Brechkraft, bestehend aus 1 bis 4 Linsen, die den Strahl endgültig fokussiert. Die Position des Laserstrahlfokus kann vom minimalen Abstand 15 zur Optik bis zum maximalen Abstand 16 kontinuierlich variiert werden. Zur Verstel- lung der Fokusposition ist entweder die zweite Gruppe 22 oder die dritte Gruppe 23 beweglich gelagert, bevorzugt die zweite Gruppe 22. Bezugszeichenliste
10 Lichtleitfaserspitze
11 divergenter Laserstrahl 12 kollimierter Laserstrahl
15 Laserstrahlfokus bei minimalem Fokus-Abstand
16 Laserstrahlfokus bei maximalem Fokus-Abstand
17 Verstellbereich des Laserstrahlfokus 21 erste Linsengruppe (Kollimator) 22 zweite Linsengruppe
23 dritte Linsengruppe
24 vierte Linsengruppe
25 Abstand zwischen dritter und vierter Linsengruppe 30 Stellmotor 31 Linearführung
32 Schlitten
33 Verstellbereich der bewegbaren Linsengruppe

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls mittels einer Optik, die vier Linsengruppen aufweist, wobei die erste Gruppe die Laserstrahlung kolli- miert, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite oder die dritte Linsen-
■ gruppe in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und die vierte Linsengruppe unbeweglich in Bezug auf die anderen Linsengruppen angeordnet ist, wobei die beweglich gelagerte Linsengruppe derart ausgestaltet ist, dass sie zur Einstellung der Fokusposition bei konstanter Vergrößerung der Optik in axialer Richtung geeignet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lin- sengruppe eine positive Brechkraft, die dritte Gruppe eine negative Brechkraft und die vierte Gruppe eine positive Brechkraft besitzt.
3. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linsengruppe aus 2 bis 4 Linsen besteht, die zweite Linsengruppe aus 1 oder 2 Linsen besteht, die dritte Linsengruppe aus 1 oder 2 Linsen besteht und die vierte Linsengruppe aus 1 bis 4 Linsen besteht.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Stellmotor zur Bewegung der bewegbar angeordneten Linsengruppe aufweist.
5. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsengruppe in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und die dritte und die vierte Gruppe fixiert sind.
6. Verfahren zur Fokussierung eines Laserstrahls mittels einer Vorrichtung mit vier Linsengruppen wobei der Laserstrahl durch eine erste Linsengruppe kol- limiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus des Laserstrahl in axialer Richtung durch Verstellung einer axial bewegbaren zweiten oder dritten Linsengruppe positioniert wird, wobei die Vergrößerung der Optik nicht verändert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung durch die zweite Linsengruppe gebündelt wird, durch die dritte Gruppe gestreut wird und durch die vierte Gruppe gebündelt wird.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung bei der ersten Linsengruppe durch 2 bis 4 Linsen kollimiert wird, bei der zweiten Linsengruppe durch 1 oder 2 Linsen gebündelt wird, bei der dritten Linsengruppe durch 1 oder 2 Linsen gestreut und bei der vierten Linsengruppe durch 1 bis 4 Linsen gebündelt wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbar angeordnete Linsengruppe durch einen Stellmotor bewegt wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsengruppe in axialer Richtung bewegt wird und die dritte und die vierte Gruppe nicht bewegt werden.
11. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 für die Modifikation von Werkstücken, insbesondere dem Fügen, Beschichten oder
Trennen von Werkstücken.
PCT/DE2007/001511 2006-08-18 2007-08-20 Verfahren und vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung WO2008019681A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006039151 2006-08-18
DE102006039151.9 2006-08-18

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