Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahlung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahlung mit einem Strahlteiler zur Erzeugung von zumindest zwei im Wesentlichen parallelen Teilstrahlen und mit zumindest einer Fokussieroptik zum Fokussieren jedes Teilstrahls in eine gemeinsame Fokussierebene, wobei im Strahlengang von zumindest zwei Teilstrahlen ein Reflektor zur Umlenkung des jeweiligen Teilstrahls in eine gemeinsame Ebene parallel zu der Fokussierebene in Richtung auf einander gegenüberliegende, zwischen den Reflektoren angeordnete Umlenkflächen angeordnet ist und wobei die Umlenkflächen jeweils gegenüber der Fokussierebene um einen Winkel von 45° geneigt angeordnet sind.

Eine solche Vorrichtung dient in der Praxis der zeitgleichen, beispielsweise parallelen, Bearbeitung des Werkstücks mittels paralleler Teilstrahlen. Bei einer einfachen Bauform wird als Strahlteiler ein teildurchlässiger Spiegel eingesetzt, dem im Strahlengang zumindest eines Teilstrahls ein Reflektor nachgeordnet ist, um so einen parallelen Strahlengang zu erzeugen. Mittels einer Fokussieroptik wird jeder Teilstrahl in eine gemeinsame Fokussierebene auf das Werkstück fokussiert.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise durch die US 61 03 990 A bekannt. Weiterhin sind Vorrichtungen mit einem Strahlteiler auch in der EP 06 24 424 A1 sowie in der US 69 27 109 B1 beschrieben.

Als problematisch erweist sich in der Praxis die gewünschte, insbesondere stufenlose, Einstellbarkeit des Abstands der Teilstrahlen. Hierzu kann der Reflektor gegenüber dem Strahlengang des anderen Teilstrahls verfahrbar ausgeführt sein, um so den gewünschten Abstand zu erzeugen.

Als nachteilig erweist sich bei diesem Lösungsvorschlag die mit der Abstandsänderung zugleich verbundene änderung der Mittellage der beiden Teilstrahlen, die durch eine überlagerte Bewegung der gesamten Vorrichtung ausgeglichen werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur änderung des Abstandes der Teilstrahlen zu schaffen und dabei eine änderung der Fokussier- ebene aufgrund der Abstandsänderung der parallelen Teilstrahlen zu vermeiden, sodass der Steuerungsaufwand gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei welcher die den jeweiligen Teilstrahlen zugeordneten Umlenkflächen relativ zu dem jeweiligen Reflektor senkrecht zur Fokussierebene beweglich angeordnet sind. Hierdurch wird es in überraschend einfacher Weise möglich, den Abstand der beiden äußeren Teilstrahlen, insbesondere stufenlos und nahezu unbegrenzt, zu verändern, ohne dass damit zugleich eine änderung der Fokussierebene verbunden ist, sodass insbesondere eine zeitgleiche Nachführung der Vorrichtung relativ zu dem Werkstück entbehrlich ist. Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass die parallelen Teilstrahlen zunächst mittels des jeweiligen Reflektors um 90° in eine gemeinsame Ebene umgelenkt werden und anschließend durch Umlenkung an der um 45° geneigten Umlenk- fläche erneut um 90° auf die Fokussierebene umgelenkt werden, sodass die Parallelität wiederhergestellt ist. Der Erfindungsgedanke liegt nun darin, dass der Reflektor gemeinsam mit der jeweiligen Fokussieroptik senkrecht zu der Fokussierebene verfahrbar ist, sodass der Strahlweg zwischen dem Reflektor und einem Umlenkpunkt auf der Umlenkfläche verändert werden kann. Zugleich ändert sich dadurch auch der

Strahlweg zwischen dem Umlenkpunkt auf der Umlenkfläche und der Werkstückebene um denselben Betrag, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen, sodass der Strahlweg und damit die Fokussierebene unverändert sind.

5 Die Fokussieroptik jedes Teilstrahls kann dabei im Strahlengang vor oder hinter dem Reflektor angeordnet sein, wobei der Abstand der Umlenkflächen relativ zu dem Werkstück zur Anpassung der Fokuslage justierbar sein könnte. Besonders zweckmäßig ist hingegen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Umlenkflächen relativ zu einer Werkstückaufnahme unbeweglich ausgeführt sind, sodass während o der Bearbeitung des Werkstücks keine Veränderung der Fokussierebene auftritt.

Die Umlenkflächen könnten als separate Bauelemente unabhängig voneinander ausgeführt und gegebenenfalls justierbar sein. Besonders einfach ist jedoch eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, bei der die Umlenkflächen als Außenflä- 5 chen eines gemeinsamen Umlenkelements, insbesondere eines 90°-Ablenkprismas ausgeführt sind, um so eine unveränderliche Relativposition der Umlenkflächen sicherzustellen, die dabei zueinander einen Winkel von 90° einschließen. Zugleich wird der konstruktive Aufwand zur Herstellung der Vorrichtung reduziert.

o Der Abstand der Fokussieroptik und des Reflektors im Strahlengang jedes Teilstrahls ist grundsätzlich unveränderlich, wobei eine Justierbarkeit vorgesehen sein kann. Besonders sinnvoll ist es dabei, wenn die den beiden Teilstrahlen jeweils zugeordnete Fokussieroptik und der Reflektor als eine mittels eines Antriebs bewegliche Baueinheit ausgeführt sind, um so den konstruktiven Aufwand zu vermeiden. Selbstver- 5 ständlich ist dabei in Anwendung einer kinematischen Umkehrung eine Abwandlung nicht ausgeschlossen, bei welcher die Umlenkflächen gemeinsam mit der Werkstückaufnahme eine bewegliche, insbesondere senkrecht zu der Fokussierebene verfahrbare Einheit bilden.

o Durch eine unabhängige Bewegung der Reflektoren jedes Teilstrahls kann bedarfsweise lediglich der Abstand eines einzigen Teilstrahls gegenüber einer Mittellage verändert werden. Sofern bei jedem der vorgesehenen Einsatzzwecke die Einhaltung der unveränderlichen Mittellage zwischen den Teilstrahlen erwünscht ist, lässt sich eine besonders praxisgerechte Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreichen, dass

die beiden Fokussieroptiken und die beiden Reflektoren der beiden Teilstrahlen mittels eines Antriebs gemeinsam beweglich ausgeführt sind.

Eine andere vorteilhafte Abwandlung der Erfindung wird erreicht, indem die den Teil- strahlen jeweils zugeordnete Fokussieroptik und der jeweils zugeordnete Reflektor relativ zueinander beweglich, insbesondere einstellbar ausgeführt sind, um so eine änderung der Fokussierebene einstellen zu können. Hierdurch könnte beispielsweise eine unebene, wellige Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks problemlos ausgeglichen werden. Hierzu können die den Teilstrahlen zugeordneten Fokussieropti- ken unabhängig oder gemeinsam relativ zu den Reflektoren beweglich angeordnet sein.

Bei einer speziellen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung hat die Fokussieroptik eine Fokussierlinse, insbesondere eine Plankonvexlinse und gestattet so einen kos- tengünstigen Aufbau.

Weiterhin erweist es sich als zweckmäßig, wenn im Strahlengang vor dem einen Polarisator aufweisenden Strahlteiler ein Verzögerungsplättchen angeordnet ist. Beispielsweise kann im Strahlengang vor dem Strahlteiler ein λ/4-Plättchen zur Erzeu- gung zirkulär polarisierten Lichts angeordnet sein, um so im Wesentlichen gleiche Leistungsanteile beider Teilstrahlen sicherzustellen. Hierdurch wird zunächst mittels des im Strahlengang vor dem Strahlteiler angeordneten λ/4-Plättchens zirkulär polarisiertes Licht erzeugt, so dass eine gleichmäßige Verteilung des Lichtes aufgrund der mittels des optischen Elements erzeugbaren Aufspaltung in die beiden Teilstrah- len sichergestellt werden kann. Die Strahlaufspaltung erfolgt dabei praxisgerecht dadurch, dass der Strahlteiler einen Polarisator aufweist.

Eine andere ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung wird dann erreicht, wenn die Laserstrahlung mittels eines Prismas, beispielsweise Wollaston- Prismas, in zwei divergierende Teilstrahlen aufgeteilt wird. Im Strahlengang beider Teilstrahlen ist hierbei ein weiteres Prisma derart angeordnet, dass die divergierenden Strahlen aus dem Prisma jeweils als parallele Teilstrahlen austreten. Der Abstand der parallelen Teilstrahlen ist nun durch den veränderlichen Abstand des Prismas gegenüber dem Wollaston Prisma einstellbar.

Eine andere mögliche Variante ergibt sich, wenn der Strahlteiler ein diffraktives optisches Element aufweist, das es ermöglicht einen eingekoppelten Strahl beliebig, in diesem Fall auf zwei gleiche Zweige, aufzuteilen.

Die Leistungsanteile der beiden Teilstrahlen sind dabei einstellbar ausgeführt, um so insbesondere eine übereinstimmung sicherstellen zu können.

Zudem ist es besonders praxisgerecht, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung eines zu den beiden äußeren Teilstrahlen parallelen dritten Teilstrahls ausgeführt ist, der zu diesen gleich beabstandet ist, um so die Bearbeitung des Werkstücks mittels der drei Teilstrahlen zu vereinfachen.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutli- chung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipskizze

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels zwei paralleler Teilstrahlen;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels drei paralleler Teilstrahlen.

Figur 1 zeigt in einer Prinzipskizze eine Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werk- Stücks 2 mittels zwei paralleler Teilstrahlen 3, 4 einer Laserstrahlung 5. Hierzu wird die Laserstrahlung 5 mittels eines als ein Polarisator ausgeführten optischen Elementes 6, dem ein λ/4-Plättchen 7 zur Erzeugung zirkulär polarisierten Lichts vorgeschaltet ist, in die beiden Teilstrahlen 3, 4 gleicher Leistungsdichte aufgespaltet. In dem Strahlengang jedes Teilstrahls 3, 4 ist ein Reflektor 8, 9 angeordnet, durch den der jeweilige Teilstrahl 3, 4 in eine gemeinsame Ebene 10 parallel zu einer mit der Oberfläche des Werkstücks 2 übereinstimmenden Fokussierebene 11 in Richtung aufeinander gegenüberliegende Umlenkflächen 12, 13 eines gemeinsamen Umlenkelements 14 abgelenkt wird. Die Umlenkflächen 12, 13 sind jeweils gegenüber der Fokussierebene 11 um einen Winkel ß = 45° geneigt angeordnet, so dass die Teil-

strahlen 3, 4 parallel auf das Werkstück 2 fokussiert werden. Um den Abstand A-i, A ₂ der parallelen Teilstrahlen 3, 4 auf dem Werkstück 2 ohne eine änderung der Fokus- sierebene 11 zu erreichen, ist eine im Strahlengang jedes Teilstrahls 3, 4 angeordnete Fokussieroptik 15, 16 gemeinsam mit dem jeweiligen Reflektor 8, 9 desselben Teilstrahls 3, 4 relativ zu der Umlenkfläche 12, 13 senkrecht zur Fokussierebene 11 aus der dargestellten Position yi in eine gestrichelt dargestellte Position y ₂ um den Differenzbetrag δy vertikal beweglich angeordnet. Der Abstand Ai, A ₂ der Teilstrahlen 3, 4 verändert sich dadurch um den Differenzbetrag δx gegenüber einer Mittellage 17 zwischen den Teilstrahlen 3, 4. Aufgrund der Neigung der Umlenkflächen 12, 13 um einen Winkel ß = 45° und den zwischen ihnen eingeschlossenen Winkel α = 90° stimmen somit δy und δx überein, so dass der Arbeitsabstand unabhängig von der Position yi, y ₂ unverändert ist. Die Fokussieroptik 15, 16 und der Reflektor 8, 9 sind zueinander unbeweglich, wobei beide Teilstrahlen 3, 4 mittels eines nicht dargestellten Antriebs gemeinsam beweglich ausgeführt sind.

Demgegenüber zeigt Figur 2 eine Vorrichtung 18 zur Bearbeitung eines Werkstücks 2 mittels der bereits in Figur 1 dargestellten Teilstrahlen 3, 4 sowie eines dritten, zu den Teilstrahlen 3, 4 parallelen Teilstrahls 19. Hierzu wird die Laserstrahlung 5 mittels des optischen Elementes 6 in die drei Teilstrahlen 3, 4, 19 gleicher Leistungs- dichte aufgespalten. Die in dem Strahlengang des Teilstrahls 19 angeordnete Fokussieroptik 20 ist dabei unabhängig von der den Teilstrahlen 3, 4 jeweils zugeordneten Fokussieroptik 15, 16 beweglich. Diese Beweglichkeit dient grundsätzlich lediglich der gegebenenfalls erforderlichen änderung des Fokusabstandes. Dabei bildet der Teilstrahl 19 zugleich die Symmetrieachse der äußeren Teilstrahlen 3, 4, sodass der jeweilige Abstand A ₃ , A ₄ der äußeren Teilstrahlen 3, 4 von dem Teilstrahl 19 unabhängig von dem eingestellten Strahlabstand übereinstimmt. Dabei sind die Umlenkflächen 12, 13 zueinander beabstandet, sodass der Teilstrahl 19 durch eine Ausnehmung 21 in dem Umlenkelement 14 zwischen den Umlenkflächen 12, 13 ungehindert auf das Werkstück 2 in der Fokussierebene 11 gelangt.