unterschiedlicher Leistung und Brillanz

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen entweder einer ersten Ausgangslaserstrahlung mit geringerer Leistung und höherer Brillanz oder einer zweiten Ausgangslaserstrahlung mit höherer Leistung und geringerer Brillanz.

Werkstücke aus Baustahl (z.B. S235) mit großen Werkstückdicken (> 5mm) werden im Allgemeinen durch Laserbrennschneiden, also unter Hinzugabe von Sauerstoff, geschnitten. Ein effizienter Brennschnitt in solchen Baustahl-Blechen benötigt eine hohe Laserleistung bei schlechter Strahlqualität (Strahlparameter- Produkt >16 mrr mrad). Werkstücke, vor allem aus Edelstahl oder Aluminium, mit kleiner Werkstückdicke (< 5mm) werden hingegen durch Laserschmelzschneiden geschnitten, also mit Stickstoff oder Argon als Schneidgas, das mit Drücken zwischen 2 und 20 bar durch die Schnittfuge getrieben wird.

Die gegenwärtige Entwicklung von dicht-wellenlängengekoppelten, DWM(Dense Wavelength Multiplexing)-Diodenlasern zum Laserschneiden zielt auf eine hohe Laserausgangsleistung bei bestmöglicher Strahlqualität (Strahlparameterprodukt < 4mm*mrad) ab, was für den Laser-Schmelzschnitt (von Edelstahl-Blechen sehr gut geeignet, aber weniger optimal für den Brennschnitt in Baustahl-Blechen ist.

DWM-Diodenlaser sind beispielsweise aus US 6,192,062 B1 , US 6,208,679 B1 , US 6,327,292 B1 , US 9,306,369 B2, US 9,391 ,713 B2, US 2016/0336714 A1 ,

WO 2016/062758 A1und DE 10 2011 003 142 A1 bekannt.

Aus US 2013/0215914 A1 ist ein Aufbau bekannt, bei dem ein Faserlaser mit guter Strahlqualität und ein Festkörperlaser mit schlechter Strahlqualität für die Bearbeitung verwendet werden. Die vom Faserlaser erzeugte erste Eingangslaserstrahlung wird nur in den Faserkem und die vom Festkörperlaser erzeugte zweite Eingangslaserstrahlung in den Faserkern und den Fasermantel einer Transportfaser eingekoppelt, und beide werden gemeinsam als ein Ausgangslaserstrahl ausgekoppelt.

Aus EP 1 848 074 A1 ist weiterhin eine Laserquelle bekannt, bei der die Pumpstrahlung derart gesteuert wird, dass sie entweder auf einem Absorptionsmaximum eines aktiven Mediums liegt und die Ausgangsiaserstrahlung hauptsächlich durch das aktive Medium bereitgestellt wird und eine gute Strahlqualität aufweist oder aber außerhalb der Absorption des aktiven Mediums liegt und die Ausgangslaserstrahlung hauptsächlich durch die Pumpquelle bereitgestellt wird und eine schlechte Strahlquaiität aufweist.

Aus US 8,008,600 B2 ist schließlich eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem Faserlaser bekannt, wobei sowohl die vom Faserlaser erzeugte Eingangslaserstrahlung als auch die im Faserlaser nicht absorbierte Pumplaserstrahlung in eine T ransportfaser eingekoppelt und für die Bearbeitung gemeinsam als ein Ausgangslaserstrahl ausgekoppelt werden.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen entweder einer ersten Ausgangslaserstrahlung mit geringerer Leistung und höherer Brillanz oder einer zweiten Ausgangslaserstrahlung mit höherer Leistung und geringerer Brillanz anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung, aufweisend eine erste Diodenlasereinheit zum Erzeugen einer ersten Eingangslaserstrahlung mit höherer Brillanz, insbesondere durch dichte Wellenlängenkopplung mehrerer Diodenlaserstrahlen der ersten Diodenlasereinheit, eine zweite Diodenlasereinheit zum Erzeugen einer zweiten Eingangslaserstrahlung mit geringerer Brillanz, insbesondere durch geometrische Überlagerung mehrerer Diodenlaserstrahlen der zweiten Diodenlasereinheit, eine optische Faser in Form einer Doppel- oder Mehrfachkernfaser mit mindestens einem ersten und zweiten Faserkern oder in Form einer Gradientenindexfaser, und mindestens ein optisches Element zur Einkopplung der ersten Eingangslaserstrahlung in den ersten Faserkern und der zweiten Eingangslaserstrahlung in den zweiten Faserkern der Doppel- oder Mehrfachkemfaser oder zur Einkopplung der ersten Eingangslaserstrahlung in einen ersten Bereich und der zweiten Eingangslaserstrahlung in einen zweiten Bereich der Gradientenindexfaser, so dass die erste Eingangslaserstrahlung als eine erste Ausgangslaserstrahlung und die erste und zweite Eingangslaserstrahlung als eine zweite Ausgangslaserstrahlung aus einem Faserende der optischen Faser ausgekoppelt werden.

Die Diodenlasereinheiten können jeweils mehrere Diodenlasermodule umfassen. Dabei kann ein Diodenlasermodul einen oder mehrere Singleemitter, oder einen oder mehrere Diodenbarren mit mehreren Emittern aufweisen. Die Singleemitter oder Diodenbarren sind in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet, wobei das Array aus einem vertikalen und/oder horizontalen Stack von Singleemittern oder Diodenbarren besteht. Erfindungsgemäß ist die erste Diodenlasereinheit ein dichtwellenlängengekoppelter DWM-Diodenlaser und die zweite Diodenlasereinheit ein Diodenlaser mit nied- riger Strahlqualität. Durch Einkoppeln der von der zweiten Diodenlasereinheit erzeugten zweiten Eingangslaserstrahlung in den zweiten Faserkern steht für den Brennschnitt eine höhere Laserleistung zur Verfügung. Die höhere Laserausgangsleistung ermöglicht einen höheren Vorschub, und größere Blechstärken können getrennt werden. Die reduzierte Strahlqualität (ca. 16 mm*mrad) führt beim Brennschnitt zu einer besseren Schnittkantenqualität. Beim Schneiden dün nerer Werkstücke ist die benötigte Laserleistung geringer. Die zweite Diodenlasereinheit kann daher abgeschaltet und die Maschine energieeffizient betrieben werden.

Erfindungsgemäß wird also folgende Grundidee verfolgt:

Die Laserleistung des nicht-wellenlängengekoppelten (nicht-DWM)-Eingangs- laserstrahls wird in reduzierter Strahlqualität der Laserleistung des dichtwellenlängengekoppelten DWM-Strahls hinzugefügt, was insgesamt zu einer höheren Ausgangsleistung und zu einer geringeren Strahlqualität des Ausgangs laserstrahls führt und sich insbesondere beim Brennschneiden von Werkstücken mit großer Dicke vorteilhaft sowohl auf die Schneidgeschwindigkeit als auch auf die Schnittkantenqualität auswirkt.

Im Fall einer Doppel- oder Mehrfachkernfaser sind besonders bevorzugt der erste Faserkem als ein innerer Faserkern und der zweite Faserkern als ein äußerer Faserkern, der den inneren Faserkern ringförmig umgibt, ausgebildet. Somit wird die erste Eingangslaserstrahlung in den inneren Faserkern und die zweite Eingangslaserstrahlung in den äußeren Faserkern eingekoppelt.

Das mindestens eine optische Element, z.B. eine gemeinsame Linse oder jeweils eine Linse für die beiden Eingangslaserstrahlungen kann weiterhin ausgebildet sein, die erste und zweite Eingangslaserstrahlung unter einem unterschiedlichen Einkoppelwinkel und/oder mit unterschiedlicher Divergenz in die optische Faser einzukoppeln. Wie Versuche gezeigt haben, sollte für die Dünn- und Dickblechbearbeitung die erste Eingangslaserstrahlung ein Strahlparameterprodukt von höchstens 4 mrrfmrad und die zweite Eingangslaserstrahlung ein Strahlparameterprodukt von mindestens 16 mrrfmrad aufweisen.

Vorzugsweise ist im Strahlengang der ersten und zweiten Ausgangslaserstrahlung eine Fokussiereinrichtung angeordnet, welche die erste und zweite Ausgangslaserstrahlung in eine Fokusebene fokussiert. Wie Versuche gezeigt haben, sollte für die Dünn- und Dickblechbearbeitung der Fokusdurchmesser der ersten Ausgangsstrahlung in der Fokusebene zwischen 30 pm und 500 pm und der Fokusdurchmesser der zweiten Ausgangsstrahlung in der Fokusebene zwischen 700 pm und 900 pm liegen.

Der Wellenlängenbereich der zweiten Eingangslaserstrahlung liegt bevorzugt außerhalb des Wellenlängenbereichs der ersten Eingangslaserstrahlung, also beispielsweise die erste Eingangslaserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 900 nm bis 950 nm und die zweite Eingangslaserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 960 nm und 965 nm.

Vorteilhaft ist im Strahlengang der ersten und zweiten Eingangslaserstrahlungen zwischen der ersten Diodenlasereinheit und der zweiten Diodenlasereinheit einerseits und der optischen Faser andererseits eine Kopplungsoptik angeordnet, die die erste Eingangslaserstrahlung und zweite Eingangslaserstrahlung überlagert. Die Kopplungsoptik kann beispielsweise ein wellenlängenselektiver Spiegel (Vielschichtspiegel) sein, der durchlässig für die erste Eingangslaserstrahlung und reflektierend für die zweite Eingangslaserstrahlung ausgebildet ist, oder umgekehrt. Hierfür müssen die beiden Diodenlasereinheiten in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren. Alternativ können die beiden Eingangslaserstrahlungen auch über die Polarisation gekoppelt werden. In diesem Fall ist die Kopplungsoptik als Polarisationsstrahlenteiler ausgebildet, der für die Polarisationsrichtung der ersten Eingangslaserstrahlung reflektiv und für die Polarisationsrichtung der zweiten Eingangslaserstrahlung transmissiv ist, oder umgekehrt. Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Erzeugen entweder einer ersten Ausgangslaserstrahlung mit geringerer Leistung und höherer Brillanz oder einer zweiten Ausgangslaserstrahlung mit höherer Leistung und geringerer Brillanz für die Lasermaterialbearbeitung, mit den Schritten:

Erzeugen einer ersten Eingangslaserstrahlung mit höherer Brillanz durch dichte Wellenlängenkopplung mehrerer Diodenlaserstrahlen,

Erzeugen einer zweiten Eingangslaserstrahlung mit geringerer Brillanz durch geometrische Überlagerung mehrerer Diodenlaserstrahlen, und

Einkoppeln der ersten Eingangslaserstrahlung in einen ersten Faserkern und der zweiten Eingangslaserstrahlung in einen zweiten Faserkern einer als Doppel- oder Mehrfachkernfaser ausgebildeten optischen Faser oder Einkoppeln der ersten Eingangslaserstrahlung in einen ersten Bereich und der zweiten Eingangslaserstrahlung in einen zweiten Bereich einer als Gradientenindexfaser ausgebildeten optischen Faser,

Erzeugen der ersten Ausgangslaserstrahlung durch Auskoppeln der eingekoppelten ersten Eingangslaserstrahlung aus einem Faserende der optischen Faser, und Erzeugen der zweiten Ausgangslaserstrahlung durch gemeinsames Auskoppeln der eingekoppelten ersten und zweiten Eingangslaserstrahlung aus dem Faserende der optischen Faser.

Bevorzugt werden mit der ersten Ausgangslaserstrahlung dünne Werkstücke mit einer Biechstärke von kleiner 5 mm und mit der zweiten Ausgangslaserstrahlung dicke Werkstücke, insbesondere Baustahlbleche, mit einer Blechstärke von größer 5 mm geschnitten.

In einer bevorzugten Verfahrensvariante werden die erste und zweite Ausgangslaserstrahlung in eine Fokusebene fokussiert, wobei in der Fokusebene der Fokusdurchmesser der ersten Ausgangsstrahlung zwischen 30 pm und 500 pm und der Fokusdurchmesser der zweiten Ausgangsstrahlung zwischen 700 pm und 900 pm liegt. In einer alternativen Verfahrensvariante werden die erste und zweite Ausgangslaserstrahlung so fokussiert, dass die Position ihrer Fokuspunkte in Strahlausbreitungsrichtung in zwei unterschiedlichen Fokusebenen liegt. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen 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:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von unterschiedlicher Laserstrahlung für die Lasermaterialbearbeitung; Fign. 2a, 2b die eingangsseitige Stirnseite einer Doppelkernfaser (Fig. 2a) und einer Gradientenindexfaser (Fig. 2b).

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Erzeugung von unterschiedlicher Laserstrahlung für die Lasermaterialbearbeitung, um beispielsweise Bleche unterschiedlicher Blechstärke zu bearbeiten.

Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Diodenlasereinheit 2 zum Erzeugen einer ersten Eingangslaserstrahlung 3 mit höherer Brillanz, eine zweite Diodenlaserein heit 4 zum Erzeugen einer zweiten Eingangslaserstrahlung 5 mit geringerer Brillanz, eine optischen Faser in Form einer Doppelkernfaser 6 mit einem inneren Faserkern 7 und mit einem den inneren Faserkern 7 ringförmig umgebenden äußeren Faserkern 8 (Fig. 2a), sowie jeweils eine erste Linse 9 zur Einkopplung der ersten Eingangslaserstrahlung 3 in den inneren Faserkern 7 und der zweiten Eingangslaserstrahlung 5 in den äußeren Faserkern 8 an einem Faserende 6a der Doppelkemfaser 6. Die Einkopplung der Eingangslaserstrahlung 3, 5 in die Doppelkernfaser 6 kann auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise mit Hilfe von weiteren optischen Fasern, in die die Eingangslaserstrahlung 3 bzw. 5 der Diodenlasereinheiten 2, bzw. 4 jeweils eingekoppelt werden und die an die Doppelkemfa- ser 6 an den inneren und äußeren Faserkem 7, 8 angespleißt werden und somit als optisches Element zur Einkopplung anzusehen sind. Die Einkopplung der zweiten Eingangslaserstrahlung kann auch an anderer Stelle als am Faserende 6a der Doppelkernfaser erfolgen.

Wie in Fig. 2a angedeutet ist, wird im hier gezeigten Beispiel am eingangsseitigen Faserende 6a die erste Eingangslaserstrahlung 3 nur in den inneren Faserkern 7 und die zweite Eingangslaserstrahlung 5 nur in den äußeren Faserkern 8 einge- koppelt. Die beiden Linsen 9 können ausgebildet sein, die erste und zweite Eingangslaserstrahlung 3, 5 unter unterschiedlichen Einkoppelwinkeln und/oder mit unterschiedlicher Divergenz in die Doppelkernfaser 6 einzukoppeln.

Die beiden Diodenlasereinheiten 2, 4 können jeweils mehrere Diodenlasermodule umfassen, die wiederum einen oder mehrere Singleemitter, oder einen oder meh- rere Diodenbarren mit mehreren Emittern aufweisen. Die einzelnen Emitter bilden eine Laserquelle, dabei können die Singleemitter oder Diodenbarren in einem ein- und oder zweidimensionalen Array angeordnet sein. Das Array besteht aus einem vertikalen oder horizontalen Stack von Singleemittern oder Diodenbarren. Die erste Diodenlasereinheit 2 erzeugt die erste Eingangslaserstrahlung 3 mit der höheren Brillanz durch dichte Wellenlängenkopplung mehrerer Diodenlaserstrahlen 10 der ersten Diodenlasereinheit 2, und die zweite Diodenlasereinheit 4 erzeugt die zweite Eingangslaserstrahlung 5 mit der geringeren Brillanz durch geometrische Überlagerung mehrerer Diodenlaserstrahlen 11 der zweiten Diodenlasereinheit 4. Beispielsweise kann die erste Eingangslaserstrahlung 3 ein Strahlparameterprodukt von höchstens 4 mm ^* mrad und die zweite Eingangslaserstrahlung 5 ein Strahlparameterprodukt von mindestens 16 mtr mrad aufweisen. Vorzugsweise liegt der Wellenlängenbereich der zweiten Eingangslaserstrahlung 5 außerhalb des Wellenlängenbereichs der ersten Eingangslaserstrahlung 3, also beispielsweise liegt die erste Eingangslaserstrahlung 3 in einem Wellenlängenbereich von 900 nm bis 950 nm und die zweite Eingangslaserstrahlung 5 in einem Wellenlängenbereich von 960 nm bis 965 nm.

Im Strahlengang der ersten und zweiten Eingangslaserstrahlungen 3, 5 ist zwischen der ersten und der zweiten Diodenlasereinheit 2, 4 einerseits und der Dop- pelkemfaser 6 andererseits eine Kopplungsoptik 12 angeordnet, welche die erste und zweite Eingangslaserstrahlung 3, 5 einander überlagert. Im gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel ist die Kopplungsoptik 12 als ein wellenlängenselektiver Spiegel ausgebildet, der reflektierend für die erste Eingangslaserstrahlung 3 und durchlässig für die zweite Eingangslaserstrahlung 5 ausgebildet. Alternativ kann die Kopplungsoptik 12 auch als Polarisationsstrahlenteiler ausgebildet sein, der für die Polarisationsrichtung der ersten Eingangslaserstrahlung 3 reflektiv und für die Polarisationsrichtung der zweiten Eingangslaserstrahlung 5 transmissiv ist.

Aus dem anderen Faserende 6b werden entweder die eingekoppelte erste Eingangslaserstrahlung 3 als eine erste Ausgangslaserstrahlung 13 oder die erste und zweite Eingangslaserstrahlung 3, 5 gemeinsam als eine zweite Ausgangslaserstrahlung 14 ausgekoppelt, so dass die erste Ausgangslaserstrahlung 13 eine höhere Strahlqualität und eine geringere Leistung und die zweite Ausgangslaserstrahlung 14 eine geringere Strahlqualität und eine höhere Leistung aufweisen.

Im Strahlengang der ersten und zweiten Ausgangslaserstrahlung 13, 14 ist eine Fokussiereinrichtung 15 (z.B. eine Fokussieriinse) angeordnet, welche die erste und zweite Ausgangslaserstrahlung 13, 14 in eine Fokusebene 16 fokussiert. Der Fokusdurchmesser der ersten Ausgangsstrahlung 13 in der Fokusebene kann beispielsweise zwischen 30 pm und 500 pm und der Fokusdurchmesser der zweiten Ausgangsstrahlung in der Fokusebene beispielsweise zwischen 700 pm und 900 pm liegen. In der Fokusebene 16 wird ein zu bearbeitendes Blech angeordnet, wobei dünne Bleche mit einer Blechstärke von kleiner 5 mm mit der ersten Ausgangsstrahlung 13 und dicke Bleche, insbesondere Baustahlbleche, mit einer Blechstärke von größer 5 mm mit der zweiten Ausgangslaserstrahlung 14 geschnitten werden können. Statt in derselben Fokusebene können die erste und zweite Ausgangslaserstrahlung 13, 14 auch so fokussiert werden, dass die Position ihrer Fokuspunkte in Strahlausbreitungsrichtung in zwei unterschiedlichen Fokusebenen liegt.

Wie in Fig. 2b gezeigt, kann als optische Faser alternativ auch eine Gradientenindexfaser 16 eingesetzt werden, wobei die erste und zweite Eingangslaserstrahlung 3, 5 in unterschiedliche Bereiche des eintrittsseitigen Faserendes 6a der Gradientenindexfaser 16 eingekoppelt werden. Anders als in Fig. 1 , wo jeder der beiden um 90° gegeneinander abstrahlenden

Diodenlasereinheiten 2, 4 eine eigene Linse 9 nachgeordnet ist, können die beiden Diodenlasereinheiten 2, 4 auch so angeordnet sein, dass sie in der gleichen Richtung abstrahlen, in diesem Fall kann eine gemeinsame Linse für die erste und zweite Eingangslaserstrahlung 3, 5 eingesetzt werden. Diese gemeinsame Linse kann ausgebildet sein, die erste und zweite Eingangslaserstrahlung 3, 5 unter unterschiedlichen Einkoppelwinkeln und/oder mit unterschiedlicher Divergenz in die optische Faser 6, 16 einzukoppeln.