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Title:
DEVICE FOR SCANNING A TARGET PLANE BY MEANS OF A PLURALITY OF LASER BEAMS, AND METHOD FOR OPERATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/069457
Kind Code:
A1
Abstract:
In a device for scanning a target plane by means of a plurality of laser beams, in particular for parallelised laser-based material machining, a focussing arrangement (FTO, FS, FL) for focussing the laser beams on the target plane (BE) and a scanning unit (AE) shared by all the laser beams is used, by means of which the laser beams can be guided over the target plane (BE). The device has an arrangement (OG) for merging the laser beams, which is disposed between the laser beam sources or connections for optical fibres and the scanning unit (AE), and has one or more movable deflection mirrors, by means of which a mutual position of the laser beams in the target plane (BE) can be varied dynamically in one or two dimensions. The device allows parallelised laser-based material machining with high flexibility and can be realised cost-effectively.

Inventors:
WESTPHALEN THOMAS (DE)
LANTZSCH TIM (DE)
TENBROCK CHRISTIAN (DE)
TRAUB MARTIN (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/076617
Publication Date:
April 07, 2022
Filing Date:
September 28, 2021
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
International Classes:
B23K26/06; B23K26/03; B23K26/082
Domestic Patent References:
WO2013065946A12013-05-10
Foreign References:
DE102018128265A12020-05-14
US20020153361A12002-10-24
US20140263209A12014-09-18
EP2514553A22012-10-24
DE102013011676A12015-01-15
US20170021454A12017-01-26
DE102019204032A12020-10-01
Attorney, Agent or Firm:
GAGEL, Roland (DE)
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Claims:
Patentansprüche Vorrichtung zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen, insbesondere mehreren Bearbeitungslaserstrahlen zur parallelisierten Lasermaterialbearbeitung, mit

- einer Anordnung aus mehreren Laserstrahlquellen oder Anschlüssen für Lichtleitfasern,

- einer Fokussieranordnung ( FTO, FS , FL ) , mit der von den Laserstrahlquellen emittierte oder aus den Lichtleitfasern austretende Laserstrahlen auf die Zielebene (BE ) fokussierbar sind,

- einer allen Laserstrahlen gemeinsamen Scaneinrichtung (AE ) , mit der die Laserstrahlen über die Zielebene (BE ) geführt werden können, und

- einer Anordnung zur Zusammenführung ( OG) der Laserstrahlen, die zwischen den Laserstrahlquellen oder Anschlüssen für Lichtleitfasern und der Scaneinrichtung (AE ) angeordnet ist und einen oder mehrere bewegliche Ablenkspiegel (BS , BWSS ) aufweist , mit denen eine gegenseitige Lage der Laserstrahlen in der Zielebene (BE ) ein- oder zweidimensional dynamisch veränderbar ist . Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Anordnung zur Zusammenführung ( OG) der Laserstrahlen bei einer Anzahl von n Laserstrahlen wenigstens eine Anzahl von n- 1 der beweglichen Ablenkspiegel (BS , BWSS ) aufweist , wobei vorzugsweise n > 2 . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die Anordnung zur Zusammenführung ( OG) der Laserstrahlen so ausgebildet ist , dass die Laserstrahlen alleine durch eine geeignete räumliche Anordnung des einen oder der mehreren beweglichen Ablenkspiegel (BS ) und gegebenenfalls eines oder mehrerer weiterer optischer Strahl- umlenkelemente ( S ) vor einem Durchgang durch die Scaneinrichtung (AE ) räumlich zusammengeführt werden . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die von den Laserstrahlquellen emittierten Laserstrahlen eine unterschiedliche Zentralwellen- länge aufweisen und die Anordnung zur Zusammenführung ( OG) der Laserstrahlen einen oder mehrere auf die unterschiedlichen Zentralwellen- längen abgestimmte dichroitische Spiegel (BWSS , WSS ) aufweist , durch die die Laserstrahlen zusammengeführt werden . Vorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass der eine oder die mehreren dichroitischen Spiegel (BWSS , WSS ) als Kantenfilter ausgebildet sind . Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet , dass einer oder mehrere der beweglichen Ablenkspiegel (BS, BWSS) durch einen oder mehrere der dichroitischen Spiegel (BWSS) gebildet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen unterschiedlich polarisiert werden und die Anordnung zur Zusammenführung (OG) der Laserstrahlen ein oder mehrere polarisations- optische Elemente aufweist, durch die die Laserstrahlen zusammengeführt werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieranordnung (FTO, FS, FL) ein allen Laserstrahlen gemeinsames F-Theta-Ob j ektiv (FTO) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieranordnung (FTO, FS, FL) einen Fokusshifter (FS) aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Ablenkspiegel (BS, BWSS) motorische Antriebe aufweisen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scaneinrichtung (AE) ein Polygonscanner oder ein Galvanometerscanner ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet , dass die Anordnung aus Laserstrahlquellen oder Anschlüssen für Lichtleitfasern ein einzeiliges Array oder ein langgestrecktes mehrzeiliges Array bilden . Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche , bei dem die beweglichen Ablenkspiegel (BS , BWSS ) während einer Führung der Laserstrahlen mit der Scaneinrichtung (AE ) über die Zielebene (BE ) so angesteuert werden, dass eine durch die Scaneinrichtung (AE ) verursachte unerwünschte Veränderung, insbesondere Drehung, einer durch die Laserstrahlen in der Zielebene (BE ) erhaltenen Leistungsdichteverteilung kompensiert wird . Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche , bei dem wenigstens ein Strahlweg eines der Laserstrahlen über einen der beweglichen Ablenkspiegel (BS , BWSS ) für optische Prüf Strahlung genutzt wird, die über diesen Strahlweg auf die Zielebene (BE ) gerichtet und nach Reflexion über den gleichen Strahlweg wieder zurück geführt wird .

Description:
Vorrichtung zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen und Verfahren zum Betrieb

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Vorrichtung zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen, insbesondere mehreren Bearbeitungslaser- strahlen zur parallelisierten Lasermaterialbearbeitung, wobei die Vorrichtung mehrere Laserstrahlquellen oder Anschlüsse für Lichtleitfasern, eine Scaneinrichtung, mit der von den Laserstrahlquellen emittierte oder aus den Lichtleitfasern austretende Laserstrahlen über die Zielebene geführt werden können, und eine Fokussier- anordnung aufweist , mit der die Laserstrahlen auf die Zielebene fokussierbar sind . Die Erfindung betri f ft auch Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung .

Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung ist die Prozessgeschwindigkeit durch unterschiedliche Einflüsse begrenzt . Zum einen kann der Bearbeitungsprozess selbst die Geschwindigkeit begrenzen . Dies ist beispielsweise beim Prozess des selektiven Laserschmel zens ( LPBF : Laser Powder Bed Fusion) der Fall , bei dem die Umschmel zung eines Metallpulvers in der Praxis mit einer maximalen Geschwindigkeit von ca . 1 m/ s erfolgen kann . Zum anderen kann auch die verfügbare Laser- leistung oder die Trägheit des Strahlablenkungssystems die Prozessgeschwindigkeit begrenzen . Eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit ist j edoch gerade bei Einsatz der Lasermaterialbearbeitung im industriellen Umfeld sehr wichtig . Stand der Technik

Der bisher bei der Lasermaterialbearbeitung verfolgte Ansatz besteht darin, die Prozessgeschwindig- keit durch Parallelisierung, also gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen, zu erhöhen . Für diese Parallelisierung sind unterschiedliche Techniken bekannt .

So ist es beispielsweise bekannt , einen Laserstrahl durch Beugung an einem di f fraktiven optischen Element ( DOE ) in mehrere Teilstrahlen auf zuspalten und über einen Scanner auf das Werkstück zu richten . Die Teilstrahlen können hierbei j edoch nicht getrennt voneinander räumlich und zeitlich moduliert werden, so dass die Anwendungsbandbreite dieser Technik begrenzt ist .

Für eine breitere Anwendung wird auch eine Bearbeitung auf Basis mehrerer, parallel angeordneter Diodenlaser vorgeschlagen . Die Strahl formung und Führung erfolgen dabei j eweils für j ede Laserstrahl- quelle über ein eigenes optisches System und einen eigenen Galvanometerscanner .

Aus der DE 102013011676 Al sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteil fertigung bekannt , bei denen in einem Bearbeitungskopf mehrere voneinander getrennte Laserstrahlen geführt und nebeneinander und/oder überlappend auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden . Der Bearbeitungs- kopf wird mit Hil fe einer Bewegungseinrichtung über die Bearbeitungsebene bewegt , während die voneinander getrennten Laserstrahlen voneinander unabhängig in der Intensität moduliert werden können, um die gewünschte Belichtungsgeometrie zu erhalten . Eine ähnliche Technik ist auch in der US 2017 / 0021454 Al beschrieben .

Im Rahmen des Integrationsproj ektes FutureAM (https : / /www . futuream . fraunhofer . de ) wird ein System mit fünf nebeneinander angeordneten Scan-Köpfen realisiert . Mit j edem Laserstrahl wird dabei ein bestimmter Bearbeitungsbereich in der Zielebene abgedeckt . Es soll ein möglichst großer Überlapp der Bearbeitungsbereiche der Laserstrahlen der einzelnen Scan-Köpfe erreicht werden . Das System enthält fünf Faserlaser, deren Laserstrahlung j eweils kollimiert und über j e einen 2D-Galvanometer-Scanner und j e ein F- Theta-Ob j ektiv auf die Zielebene gerichtet wird .

In der nachveröf fentlichten DE 102019204032 Al wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung beschrieben, bei der die aus einem Faserarray austretenden Laserstrahlen über eine gemeinsame Scaneinrichtung über die Zielebene geführt werden . Zwischen dem Faserarray und der Scaneinrichtung ist in einer Ausgestaltung der Vorrichtung ein drehbares Dove-Prisma angeordnet , mit dem die aus dem Faserarray resultierende Verteilung der Laserstrahlen um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse drehbar ist .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Abtasten einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen anzugeben, die eine parallelisierte Lasermaterialbearbeitung mit hoher Flexibilität ermöglicht und sich kostengünstig realisieren lässt .

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Die Patentansprüche 13 und 14 geben vorteilhafte Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung an . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Aus führungsbeispielen entnehmen .

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen, insbesondere Bearbeitungslaserstrahlen zur parallelisierten Lasermaterialbearbeitung, weist eine Anordnung aus mehreren Laserstrahlquellen oder eine Anordnung aus mehreren Anschlüssen für Lichtleitfasern auf , über die Laserstrahlung in die Vorrichtung eingekoppelt werden kann . Die Laserstrahlquellen, bspw . Dioden- oder Faserlaser, oder Anschlüsse für Lichtleitfasern sind hierbei vorzugsweise nebeneinander angeordnet . Im Falle einer Anordnung aus Faseranschlüssen können die Lichtleitfasern und Laserstrahlquellen sowohl Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung sein oder auch getrennt von der Vorrichtung bereitgestellt werden, um dann Laserstrahlung über die Lichtleitfasern in die Vorrichtung einzukoppeln . Die Vorrichtung weist weiterhin eine Fokussieranordnung auf , mit der von den Laserstrahlquellen emittierte oder aus den Licht- leitfasern austretende Laserstrahlen auf die Zielebene fokussierbar sind, sowie eine allen Laserstrahlen gemeinsame , vorzugsweise spiegelbasierte oder transmittierende , Scaneinrichtung, mit der die Laserstrahlen über die Zielebene geführt werden können . Unter der spiegelbasierten Scaneinrichtung ist hierbei eine Scaneinrichtung zu verstehen, bei der die Strahl- ablenkung über bewegte Spiegel erfolgt . Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein konventionelles dynamisches Strahlablenksystem, wie bspw . einen Galvanometer- oder einen Polygonscanner . Transmittierende Scaneinrich- tungen sind z . B . rotierende Keilplatten . Die vorgeschlagene Vorrichtung weist weiterhin eine Anordnung zur Zusammenführung der Laserstrahlen auf , die zwischen den Laserstrahlquellen oder Faser- anschlüssen und der Scaneinrichtung angeordnet ist und über einen oder mehrere bewegliche Ablenkspiegel verfügt , mit denen eine gegenseitige Lage bzw . Position der Laserstrahlen in der Zielebene ein- oder zweidimensional dynamisch veränderbar ist . Unter der Zusammenführung der Laserstrahlen ist hierbei zu verstehen, dass die Laserstrahlen nach dem Durchgang durch die Anordnung im gesamten weiteren Verlauf bis zur Zielebene enger beieinander liegen, also einen geringeren gegenseitigen Abstand aufweisen als beim Austritt aus den Laserstrahlquellen - bei Nutzung von Laserstrahlquellen ohne Lichtleitfasern - oder aus den Lichtleitfasern . Die Laserstrahlen können dabei j e nach Ausgestaltung der Vorrichtung auch vollständig oder teilweise überlappen . Die Vorrichtung ist vorzugsweise zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Bearbeitungslaserstrahlen zur parallelisierte Laser- materialbearbeitung ausgebildet . Unter Bearbeitungs- laserstrahlen werden dabei Laserstrahlen verstanden, die eine Materialbearbeitung ermöglichen, also insbesondere LPBF, Strukturieren, Auf schmel zen, Abtragen oder Schweißen . Die Vorrichtung ermöglicht eine Parallelisierung dieser Prozesse .

Der eine oder die mehreren beweglichen Ablenkspiegel , deren Anzahl in Abhängigkeit der Anzahl der Laserstrahlen, vorzugsweise einer Anzahl von n > 2 , gewählt wird, weisen einen vorzugsweise motorischen Antrieb auf , um die gegenseitige Lage der Laserstrahlen bzw . daraus resultierenden Laserspots in der Zielebene ein- oder zweidimensional dynamisch verändern zu können . Die Ablenkspiegel sind hierzu in wenigstens einer Dimension dreh- oder kippbar, vorzugsweise in zwei zueinander senkrechten Dimensionen .

In einer Ausgestaltung sind der eine oder die mehreren beweglichen Ablenkspiegel und ggf . ein oder mehrere weitere optische Strahlumlenkelemente , insbesondere Prismen und/oder Spiegel , so angeordnet , dass die Zusammenführung der Laserstrahlen alleine durch die Anordnung dieser Ablenkspiegel und Strahlumlenkelemente erfolgt , also keine weiteren Voraussetzungen, wie bspw . unterschiedliche Polarisationen oder spektrale Zusammensetzungen der Laserstrahlen, erfordert . Dies wird in der vorliegenden Patentanmeldung auch als räumliche Zusammenführung bezeichnet . In einer alternativen Ausgestaltung werden Laserstrahlquellen eingesetzt , die Laserstrahlen mit unterschiedlicher Zentralwellenlänge emittieren . Die Anordnung zur Zusammenführung der Laserstrahlen weist dann einen oder mehrere auf die unterschiedlichen Zentralwellenlängen abgestimmte dichroitische Spiegel auf , durch die die Laserstrahlen - vorzugsweise wenigstens drei Laserstrahlen - zusammengeführt werden . Vorzugsweise sind hierbei ein oder mehrere der beweglichen Ablenkspiegel durch derartige dichroitische Spiegel gebildet . Diese Ausgestaltung ermöglicht eine engere Zusammenführung der Laserstrahlen als bei der vorangehend beschriebenen Ausgestaltung, lässt sich also kompakter realisieren, erfolgt vorzugsweise ohne polarisationsoptische Elemente , und wird in der vorliegenden Patentanmeldung auch als spektrale Zusammenführung bezeichnet .

Bei lediglich zwei getrennten Laserstrahlen können diese auch unterschiedlich polarisiert und über polarisationsoptische Elemente zusammengeführt werden .

Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung wird die Laserstrahlung mehrerer Laserstrahlquellen - vorzugsweise räumlich oder spektral - zusammengeführt und über eine gemeinsame dynamische Ablenkeinheit bzw . Scaneinrichtung und eine gemeinsame Fokussieranordnung in die Zielebene abgebildet . So stehen bei der Lasermaterialbearbeitung in einem Bearbeitungs feld mehrere Laserspots für die Bearbeitung zur Verfügung . Die Position der Laserspots zueinander kann über die beweglichen Ablenkspiegel hochdynamisch variiert werden . Dadurch kann beispielsweise eine reihenförmige Anordnung von Laserspots beliebig gedreht werden, um z . B . die durch einen 2D-Galvano-Scanner als spiegelbasierter Scaneinrichtung verursachte Drehung der Abbildung in Echtzeit zu kompensieren oder eine konstante Orientierung der Anordnung unabhängig von der Bewegungsrichtung zu ermöglichen . Die Vorrichtung ermöglicht die räumliche Skalierung der Leistungs- dichteverteilung von Laserstrahlung in Material- bearbeitungsprozessen, bspw . beim Materialabtrag mittels Ultrakurzpuls-Laserstrahlung oder beim LPBF, und damit die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit . Die einzelnen Laserspots in der Zielebene können durch geeignete Ausbildung oder geeigneten Einsatz optischer Elemente im Strahlweg der Laserstrahlen auch eine unterschiedliche Größe aufweisen .

Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung können nahezu alle Laserbearbeitungsprozesse wie z . B . LPBF, Strukturieren, Abtragen oder Schweißen parallelisiert werden . Im Gegensatz zu bestehenden technischen Lösungen erfolgt die Strahlablenkung verschiedener, individuell modulierbarer Laserquellen über ein gemeinsames Strahlablenkungssystem . Daraus folgen die Vorteile einer mechanisch weniger komplexen Anordnung, die geringeren Bauraum beansprucht und kostengünstiger zu realisieren ist . Die Vorrichtung ist hinsichtlich der Art der Strahlquellen und somit auch hinsichtlich des Einsatzgebietes flexibel . So können sowohl in Multimode-Fasern eingekoppelte Diodenlaser, Singlemode- Faserlaser als auch in photonische Fasern eingekoppelte Ultra-Kurzpuls-Laser verwendet werden . Dies ist selbstverständlich keine abschließende Auf zählung . Die Vorrichtung lässt sich mit geringem Bauraum realisieren . Für die Strahlablenkung und Strahl formung können preiswerte Standardkomponenten verwendet werden, die auch bei Einzelstrahl-Systemen verwendet werden (Kollimator, F-Theta-Ob j ektiv, Fokussieroptik) .

Die optische Ausgangsleistung der einzelnen Laserstrahlen kann über die zugrundeliegenden Laserquellen oder diesen vorgeschaltete Modulatoren individuell moduliert werden, so dass auch einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden können . Ef fektiv kann auf diese Weise z . B . die Gesamt-Spurbreite der in der Zielebene aus den einzelnen Laserspots erzeugten Intensitätsverteilung variiert werden .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Aus führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen :

Fig . 1 eine schematische Darstellung einer Aus führungs form der vorgeschlagenen Vorrichtung in Außenansicht ;

Fig . 2 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung bei räumlicher Zusammenführung der Laserstrahlen;

Fig . 3 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung bei räumlicher Zusammenführung der Laserstrahlen;

Fig . 4 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung bei räumlicher Zusammenführung der Laserstrahlen;

Fig . 5 eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung bei spektraler Zusammenführung der Laserstrahlen;

Fig . 6 eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung bei spektraler Zusammenführung der Laserstrahlen;

Fig . 7 eine schematische Darstellung einer dritten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung bei spektraler Zusammenführung der Laserstrahlen;

Fig . 8 eine schematische Darstellung der wellenlängenabhängigen Transmission und Reflexion der wellenlängenselektiven Spiegel der vorangegangenen drei Figuren;

Fig . 9 eine schematische Darstellung beispiel- hafter Bearbeitungsspuren bei zeilen- weiser Abtastung der Bearbeitungsebene ( Teilabbildung a ) , einer Drehung der Laserspotverteilung um 90 ° ( Teilab- bildung b ) und der Bearbeitungsspuren bei spaltenweiser Abtastung der Bearbeitungsebene mit der neu aus gerichtet en Laser spotverteilung ( Teilabbildung c ) ;

Fig . 10 eine schematische Darstellung der relativen Verschiebung der Laserspots in der Bearbeitungsebene abhängig von den individuellen Ablenkwinkeln ( Teilabbildung a ) und der Ablenkung der Laserspots durch die gemeinsame Ablenkeinheit ( Teilabbildung b ) ; und

Fig . 11 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Laserspots mit unterschiedlicher Größe und eines Prüf spots in der Bearbeitungsebene .

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht die Lasermaterialbearbeitung mit mehreren nebeneinander angeordneten oder auch teilweise überlappenden Laserspots , die durch eine gemeinsame Strahl formung und mittels einer gemeinsamen Ablenk- bzw . Scaneinrichtung über das Werkstück bzw . die Bearbeitungs fläche geführt werden .

Figur 1 zeigt hierzu eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung in Außenansicht für drei Laserkanäle bzw . Laserstrahlen . In der Figur sind drei Faserstecker FS 1 , FS2 , FS3 mit davor angeordneten Kollimatoren Kl , K2 , K3 zu erkennen, über die drei Laserstrahlen in die Anordnung zur Zusammenführung der Laserstrahlen OG eingekoppelt werden . In dieser Anordnung werden die Laserstrahlen gegenüber ihrem ursprünglichen Abstand näher zusammengeführt und über eine gemeinsame spiegelbasierte Ablenkeinheit AE und eine gemeinsame Fokussieroptik, in diesem Beispiel ein F-Theta-Ob j ektiv FTO, auf die Bearbeitungsebene BE gerichtet . In dieser Bearbeitungsebene können die Laserspots LS 1 , LS2 , LS3 der Laserstrahlen dann entlang der gewünschten Bahnen parallel geführt werden, wie dies in Figur 1 schema- tisch angedeutet ist . Die in der Bearbeitungsebene erkennbare Drehung der Anordnung der Laserspots um etwa 90 ° kann über die beweglichen Ablenkspiegel der Anordnung OG realisiert werden . Der innere Aufbau einer derartigen Anordnung, auch in abgewandelter Form, ist in den nachfolgenden Figuren beispielhaft dargestellt .

Dabei werden j eweils mehrere , vorzugsweise faser- gekoppelte , Strahlquellen ein- oder zweidimensional angeordnet . Figur 2 zeigt dies für den Fall von drei Strahlquellen, die in der vorgeschlagenen Vorrichtung räumlich zusammengeführt werden . Die Laserstrahlung tritt über die Faserstecker FS 1 , FS2 , FS3 aus , wird über die Kollimatoren Kl , K2 , K3 kollimiert und über die motorisierten, beweglichen Spiegel BS 1 , BS2 , BS3 , die Ablenkeinheit AE und das F-Theta-Ob ektiv FTO in die Bearbeitungsebene BE abgebildet , in der die Laserspots LS 1 , LS2 , LS3 erhalten werden . In der Grundkonfiguration dieser Ausgestaltung lenken die beweglichen Spiegel BS die Strahlung um 90 ° um . Die Laserstrahlung der einzelnen Kanäle kann dabei wie im vorliegenden Beispiel auf nebeneinanderliegenden Laser- spots in die Bearbeitungsebene BE abgebildet werden oder auch auf einen gemeinsamen Laserspot . Über die voneinander unabhängige Bewegung der Ablenkspiegel BS 1 , BS2 , BS3 kann die relative Lage der Laserspots LS 1 , LS2 , LS3 zueinander in der Bearbeitungsebene BE dynamisch geändert werden . Die spiegelbasierte Ablenkeinheit AE ist in diesem und auch in den nachfolgenden Beispielen durch einen 2D-Galvano-Scanner mit zwei in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen hintereinander angeordneten Spiegeln gebildet , die in der Figur erkennbar und um zueinander senkrechte Achsen kippbar sind .

Die beweglichen Spiegel BS 1 , BS2 , BS3 können in diesem Beispiel um zwei Achsen verkippt werden, so dass der j eweiligen Laserstrahlung ein zusätzlicher Ablenkwinkel α, ß aufgeprägt wird . Diese Winkel werden durch die Abbildungs- bzw . Fokussieroptik ( F-Theta- Obj ektiv oder Vorf okussierung mit Fokusshi f ter ) in eine Ablenkung Δx ' , Δy ' des Laserspots in der Bearbeitungs- ebene übersetzt , wie dies bspw . in Figur 10a zu erkennen ist . In diesem Beispiel wird angenommen, dass der mittlere Laserspot LS2 von einem Laserstrahl stammt , der nicht über einen beweglichen Ablenkspiegel abgelenkt wurde . Für die Veränderung der relativen Lage der Laserspots zueinander reicht die Ablenkung der Laserstrahlen der beiden benachbarten Laserspots LS 1 , LS3 über bewegliche Ablenkspiegel aus . Die so definiert erzeugte Anordnung der Laserspots LS 1 , LS2 , LS3 wird mittels der Ablenkeinheit AE in der gemeinsamen Ablenkrichtung GAR über die Bearbeitungsebene BE geführt , wie dies in der Figur 10b veranschaulicht ist . Figur 9 zeigt ebenfalls eine mit der vorgeschlagenen Vorrichtung erzeugbare Anordnung von Laserspots in der Bearbeitungsebene , die mittels der Ablenkeinheit AE in der gemeinsamen Ablenkrichtung GAR über die Bearbeitungsebene geführt wird . In Figur 9a ist dies für drei aneinandergereihte Laserspots dargestellt . Hier werden zunächst in vertikaler Anordnung der Laserspots zeilenweise die Bearbeitungsspuren BSP1 , BSP2 , BSP3 in der Bearbeitungsebene erzeugt . Anschließend werden die Laserspots durch die beweglichen Ablenkspiegel BS hori zontal ausgerichtet und das zu bearbeitende Feld vertikal abgefahren ( Figur 9c ) . Figur 9b deutet schematisch die entsprechende Drehung der Anordnung der Laserspots LS 1 , LS2 , LS3 für die Neuausrichtung an . Im Vergleich zur Bearbeitung mit nur einem Laserspot wird hierdurch die Prozess zeit auf ein Drittel reduziert .

Die Fokussierung bzw . Abbildung in die Bearbeitungsebene erfolgte bei der Ausgestaltung der Figur 2 mit einem F-Theta-Ob j ektiv . Alternativ kann auch ein Vorf okussierungssystem bestehend aus Fokusshi fter FS und Fokuslinse FL anstelle des F-Theta- Obj ektivs der Figur 2 eingesetzt werden, wie dies in Figur 3 schematisch dargestellt ist . Die Fokussierlinse FL kann auch bereits Teil des Fokusshi f ters FS sein .

Figur 4 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit zwei Laserkanälen, bei der eine räumliche Zusammenführung der Laserstrahlen erfolgt . In diesem Beispiel wird die Laserstrahlung von zwei Faserlasern, welche über die Kollimatoren K1 , K2 austritt, über die gemeinsame Ablenkeinheit AE und ein F-Theta-Objektiv FTO in die Bearbeitungsebene BE abgebildet. Die Strahlung des ersten Lasers wird über den beweglichen Spiegel BS1, in diesem Beispiel ein Fast-Steering-Mirror , und den festen Spiegel S1 an die optische Achse des zweiten Lasers herangeführt. Die Strahlung des zweiten Lasers tritt ohne zusätzliche Ablenkung in die Ablenkeinheit AE ein. Durch die Auslenkung des beweglichen Spiegels BS1 um die Winkel α, ß kann der Laserspot LS1 in der Bearbeitungsebene definiert um den Laserspot LS2 angeordnet werden. Beide Laserspots LS1, LS2 werden synchron mittels der Ablenkeinheit AE dynamisch in die gemeinsame Ablenk- richtung GAR abgelenkt, also in dieser Richtung über die Bearbeitungsebene geführt.

Bei der bisher beschriebenen räumlichen Zusammenführung wächst der Durchmesser des von den Laserstrahlen benötigten Raums mit der Anzahl der Laserkanäle. Dadurch müssen die Aperturen der Ablenkeinheit AE und der Fokussieroptiken (F-Theta- Objektiv, Fokusshif ter, Fokussierlinse) ebenfalls steigen. Dies führt zu höheren Kosten und wirkt sich auch auf Gewicht, Bauraum und Dynamik aus. Diesen Nachteil überwindet eine spektrale Zusammenführung der Laserstrahlen. Dies ist am Beispiel von drei Laserkanälen in den Figuren 5 bis 7 gezeigt. Die drei Laserstrahlquellen weisen dabei unterschiedliche Zentralwellenlängen auf, bspw. λ1 = 1060 nm, λ2 = 1070 nm, λ3 = 1080 nm, bei Linienbreiten von in diesem Beispiel 5 nm. Die über die Kollimatoren K1, K2, K3 kollimierte Laserstrahlung trifft im Beispiel der Figur 5 zunächst jeweils auf die beweglichen Spiegel BS1 und die beweglichen wellenlängenselektiven Spiegel BWSS2 und BWSS3 . Die beweglichen Spiegel BWSS sind hier zusätzlich als Kantenfilter ausgeführt , die j eweils die von oben kommende Laserstrahlung reflektieren und die von links kommende Strahlung transmittieren .

Die Transmissions- und Reflexionsprofile der BWSS sind in Figur 8 schematisch dargestellt . Die Abstände und Steigungen der Bandkanten-Profile müssen so gewählt werden, dass sowohl die spektrale Breite der Emissionsprofile der Laserstrahlquellen als auch der veränderte Einfallswinkel berücksichtigt werden . Die Rückseiten der BWSS sind dementsprechend für die transmittierende Laserstrahlung mit einer Anti-Reflex- Beschichtung versehen . Anhand des Kantenverlaufs der spektralen Durchlässigkeit bzw . spektralen Reflexion der Spiegel in Figur 8 ist deutlich ersichtlich, dass sich Laserstrahlen mit den Zentralwellenlängen λ 1 , λ 2 und λ 3 durch eine Kombination dieser Spiegel ohne nennenswerte Verluste überlagern lassen .

In der Ausgestaltung der Figur 5 erfolgt die Abbildung in die Bearbeitungsebene BE mit einem F- Theta-Ob ektiv FTO . Alternativ kann auch ein Vorf okussierungssystem bestehend aus Fokusshi fter FS und Fokuslinse FL eingesetzt werden, wie dies in Figur 6 beispielhaft dargestellt ist . Die Fokussierlinse FL kann auch bereits Teil des Fokusshi f ters FS sein .

Figur 7 zeigt eine alternative Anordnung zur spektralen Überlagerung von drei Laserkanälen . Hier sind die wellenlängenselektiven Spiegel WSS (Kantenfilter ) fest angeordnet , während die Strahlablenkung über die beweglichen Spiegel BS2 und BS3 erfolgt .

Die Motorisierung der beweglichen Spiegel BS bzw . BWSS kann in allen Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Vorrichtung auf unterschiedliche Weise realisiert werden, beispielsweise durch einen Voice-Coil- oder einen Piezoantrieb .

Die vorgeschlagene Vorrichtung lässt sich auch in einer Art und Weise verwenden, bei der einer oder mehrere der Laserkanäle für eine optische Messung genutzt wird . Dies wird anhand von Figur 11 kurz erläutert . Analog zu den Laserspots LS 1 , LS2 wird hierbei die Strahlung eines Messsystems , bspw . eines OCT-Sensors , mit der vorgeschlagenen Vorrichtung auf einen Prüfspot PS3 in der Bearbeitungsebene BE abgebildet . Der Rückreflex dieses Prüf spots rückwärts über das optische System der vorgeschlagenen Vorrichtung steht dann für Messungen, bspw . eine Messung der Oberf lächen-Topologie , zur Verfügung . Der Prüfspot PS3 kann mit der vorgeschlagenen Vorrichtung definiert um die Laserspots LS herum angeordnet bzw . bewegt werden . Die Figur veranschaulicht auch die Möglichkeit der Ausbildung der Laserspots in unterschiedlicher Größe .

Bezugs zeichenliste

FS 1 Faserstecker 1

FS2 Faserstecker 2

FS3 Faserstecker 3

Kl Kollimator 1

K2 Kollimator 2

K3 Kollimator 3

BS 1 beweglicher Spiegel 1

BS2 beweglicher Spiegel 2

BS3 beweglicher Spiegel 3

AE Ablenkeinheit

FTO F-Theta-Ob j ektiv

BE Bearbeitungsebene LS 1 Laserspot 1

LS2 Laserspot 2

LS3 Laserspot 3 α , ß Ablenkwinkel der beweglichen Spiegel

OG Anordnung zur Zusammenführung

FL Fokussierlinse

FS Fokusshi fter

BWSS 1 beweglicher wellenlängenselektiver Spiegel 1

BWSS2 beweglicher wellenlängenselektiver Spiegel 2

BWSS3 beweglicher wellenlängenselektiver Spiegel 3 λ Zentralwellenlänge des Laserkanals

WSS2 wellenlängenselektiver Spiegel 2

WSS3 wellenlängenselektiver Spiegel 3

S 1 Spiegel 1 x ' , y ' Koordinaten in der Bearbeitungsebene

BSP1 Bearbeitungsspur 1

BSP2 Bearbeitungsspur 2

BSP3 Bearbeitungsspur 3 GAR gemeinsame Ablenkrichtung

Δx' relativer Versatz in x'-Richtung

Δy' relativer Versatz in y' -Richtung

PS3 Prüfspot 3