DE4102936C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft außerdem eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Laserstrahlquellen emittieren für gewöhnlich einen Strahl mit einer definierten, zumeist linearen Polarisation. Bei einem bekannten Laserstrahl-Materialbearbeitungsverfahren läßt man einen fokussierten Laserstrahl gewöhnlich im senkrechten Einfall auf ein Werkstück fallen, das in einer Ebene senkrecht zum Strahl verschoben wird. Eine lineare Polarisation des Laserstrahls hat sich hierbei als nach­ teilig erwiesen, da das Bearbeitungsergebnis in störender Weise von der Richtung der Strahlpolarisation abhängt. Zum Beispiel erreicht die Qualität von Schnittflächen nur dann ein zufriedenstellendes Niveau, wenn die Polarisations­ richtung mit der Schreibrichtung des Laserstrahls überein­ stimmt. Sobald jedoch Polarisationskomponenten senkrecht zur Schreibrichtung des Laserstrahls auftreten, wird die Qualität der Schnittflächen vermindert. Es treten Rauhig­ keiten und Hinterschneidungen auf.

Die störende Abhängigkeit der Bearbeitungswirkung von der Richtung der Strahlpolarisation wird bei zirkularer Polarisation vermieden. Die ursprünglich lineare Polari­ sation des Laserstrahls wird also nach Austritt aus der Laserstrahlungsquelle in zirkulare Polarisation umgewandelt.

Da ein zirkular polarisierter Laserstrahl keine Vorzugs­ richtung der Polarisation aufweist, entstehen beim Schneiden von Werkstücken ebenso glatte Schnittflächen wie sie bei Übereinstimmung von Polarisations- und Schreibrichtung im Falle von linearer Polarisation entstanden wären.

Die Umwandlung von linearer in zirkulare Polarisation wurde nach dem bisherigen Stand der Technik mit Hilfe von dielek­ trisch beschichteten Spiegeln erreicht. US-A 43 79 622 beschreibt eine Struktur von Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex auf einem silberbeschichteten Siliziumsubstrat. Die Lichtreflexion an diesem Spiegel erzeugt eine Phasenverschiebung um 90° zwischen zwei zu­ einander orthogonalen Vektorkomponenten der Polarisation und somit zirkular polarisiertes Licht. Bei zirkular polari­ siertem Licht rotiert die Polarisationsrichtung mit der Periode der Lichtwelle (bei Frequenzen im sichtbaren und infraroten Spektralbereich 10-¹¹sec) um die Aus­ breitungsachse. Die zirkulare Polarisation muß bis zur Werkstückoberfläche aufrechterhalten werden, was z. B. in einem variablen Roboter-Strahlführungssystem mit ca. 3-7 Spiegeln schwierig zu bewerkstelligen ist. Die in CO₂-Laser­ materialbearbeitungsanlagen üblicherweise verwendeten silberbeschichteten Umlenkspiegel haben nämlich die störende Eigenschaft, eine zusätzliche Phasenverschiebung zwischen den Polarisationskomponenten von bis zu 10° oder mehr zu erzeugen, wodurch aus zirkular polarisiertem Licht teilweise elliptisch polarisiertes Licht entsteht. Das Ausmaß der zusätzlichen Phasenverschiebung hängt zudem vom Einfalls­ winkel des Strahls auf die Spiegel ab. Dies macht den Ein­ satz von phasenverschiebungsfreien Spiegeln - sogenannten "Zero-phase-Shift-Spiegeln - notwendig (LASER FOCUS/ELEC­ TRO-OPTICS, MAI 1988, 120-123). Diese Spiegel sind jedoch teuer und nicht sehr hoch belastbar.

Aus DE 36 42 386 A1 ist eine Laserstrahlmaschine zum Schneiden eines Werkstückes bekannt, bei der zwei zirkular polarisierte Laserstrahlen entgegengesetzter Drehrichtung und leicht unter­ schiedlicher Frequenz zu einem linear polarisierten Laser­ strahl vereinigt werden, dessen Polarisationsrichtung sich mit einer Geschwindigkeit dreht, die kleiner ist als die Dreh­ geschwindigkeit der zirkular polarisierten Laserstrahlen.

Aus JP 63-2 99 883 A1 ist es bekannt, zwei linear polarisierte Laserstrahlen, die durch zwei getrennte Laser erzeugt werden, mit einem kleinen Winkel in Bezug aufeinander zu einem Bearbeitungsstrahl zu vereinen. Da die beiden Laserstrahlen nicht parallel zueinander verlaufen, interferieren sie nicht miteinander und liefern einen kombinierten Strahl höherer Leistung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Materialbearbeitung durch einen Laserstrahl anzugeben, bei dem der Einfluß einer Polarisation des Laserstrahls auf das Bearbeitungsergebnis sicher und mit einfachen Mitteln beseitigt wird.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekenn­ zeichnete Verfahren und die im Patentanspruch 4 gekenn­ zeichnete Einrichtung gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegenstand entsprechender Unteransprüche.

Bei dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Einrichtung wird nur eine einzige Laserstrahlungsquelle benötigt, um ein im zeitlichen Mittel unpolarisiertes Laser­ strahlungsbündel zu erzeugen. Eine bei Reflexion an einem Metallspiegel auftretende zusätzliche Phasenverschiebung ist ohne Einfluß auf den Mittelungsprozeß und damit auch ohne Einfluß auf das Bearbeitungsergebnis. Wie bereits erwähnt, rotiert bei zirkular polarisierter Strahlung die Polarisationsrichtung mit der Frequenz der Lichtwelle um die Ausbreitungsachse. Zum Zwecke der Materialbearbeitung ist eine wesentlich niederfrequentere Modulation der Polari­ sationsrichtung vollkommen ausreichend, solange die Modulationsfrequenz die reziproke Verweilzeit des Laser­ strahls auf der jeweiligen Bearbeitungsstelle auf dem zu bearbeitenden Werkstück (z. B. bei 100 µm Fokusdurchmesser und 10 cm/s Schreibgeschwindigkeit = 10^-3 s Verweilzeit) deutlich übertrifft.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine stark vereinfachte Darstellung einer Einrichtung zur Laserstrahl-Materialbearbeitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Pockels-Zelle zur Bewirkung der erfindungsgemäßen Polarisations­ modulation.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung enthält einen Laser 10, z. B. einen CO₂-Laser mit einer für die Material­ bearbeitung ausreichenden Ausgangsleistung, der einen linear polarisierten Laserstrahl 12 liefert. Der Laserstrahl 12 durchläuft einen Phasenmodulator 14, auf den noch näher eingegangen werden wird und fällt dann über einen Umlenk­ spiegel 16 in einen Laserkopf 18, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Teil eines Roboters bildet und zwei Umlenkspiegel 20, 22 sowie eine Fokussierungslinse 24 enthält. Der Umlenkspiegel 20 ist um eine Achse 26 drehbar, der Umlenkspiegel 22 mit der Fokussierungslinse 24 um eine Achse 28, um eine gewünschte Orientierung des fokussierten Laserstrahls zu ermöglichen. In der Praxis sind gewöhnlich mehr drehbar gelagerte Umlenkspiegel und mehr Bewegungs­ freiheitsgrade vorgesehen.

Der fokussierte Laserstrahl 12 ("Bearbeitungs-Laserstrahl") fällt auf die Oberfläche eines Werkstücks 30, das auf einem Support 32 angeordnet und mit diesem bezüglich des fokus­ sierten Laserstrahls in der Richtung eines Pfeiles 34 ver­ schiebbar ist. Bis auf den Modulator 14 ist die beschriebene Einrichtung bekannt, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigt.

Um das Bearbeitungsergebnis unabhängig von der Polarisation des Laserstrahls zu machen, wird der Polarisationszustand des Laserstrahls durch den Modulator 14 so moduliert, daß der Laserstrahl für Zeiten in der Größenordnung der Verweil­ zeit des Laserstrahls auf der jeweiligen Bearbeitungsstelle des Werkstückes im Mittel als im wesentlichen unpolarisiert erscheint. Dies wird dadurch erreicht, daß man den Laserstrahl in zwei linear polarisierte Komponenten, deren Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen, aufspaltet und die Phase der einen Komponente relativ zu der anderen Komponente mit einer für die Mit­ telung ausreichend hohen Modulationsfrequenz um einen aus­ reichend hohen Modulationswinkel von mindestens ± 90° oszillieren läßt. Die Modulationsfrequenz wird bei den bei der Laserstrahlbearbeitung typischen Verweilzeiten (typischerweise 10^-3 s) des Laserstrahls auf einer vorgegebenen Bearbeitungsstelle im allgemeinen über 10³ Hz liegen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens enthält der optische Modulator 14 eine Pockels-Zelle 14a (Fig. 2). Die Pockels-Zelle kann bei Verwendung eines CO₂-Lasers einen GaAs- oder CdTe-Kristall enthalten. Der linear polari­ sierte Laserstrahl 12 wird mit einer solchen Orientierung bezüglich der Richtung des elektrischen Feldes E im Kristall durch diesen geführt, daß sich die oben erläuterten Verhält­ nisse ergeben. An die Pockels-Zelle wird eine vorzugsweise sinusförmig variierende Spannung einer Frequenz Ω/2π angelegt.

Unter dem Einfluß des elektrischen Feldes wird das Füll­ medium des Modulators linear doppelbrechend, wodurch eine zeitabhängige Phasendifferenz Φ=Φ₀ cos (Ω t) mit einem Scheitelwert Φ₀ zwischen zwei zueinander orthogonalen Polarisationskomponenten a cos (ω t) und b cos (ω t) ent­ steht, so daß sich der Polarisationszustand des Strahls am Ausgang des elektro-optischen Modulators aus den Komnponenten a cos (ω t) und b cos (ω t + Φ₀ cos (Ω t)) zusammensetzt.

Wenn z. B. Φ₀=π/2 ist, so oszilliert die Polarisation zwischen den Zuständen rechts- und linkszirkular mit einer Frequenz Ω/2π Die Wahl gleicher Amplituden a=b und einer hohen Modulationstiefe Φ₀ » π/2 liefert einen Strahl, der innerhalb einer Beobachtungszeit t < 2 π/Ω im Mittel unpolarisiert ist. Bei einer Modulationsfrequenz von 1 kHz und einem Scheitelwert von Φ₀ = 5 π oszilliert die Polari­ sation innerhalb einer Periode von 10^-3 s 20mal zwischen den Zuständen rechts- und linkszirkular. Der Strahl ist damit im zeitlichen Mittel für Beobachtungszeiten 10^-3 s unpolarisiert.

In einer zweiten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung enthält der elektro-optische Modulator 14 eine Kerr-Zelle, die eine Füllung aus Nitrobenzol enthalten kann.

In einer dritten Ausführungsform der Erfindung enthält die Einrichtung 14 zur Modulation der Polarisation einen magneto-optischen Modulator, der z. B. auf der Basis des Faraday-Effekts arbeitet. In dem magneto-optischen Modulator wird ein periodisch veränderliches Magnetfeld erzeugt. Unter dem Einfluß des Magnetfeldes wird das Füllmedium, wie Faraday-Glas, des Modulators zirkular doppelbrechend, wodurch eine Drehung der Polarisationsrichtung des ein­ fallenden linear polarisierten Laserstrahls um einen durch die Stärke des angelegten Magnetfelds bestimmten Winkel bewirkt wird. Ein periodisch veränderliches Magnetfeld erzeugt damit eine kontinuierliche Rotation des Pola­ risationsvektors um die Ausbreitungsachse mit einer Frequenz, die durch Frequenz und Scheitelwert des periodisch veränderlichen Magnetfelds bestimmt wird. Auch hier ist demnach der Laserstrahl im zeitlichen Mittel für eine durch Frequenz und Scheitelwert des periodisch veränderlichen Magnetfelds vorgegebene Beobachtungszeit unpolarisiert.

In einer vierten Ausführungsform der Erfindung enthält die Einrichtung 14 zur Modulation der Polarisation einen akusto- optischen Modulator. Die Modulation der Polarisation erfolgt dabei durch die Einwirkung eines Schallwellenfeldes.

In einer fünften Ausführungsform der Erfindung wird im Modulator 14 die in bestimmten Materialien durch mechanische Belastung (z. B. Druck) erzeugte Doppelbrechung ausgenutzt. Geeignetes Material sind z. B. einachsige transparente Kristalle, wie NaCl, LiF oder Kunststoffe, wie Acrylharz. Durch periodische Variation der Belastung läßt sich damit eine periodisch veränderliche Phasendifferenz und damit eine Modulation der Polarisation erzielen.

In allen betrachteten Fällen kann der polarisationsgemit­ telte Strahl wesentlich leichter durch ein Roboter-Strahl­ führungssystem geführt werden als ein zirkular polarisierter Strahl. Wie bereits erwähnt, muß im Falle von zirkular polarisierter Strahlung die Phasendifferenz Φ = π/2 zwischen der orthogonalen Polarisationskomponenten im Strahlengang erhalten bleiben, wodurch der Einsatz von phasenverschiebungsfreien Spiegeln als Reflektoren notwendig wird. Für den polarisationsgemittelten Strahl spielt jedoch auch eine noch so große zusätzliche Phasendifferenz keine Rolle, da diese nur den Phasenbereich, über den die Mit­ telung stattfindet, verschiebt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Materialbearbeitung, bei welchem ein Bearbeitungs-Laserstrahl mit einer vorgegebenen Schwingungs­ frequenz und einem vorgegebenen Polarisationszustand mit einer vorgegebenen Verweilzeit auf eine Bearbeitungsstelle eines Werkstückes gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Laserstrahlungskomponenten gleicher Amplitude zerlegt und die relative Phasenlage der Komponenten mit einer Frequenz Ω < 10³ Hz um einen Phasenwinkel α < ± 90° geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage der einen Laserstrahlungskomponente konstant gehalten und die der anderen geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung zyklisch erfolgt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Laserstrahlungsquelle (10) zum Erzeugen eines auf ein Werkstück richtbaren Bearbeitungs-Laserstrahls mit vorgegebenem Polarisationszustand, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (14) zum Zerlegen der Laserstrahlung in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Laserstrahlungs­ komponenten und zum Modulieren der Phasenlage der einen Komponente relativ zur anderen Komponente mit einer Modula­ tionsfrequenz Ω < 10³ Hz um einen Phasenwinkel α ± 90°.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (14) einen elektrooptischen Modulator ent­ hält, in dem ein periodisch zeitabhängiges elektrisches Feld erzeugbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (14) einen magneto-optischen Modulator enthält, in dem ein periodisch zeitabhängiges magnetisches Feld erzeugbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (14) einen akusto-optischen Modulator enthält, in dem ein periodisch zeitabhängiges Schallwellen­ feld erzeugbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein (14) Material enthält, das einer periodisch zeitabhängigen mechanischen Belastung aussetzbar ist, um in dem Material eine zeitabhängige Doppelbrechung zu induzieren.