DE2035429A1

DE2035429A1 - Laser Anordnung zur Erzeugung eines Laserstrahlenbundels bestimmter Struktur

Info

Publication number: DE2035429A1
Application number: DE19702035429
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: American Optical Corp
Priority date: 1969-08-15
Filing date: 1970-07-16
Publication date: 1971-03-04
Also published as: FR2058304A7; NL7009530A; FR2058304B3; DE7026867U; US3621181A

Description

Dr. phil. G. B. HAGEN 20354 29

Patentanwalt

8U00 MÜNCHEN 71 (Solln)

Franz-Hals-Straße 21

Telefon 796213

AO 2729 München, den IQ. Juli 1970

Dr. H./K./fr

American Optical Corporation 14 Mechanic Street
Southbridge» Mass., U.S.A.

Laser-Anordnung zur Erzeugung eines Laserstrahlenbündels bestimmter Struktur

Priorität: 15. August 1969; U.S.A.; Nr. 850 514

Die Erfindung bezieht sich auf eine bündeiförmige Laseranordnung zur Erzeugung von Punktschweißstellen in bestimmter Gruppierung.

Um eine ausreichende Strahlungsenergiedichte zum Punkt- ■ ■ „ schweißen zu erhalten, ist eine Strahlungsquelle hoher " Energie erforderlich; durch die Entwicklung von Laseranordnungen sind derartige Strahlungsquellen verfügbar.

Übliche Laseranordnungen, die eine ausreichende Energiedichte für Zwecke der Metallverarbeitung oder für andere Zwecke erzeugen, arbeiten im allgemeinen mit Schwingungen vielfacher Schwingungsmodi, und die Abmessungen der Resonanzhohlräume sind groß im Vergleich zu der Wellenlänge der emittierten Strahlung. Die Ausgangsstrahlenbündel

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Bayerisdie Vereinebank München 820993

derartiger Anordnungen können daher nicht auf meinen derartig kleinen Fleck fokusiert werden, wie das für mikroskopisches Punktschweißen oder für medizinische Anwendungen erforderlich wäre» Ferner ist man bei den zur Zeit benutzten Laserschweißsystemen auf das durch die Laserstruktur jeweils gegebene Muster beschränkt» Die Entwicklung von bündeiförmigen Lasersystemen, bei denen eine Anzahl von Stäben geringen Durchmessers in einem einzigen Laserhohlraum zur Anwendung kommt, hat teilweise zur Überwindung dieser Schwierigkeiten beigetragen, da sich die Möglichkeit eröffnete, verschiedene Ausgangsmuster durch Entfernung eines oder mehrerer Elemente des Systems zu-erzeugen«. Jedoch hat sich auch bei einem derartigen bündeiförmigen Lasersystem ergeben, daß es nicht möglich ist, solche Ausgangsmuster zu wählen, die einen Austritt von Strahlungsenergie in den Zwischenräumen zwischen den Laserelementen erfordern würden*

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laseranordnung vorzusehen, die ein mikroskopisches Vielpunktschweißen gestattet, und die bezüglich der erzeugten Muster variabel ist» Dabei soll eine derartige Anordnung eine Strahlungsenergiedichte, erzeugen, die zum Schweißen von Metallen oder zum Schweißen der abgelösten Netzhaut eines Auges geeignet ist«

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine bündeiförmige Lasereinheit mit einzelnen Laserstäben, von denen jeder eine Ausgangsstirnfläche aufweist, deren Hormale mit der Hauptachse des Stabes nicht co-linear ist«. Dabei ist jeder Stab drehbar

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und/oder versetzbar. In der Nähe des Ausgangsendes jedes Stabes können optische Mittel vorgesehen werden, um das Nahfeld des von der bündeiförmigen Laseranordnung erzeugten Ausgangsmusters mit der gewünschten Vergrößerung auf das Werkstück abzubilden. Veränderungen des Musters können durch Umordnung der einzelnen Stäbe oder durch Drehung der Stäbe herbeigeführt werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird ein optisches System zur Abbildung desFernfeldes der schrägen Ausgangsenden der in dem Bündel angeordneten Stäbe auf eine zu schweißende Auffangfläche vorgesehen. _ ί Bei dieser Ausführungsform wird die Richtung des emittierten Laserbündels durch Drehung der einzelnen Stäbe geändert, wodurch die Position der entsprechenden Flecken auf der Auffangfläche geändert wird. Auch die Größe der Flecken auf der Auffangfläche kann geändert werden, und zwar durch Änderung der Divergenz der einzelnen Strahlenbündel, indem die Länge oder die Endreflektivität der einzelnen Stäbe in bestimmter Weise gewählt wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch an Hand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: j|

Figur 1 eine seitliche schematische Darstellung einer zum Schweißen geeigneten bundeiförmigen Laseranordnung mit Nahfeld-Abbildung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 einen Schnitt durch die Anordnung von Figur 1 entlang der Linie 2-2 von Figur 1, wobei Einzelheiten der Gruppierung der Ausgangsenden der einzelnen Stäbe gezeigt werden;

Figur 2A ist eine Stirnansicht des Resonanzhohlraums, wobei die gezeigte Konstruktion eine Positionsänderung einzelner Stäbe gestattet;

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Figur 3 ist ein Schnitt durch die Anordnung von Figur 1 entlang der Linie 3-5 von Figur 1, wobei Einzelheiten des Bildes auf der Auffangfläche Ton Figur 1 gezeigt werden; ■" ;■ .

Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform eines in der Anordnung von Figur 1 verwendbaren Laserstabes;

Figur 5 ist eine seitliche schematisehe Darstellung _: einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen bündelförmigen Laseranordnung mit Fernfeldabbildung;

Figur 6 ist ein Schnitt durch die Anordnung von Figur 5 entlang der Linie 6-6, wobei Einzelheiten der Gruppierung der Ausgangsenden der einzelnen Stäbe gezeigt werden; und ^

Figur 7 ist ein Schnitt durch die Anordnung von Figur 5 entlang der Linie 7-7j wobei das von der Laserstabgruppe durch Fernfeld-Abbildung auf der Auffangfläche erzeugte Bild gezeigt . wird.

In den Figuren 1-3 wird eine bündeiförmige Laseranordnung 10 gezeigt, die einzelne Laserstäbe., 12, 14, 16, 18 in einem geeigneten Laser .hohlraum 20 enthält, welcher mit einer üblichen Entladungsröhre, mit geeigneter Elektronik, mit üblichen Endreflektoren und mit anderen bei Lasern üblichen Bauteilen versehen ist, wobei diese Bauteile aus Gründen der" Über*, sichtlichkeit in der Figur nicht gezeigt werden. Wie man sieht, verlaufen die Ausgangsenden 12a, 14a, 16a und 18a der einzelnen Stäbe des Bündels schräg zu den Hauptachsen der Stäbe. In einer Entfernung Q-, von dem Ausgangsende der Stäbe befindet sich eine geeignete Linse 22 mit einer Brennweite f. Die Linse dient dazu, das Nahfeld des Laserausgangs an den Ausgangsenden der Stäbe auf eine Auffangfläche 24 abzubilden, diesich in einer Entfernung S₂ von der Linse 22 befindet. Auf die Auffangfläche in der Bildebene der

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Linse werden daher die Bilder 12^!, 14', 16', 18' der Stabausgänge geworfen.

Natürlich können verschiedene Gruppierungen einzelner ein Bündel bildender Laserstäbe verwendet werden, je nachdem, ob ein Schweißvorgang auf dem Gebiet der Medizin, der Metallverarbeitung oder auf einem anderen Anwendungsgebiet durchgeführt werden soll. Bei einem bestimmten vorgegebenen Problem oder Satz von Problemen auf dem Gebiete der Schweißtechnik kann im Rahmen der Erfindung eine variable Gruppierung von Stabbündeln vorgesehen werden. Variationen im Bild des Stabbündelausganges werden durch Änderung der Position der . einzelnen Stäbe durchgeführt, wobei z. B. die in Figur 2A gezeigte Ausgangsfläche 26 des Resonanzhohlraums Verwendung finden kann. Bei einer derartigen Anordnung werden die Stäbe 28,. 30, 32, 34 mit geeigneten Keilen oder ähnlichem versehen, um einen oder mehrere der Stäbe in seiner Lage verändern zu können und dadurch eine Variation der Schweißflecken auf der Auffangfläche zu bewirken. Die folgende Gleichung stellt die aus derartigen Positionsänderungen sich ergebende Verkleinerung oder Vergrößerung dar?

wobei 1 » 1 + 1 , d » der Durchmesser des Fleckens

auf der Auffangfläche und D * der Durchmesser des Fleckens am Ausgang der Stäbe ist.

Bei dem oben beschriebenen Nahfeidaystem können Änderungen dee erzeugten Bildmustere auch durch ein in ä@n Lichtweg gebrachtes ästigmatiBches optisches System erzeugt werden

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(Differenz der Brechkräfte in zwei verschiedenen Ebenen der Linse)_a

Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform mit Nahfeldabbildung ist. in Figur 4 gezeigt, wobei nur ein teilweiser Querschnitt des Ausgangsendes des Laserstabes gezeigt ist. In dieser Figur weist ein Laserstab 37» der entweder unbeschichtet oder mit einer Ummantelung 39 umgeben sein kann, ein gebogenes Ende 38 und eine Ausgangsfläche 35 auf_s die senkrecht zur Hauptachse des Stabes 37 verläuft« Eine Positionsänderung der Bilder auf der Auffangfläche 24 von Figur 1 würde dann durch Drehung der einzelnen Stäbe erreicht werden, von denen jader in der/Figur 4 gezeigten Weise ausgebildet isto Die Ummantelung 39 besteht aus einem Material, das einen geringeren Brechungsindex als das Material des Stabes 37 aufweint, um mitzuwirken, daß der Stab das Laserlicht„ während dieses durch die Form des Stabes abgebogen wird» durch den sogenannten Gasfasereffekt in seinem Inneren hält» Gemäß einer weiteren AusfüJörungsform kann eine zu der Hauptachse des Stabes 37 schräge Endfläche 35 vorgesehen werden, wobei der Stab ebenfalls ein gebogenes Ende aufweist» Diese Ausführungsformen sind auch bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Fernfeldabbildungen anwendbar»

Eine andere sum Schweißen verwendbare bundeiförmige Laseranordnung's, bei der eine Fernfeldabbild.üag vorgenommen wird, wird in den Figuren 5" - 7 gezeigten den®n eine bündeiförmige Anordnung 40. mit einer Anzahl von Laserstäben 42„ 44·₉ 46, 48 gezeigt -vjird-» Wie. bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel mit MaMeId= abbildung sind die einzelneu Stäbe mit schrägen Stirnflächen versehe», und mit Hilfe, der Linse 5O₉ die eich

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in einer Entfernung S von den Ausgangsflächen der Stäbe befindet, "wlird eine Fernfeldabbildung des Ausgangssignals dieser Stäbe an ihren Ausgangsflächen durchgeführt. Die Auffangfläche 52 ist in der Brennebene der Linse 50 in einer Entfernung f von der Linse aus angeordnet. Mit diesem optischen System wird das Fernfeld auf der Auffangfläche 52 abgebildet, d. h. es findet eine Übertragung des Ausfallwinkels des Lichtes aus den Stäben statt, wobei die Position der einzelnen Flecken 42*, 44', 46', 48* auf der Auffangfläche nach der folgenden Gleichung bestimmt ist, wenn die Ent— a

fernung zwischen den Bildflecken A beträgt und der Winkel zwischen den Stabachsen und den Achsen der ausgehenden Lichtbündel mit θ bezeichnet wirds

Die Größe der Flecken wird durch Änderung der Divergenz 0 des Lichtbündels variiert. Diese Änderung der Fleckengröße wird durch eine Änderung, der Gesamtlänge der einzelnen Stäbe oder durchentsprechende Wahl der Reflektivität an den Endflächen der einzelnen Stäbe erreicht. Wie man sieht, wird daher die Größe der Ausgangsflecken 42, 44 , 46, 48 bei der Anordnung von Figur 6 bei der Übertragung Λ in die Flecken 42·, 44*, 46', 48' auf der Auffangfläche der Anordnung von Figur 7 eine Änderung erfährt. Ferner kann die Entfernung zwischen Flecken B der Anordnung von Figur 6 in eine Entfernung A der Auffangfläche von Figur 7 abgebildet werden.

Eine zum Schweißen geeignete Laseranordnung gemäß den oben beschriebenen Beispielen kann bei verschiedenen Schweißvorgängen sowohl auf dem Gebiet der Metallverarbeitung

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als auch auf medizinischem Gebiet sowohl zum Bearbeiten von Material als auch zum Schneiden verwendet werden. Eine vorbestimmte Vielzahl von Bildfleoken auf dem Werkstück (Auffangfläche) wird dadurch vorgesehen, daß das Nahfeld auf das Werkstück mit der gewünschten Vergrößerung abgebildet wird, wobei durch Umordnung der einzelnen Stäbe des Bündels oder durch Zwischenschaltung einzelner optischer Elemente zwischen die Stabenden und das Werkstück verschiedene Muster erhältlich sind. Auch durch Abbildung des Fernfeldes auf das Werkstück mit einer Vergrößerung, die durch Wahl der jeweiligen Strahlenbündeldivergenz variiert werden kann, wobei dies Position eines Fleckens durch Drehung der einzelnen Stäbe eingestellt wird, können, diese technischen Möglichkeiten erreicht werden. Bei allen Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Stabelemente mit einer Endfläche versehen, deren Normale nicht co-linear mit der Hauptachse des Stabes ist, damit der angestrebte Erfolg erreicht wird. ,

Andere Variationen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele bestehen darin, daß Stäbe mit gebogenen Enden vorgesehen werden oder daß variierende Längen der einzelnen das Stabbündel von Figur 5 bildenden Stäbe vorgesehen werden. Indem man übliche Mittel vorsieht, um diese verschiedenen Längen austauschbar zu machen, kann die Divergenz der von den einzelnen Stäben ausgehenden Strahlenbündel und damit die Sröße der Flecken auf der Auffangfläche 52 geändert werden. Außer der Änderung der Stablänge können auch verschiedene Endreflektivitäten für die Stäbe vorgesehen werden, um die Divergenz und damit die Fleckgröße

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zu variieren.

Die bündeiförmige Laseranordnung kann entweder ein Verstärker oder ein Oszillator sein. Bei der Ausfuhr ungs form als Verstärker würde ein gesonderter La seroszillator die Energie erzeugen, und die Notwendigkeit» einzelne Ausgangsspiegel für die Stäbe des Bündels vorzusehen, würde entfallen»

Pat ent an s prüche s

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Claims

AO 2729 Patentanspr ü c h e

1./Laseranordnung zur Erzeugung eines Laserstrahlen» ündeis hoher Intensität, das in einem vorbestimmten Muster auf ein Werkstück auffallen SoII₅ ge k e η η zeichnet durch eine/bündelförmige Lasereinheit (IQ; 40) mit einzelnen Läserstäben(12_s 14_S 16| 42, 44j 46), von denen jeder eine Ausgangsstirnfläche (12a, 14a, 16a} 35J 42, 44, 46) aufweist, deren Normale mit der Hauptachse des Stabes-nicht co-linear ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , " daß jeder einzelne Stab eine Ausgangsstirnfläche (12a, 14a₉ -I6aj- 42₅ 44, 46, 48) aufweist, die schräg zur Hauptachse des Stabes verläuft.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein kleiner Teil des Stabes in der Nähe seiner Stirnfläche eine mit der Hauptachse des Stabes einen Winkel bildende Achse aufweist. .

4 · Anordnung nach Anspruch 1, .dadurch ■-.-...-gekennzeichnet , daß jeder Stab eine zur Hauptachse des Stabes senkrecht verlaufende Stirnfläche (35) aufweist und ein kleiner Teil des Stabes in der Nähe seiner Ausgangsstirnfläclie eine mit der Hauptachse einen Wikfeel bildende Achse aufweist» ^;

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5. Anordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e η η ζ e lehne t , daß sich eine Linse (22; 50) zwischen dem Werkstück (24j 52) und den Laserstäben befindet.

6. Anordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h ge kenn zeichne t , daß sich ein astigmatisch optisohes System zwischen dem Werkstück und den Laserstäben befindet.

7· Anordnung nach Anspruch 5» d a du rc h ge k en η ζ ei c h η et , daß sich die Linse (50) in einem der Brennweite der Linse gleichen Abstand (f¹) von dem Werkstück (52) befindet.

8. Anordnung nach Anepruch 5» da du r c h

g e ken η ze lehnet , daß das Pernfeld des Laserausgangssignals in Form von einzelnen Flecken auf dem Werkstück (52) durch die Linse (50) abgebildet wird und daß die Stäbe einzeln drehbar sind, so daß die Position der Flecken auf dem Werkstück relativ zueinander geändert werden kann.

9. Anordnung nach Anspruch 5» d a d u r c h

g e k e nn ζ e i c h η e t _f daß das Fernfeld des Laserausgangssignals in Form von einzelnen Flecken auf dem Werkstück (52) durch die Linse (50) abgebildet wird und daß die Stäbe hinsichtlich ihrer Länge und ihrer EndrefLektivität einzeln einstellbar sind, so daß die Größe der Flecken auf dem Werkstück variiert werden kann.

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10. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das Nahfeld des Laserausgangssignals in Form von einzelnen Flecken durch die Linse (22) auf dem Werkstück (24) abgebildet wird und daß die Stäbe einzeln drehbar sind, so daß die Position der Flecken auf dem Werkstück relativ zu einander variiert werden kann.

11. Anordnung nach Anspruch 5, d a d u roh gekennzeichnet , daß das Nahfeld des Laserausgangssignals in Form von einzelnen Flecken durch die Linse (22) auf dem Werkstück (24) abgebildet wird und die Position der Linse einstellbar ist, so daß die Größe der einzelnen Flecken variiert werden kann.

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