WO2019179851A1

WO2019179851A1 - Arrangement for laser beam cutting workpieces

Info

Publication number: WO2019179851A1
Application number: PCT/EP2019/056320
Authority: WO
Inventors: Tim Kunze; Robert Baumann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: DE102018204250B4; DE102018204250A1

Abstract

The invention relates to an arrangement for laser beam cutting, in which a laser beam can be split by means of optical elements into at least two partial beams interfering with one another in an interference volume, wherein the interference volume of the partial beams interfering with one another is arranged in the region of the material of a workpiece to be cut.

Description

ANORDNU NG ZUM LASERSTRAHLSCHN EI DEN VON WERKSTÜCKEN ARRANGEMENT TO LASER RADIATION OF WORKPIECES

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Laserstrahlschneiden von Werk stücken, bei der Laserstrahlinterferenz ausgenutzt werden kann. The invention relates to an arrangement for laser beam cutting work pieces, can be exploited in the laser beam interference.

Beim herkömmlichen Laserstrahlschneiden treten Probleme auf, auf die nach folgend eingegangen werden soll. In conventional laser beam cutting problems occur, which will be discussed below.

Problemstellung 1: Das Laserschneiden/Trennen von Materialien, insbeson- dere Metallen, mit Dicken von über 6 mm stellt eine deutliche Herausforde rung an die notwendige Laserleistung sowie die dafür notwendigen optischen Komponenten dar. Die Nutzung höherer Laserleistungen führt zwar zu einer deutlichen Verbesserung der erreichbaren Schnittgeschwindigkeiten sowie verbesserter Schnittkantenqualität aber gleichzeitig steigen die Betriebs- und Investitionskosten aufgrund der verwendeten Anlagentechnik (d.h. höhereProblem 1: The laser cutting / separating of materials, in particular metals, with thicknesses of over 6 mm presents a clear challenge to the necessary laser power as well as the necessary optical components. The use of higher laser powers leads to a significant improvement of the achievable Cutting speeds and improved cut edge quality but at the same time increase the operating and investment costs due to the equipment used (ie higher

Laserleistung erfordert Hochleistungsoptiken mit entsprechend höheren An- schaffungs- und Betriebskosten). Problemstellung 2: Das Laserschneiden/Trennen von Materialien, z.B. metalli schen Schäumen, mit Dicken von weniger als 1 mm ist prinzipiell mittels Laser- Remote-Schneidprozessen schnell und flexibel möglich. Das Schneiden der Materialien erfordert aber dabei ein mehrfaches Überfahren der gewünsch ten Schnittkontur. Dabei führen höhere Laserleistungen zu weniger benötig ten Überfahrten und folglich höheren Schnittgeschwindigkeiten, jedoch steigt die Beanspruchung der optischen Strahlformungs- und Führungselemente deutlich. Optische Bearbeitungselemente (Scannerspiegel), welche den hohen Laserleistungen prozesssicher standhalten können weisen aufgrund ihrer grö ßeren Apertur eine geringe Dynamik auf. Dies wirkt der maximal-möglichen Schnittgeschwindigkeit entgegen. Laser power requires high performance optics with corresponding higher acquisition and operating costs). Problem 2: The laser cutting / separating of materials, eg metallic foams, with thicknesses of less than 1 mm is in principle possible quickly and flexibly by means of laser remote cutting processes. However, the cutting of the materials requires a multiple crossing of the gewünsch th cutting contour. Higher laser powers result in less required passes and consequently higher cutting speeds, but the load on the optical beam shaping and guiding elements increases significantly. Optical processing elements (scanner mirror), which can reliably withstand the high laser powers, have low dynamics due to their larger aperture. This counteracts the maximum possible cutting speed.

Problemstellung 3: Beim Trennen von dünnen Folien (z.B. Batteriefolien - Anoden und Kathoden) mit Dicken kleiner als 200 pm kommt es zu Material- auswurf bzw. Materialanhäufung an der Oberfläche, was zu Qualitätseinbu ßen oder erforderlichen Nacharbeiten führt. Dies kann beispielsweise bei ei ner Weiterverarbeitung zu elektrischen Kurzschlüssen führen und die jeweili ge Batterie in ihrer Funktion stören bzw. vollständig funktionsunfähig machen. Es werden höhere Laserintensitäten erforderlich, so dass ein höherer Materi alverdampfungsanteil entstehen kann und der am Prozess beteiligte Schmelz anteil reduziert wird. Der alleinigen Aufskalierung der Laserintensität d.h. La serleistung steht aber eine höhere Anforderung an die optischen Komponen ten sowie Einbußen in der Prozessdynamik entgegen (siehe Problemstellung 2). Problem 3: When separating thin foils (for example, battery foils - anodes and cathodes) with thicknesses of less than 200 μm, material ejection or accumulation of material occurs on the surface, which leads to loss of quality or reworking required. This can, for example, in egg ner further processing lead to electrical short circuits and disturb the respec ge battery in their function or make completely inoperable. Higher laser intensities are required so that a higher proportion of material evaporation can occur and the enamel share involved in the process is reduced. The sole scaling up of the laser intensity, i. However, laser performance precludes a higher requirement for the optical components and losses in the process dynamics (see Problem 2).

Bei allen Laserschneidanwendungen gilt die Anforderung einer hohen Laserin tensität, einer hohen Prozessdynamik bzw. -geschwindigkeit (geringe lokale Interaktionszeit) bei gleichzeitig möglichst geringem Strahldurchmesser in der Fokusebene (Brennfleck). In all laser cutting applications, the requirement of high laser intensity, high process dynamics or speed (low local interaction time) and at the same time the lowest possible beam diameter in the focal plane (focal spot) apply.

Der Problemstellung 1 wurde bisher mit einer Modulation des Laserstrahlpro- fils/Laserstrahlquerschnittsflächengeoemtrie entweder über statische opti sche Elemente (Diffraktive optische Elemente - DOE) oder über statisch verteilte und symmetrische, jedoch in ihrer Intensität anpassbare, Strahlprofi le (Coherent - Adjustable Ring Mode Fiber Laser) entgegen gewirkt. Die damit realisierbaren Laserstrahlprofile ermöglichen aber nur ein 1-dimensionales Modulieren der lokalen Laserintensität. Insbesondere beim statischen DOE- Ansatz muss beispielsweise für komplexe Schneidkonturen der Schneidkopf oder aber das Bauteil gedreht werden. Weitere Ansätze von modulierten Strahlprofilen ergeben sich durch das sogenannte Strahlpendeln, bei dem ein Laserstrahl mit konstanter Strahlintensitätsverteilung mittels hochdynami schen Scannern so schnell abgelenkt wird, dass eine dynamisierte Laserinten sitätsverteilung erreicht werden kann. Nachteilig beim Strahlpendeln wirkt es sich aber aus, dass optische Bearbeitungselemente (Scannerspiegel), welche den hohen Laserleistungen prozesssicher standhalten können, aufgrund ihrer größeren Apertur eine geringe Dynamik aufweisen. Dies wirkt der maximal möglichen Schnittgeschwindigkeit entgegen, so dass die Modulationsfrequenz der Scannerspiegel auf ca. 4 kHz begrenzt ist. The problem 1 was previously with a modulation of the laser beam profile / Laserstrahlquerschnittsflächengeoemtrie either static opti cal elements (diffractive optical elements - DOE) or statically distributed and symmetrical, but adjustable in intensity, beam profi le (Coherent - Adjustable Ring Mode Fiber Laser ) counteracted. The so However, realizable laser beam profiles allow only a 1-dimensional modulation of the local laser intensity. In particular, in the case of the static DOE approach, for example, the cutting head or the component has to be rotated for complex cutting contours. Other approaches of modulated beam profiles result from the so-called beam oscillation, in which a laser beam with constant beam intensity distribution by means of highly dynamic scanners rule is deflected so fast that a dynamic Laserinten sitätsverteilung can be achieved. A disadvantage of beam oscillation, however, is that optical processing elements (scanner mirrors), which can reliably withstand the high laser powers, have low dynamics due to their larger aperture. This counteracts the maximum possible cutting speed, so that the modulation frequency of the scanner mirror is limited to approximately 4 kHz.

Der Problemstellung 2 wurde bisher entgegengewirkt, in dem Materialien mit einer Stärke von weniger als 1 mm mittels Laser-Remote-Schneiden (LRS) hochqualitativ und effizient bearbeitet wurden. Die verwendeten Strahlprofile besitzen üblicherweise eine statische, gaußverteilte Laserenergieverteilung (Single-Mode; TEM00). Das Schneiden der Materialien benötigt dabei mit zu nehmender Materialstärke eine größere Anzahl erforderlicher Überfahren, wodurch die Anwendbarkeit des LRS auf dünne Bauteile beschränkt ist. Das LRS ist derzeit auf ca. 0,4 mm Blechstärke begrenzt. Problem 2 has been counteracted so far by using materials with a thickness of less than 1 mm by means of laser remote cutting (LRS) with high quality and efficiency. The beam profiles used usually have a static, Gaussian distributed laser energy distribution (single mode, TEM00). The cutting of the materials needed with a material thickness to be taken a larger number of required driving over, whereby the applicability of the LRS is limited to thin components. The LRS is currently limited to about 0.4 mm thickness.

Problemstellung 3 wurde bisher entgegen gewirkt, in dem gepulste Laserquel len zum Schneiden von Folien oder anderen dünnen Bauteilen eingesetzt wurden. Die dabei entstehenden Schmelzpartikel müssen in einem nachgela gerten Prozessschritt entfernt oder durch Anwenden dickerer Separatorfolien oder Abdeckungen kompensiert werden. Das Nutzen höherer Laserintensitä ten führt wieder zu höheren Anforderungen an die optischen Komponenten sowie Einbußen in der Prozessdynamik. Problem 3 has been counteracted so far, were used in the pulsed Laserquel len for cutting films or other thin components. The resulting melt particles must be removed in a subsequent process step or compensated by applying thicker separator films or covers. The use of higher laser intensities again leads to higher demands on the optical components as well as losses in the process dynamics.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zum Laserstrahlschneiden anzugeben, mit denen die Kosten reduziert, die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht oder bei verbesserter Qualität beibehalten werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeich- neten Merkmalen realisiert werden. It is therefore an object of the invention to provide opportunities for laser beam cutting, with which the costs can be reduced, the processing speed can be increased or maintained with improved quality. According to the invention this object is achieved with an arrangement having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features designated in subordinate claims.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein Laserstrahl mittels optischer Elemente in mindestens zwei in einem Interferenzvolumen miteinander inter ferierende Teilstrahlen aufteilbar. Das Interferenzvolumen, der miteinander interferierenden Teilstrahlen, ist dabei im Bereich von Werkstoff eines zu schneidenden Werkstücks angeordnet. In the arrangement according to the invention, a laser beam by means of optical elements in at least two in an interference volume with each other inter ferierende partial beams can be divided. The interference volume, the partial beams interfering with each other, is arranged in the region of material of a workpiece to be cut.

Die Anordnung sollte vorteilhaft so ausgebildet sein, dass mindestens einer der folgenden drei Effekte a bis c erreichbar ist. a die Strukturperiode L der miteinander interferierenden Teilstrahlen, b die Ausrichtung der Strukturperiode L in Bezug zur optischen Achse des Laserstrahls durch Drehung der Strukturperiode L um diese oder eine parallel dazu ausgerichtete Achse und c die Position des Interferenzvolumens in Bezug zur Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks mit seinem Zentrum in Bezug zur Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks (in z-Achsrichtung) ist während der Vorschubbewegung der miteinander interferierenden Teil strahlen veränderbar. The arrangement should advantageously be designed such that at least one of the following three effects a to c can be achieved. a the structure period L of the sub-beams interfering with each other, b the orientation of the structure period L with respect to the optical axis of the laser beam by rotation of the structure period L about this or an axis aligned parallel thereto and c the position of the interference volume with respect to the surface of the workpiece to be cut its center with respect to the surface of the workpiece to be cut (in the z-axis direction) is variable during the feed movement of the interfering part beams.

Während der Vorschubbewegung des Brennflecks beim Laserschneiden, der mit den mindestens zwei interferierenden Teilstrahlen gebildet ist, sollte vor teilhaft mindestens einer der drei genannten Effekte realisiert sein. During the advancing movement of the focal spot during laser cutting, which is formed with the at least two interfering partial beams, at least one of the three mentioned effects should be realized before geous.

Die Strukturperiode L, der miteinander interferierenden Teilstrahlen, die Aus richtung der Strukturperiode L in Bezug zur optischen Achse des Laserstrahls durch Drehung der Strukturperiode L um diese oder eine parallel dazu ausge richtete Achse und/oder die Position des Interferenzvolumens in Bezug zur Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks kann/können vorteilhaft mit sei- nem Zentrum in Bezug zur Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks (in z- Achsrichtung) kontinuierlich oder stufenweise veränderbar sein. Bei einer kontinuierlichen Veränderung kann die Strukturperiode L von einem Mini malwert bis zu einem Maximalwert und wieder zurück verändert werden. Es kann auch so eine Drehung erreicht werden, in dem die miteinander interfe rierenden Teilstrahlen so beeinflusst werden, dass eine kontinuierliche Dre hung der Ausrichtung der Strukturperiode L durch Drehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit erreicht werden kann. The structure period L, the partial beams interfering with each other, the direction of the structure period L with respect to the optical axis of the laser beam by rotation of the structure period L about this or a parallel aligned axis and / or the position of the interference volume with respect to the surface of the to be cut Workpiece can / can be advantageously used with nem center in relation to the surface of the workpiece to be cut (in the z-axis direction) be continuously or stepwise changeable. In the case of a continuous change, the structure period L can be changed from a minimum value to a maximum value and back again. It can also be achieved as a rotation in which the interfe rungs sub-beams are influenced so that a continuous Dre hung the alignment of the structure period L can be achieved by rotation at a constant angular velocity.

Die Positionierung des Interferenzvolumens der miteinander interferierenden Teilstrahlen kann ebenfalls zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert durch Verschiebung des Interferenzvolumens in z-Achsrichtung mit konstanter Geschwindigkeit realisiert werden. Dabei sollte der jeweils bereits erfolgte Werkstoffabtrag im Bereich der Schnittfuge berücksichtigt werden. Dies kann durch eine Steuerung oder bevorzugt eine Regelung erreicht werden. Bei ei ner Regelung kann beispielsweise der jeweils erfolgte Werkstoffabtrag mit mindestens einem berührungslos arbeitenden Sensor bestimmt und dies bei der Bewegung des Interferenzvolumens in z-Achsrichtung berücksichtigt wer den können. Dazu ist beispielsweise ein Abstandssensor geeignet. The positioning of the interference volume of the sub-beams interfering with each other can also be realized between a minimum and a maximum value by shifting the interference volume in the z-axis direction at a constant speed. At the same time, the already existing material removal in the area of the kerf should be taken into account. This can be achieved by a controller or preferably a controller. In egg ner control, for example, the respective material removal can be determined with at least one non-contact sensor and this taken into account in the movement of the interference volume in the z-axis direction who can. For this purpose, for example, a distance sensor is suitable.

Eine Regelung oder Steuerung kann auch so durchgeführt werden, dass das Interferenzvolumen so insbesondere in z-Achsrichtung positioniert wird, dass die Ebene des Interferenzvolumens mit der größten Energiedichte der mitei nander interferierenden Laserstrahlung im Bereich der Oberfläche angeordnet wird, in der momentan ein Werkstoffabtrag erfolgt. A regulation or control can also be carried out such that the interference volume is positioned in particular in the z-axis direction such that the plane of the interference volume with the greatest energy density of the laser radiation interfering with one another is arranged in the region of the surface in which material is currently being removed.

Die Position des Interferenzvolumens kann in Bezug zur jeweiligen Werk stückoberfläche mit Hilfe mindestens eines dynamisch in x-, y- und/oder z- Achsrichtung bewegbaren, optischen Elementes verändert werden. Dazu kann mindestens ein optisches Element ein abbildendes optisches Element, insbe sondere eine optische Linsen, ein akusto-optischer, ein elektro-optischer oder mechano-optischer Modulator sein. Die Position bezüglich der Oberfläche des Werkstücks (S) sollte mit einer Höhe Ah in z-Achsrichtung veränderbar sein. The position of the interference volume can be changed in relation to the respective workpiece surface by means of at least one dynamically movable in the x-, y- and / or z-axis, optical element. For this purpose, at least one optical element can be an imaging optical element, in particular a special optical lenses, an acousto-optical, an electro-optical or mechano-optical modulator. The position with respect to the surface of the workpiece (S) should be changeable with a height Ah in the z-axis direction.

Bei einer gestuften Veränderung der Effekte a) bis c) kann eine sprunghafte Veränderung mit Werten für eine veränderte Strukturperiode mit Stufen von DL, eine Drehung mit Werten von Df und/oder einer Bewegung der Position des Interferenzvolumens mit Werten von Dή in z-Achsrichtung bei einem kar tesischen Koordinatensystem sein. Die jeweiligen D-Werte können für die je weilige Schneidaufgabe optimiert gewählt werden. In a stepped change of the effects a) to c), a sudden change with values for a changed structure period with steps of DL, a rotation with values of Df and / or a movement of the position of the interference volume with values of Dή in the z-axis direction in a Cartesian coordinate system. The respective D-values can be selected optimized for each respective cutting task.

Eine Drehung der Strukturperiode mit den interferierenden Teilstrahlen kann auch mit wechselnder Drehrichtung erfolgen. A rotation of the structure period with the interfering partial beams can also take place with alternating direction of rotation.

Die Drehung der Strukturperiode A kann mit einem Doveprisma, das parallel zu den parallel zueinander ausgerichteten optischen Achsen der Teilstrahlen drehbar ist, erreicht werden. Dabei treffen die bis dahin parallel zueinander ausgerichteten Teilstrahlen auf eine in einem Winkel ungleich 90 ° in Bezug zu den optischen Achsen der Teilstrahlen abgewinkelte Stirnfläche eines Doveprisma auf und treten an einer ebenfalls in einem Winkel ungleich 90 ° abgewinkelten Stirnfläche des Doveprisma aus. Bei der Drehung des The rotation of the structure period A can be achieved with a dove prism which is rotatable parallel to the parallel aligned optical axes of the sub-beams. In this case, the partial beams aligned parallel to one another impinge on an end face of a dove prism which is angled at an angle which is not equal to 90 ° with respect to the optical axes of the partial beams and exit at an end face of the dove prism which is also angled at a non-90 ° angle. When turning the

Doveprismas kann die Strukturperiode L entsprechend gedreht werden. Dove prism, the structure period L can be rotated accordingly.

Allein oder zusätzlich dazu kann eine auch zweidimensionale Vorschubbewe gung des Interferenzmusters, das mit den interferierenden Teilstrahlen erhal ten worden ist, auf der Oberfläche eines Bauteils auch mit zwei um jeweils eine senkrecht zueinander ausgerichtete Achse verschwenkbaren reflektie renden Elementen, auf die die parallel zueinander ausgerichteten Teilstrahlen auftreffen, erreicht werden. Dabei sind die beiden reflektierenden Elemente im Strahlengang der Teilstrahlen nacheinander angeordnet, so dass die Teil strahlen erst auf ein reflektierendes Element und nach Reflexion von dort auf ein zweites reflektierendes Element auftreffen. Ein solcher Aufbau kann auch als Galvo-Spiegelaufbau bezeichnet werden. Je nach den eingestellten Schwenkwinkeln der beiden reflektierenden Element kann die Position des Brennflecks, der mit den interferierenden Teilstrahlen erhalten worden ist, mit der Strukturperiode L in eine bestimmte Position durch Verschwenkung der reflektierenden Flächen der reflektierenden Elemente in bestimmten vorgebbaren Winkeln während der Schneidbearbeitung sukzessive oder kon tinuierlich verändert werden. Alone or in addition to a two-dimensional Vorschubbewe movement of the interference pattern, which has been obtained th with the interfering partial beams, on the surface of a component with two pivotable about each axis aligned mutually Reflecting elements on which the mutually parallel partial beams be reached. In this case, the two reflective elements in the beam path of the partial beams are arranged one after the other, so that the partial rays impinge only on a reflective element and after reflection from there to a second reflective element. Such a structure may also be referred to as galvo mirror construction. Depending on the set pivoting angles of the two reflecting elements, the position of the focal spot obtained with the interfering partial beams may be successively or conrastuated with the structural period L to a specific position by pivoting the reflective surfaces of the reflective elements at certain predetermined angles during the cutting process be changed continuously.

In einer Nullstellung sollte die im Strahlengang der Teilstrahlen zuerst ange ordnete reflektierende Fläche in einem Winkel von 45 ° in Bezug zu den dort auftreffenden Teilstrahlen ausgerichtet sein und sich um diesen Winkel in zwei entgegengesetzte Richtungen verschwenken lassen. Die maximalen Verschwenkwinkel sollten so gewählt werden, dass die von dort reflektierten Teilstrahlen auf die reflektierende Oberfläche des im Strahlengang der Teil strahlen nachfolgend angeordneten weiteren reflektierenden Elements auf treffen können. Die reflektierende Oberfläche des weiteren reflektierenden Elements kann in einer Nullstellung bevorzugt parallel zu einer Oberfläche eines zu schneidenden Substrats bzw. Werkstücks ausgerichtet und um diese Nullstellung verschwenkbar sein. In a zero position, the first in the beam path of the partial beams arranged reflecting surface at an angle of 45 ° with respect to the there be aligned incident partial beams and can be pivoted about this angle in two opposite directions. The maximum pivot angle should be chosen so that the reflected from there sub-beams on the reflective surface of the rays in the beam path of the part subsequently arranged further reflective element can meet. In a zero position, the reflective surface of the further reflective element can preferably be aligned parallel to a surface of a substrate or workpiece to be cut and can be pivoted about this zero position.

Unter Nutzung eines strahlpaarrotierenden Elementes, wie dies ein Using a Strahlpaarrotierenden element, like this one

Doveprisma ist, können die Teilstrahlen um einen kontinuierlichen Winkel gedreht werden. Die Rotationsgeschwindigkeit kann konstant variiert oder um ein festes Inkrement erhöht werden. Die rotierenden Teilstrahlen können in auch mit einem Galvanometer-Aufbau (Scanner) mit den um senkrecht zuei nander ausgerichteten Rotationsachsen, um die sie verschwenkbar sind, so beeinflussen, dass eine Rotation des Interferenzmusters auf der Oberfläche des Substrates zur Optimierung des Schneidprozesses genutzt werden kann. Dove prism is, the partial beams can be rotated by a continuous angle. The rotation speed can be varied constantly or increased by a fixed increment. The rotating partial beams can also be influenced by a galvanometer structure (scanner) with the axes of rotation aligned about them perpendicularly about which they are pivotable so that a rotation of the interference pattern on the surface of the substrate can be used to optimize the cutting process.

Eine Veränderung der Ausrichtung der Interferenzperiode L durch Drehung kann auch mit miteinander interferierenden Teilstrahlen, die auf am äußeren Umfang eines Polygonspiegels angeordnete mehrere reflektierende Oberflä chen auftreffen und mit den um eine senkrecht zur Auftreffrichtung der Teil strahlen rotierenden reflektierenden Oberflächen auf eine zu bearbeitende Oberfläche eines Werkstücks gerichtet sind, erreicht werden. A change in the orientation of the interference period L by rotation can also interfere with mutually interfering sub-beams, Chen on the outer circumference of a polygon mirror several reflective surfaces Oberflä and with a perpendicular to the direction of incidence of the part rotating reflective surfaces on a surface to be machined workpiece are addressed.

Als neuer Lösungsansatz zur Überwindung bestehender Beschränkungen des Laserstrahlschneidens wird eine höchstdynamische Strahlmodulation mittels direktem Laserinterferenzverfahren vorgeschlagen. Hierfür werden kohärente Laserstrahlen überlagert, die ein Interferenzmuster erzeugen. In Folge kann die Laserstrahlungsintensität I, welche maßgeblich für den Schmelzaustrieb durch erhöhten Verdampfungsanteil verantwortlich ist, lokal definiert stark erhöht werden (siehe Abbildung 1). Der funktionale Zusammenhang der lokalen Laserintensität infolge Laserinter ferenz ergibt sich dabei im Wesentlichen aus der lokalen elektrischen Feld stärke E (mit k als Konstante) zu: As a new approach to overcoming existing limitations of laser beam cutting, a highly dynamic beam modulation by means of direct laser interference method is proposed. For this purpose, coherent laser beams are superposed, which generate an interference pattern. As a result, the laser radiation intensity I, which is significantly responsible for the melt ejection due to increased evaporation fraction, can be greatly increased locally defined (see Figure 1). The functional relationship of the local laser intensity as a result of laser sintering results essentially from the local electric field strength E (with k as a constant) to:

I = k * | E | ² I = k * | E | ²

Vorteile ergeben sich aus der Flexibilität in der Erzeugung des Interferenzmus ters bezogen auf die sich ausprägende Interferenzperiode L im Schnittspalt. Diese Interferenzperiode L kann gemäß der Formel Advantages result from the flexibility in the generation of the interference pattern based on the pronounced interference period L in the kerf. This interference period L can be calculated according to the formula

L = l / (2 * sin (Q/2)) unter Berücksichtigung der Laserwellenlänge l sowie des Winkels Q zwischen den interferierenden Teilstrahlen kontrolliert werden. Durch geeignete (kon stant-gehaltene) Wahl einer oder in-line Variation der Interferenzperiode L kann die lokale Laserintensität während des Schneidprozesses angepasst bzw. optimiert werden. L = l / (2 * sin (Q / 2)) taking into account the laser wavelength l and the angle Q between the interfering sub-beams are controlled. By suitable (constant) choice of one or in-line variation of the interference period L, the local laser intensity can be adjusted or optimized during the cutting process.

Es ist auch vorteilhaft, wenn eine variable Orientierung des Laserinterferenz musters während des Prozesses genutzt wird. Durch geeignete Wahl der Ori entierung des Interferenzmusters bzgl. der Vorschubrichtung kann ebenfalls der Schneidprozess positiv beeinflusst werden. Figur 1 zeigt mögliche I nterfe renzmuster (links) sowie beispielhafte Interferenzmuster in Vorschubrichtung des Schnittspalts (rechts). Der Abstand L in Figur 1 bestimmt die Überlappung der Interferenzmuster. Dabei können die Strukturperiode L und/oder die Aus richtung des jeweiligen Interferenzmusters in Vorschubbewegungsrichtung durch Drehung um einen Winkel cpx verändert werden. Die Drehung kann da bei kontinuierlich oder auch stufenweise mit vorgebbarem Winkel Df erreicht werden. Auch die Richtung in der das Interferenzmuster gedreht wird, kann bei der Vorschubbewegung verändert werden. It is also advantageous if a variable orientation of the laser interference pattern is used during the process. By suitable choice of the orientation of the interference pattern with respect to the feed direction, the cutting process can likewise be positively influenced. FIG. 1 shows possible interference patterns (left) as well as exemplary interference patterns in the feed direction of the cutting gap (right). The distance L in Figure 1 determines the overlap of the interference patterns. In this case, the structure period L and / or the direction of the respective interference pattern in the advancing movement direction can be changed by rotation by an angle cpx. The rotation can be achieved as continuously or stepwise with a predefinable angle Df. Also, the direction in which the interference pattern is rotated, can be changed in the feed motion.

Es kann auch eine dynamische Prozessführung auch als Kombination mit ver änderbarere Interferenzperiode und -orientierung vorteilhaft genutzt wer den. Diese Kombination ermöglicht einen hochdynamischen Schneidprozess in Analogie zum bereits bekannten Laserstrahlpendeln. Der wesentliche Unter schied zum etablierten Laserstrahlpendelverfahren ist die interferenzmuster- bedingte Substruktur im Laserstrahlprofil in der Brennfleckebene und die in Folge bedeutend erhöhte Laserintensität während des Schneidprozesses (er höhter Schmelzanteil). Prinzipiell können alle genannten Vorteile zusätzlich noch mit konventionellen Konzepten bestehender Laserschneidköpfe mit Pro zessgasdüse gekoppelt werden, so dass der Materialaustrieb und die resultie rende Schneidgeschwindigkeit insbesondere für den in Problemstellung 1 ge nannten Sachverhalt verbessert werden kann. It can also be used advantageously as a combination with ver changeable Interferenzperiode and orientation a dynamic process management who the. This combination enables a highly dynamic cutting process in analogy to the already known laser beam oscillation. The essential difference to the established laser beam oscillation method is the interference pattern Conditional substructure in the laser beam profile in the focal plane and the resulting significantly increased laser intensity during the cutting process (he increased melt fraction). In principle, all the above-mentioned advantages can additionally be coupled with conventional concepts of existing laser cutting heads with a process gas nozzle, so that the material discharge and the resulting cutting speed can be improved, in particular for the problem mentioned in Problem 1.

Durch Erweiterung des optischen Aufbaus kann allein oder zusätzlich zu den zwei bereits genannten Möglichkeiten die Strahldivergenz so kontrolliert wer den, dass die sich ausprägenden Interferenzmuster (d.h. die Position des In terferenzvolumens) in ihrer z-Achsenposition (z-Ebene) dynamisch moduliert werden können. Infolge kann eine Art vertikale Strahloszillation (Variations höhe h) generiert werden, welche sich positiv auf das Schneidergebnis aus wirkt (siehe Figur 2). By expanding the optical design alone or in addition to the two possibilities already mentioned, the beam divergence can be controlled so that the resulting interference patterns (i.e., the position of the interference volume) in its z-axis position (z-plane) can be dynamically modulated. As a result, a kind of vertical beam oscillation (variation height h) can be generated, which has a positive effect on the cutting result (see FIG. 2).

Der Laserstrahl kann bevorzugt gepulst mit einer Einzelpulsdauer im The laser beam may preferably be pulsed with a single pulse duration in the

Femtosekundenbereich bis maximal 100 ns und/oder mit einer Leistung von mindestens 0,1 W im gesamten Spektralbereich der eingesetzten Laserstrah lung betrieben werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit eines kontinuier lichen cw-Betriebes des Laserstrahls. Femtosekundenbereich to a maximum of 100 ns and / or operated with a power of at least 0.1 W in the entire spectral range of the laser beam used. But there is also the possibility of a continuous union CW operation of the laser beam.

Der wichtigste Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der Erhöhung der maximal nutzbaren Intensität bei gleichbleibender Laserleistung sowie die damit ein hergehende Reduzierung der Strahltaille. Daher kann schon eine moderate Erhöhung der Laserleistung zu einer deutlich erhöhten Prozessgeschwindig keit führen ohne die Dynamik der verwendeten Scannerspiegel oder andere Möglichkeiten zur Strahlauslenkung bzw. der Relativbewegung zwischen dem interferierenden Laserstrahl und einem Werkstück verändern zu müssen. The most important advantage of the invention results from the increase of the maximum usable intensity with constant laser power and the resulting reduction in the beam waist. Therefore, even a moderate increase in laser power can lead to a significantly increased process speed without having to change the dynamics of the scanner mirror used or other possibilities for beam deflection or the relative movement between the interfering laser beam and a workpiece.

Für das Trennen von Folien besteht der Vorteil eines höheren Verdampfungs anteils im Schnittspalt. Werkstoff eines Werkstücks, das in die Dampfphase überführt worden ist, kann wesentlich besser von der Prozesszone und vom Bauteil weggeführt werden. Dies erhöht die Qualität der erhaltenen Werkstü cke, da weniger Material aus dem Schnittspalt sich auf der Werkstückoberflä- che niederschlägt. Gleichzeitig kann der thermisch induzierte Stress, der beim Laserschneidprozess auftritt, deutlich reduziert werden. For the separation of films has the advantage of a higher evaporation rate in the kerf. Material of a workpiece that has been converted into the vapor phase, can be much better away from the process zone and the component away. This increases the quality of the workpieces obtained since less material from the kerf is deposited on the workpiece surface. precipitates. At the same time, the thermally induced stress that occurs in the laser cutting process can be significantly reduced.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen: Showing:

Figur 1 Möglichkeiten zur Veränderung der Ausrichtung eines Interfe renzmusters in Bezug zur Vorschubbewegungsrichtung; FIG. 1 shows possibilities for changing the orientation of an interference pattern in relation to the advancing movement direction;

Figur 2 Möglichkeiten zur Beeinflussung der Position des Interferenzvo lumens in ihrer z-Achsenposition während des Schneidvorgangs infolge Fo kusvariation bzw. Divergenzmodulation vor Eintritt des Laserstrahls in den Teil der Anordnung mit dem die direkte Laserinterferenz erreichbar ist (DLIP Se tup); FIG. 2 shows possibilities for influencing the position of the interference volume in its z-axis position during the cutting process as a result of photo variation or divergence modulation before the laser beam enters the part of the arrangement with which the direct laser interference can be achieved (DLIP se tup);

Figur 3 in schematischer Form ein Beispiel einer optischen Anordnung, wie sie bei der Erfindung eingesetzt werden kann; Figure 3 shows in schematic form an example of an optical arrangement, as it can be used in the invention;

Figur 4a-c in schematischer Form Beispiele eines verschwenkbaren weite ren Strahlteilers allein (a), in Kombination mit einem Fokussierungssystem (b) oder ein Laser-Scanner (c), wie sie ebenfalls bei der Erfindung eingesetzt wer den können; Figure 4a-c in schematic form examples of a pivotable wide Ren beam splitter alone (a), in combination with a focusing system (b) or a laser scanner (c), as also used in the invention who can;

Figur 5 in schematischer Form ein weiteres Beispiel einer Anordnung, die bei der Erfindung eingesetzt werden kann; Figure 5 shows in schematic form another example of an arrangement that can be used in the invention;

Figur 6 in schematischer Form ein weiteres Beispiel einer Anordnung, wie sie bei der Erfindung eingesetzt werden kann; Figure 6 shows in schematic form a further example of an arrangement as it can be used in the invention;

Figur 7 die mögliche Anwendung eines Doveprismas zur Drehung derFIG. 7 shows the possible application of a dove prism for rotation of the dove prism

Interferenzstrukturperiode L und Interference structure period L and

Figur 8 zwei um jeweils eine senkrecht zueinander ausgerichtete Achse verschwenkbaref reflektierendef Elemente zur flexiblen Realisierung einer Vorschubbewegung beim Laserstrahlschneiden in Kombination mit einem Doveprisma. FIG. 8 shows two elements which can be pivoted about a respective axis oriented perpendicular to one another for the flexible realization of a feed movement during laser beam cutting in combination with a Doveprisma.

In Figur 1 ist schematisch gezeigt, wie während des Schneidvorgangs aktiv Einfluss genommen werden kann, in dem die Strukturperiode L während der Vorschubbewegung des Laserstrahls in Bezug zu einem Werkstück verändert werden kann. Dadurch lässt sich die Energiedichte im Interferenzvolumen während der Vorschubbewegung verändern. So weist die Strukturperiode Al eine veränderte lokale Energiedichte auf als die Strukturperiode L2. FIG. 1 shows schematically how it is possible to actively influence during the cutting process, in which the structure period L can be changed during the advancing movement of the laser beam with respect to a workpiece. As a result, the energy density in the interference volume during the feed movement can be changed. Thus, the structure period Al has a changed local energy density than the structure period L2.

Der unteren Reihe von Figur 1 kann man entnehmen, dass während der Vor schubbewegung auch eine Drehung der Strukturperiode L möglich ist. Sie kann um einen Winkel cp senkrecht in Bezug zur optischen Achse des Laser strahls gedreht werden, wie dies im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erläutert worden ist. The lower row of Figure 1 can be seen that during the forward thrust movement and a rotation of the structure period L is possible. It can be rotated by an angle cp perpendicular with respect to the optical axis of the laser beam, as has already been explained in the general part of the description.

Figur 2 kann man entnehmen, dass auch die Möglichkeit besteht, die Position des Interferenzvolumens in z-Achsrichtung während der Vorschubbewegung des Laserstrahls zu verändern. Dies stellt ebenfalls eine Art eines Pendelns allerdings in z-Achsrichtung und nicht wie üblich in x-y-Achsrichtung dar. FIG. 2 shows that it is also possible to change the position of the interference volume in the z-axis direction during the advancing movement of the laser beam. This also represents a kind of oscillation, however, in the z-axis direction and not as usual in the x-y-axis direction.

Durch den Wechsel der Position des Interferenzvolumens in z-Achsrichtung kann ebenfalls lokal Einfluss auf die jeweilige Energiemenge genommen wer den, die vom Werkstückwerkstoff absorbiert und in Wärme bzw. kinetische Energie umgewandelt werden kann, um ein Schneiden an einem Werkstück zu erreichen. By changing the position of the interference volume in the z-axis direction can also locally influence on the amount of energy taken who the who absorbed by the workpiece material and can be converted into heat or kinetic energy to achieve cutting on a workpiece.

In Figur 3 ist eine Anordnung gezeigt, die man bei der Erfindung einsetzen kann. Dabei wird ein Laserstrahl A von einer Laserstrahlquelle 1 emittiert und gelangt zu einem optischen System 2 zur Fokussierung, ein zu einem opti schen Element 3 zur Strahlformung, einen Polarisator 4 und dann auf einen ersten Strahlteiler BS1. Die Oberflächen des ersten Strahlteilers BS1 auf die der Laserstrahl A auftritt und ein Teilstrahl B2 austritt sind in einem Winkel von 45 ° zur optischen Achse des Laserstrahls A geneigt. Der austretende La serstrahl Bl trifft auf ein den Teilstrahl Bl reflektierendes Element M2, dessen reflektierende Oberfläche parallel zu den Oberflächen des ersten Strahlteilers BS1 also ebenfalls in einem Winkel von 45 ° in Bezug zur optischen Achse des Laserstrahls A und des Teilstrahls B2 ausgerichtet ist. Der Teilstrahl B2 wird auf eine Oberfläche eines weiteren Strahlteilers BS2 mit einem mit seiner re flektierenden Oberfläche im 45 ° Winkel ausgerichteten reflektierenden Ele ment M2 gerichtet und transmittiert durch den weiteren Strahlteiler BS2. FIG. 3 shows an arrangement which can be used in the invention. In this case, a laser beam A is emitted from a laser beam source 1 and passes to an optical system 2 for focusing, one to an opti rule element 3 for beam shaping, a polarizer 4 and then to a first beam splitter BS1. The surfaces of the first beam splitter BS1 on which the laser beam A occurs and a partial beam B2 exits are inclined at an angle of 45 ° to the optical axis of the laser beam A. The emerging La serstrahl Bl strikes a part of the beam Bl reflective element M2, the reflective surface parallel to the surfaces of the first beam splitter BS1 also at an angle of 45 ° with respect to the optical axis of the Laser beam A and B2 of the partial beam is aligned. The sub-beam B2 is directed to a surface of another beam splitter BS2 with a re reflecting surface at its 45 ° angle aligned reflective Ele ment M2 and transmitted through the other beam splitter BS2.

Der vom Strahlteiler BS1 reflektierte Teilstrahl Bl trifft auf eine parallel zu den Oberflächen des ersten Strahlteilers BS1 ausgerichtete reflektierende Oberflä che des reflektierenden Elements Ml, die wiederum in einem Winkel von 45 ° in Bezug zur optischen Achse des ersten Teilstrahls Bl ausgerichtet ist. Der dort reflektierte Teilstrahl Bl gelangt über ein optisches Element 5 zur Über wachung des Polarisations- oder Phasenzustandes des Teilstrahls Bl auf eine Oberfläche des weiteren Strahlteilers BS2 und tritt infolge Transmission durch diesen weiteren Strahlteiler BS2 hindurch. The reflected by the beam splitter BS1 partial beam Bl strikes a parallel to the surfaces of the first beam splitter BS1 aligned reflective Oberflä surface of the reflective element Ml, which in turn is oriented at an angle of 45 ° with respect to the optical axis of the first partial beam Bl. The reflected there partial beam Bl passes through an optical element 5 for monitoring the polarization or phase state of the partial beam Bl on a surface of the other beam splitter BS2 and occurs due to transmission through this further beam splitter BS2.

Die beiden Teilstrahlen Bl und B2 werden so gerichtet, dass am weiteren Strahlteiler BS2 Interferenz erreicht ist, so dass die aus dem weiteren Strahl teiler BS2 durch Transmission hindurch tretenden Paare von miteinander interferierenden Teilstrahlen C und D miteinander interferieren. Zur Beein flussung der Interferenz und des Phasenunterschieds der einzelnen Teilstrah len eines Paares interferierender Teilstrahlen C und D kann der weitere Strahl teiler BS2 um einen bestimmten vorgebbaren Winkel Q in Bezug zu den opti schen Achsen der Teilstrahlen Bl und B2 verschwenkt sein oder verschwenkt werden. The two sub-beams Bl and B2 are directed so that at the other beam splitter BS2 interference is achieved, so that from the other beam divider BS2 passing through transmission pairs of interfering sub-beams C and D interfere with each other. For influencing the interference and the phase difference of the individual partial beams of a pair of interfering partial beams C and D, the further beam divider BS2 can be pivoted or pivoted by a specific predeterminable angle Q with respect to the optical axes of the partial beams Bl and B2.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel treffen die miteinander interferierenden und zueinander phasenverschobenen Teilstrahlen D auf ein um mindestens eine Achse verschwenkbares, reflektierendes Element 6, das in nicht darge stellter Form auch ein Polygonspiegel P sein kann. Bei dem gezeigten Beispiel kann es sich bei dem optischen Element 6 insbesondere um einen Scanner oder Galvospiegel handeln. Mit diesem kann die Richtung der miteinander interferierenden Teilstrahlen D auf eine zu bearbeitenden Oberfläche eines Substrats S und bei diesem Beispiel auf ein vor der Oberfläche angeordnetes fokussierendes optisches Element L verändert werden, wodurch ein veränder tes Interferenzmuster mit größerer Fläche auf der Oberfläche des Substrates S ausgebildet werden kann. Die miteinander interferierenden Teilstrahlen C treffen bei diesem Beispiel auf einen optische Detektor 7 auf, mit dem die Position, die Einhaltung der Inter ferenz und der Phasenverschiebung der miteinander interferierenden Teil strahlen C überwacht und dabei die Messsignale des Detektors 7 für eine Re gelung, insbesondere des Schwenkwinkels Q.1 des weiteren Strahlteilers BS2, der von 45 ° abweicht, genutzt werden kann. In the example shown in Figure 3, the mutually interfering and mutually phase-shifted partial beams D hit on a pivotable about at least one axis, reflective element 6, which can also be a polygon mirror P in not illustrated imputed form. In the example shown, the optical element 6 may in particular be a scanner or galvo mirror. With this, the direction of the interfering sub-beams D can be changed to a surface to be processed of a substrate S and in this example to a front surface arranged focusing optical element L, whereby a Variegated tes interference pattern with a larger area on the surface of the substrate S formed can be. The mutually interfering sub-beams C apply in this example to an optical detector 7, with the position, compliance with the Inter ference and the phase shift of the interfering part beams C monitored while the measurement signals of the detector 7 for a Re, in particular the Swivel angle Q.1 of the other beam splitter BS2, which deviates from 45 °, can be used.

Anstelle des optischen Detektors 7 könnte man aber auch eine weitere Ober fläche eines Substrates S in einem zweiten von dem Strahlteiler BS2 ausge henden Strahlpfad 7 mit den miteinander interferierenden Teilstrahlen C be arbeiten. Dazu kann man zwischen dieser zu bearbeitenden Oberfläche eine weiteres Element zur Ablenkung der miteinander interferierenden Teilstrah len C in Richtung auf diese zusätzlich zu bearbeitende Oberfläche oder aber auch als zusätzlicher Bearbeitungsstrahl auf das Substrat S sowie ggf. ein wei teres diese Teilstrahlen C fokussierendes Element vorsehen. Instead of the optical detector 7 but could also be another surface of a substrate S in a second of the beam splitter BS2 outgoing beam path 7 with the interfering sub-beams C be working. These can be between this surface to be machined another element for deflecting the interfering Teilstrah len C in the direction of this additional surface to be machined or as an additional processing beam to the substrate S and possibly a white teres these partial beams C focus element provide.

Bei dem in Figur 3 gezeigten Beispiel ist für die miteinander interferierenden Teilstrahlen D vor der zu bearbeitenden Oberfläche des Substrates S ein fo kussierendes optisches Element L angeordnet, mit dem die Teilstrahlen D fo kussiert werden. Durch eine parallele Bewegung des fokussierenden opti schen Elements L in Bezug zur optischen Achse der vom zweiten Strahlteiler BS2 in Richtung Werkstück S gerichteten interferierenden Laserstrahlung kann eine Veränderung der Position des Interferenzvolumens in Bezug zur Werk stückoberfläche, also eine Verschiebung in z-Achsrichtung erreicht werden. In the example shown in Figure 3, a fo kussierendes optical element L is arranged for the mutually interfering partial beams D in front of the surface to be processed of the substrate S, with which the partial beams D fo kussiert. By a parallel movement of the focusing opti's element L with respect to the optical axis of the second beam splitter BS2 in the direction of workpiece S directed interfering laser radiation, a change in the position of the interference volume in relation to the workpiece piece surface, ie a shift in the z-axis direction can be achieved.

In Figur 4a ist in einer vergrößerten Darstellung gezeigt, wie der weitere Strahlteiler BS2 um eine Achse mit dem von 45 ° abweichenden Schwenkwin kel Q.1 verschwenkt werden kann, so dass die gewünschte Interferenz und der Phasenunterschied der jeweils durch den weiteren Strahlteiler BS2 hindurch tretenden und dann miteinander interferierenden Teilstrahlen C und D er reicht werden können. In Figure 4a is shown in an enlarged view of how the other beam splitter BS2 can be pivoted about an axis with the deviating from 45 ° Schwenkwin angle Q.1, so that the desired interference and the phase difference of each passing through the other beam splitter BS2 passing and then interfering sub-beams C and D he can be enough.

Bei dem in Figur 4c gezeigten Beispiel treffen die miteinander interferieren den Teilstrahlen D auf am äußeren Umfang eines Polygonspiegels P angeord nete reflektierende Oberflächen (Facetten). Der Polygonspiegel dreht sich dabei um eine Rotationsachse, wie dies mit dem Pfeil angedeutet ist. Durch die Drehung und dementsprechende Bewegung der bei diesem Beispiel sechs reflektierenden Flächen des Polygonspiegels erfolgt eine Auslenkung der mit einander interferierenden Teilstrahlen D in Richtung auf die jeweilige zu bea r beitende Oberfläche des Werkstücks S, vor der auch hier wieder ein fokussie rendes optisches Element L angeordnet ist. In the example shown in FIG. 4c, the partial beams D interfere with one another on surfaces (facets) arranged on the outer circumference of a polygon mirror P. The polygon mirror rotates about an axis of rotation, as indicated by the arrow. By the rotation and corresponding movement of the six reflecting surfaces of the polygon mirror in this example, there is a deflection of the interfering partial beams D in the direction of the respective surface of the workpiece S to be processed, in front of which a focusing optical element L is again arranged ,

In Figur 5 ist beispielhaft eine Anordnung gezeigt, bei der ein Laserstrahl A auf ein diffraktives optisches Element 22 gerichtet ist, mit dem bei diesem Bei spiel der eine Laserstrahl A in zwei Teilstrahlen 1.1 und 1.2 aufgespalten und beide Teilstrahlen 1.1 und 1.2 um jeweils einen Winkel a in Bezug zur opti schen Achse des Laserstrahls A abgelenkt werden. Beide Teilstrahlen 1.1 und 1.2 treffen auf eine senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahls A ausge richtete Oberfläche eines optischen Prismas, als weiteres optisches Element 31 auf. Da das weitere optische Element 31 für die Laserstrahlung transparent ist, erfolgt an der gegenüberliegenden Oberfläche des weiteren optischen Elements 3, die in einem Winkel F 90 ° in Bezug zur optischen Achse geneigt ist, eine weitere Ablenkung der beiden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 in Abhängig keit des Neigungswinkels dieser Oberfläche und des optischen Brechungsin dex des weiteren optischen Elements 31. Dabei sollten die beiden Teilstrahlen 1.1 und 1.2 bevorzugt parallel zur optischen Achse und dabei in jeweils glei chem Abstand Dc zur optischen Achse des Laserstrahls A zwischen dem weite ren optischen Element 31 und der fokussierenden optischen Linse 41 verla u fen. In Figure 5 by way of example an arrangement is shown in which a laser beam A is directed to a diffractive optical element 22, with this in the game of a laser beam A split into two partial beams 1.1 and 1.2 and both partial beams 1.1 and 1.2 at an angle a be deflected with respect to the optical axis of the laser beam A. Both partial beams 1.1 and 1.2 impinge on a plane perpendicular to the optical axis of the laser beam A directed surface of an optical prism, as a further optical element 31. Since the other optical element 31 is transparent to the laser radiation, takes place on the opposite surface of the further optical element 3, which is inclined at an angle F 90 ° with respect to the optical axis, a further deflection of the two partial beams 1.1 and 1.2 in speed depending The angle of inclination of this surface and the optical Brechungsin dex of the other optical element 31. In this case, the two partial beams 1.1 and 1.2 preferably parallel to the optical axis and thereby in each case like distance Dc to the optical axis of the laser beam A between the wide Ren optical element 31 and the focusing optical lens 41 verla u fen.

Beide Teilstrahlen 1.1 und 1.2 werden dann mit der fokussierenden optischen Linse 41 auf die zu schneidende Oberfläche fokussiert und treffen an einer gemeinsamen Position mit jeweils dem gleichen Einfallswinkel ß aus verschie denen Richtungen gespiegelt zur optischen Achse des Laserstrahls A auf die zu strukturierende Oberfläche des Werkstücks auf. Dort erfolgt ein gezielter Werkstoffabtrag oder eine Veränderung des Bauteilwerkstoffs durch eine Phasenumwandlung oder ein Aufschmelzen infolge der Interferenz der beiden Teilstrahlen 1.1 und 1.2. Both partial beams 1.1 and 1.2 are then focused with the focusing optical lens 41 on the surface to be cut and meet at a common position, each with the same angle of incidence ß from different directions mirrored to the optical axis of the laser beam A on the surface to be structured of the workpiece , There is a targeted material removal or a change of the component material by a phase transformation or melting due to the interference of the two partial beams 1.1 and 1.2.

An Stelle des optischen Prismas können auch zwei Keilplatten eingesetzt wer den. Es kann auch ein anderes diffraktives optisches Element 21 eingesetzt werden, mit dem der Laserstrahl A in mehr als zwei Teilstrahlen aufgespalten werden kann. In diesem Fall sollte ein an die Lage und Ausrichtung der mehr als zwei Teilstrahlen angepasstes weiteres optisches Element 31 eingesetzt werden. Instead of the optical prism and two wedge plates can be used who the. It is also possible to use another diffractive optical element 21 with which the laser beam A is split into more than two partial beams can be. In this case, a further optical element 31 adapted to the position and orientation of the more than two partial beams should be used.

Besonders vorteilhaft kann der Abstand dl zwischen dem diffraktiven opti schen Element 21 und dem weiteren optischen Element 31 verändert werden. Dadurch kann die Strukturperiode L sehr einfach ebenfalls verändert werden, so dass unterschiedliche Energiedichten an der Oberfläche eines zu schnei denden Werkstücks im Bereich der Schnittfuge ausgenutzt werden können. Particularly advantageously, the distance dl between the diffractive opti rule element 21 and the further optical element 31 can be changed. As a result, the structure period L can also be changed very easily so that different energy densities on the surface of a workpiece to be cut can be utilized in the region of the kerf.

In Figur 6 ist ein weiteres Beispiel gezeigt, Bei dem ein Laserstrahl 1 auf eine reflektierende Oberfläche eines reflektierenden Elements M auftrifft und von dort auf einen Strahlteiler BS1 auftrifft. Ein erster Teilstrahl 1.1 wird an der Oberfläche des ersten Strahlteilers BS1 in Richtung eines optischen Aufbaus mit vier reflektierenden Elementen M6 gerichtet. Durch die Reflexion des ers ten Teilstrahls 1.1 erfolgt eine Weglängenkompensation in Bezug zur FIG. 6 shows a further example in which a laser beam 1 impinges on a reflecting surface of a reflecting element M and from there impinges on a beam splitter BS1. A first partial beam 1.1 is directed at the surface of the first beam splitter BS1 in the direction of an optical structure with four reflecting elements M6. Due to the reflection of the ers th sub-beam 1.1 is a Weglängenkompensation in relation to

Weglänge, die der zweite Teilstrahl 1.2 bis zum Erreichen der Oberfläche des zu schneidenden Bauteils S zurück legt. Der zweite Teilstrahl 1.2, also der Teil des Laserstrahls 1, der durch den Strahlteiler BS1 transmittiert ist, trifft auf einen Dach-Pentaspiegel RPM1 mit zwei den zweiten Teilstrahl 1.2 reflektie renden Oberflächen, die in einem Winkel von 45 ° zueinander ausgerichtet sind, auf und wird von dort im Wesentlichen parallel zum ersten Teilstrahl 1.1 in Richtung zu schneidender Oberfläche gerichtet. Path length, the second sub-beam 1.2 lays back to reach the surface of the component S to be cut. The second part of the beam 1.2, so the part of the laser beam 1, which is transmitted through the beam splitter BS1, applies to a roof Pentaspiegel RPM1 with two the second part of the beam 1.2 re fl ective surfaces, which are aligned at an angle of 45 ° to each other, and is directed from there substantially parallel to the first part of the beam 1.1 towards the surface to be cut.

Bei diesem Beispiel durchdringt der zweite Teilstrahl 1.2 eine planparallele Wellenplatte (l/2-Platte) 15. In this example, the second partial beam 1.2 penetrates a plane-parallel wave plate (1/2 plate) 15.

Beide Teilstrahlen 1.1 und 1.2 werden mit der optischen Linse L in Richtung Bauteiloberfläche durch optische Brechung so umgelenkt, dass ihr Interfe renzvolumen 12 im Bereich der zu schneidenden Werkstückoberfläche ange ordnet ist. Both partial beams 1.1 and 1.2 are deflected by the optical lens L in the direction of component surface by optical refraction so that their Interfe renzvolumen 12 is arranged in the region of the workpiece surface to be cut.

Für beide Beispiele ist unterhalb der Anordnung verdeutlicht worden, dass die Überlappungsebene der Teilstrahlen 1.1 und 1.2 bei dem links in Figur 7 an geordneten Beispiel kürzer, als bei dem rechts in Figur 7 gezeigten Beispiel ist. In Figur 7 ist gezeigt wie zwei Teilstrahlen Bl und B2 auf eine in einem Winkel von 45 ° in Bezug zu den optischen Achsen der Teilstrahlen Bl und B2 geneig te Stirnfläche eines Doveprismas 8 auftreffen, durch das Doveprisma 8 trans- mittiert werden und aus der gegenüberliegend angeordneten ebenfalls in einem Winkel von 45 ° in Bezug zu den optischen Achsen der Teilstrahlen Bl und B2 schräg geneigten Stirnfläche austreten. For both examples, it has been clarified below the arrangement that the overlapping plane of the partial beams 1.1 and 1.2 is shorter in the example shown on the left in FIG. 7, than in the example shown on the right in FIG. FIG. 7 shows how two partial beams Bl and B2 impinge on an end face of a dove prism 8 which is inclined at an angle of 45 ° with respect to the optical axes of the partial beams Bl and B2, are transmitted through the dove prism 8 and are opposite one another arranged also at an angle of 45 ° with respect to the optical axes of the partial beams Bl and B2 obliquely inclined face exit.

Bei Drehung des Doveprismas 8 um eine parallel zu den optischen Achsen der Teilstrahlen Bl und B2 ausgerichteten Rotationsachse kann die Strukturperio de L gedreht werden. So kann eine Drehung des Doveprismas 8 um 10 ° zu einer Drehung der Strukturperiode L um den Winkel Df von 20 ° führen. Upon rotation of the dove prism 8 about an axis of rotation aligned parallel to the optical axes of the partial beams Bl and B2, the structure period L can be rotated. Thus, rotation of the dove prism 8 by 10 ° may result in rotation of the structure period L by the angle Df of 20 °.

Eine Beeinflussung der Vorschubbewegung während des Laserstrahlschnei dens kann mit zwei reflektierenden Elementen 9 und 10 ermöglicht werden. Dabei treffen zwei Teilstrahlen Bl und B2 auf eine reflektierende Oberfläche eines reflektierenden Elements 9 auf. Dieses reflektierende Element 9 kann um eine Achse, die bei dem gezeigten Beispiel senkrecht in die Zeichnungs ebene gerichtet ist, verschwenkt werden. An influence on the feed movement during the Laserstrahlschnei dens can be made possible with two reflective elements 9 and 10. In this case, two partial beams Bl and B2 strike a reflecting surface of a reflecting element 9. This reflective element 9 can be pivoted about an axis which is directed in the example shown perpendicular to the drawing plane.

Die beiden an der reflektierenden Oberfläche des reflektierenden Elements 9 reflektierten Teilstrahlen Bl und B2 treffen dann auf eine reflektierende Ober fläche eine weiteren reflektierenden Elements 10 auf und werden von dort auf eine fokussierende optische Linse L gerichtet. Das weitere reflektierende Element 10 kann um eine parallel zur Zeichnungsebene ausgerichtete Achse gedreht werden, so dass das weitere reflektierende Element 10 um diese Ach se verschwenkt werden kann. The two reflected on the reflective surface of the reflective element 9 partial beams Bl and B2 then apply to a reflective surface on another reflective element 10 and are directed from there to a focusing optical lens L. The further reflective element 10 can be rotated about an axis oriented parallel to the plane of the drawing, so that the further reflective element 10 can be pivoted about this axis.

Mit der Verschwenkung der beiden reflektierenden Elemente 9 und 10 kann eine definierte Bewegung des Brennflecks, der mit der Interferenzperiode L gebildet ist, die eine Vorschubbewegung der miteinander interferierenden Teilstrahlen Bl und B2 allein bewirken kann oder mit einer weiteren Möglich keit zur Bewirkung einer Vorschubbewegung gemeinsam angewendet werden kann. In letztgenanntem Fall können zwei Vorschubbewegungen überlagert werden. With the pivoting of the two reflective elements 9 and 10, a defined movement of the focal spot, which is formed with the interference period L, which can cause a feed movement of the interfering sub-beams Bl and B2 alone or with another possible speed for effecting a feed motion applied together can be. In the latter case, two feed movements can be superimposed.

Die Rotationsachsen der reflektierenden Elemente 9 und 10 sind senkrecht zueinander ausgerichtet. The axes of rotation of the reflective elements 9 and 10 are vertical aligned with each other.

Bei dem in Figur 8 gezeigten Beispiel werden die beiden Teilstrahlen Bl und B2 durch ein Dove-Prisma 8 transmittiert, wie dies beim Beispiel nach Figur 7 der Fall war, und dann auf die reflektierenden Oberflächen der reflektieren den Elemente 9 und 10 gerichtet. In the example shown in FIG. 8, the two partial beams Bl and B2 are transmitted through a Dove prism 8, as was the case with the example of FIG. 7, and then directed onto the reflecting surfaces of the reflective elements 9 and 10.

Claims

claims

1. Arrangement for laser beam cutting, wherein a laser beam (A) with means of optical elements (BS1, BS2, Ml, M2, 2, 31, 41) in at least two in an interference volume (12) with each other interfering partial beams (1.1, 1.2, Bl , B2) can be divided, wherein the interference volume men (12), the mutually interfering partial beams (1.1, 1.2, Bl, B2), in the range of material to be cut a workpiece (S) is arranged.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the order is formed so that at least one of the following three effects A to C is achievable, so that a the structure period L of the interfering with each other radiate part (1.1, 1.2, Bl, B2 , D), b the orientation of the structure period L with respect to the optical axis of the laser beam (A) by rotation of the structure period L about this or a parallel aligned axis and c the position of the interference volume (12) with respect to Oberflä surface of the cut Workpiece (S) with its center in relation to the surface of the workpiece to be cut (S) during the advancing movement of the mutually interfering partial beams (1.1, 1.2, Bl, B2, D) is variable.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the struc turing period L of the mutually interfering partial beams (1.1, 1.2, Bl, B2, D), the orientation of the structure period L with respect to the opti's axis of the laser beam (A) by rotation of the Structure period L To this or a parallel aligned axis and / or the Po tion of the interference volume (12) with respect to the surface of the workpiece to be cut (S) with its center in relation to the upper surface of the workpiece to be cut continuously or Stufenwei se is variable.

4. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the rotation of the structure period L takes place with a Win cel cpx.

5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the rotation of the structure period L with a Dove prism that is parallel to the aligned parallel optical axes of the partial beams and / or

with two pivotable about a respective axis aligned perpendicular to each other reflective elements (9, 10) on which impinge the paral lel each other aligned partial beams, is accessible and / or

mutually interfering sub-beams (D) on the outer circumference of a polygon mirror (P) arranged more reflective surfaces impinge and are directed to a perpendicular to the direction of incidence of the partial beams reflecting surfaces on a surface to be machined workpiece (S).

6. Arrangement according to one of the two preceding claims, characterized in that the direction of rotation of the structure period L is changed derbar.

7. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the position of the interference volume in relation to the respective workpiece surface with the aid of at least one dynamically movable in the x-, y- and / or z-axis direction, optical element is variable, wherein the position with respect to the surface of the workpiece (S) by modulating the beam divergence with a height Ah in the z-axis direction is variable.

8. Arrangement according to the preceding claim, characterized in that the at least one optical element is an imaging optical element, in particular at least one optical lens, an acousto-optical, an electro-optical or mechano-optical Mo dulator.

9. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (A) pulsed with a Einzelpulsdau he in the femtosecond range up to 100 ns and / or with a power of at least 0.1 W in the entire spectral range of a set laser radiation operable is.