DE102006056406B4

DE102006056406B4 - Laseroszillationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102006056406B4
Application number: DE102006056406A
Authority: DE
Inventors: Kouji Funaoka; Masahiko Hasegawa; Motoaki Tamaya; Satoshi Nishida; Yasunari Matsumoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2007329260A; DE102006056406A1; JP4979277B2; CN100540203C; CN101085493A

Abstract

Laseroszillationsvorrichtung (100; 100A; 100B), die einen Laseroszillator (10) aufweist, der folgende Komponenten besitzt:
ein Gehäuse (11) zum Erzeugen von Laserlicht im Inneren des Gehäuses (11), einen ersten Spiegel (22) mit einer ersten Spiegeloberfläche zum Einleiten des in dem Laseroszillator (10) erzeugten Laserlichts und einen zweiten Spiegel (24) mit einer zweiten Spiegeloberfläche, wobei die zweite Spiegeloberfläche parallel zu der ersten Spiegeloberfläche angeordnet ist,
um das Laserlicht von dem ersten Spiegel (22) weiter einzuleiten,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laseroszillationsvorrichtung (100; 100A; 100B) ferner ein gemeinsames Spiegeltragelement (41; 411; 412) aufweist, an dem der erste Spiegel (22) und der zweite Spiegel (24) gemeinsam angebracht sind,
und daß das gemeinsame Spiegeltragelement (41; 411; 412) mit nur drei Befestigungselementen (45A, 45B, 45C), die an den jeweiligen Spitzen eines Dreiecks angeordnet sind, mit dem Gehäuse (11) des Laseroszillators (10) mechanisch verbunden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseroszillationsvorrichtung zum Einsatz in einer Laserstrahlmaschine usw.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Die Druckschrift JP 2002 316 291 A betrifft eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung mit einer von einem Gehäuse umschlossenen Laserstrahlquelle bei der ein von der Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl auf einen ersten Spiegel fällt, von wo aus er auf einen zweiten Spiegel gelenkt wird. Ferner sind bei der bekannten Vorrichtung die Spiegel auf einem Spiegeltragelement angebracht, das in Form einer Rückwand eines die Spiegel umschließenden Gehäuses ausgebildet ist.
Die Druckschrift JP 08 192 283 A betrifft eine weitere Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung.
Die Druckschrift DE 37 34 540 C2 betrifft einen Leistungs-Laser im KW-Bereich mit End- und Zwischenflanschvorrichtungen und dazwischen angeordneten dielektrischen Einzelrohren, die in stirnseitigen Fassungsbohrungen der Flanschvorrichtungen gefasst sind. Bei diesem herkömmlichen Leistungs-Laser münden zumindest zwei Fassungsbohrungen jeweils in eine großvolumige Kammer der zugehörigen Flanschvorrichtung, die mit Gas-Zufuhr- bzw. -Abfuhranschlüssen verbunden ist. Die Längserstreckung der Kammer ist mindestens so groß wie der Abstand der in sie mündenden Fassungsbohrungen. Dadurch werden die Flanschvorrichtungen leichter und der Gasdruckausgleich ist besser, so daß ohne Änderung der Gaszusammensetzung und des Gasdrucks und ohne sonstiger Änderung der Laser-Anordnung bei Verdoppelung der HF-Leistung auch nahezu die Laser-Leistung verdoppelt wird, im Vergleich zu seitherigen Ausführungen. Anwendung für industrielle Leistungs-Laser.
Die Druckschrift DE 86 30 830 U1 betrifft eine Halterung für ein optisches Element.
Die Druckschrift EP 1 094 343 A2 betrifft einen optischen Spiegel, einen optischen Abtaster und eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
Die Druckschrift DE 102 17 200 A1 betrifft eine Weiterentwicklung des Schweißens, Vergütens, Dispergierens und Beschichtens von Metallteilen mit Laserstrahlen von Laseranlagen hoher Leistung. Dazu werden bereits für diese Einsatzzwecke benutzte Laserschweißanlagen und Laserbeschichtungsanlagen verfahrensmäßig und konstruktiv verändert. Diese Veränderungen betreffen neue Moden für das Oszillieren des Laserstrahles auf der Oberfläche des Werkstückes und den Einbau eines elektrisch gesteuerten, beweglichen, letzten Umkehrspiegels oder Fokussierspiegels in der Laserbearbeitungsanlage, der dieses Oszillieren ermöglicht.
In einer Laserstrahlmaschine zum Bearbeiten eines von einem Laserstrahl zu bearbeitenden Objekts wird eine Laseroszillationsvorrichtung verwendet, die einen Laseroszillator und eine Vielzahl von Spiegeln verwendet. Der Laseroszillator weist ein Gehäuse auf und erzeugt Laserlicht in dem Gehäuse. Das Laserlicht wird als Laserstrahl durch die Vielzahl von Spiegeln zu einer Bearbeitungseinheit übertragen, um das zu bearbeitende Objekt zu bearbeiten.
Eine Laserstrahlmaschine ist z. B. in 1 in JP 2002-316 291 A1 angegeben. Bei der Laseroszillationsvorrichtung der in JP 2002-316 291 A angegebenen Laserstrahlmaschine wird ein aus dem Laseroszillator austretender linear-polarisierter Laserstrahl von einem ersten gekrümmten Spiegel zirkular-polarisiert, und der Strahldurchmesser des zirkular-polarisierten Laserstrahls wird von einem zweiten gekrümmten Spiegel (Konvexspiegel) und einem dritten gekrümmten Spiegel (Konkavspiegel) vergrößert und zu einem im wesentlichen parallelen Strahl korrigiert und dann der Bearbeitungseinheit zugeführt.
Im allgemeinen weist das von dem Laseroszillator ausgegebene Laserlicht eine linear-polarisierte Komponente auf, und die linear-polarisierte Komponente des Laserlichts differenziert eine Absorptionsrate des Laserlichts in bezug auf das zu bearbeitende Objekt in Abhängigkeit von der Bearbeitungsrichtung, so daß daraus eine Anisotropie in der Bearbeitungsgüte resultiert. Daher wird das von dem Laseroszillator ausgegebene Laserlicht zirkular-polarisiert. Der erste gekrümmte Spiegel in JP 2002-316 291 A bildet einen zirkular-polarisierenden Spiegel, der das linear-polarisierte Laserlicht in das zirkular-polarisierte Licht umwandelt.
Eine YAG-Laseroszillationsvorrichtung zur Verwendung in der Laserstrahlmaschine ist in 1 von JP 11-163 442 A angegeben. Die YAG-Laseroszillationsvorrichtung umfaßt eine Grundoberwellen-Oszillatoreinheit, eine Erzeugungseinheit der zweiten Harmonischen, eine Erzeugungseinheit der dritten Harmonischen und zwei dichroitische Spiegel, die Licht einer bestimmten Wellenlänge reflektieren und auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sind. Die Grundoberwellen-Oszillatoreinheit in JP 11-163 442 A bildet einen Laseroszillator.
Bei der Laseroszillationsvorrichtung, die den zirkular-polarisierenden Spiegel gemäß JP 2002-316 291 A verwendet, ist der zirkular-polarisierende Spiegel an dem Gehäuse des Laseroszillators angebracht. Daher ändert sich der Winkel des zirkular-polarisierenden Spiegels im Zusammenhang mit einer thermischen Verformung des Gehäuses des Laseroszillators, und somit wird die Laserstrahlachse verlagert. Die Distanz zwischen dem zirkular-polarisierenden Spiegel und der Bearbeitungseinheit beträgt im allgemeinen mindestens 10 m, und der Nachteil besteht darin, daß die Bearbeitungsposition sich entsprechend der geringfügigen Änderung des Winkels des zirkular-polarisierenden Spiegels signifikant ändern kann.
Bei der in JP 11-163 442 A angegebenen Laseroszillationsvorrichtung mit zwei dichroitischen Spiegeln sind die jeweiligen dichroitischen Spiegel an der gemeinsamen Grundplatte angebracht. Dabei tritt der Nachteil auf, daß die Grundplatte durch die Wärme des Laseroszillators verformt wird, die Parallelität der jeweiligen dichroitischen Spiegel beeinträchtigt wird, die optische Achse des Laserlichts und somit die Bearbeitungsposition verlagert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laseroszillationsvorrichtung anzugeben, bei der eine Verbesserung in bezug auf die Verlagerung der optischen Achse des Lasers erreicht wird.
Eine Laseroszillationsvorrichtung gemäß der Erfindung weist folgendes auf: einen Laseroszillator, der ein Gehäuse zum Erzeugen von Laserlicht im Gehäuseinneren hat, einen ersten Spiegel zum Einleiten des in dem Laseroszillator erzeugten Laserlichts und einen zweiten Spiegel, der parallel mit dem ersten Spiegel angeordnet ist, um das Laserlicht von dem ersten Spiegel weiter einzuleiten.
Die Laseroszillationsvorrichtung weist ferner ein gemeinsames Spiegeltragelement auf, an dem der erste Spiegel und der zweite Spiegel gemeinsam angebracht sind, und das Spiegeltragelement ist mit dem Gehäuse des Laseroszillators mit nur drei Befestigungselementen mechanisch verbunden, die an jeweiligen Spitzen eines Dreiecks angeordnet sind.
Bei der Laseroszillationsvorrichtung der Erfindung sind der erste Spiegel und der zweite Spiegel an dem gemeinsamen Spiegeltragelement angebracht, und das Spiegeltragelement ist mit nur drei Befestigungselementen mit dem Gehäuse des Laseroszillators mechanisch verbunden, die an den jeweiligen Spitzen des Dreiecks angeordnet sind.
Auch wenn daher das Gehäuse des Laseroszillators thermisch verformt wird, kann eine Verformung des Spiegeltragelements auf ein hinreichend geringes Ausmaß unterdrückt werden, und die Verlagerungen der optischen Achsen des ersten und des zweiten Spiegels können auf ein ausreichend geringes Ausmaß unterdrückt werden.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform einer Laseroszillationsvorrichtung gemäß der Erfindung;
2 ist eine erläuternde Darstellung und zeigt eine Verformung eines Spiegeltragelements bei der ersten Ausführungsform;
3 ist eine erläuternde Darstellung und zeigt eine Verformung eines Spiegeltragelements in einer Vierpunktbefestigungsstruktur;
4 ist eine erläuternde Darstellung und zeigt eine Parallelität eines Spiegels bei der ersten Ausführungsform;
5 ist eine Perspektivansicht einer Laseroszillationsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Perspektivansicht einer Laseroszillationsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
7 ist eine Perspektivansicht eines kastenförmigen Spiegeltragelements gemäß der dritten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden mehrere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform einer Laseroszillationsvorrichtung gemäß der Erfindung. Eine Laseroszillationsvorrichtung 100 in der ersten Ausführungsform wird beispielsweise für eine Laserstrahlmaschine verwendet.
Die Laseroszillationsvorrichtung 100 der ersten Ausführungsform weist einen Laseroszillator 10 und eine optische Einheit 20 auf. Der Laseroszillator 10 hat ein Gehäuse 11 und erzeugt Laserlicht im Inneren des Gehäuses 11. Das Gehäuse 11 besteht aus Metall, beispielsweise einer Stahlplatte mit quaderförmiger Kastenform, und weist eine Vorderwand 11A, eine Rückwand 11B und eine Umfangswand 11C auf. Das von dem Laseroszillator 10 erzeugte Laserlicht wird in einen Laserstrahl LB umgewandelt und von der Vorderwand 11A in der diese orthogonal kreuzenden Richtung eingeleitet. Drei Montagebasen 12A, 12B und 12C sind an der Vorderwand 11A ausgebildet.
Als Laseroszillator 10 wird beispielsweise der in 2 von JP 60-254 684 A angegebene Laseroszillator verwendet. Der Laseroszillator ist ein Gaslaseroszillator, und Lasergas, wie etwa CO₂ ist im Inneren des Gehäuses 11 eingekapselt. In dem Gehäuse 11, in dem das Lasergas eingekapselt ist, sind ein Gebläse zum Umwälzen des Lasergases, ein Wärmetauscher zum Kühlen des Lasergases und ein Paar von Entladungselektroden zum Anregen des Lasergases angeordnet, wie es in 2 von JP 60-254 684 A gezeigt ist.
Während des Schwingens des Lasers tritt in dem Lasergas eine Temperaturdifferenz auf, und somit wird in dem Gehäuse 11 eine Temperaturverteilung erzeugt. Somit wird auf der Grundlage der Temperaturverteilung eine thermische Verformung des Gehäuses 11 bewirkt.
Beispielsweise ist der für die Laserstrahlmaschine verwendete Laseroszillator 10 so ausgelegt, daß er eine hohe Ausgangsleistung hat, und somit ist die darin erzeugte Wärmemenge groß. Daher ist eine thermische Verformung des Gehäuses 11 nicht zu vermeiden.
Die optische Einheit 20 weist ein Spiegelsystem 21 und ein Spiegeltragelement 41 auf. Das Spiegelsystem 21 umfaßt einen ersten Spiegel 22 und einen zweiten Spiegel 24, die parallel zueinander angeordnet sind. Bei der ersten Ausführungsform ist der erste Spiegel 22 ein zirkular-polarisierender Spiegel, und der zweite Spiegel 24 ist ein gekrümmter Spiegel, der mit einem Reflexionsspiegel ausgeführt ist. Der zirkular-polarisierende Spiegel 22 ist angebracht, um den Laserstrahl LB zu veranlassen, unter einem Einfallswinkel von 45° in ihn einzutreten.
25 in der JP 8-192 283 A zeigt ein Verfahren zum Zirkular-polarisieren eines linear-polarisierten Laserlichts, das von dem Laseroszillator ausgegeben wird. Das linear-polarisierte Licht kann in das zirkular-polarisierte Licht umgewandelt werden durch Ausbilden einer dielektrischen Mehrlagenschicht, die als optische Schicht wirksam ist, und zwar auf solche Weise, daß zwischen den beiden Komponenten einer S-Polarisation und einer P-Polarisation des reflektierten Laserlichts an einer Einfallsanordnung (Azimutwinkel 45°) eine Phasendifferenz von 90° (λ/4) erzeugt wird, wobei eine Polarisationsebene des linear-polarisierten Laserlichts einen Winkel von 45° mit der S-Polarisationsachse (oder der P-Polarisationsachse) an einer reflektierenden Oberfläche des Spiegels, der unter einem Einfallswinkel von 45° verwendet wird, bildet, und ein solcher Spiegel wird als der zirkular-polarisierende Spiegel bezeichnet.
Dabei ist die S-Polarisation eine Komponente, die eine zu der Einfallsebene senkrechte Polarisationsebene hat, und die P-Polarisation ist eine Komponente, die eine dazu senkrechte Polarisationsebene hat, d. h. die Polarisationsebene, die mit der Einfallsebene parallel ist. Der zirkular-polarisierende Spiegel 22 ist auf die gleiche Weise wie der in JP 8-192 283 A gezeigte zirkular-polarisierende Spiegel ausgebildet.
Das Spiegeltragelement 41 besteht aus Metall, es ist beispielsweise ein Stahlblech, das zu einer rechteckigen flachen Platte geformt ist. Das Spiegeltragelement 41 hat ein gegenüberliegendes Paar von Hauptoberflächen 41A, 41B, ein gegenüberliegendes Paar von langen Seiten 42A, 42B, ein gegenüberliegendes Paar von kurzen Seiten 42C, 42D und vier Ecken 43A bis 43D.
Die Hauptoberflächen 41A, 41B sind parallel zueinander verlaufende Ebenen. Die Ecke 43A ist zwischen der linken langen Seite 42A und der oberen kurzen Seite 42C gebildet, die Ecke 43B ist zwischen der rechten langen Seite 42B und der oberen kurzen Seite 42C gebildet, und die Ecke 43C ist zwischen der rechten langen Seite 42B und der unteren kurzen Seite 42D gebildet. Die Ecke 43D ist zwischen der linken langen Seite 42A und der unteren kurzen Seite 42D gebildet.
Der erste Spiegel 22 ist an einem Spiegelblock 23 angebracht, und der Spiegelblock 23 ist direkt an einer oberen Mitte der Hauptoberfläche 41A des Spiegeltragelements 41 angebracht. Der zweite Spiegel 24 ist an einem Spiegelblock 25 angebracht, und der Spiegelblock 25 ist direkt an einer unteren Mitte der Hauptoberfläche 41A des Spiegeltragelements 41 angebracht.
Die Spiegelblöcke 23, 25 sind als Dreiecksprismen ausgebildet, wobei die beiden Endoberflächen ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck bilden. Die Spiegel 22, 24 werden von den Spiegelblöcken 23, 25 in einem Zustand gehalten, in dem ihre zentralen Oberflächen parallel zueinander unter einem Winkel von 45° in bezug auf die Hauptoberfläche 41A des Spiegeltragelements 41 geneigt sind.
Der Laserstrahl LB tritt in die Einfallsebene des ersten Spiegels 22 unter einem Winkel von 45° ein, wird an der Einfallsebene unter einem Winkel von 45° reflektiert, tritt dann in die Einfallsebene des zweiten Spiegels 24 unter einem Winkel von 45° ein und wird an der Einfallsebene unter einem Winkel von 45° reflektiert, so daß er in die Bearbeitungseinheit der Laserstrahlmaschine eingeleitet wird.
Das Spiegeltragelement 41 ist an den Montagebasen 12A, 12B und 12C, die an der Vorderwand 11A des Gehäuses 11 des Laseroszillators 10 gebildet sind, über eine Dreipunktbefestigungskonstruktion direkt angebracht, die nur drei Befestigungselemente 45A, 45B und 45C aufweist. Das Befestigungselement 45A befestigt die Ecke 43A des Spiegeltragelements 41 an der Vorderwand 11A.
Das Befestigungselement 45B befestigt die Ecke 43B des Spiegeltragelements 41 an der Vorderwand 11A. Das Befestigungselement 45C befestigt die Ecke 43C des Spiegeltragelements 41 an der Vorderwand 11A. An der Ecke 43D ist kein Befestigungselement vorgesehen, und somit ist die Ecke 43D nicht an der Vorderwand 11A befestigt und ist frei.
Da also nur drei Befestigungselemente 45A, 45B und 45C die drei Ecken 45A, 45B und 45C an der Vorderwand 11A befestigen, sind somit die drei Befestigungselemente 45A, 45B und 45C an den jeweiligen Spitzen eines Dreiecks positioniert. Die Befestigungselemente 45A, 45B und 45C sind beispielsweise als Bolzen ausgebildet, die jeweils die gleichen äußeren Dimensionen haben.
Die 2 und 3 dienen der Erläuterung einer wärmebedingten Verformung der Vorderwand 11A des Gehäuses 11 des Laseroszillators 10 und einer Verformung des damit zusammenwirkenden Spiegeltragelements 41. 2 zeigt die thermische Verformung der Vorderwand 11A der Dreipunktbefestigungskonstruktion gemäß der ersten Ausführungsform und die Verformung des zugehörigen Spiegeltragelements, und 3 zeigt die thermische Verformung der Vorderwand 11A bei der Vierpunktbefestigungskonstruktion und die Verformung des zugehörigen Spiegeltragelements 41 zum Vergleich mit 2.
Die Dreipunktbefestigungskonstruktion in 2 ist eine Konstruktion, bei der die Ecken 43A bis 43C des Spiegeltragelements 41 mit den Befestigungselementen 45A bis 45C an den Montagebasen 12A bis 12C der Vorderwand 11A befestigt sind.
Die Vierpunktbefestigungskonstruktion in 3 ist eine Konstruktion, bei der außerdem das Befestigungselement 45D an der Ecke 43D des Spiegeltragelements 41 vorgesehen ist, und das Spiegeltragelement 41 ist mit den vier Befestigungselementen 45A bis 45D an den Montagebasen 12A bis 12D der Vorderwand 11A befestigt.
Selbst wenn die Vorderwand 11A im Fall der Dreipunktbefestigungskonstruktion der ersten Ausführungsform thermisch verformt wird, wie in 2 zu sehen ist, wird das Spiegeltragelement 41 nur geringfügig verformt. Bei der Vierpunktbefestigungskonstruktion jedoch findet in dem Spiegeltragelement 41 eine signifikante Verformung im Zusammenhang mit der thermischen Verformung der Vorderwand 11A statt, wie 3 zeigt.
Dabei wird von einem Fall ausgegangen, in dem sich die Montagebasen 12A bis 12D der Vorderwand 11A auf der Basis der thermischen Verformung der Vorderwand 11A in unterschiedlichem Maß ausdehnen. Bei der Vierpunktbefestigungskonstruktion verändert sich die Parallelität zwischen den langen Seiten 42A und 42B bzw. den kurzen Seiten 42C und 42D auf der Grundlage des voneinander verschiedenen Grads der Ausdehnung der jeweiligen Montagebasen 12A bis 12D infolge einer zu starken Festlegung durch die vier Befestigungselemente 45A bis 45D.
Da die Flachheit des Spiegeltragelements 41 eine Änderung erfährt, wird somit der relative Winkel der Spiegel 22, 24 geändert und ihre Parallelität beeinträchtigt. Wenn die Vielfachpunktbefestigungskonstruktion mit vier oder mehr Befestigungspunkten angewandt wird, so wird die übermäßige Festlegung gegenüber der Vierpunktbefestigungskonstruktion und damit die Änderung des relativen Winkels der Spiegel 22, 24 weiter verstärkt.
Wenn bei der Dreipunktbefestigungskonstruktion der ersten Ausführungsform die Vorderwand 11A des Gehäuses 11 thermisch verformt wird, verlagern sich eine das Befestigungselement 45A und das Befestigungselement 45B verbindende Linie sowie eine das Befestigungselement 45B und das Befestigungselement 45C verbindende Linie.
Da jedoch die Ecke 43D frei ist, wird eine beide Seiten einschließende Ebene eindeutig bestimmt, und somit ändert sich die Flachheit nicht. Daher wird auch die Flachheit des Spiegeltragelements 41 konstant, so daß der relative Winkel zwischen dem zirkular-polarisierenden Spiegel 22 und dem gekrümmten Spiegel 24 konstantgehalten werden kann.
4 ist eine erläuternde Darstellung in bezug auf die Parallelität der Spiegel 22, 24. Da das Spiegeltragelement 41 an der Vorderwand 11A des Gehäuses 11 in dem Laseroszillator 10 befestigt ist, so ist eine Lageänderung des Spiegeltragelements 41 im Zusammenhang mit der thermischen Verformung der Vorderwand 11A unvermeidlich. Bei der Dreipunktbefestigungskonstruktion der ersten Ausführungsform ist jedoch die Änderung der Lage des Spiegeltragelements 41 monoton, und seine Lageänderung ist derart, daß die Parallelität des zirkular-polarisierenden Spiegels 22 und des gekrümmten Spiegels 24 im wesentlichen aufrechterhalten wird.
Bei der monotonen Lageänderung derart, daß sich beispielsweise der erste Spiegel 22 von der Vorderwand 11A weg bewegt im Vergleich mit dem zweiten Spiegel 24, wie in 4 gezeigt ist, wird die Parallelität der Spiegel 22, 24 im wesentlichen aufrechterhalten. In diesem Fall ändern sich die Winkel der optischen Achsen der Spiegel 22, 24 von einem mit ausgezogener Linie gezeigten Zustand in einen Zustand entsprechend der gestrichelten Linie in 4.
Da jedoch die Winkeländerung der optischen Achse des ersten Spiegels 22 und die Winkeländerung der optischen Achse des zweiten Spiegels 22 einander im wesentlichen aufheben, tritt eine Änderung des Winkels der optischen Achse des von dem zweiten Spiegel 24 ausgegebenen Laserstrahls LB im wesentlichen nicht auf, es wird im wesentlichen ein konstanter Winkel aufrechterhalten, und die Änderung der Bearbeitungsposition kann im wesentlichen vermieden werden, so daß eine bevorzugte Bearbeitungsgüte sichergestellt wird.
Wie vorstehend beschrieben, sind gemäß der ersten Ausführungsform sowohl der erste Spiegel 22 als auch der zweite Spiegel 24 an dem Spiegeltragelement 41 angebracht, und das Spiegeltragelement 41 ist an dem Gehäuse 11 in dem Laseroszillator 10 nur mit den drei Befestigungselementen 45A bis 45C befestigt, die an den jeweiligen Spitzen eines Dreiecks liegen.
Daher kann eine Verformung des Spiegeltragelements 41 im Zusammenhang mit der thermischen Verformung des Gehäuses 11 auf ein hinreichend kleines Ausmaß begrenzt werden, so daß die Änderung der optischen Achse des Laserlichts in Grenzen gehalten werden kann.
Zweite Ausführungsform
5 ist eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform der Laseroszillationsvorrichtung gemäß der Erfindung. Eine Laseroszillationsvorrichtung 100A gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet anstelle der optischen Einheit 20 der ersten Ausführungsform eine optische Einheit 20A. Die optische Einheit 20A weist ein Spiegelsystem 21, eine Spiegeltragkonstruktion 30 und ein Spiegeltragelement 411 auf. Das Spiegelsystem 21 weist wie bei der ersten Ausführungsform den ersten Spiegel 22 und den zweiten Spiegel 24 auf.
Die Spiegeltragkonstruktion 30 trägt die Spiegel 22, 24 gemeinsam. Die Spiegeltragkonstruktion 30 ist ein zylindrisches Spiegeltragelement 31 der zweiten Ausführungsform. Das Spiegeltragelement 411 weist ein Paar von Montagearmen 46 zusätzlich zu dem bei der ersten Ausführungsform verwendeten Spiegeltragelement 41 auf.
Der Montagearm 46 ist integral mit einer Hauptoberfläche 41A des Spiegeltragelements 411 ausgebildet, und das Spiegeltragelement 31 ist an dem Spiegeltragelement 411 über den Montagearm 46 angebracht.
Ein Spiegelblock 23A, an dem der erste Spiegel 22 angebracht ist, und ein Spiegelblock 25A, an dem der zweite Spiegel 24 angebracht ist, sind zylindrisch ausgebildet, so daß sie in beide Enden des zylindrischen Spiegeltragelements 31 geschraubt werden können. Die sonstigen Ausbildungen sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
Auch bei der zweiten Ausführungsform sind drei Ecken 43A bis 43C von den vier Ecken 43A bis 43D des Spiegeltragelements 411 an der Vorderwand 11A des Gehäuses 11 in der Laseroszillationsvorrichtung 10 mit der Dreipunktbefestigungskonstruktion befestigt, die nur die drei Befestigungselemente 45A bis 45C umfaßt, und an der Ecke 43D ist kein Befestigungselement vorgesehen, so daß die Ecke 43D frei bleibt.
Das Spiegeltragelement 31 ist aus Metall, beispielsweise einer Stahlplatte, zu Zylindergestalt geformt und hat eine höhere Steifigkeit als die flache Platte. Das Spiegeltragelement 31 ist so angeordnet, daß es der Vorderwand 11A des Gehäuses 11 so gegenüberliegt, daß seine Mittelachse entlang der Vertikalrichtung verläuft.
Der Spiegelblock 23A des ersten Spiegels 22 ist an dem oberen Ende des Spiegeltragelements 31 angebracht, und der Spiegelblock 25A des zweiten Spiegels 24 ist an dem unteren Ende des Spiegeltragelements 31 angebracht. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist der erste Spiegel 22 ein zirkular-polarisierender Spiegel, und der zweite Spiegel 24 ist ein gekrümmter Spiegel.
Der Laserstrahl LB von dem Laseroszillator 10 tritt in die Einfallsebene des zirkular-polarisierenden Spiegels 22 unter einem Einfallswinkel von 45° ein, wird in der Einfallsebene unter einem Winkel von 45° reflektiert, geht dann durch das Innere des Spiegeltragelements 31, tritt in die Einfallsebene des gekrümmten Spiegels 24 unter einem Winkel von 45° ein, wird von der Einfallsebene unter einem Winkel von 45° reflektiert und in die Bearbeitungseinheit der Laserstrahlmaschine eingeleitet.
Eine Kühlleitung 33 ist an den Spiegelblöcken 23A, 25A befestigt. Kühlwasser 34 wird der Kühlleitung 33 zugeführt, um die Spiegel 22, 24 zu kühlen. Der in der Laserstrahlmaschine verwendete Laseroszillator 10 hat eine hohe Ausgangsleistung, und somit absorbieren die Spiegel 22, 24 einen Teil des Hochleistungs-Laserstrahls LB. Daher ist eine Kühlung der Spiegel 22, 24 mittels der Kühlleitung 33 wichtig.
Die Temperatur des Spiegeltragelements 31 ist gleich der Außentemperatur vor dem Betrieb des Laseroszillators 10, und somit haben sämtliche Teile des Spiegeltragelements 31 die gleiche Temperatur wie die Außentemperatur. Wenn jedoch die Spiegelblöcke 23A, 25A durch die Kühlleitung 33 im Zusammenhang mit dem Betriebsbeginn des Laseroszillators 10 gekühlt werden, fallen die Temperaturen in den Außenbereichen der Spiegel 22, 24 und in den Außenbereichen der angeschlossenen Bereiche der Kühlleitung 33 lokal ab, und somit wird in dem Spiegeltragelement 31 eine lokale Temperaturänderung erzeugt, so daß in dem Spiegeltragelement 31 eine Wärmebeanspruchung auftritt.
Da jedoch das Spiegeltragelement 31 eine Zylindergestalt und damit eine höhere Steifigkeit als eine flache Platte hat, wird eine Verformung, wie etwa Verbiegen oder Verdrehen, trotz der aufgebrachten Wärmebeanspruchung auf ein geringes Maß begrenzt. Somit ist die Verformung des Spiegeltragelements 31 auch dann gering, wenn es durch die Kühlleitung 33 gekühlt wird, und dadurch kann die Parallelität der Spiegel 22, 24 im wesentlichen aufrechterhalten werden, so daß eine Änderung der optischen Achse des Laserstrahls LB auf ein sehr geringes Maß begrenzt werden kann.
Es wird die gleiche Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erzielt, und außerdem ist das Spiegeltragelement 31 der zweiten Ausführungsform als Zylinder mit hoher Steifigkeit ausgebildet. Selbst wenn daher die Spiegel 22, 24 durch die Kühlleitung 33 gekühlt werden, ist die Verformung des Spiegeltragelements 31 gering, und somit kann die Parallelität der Spiegel 22, 24 im wesentlichen beibehalten werden. Daher kann eine Änderung der optischen Achse des Laserstrahls LB auf ein hinreichend geringes Maß begrenzt werden, und es wird eine bevorzugte Bearbeitung erzielt.
Dritte Ausführungsform
Die Perspektivansicht gemäß 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der Laseroszillationsvorrichtung der Erfindung. 7 ist eine Perspektivansicht eines kastenförmigen Spiegeltragelements 35 bei der dritten Ausführungsform, und zwar von der Seite des Laseroszillators 10 gesehen.
Eine Laseroszillationsvorrichtung 100B gemäß der dritten Ausführungsform weist den Laseroszillator 10, ein Abstützsubstrat 17 und eine optische Einheit 20B auf. Das Abstützsubstrat 17 ist beispielsweise horizontal angeordnet. Der Laseroszillator 10 und die optische Einheit 20B sind in einem Abstand voneinander auf dem Abstützsubstrat 17 angebracht, und der Laseroszillator 10 und die optische Einheit 20B sind auf dem gemeinsamen Substrat 17 mechanisch miteinander verbunden.
Der Laseroszillator 10 ist an dem Abstützsubstrat 17 mit Befestigungselementen 15 derart angebracht, daß eine von einer Umfangswand 11C ausgehende Bodenwand 13 mit dem Abstützsubstrat 17 verbunden ist. Die Bodenwand 13 hat rechtwinklige Form und vier Ecken 14, und sämtliche Ecken 14 sind an dem Abstützsubstrat 17 mit den Befestigungselementen 15 befestigt. Die Befestigungselemente 15 sind beispielsweise Bolzen.
Die optische Einheit 20B weist das Spiegelsystem 21 und eine Spiegeltragkonstruktion 30 auf. Das Spiegelsystem 21 umfaßt den ersten Spiegel 22 und den zweiten Spiegel 24 wie bei der ersten Ausführungsform, und die Spiegel 22, 24 sind an den Spiegelblöcken 23 bzw. 25 ebenso wie bei der ersten Ausführungsform befestigt. Die Spiegelblöcke 23, 25 sind mit der Kühlleitung 33 versehen. Die Kühlleitung 33 wird mit Kühlwasser 34 zum Kühlen der Spiegel 22, 24 gespeist.
Die Spiegeltragkonstruktion 30 der dritten Ausführungsform ist mit einem kastenförmigen Spiegeltragelement 35 versehen. Das kastenförmige Spiegeltragelement 35 ist aus Metall, beispielsweise einer Stahlplatte, zu einer quaderförmigen Kastengestalt geformt. Das kastenförmige Spiegeltragelement 35 umfaßt ein Spiegeltragelement 412, ein gegenüberliegendes Paar von Seitenwänden 36A, 36B, eine obere Wand 27, die dem Spiegeltragelement 412 gegenüberliegt, eine Vorderwand 38 und ein Paar von Diagonalrippen 39A, 39B. Das Spiegeltragelement 412, das Paar von Seitenwänden 36A, 36B, die obere Wand 37, die Vorderwand 38 und das Paar von Diagonalrippen 39A und 39B sind miteinander integral ausgebildet.
Das kastenförmige Spiegeltragelement 35 weist vier Ecken 35A bis 35D auf. Die Ecke 35A ist zwischen der Seitenwand 36A und der oberen Wand 37 gebildet. Die Ecke 35B ist zwischen der Seitenwand 36B und der oberen Wand 37 gebildet. Die Ecke 35C ist zwischen der Seitenwand 36A und dem Spiegeltragelement 412 gebildet. Die Ecke 35D ist zwischen der Seitenwand 36B und dem Spiegeltragelement 412 gebildet. Die Diagonalrippe 39A ist so ausgebildet, daß sie sich zwischen der Ecke 35A und der Ecke 36D erstreckt. Die Diagonalrippe 39B ist so ausgebildet, daß sie sich zwischen der Ecke 35B und der Ecke 36C erstreckt. Die Diagonalrippen 39A, 39B kreuzen einander an ihren Mittelpunkten.
Der Spiegelblock 23 ist an einer oberen Mitte der Vorderwand 38 des kastenförmigen Spiegeltragelements 35 angebracht, und der Spiegelblock 25 ist an einer unteren Mitte der Vorderwand 38 angebracht. Auch bei der dritten Ausführungsform ist der erste Spiegel 22 der zirkular-polarisierende Spiegel, und der zweite Spiegel 24 ist der gekrümmte Spiegel.
Der Laserstrahl LB von dem Laseroszillator 10 tritt in die Einfallsebene des ersten Spiegels 22 unter einem Einfallswinkel von 45° ein, wird von der Einfallsebene unter einem Winkel von 45° reflektiert, tritt dann in eine Einfallsebene des zweiten Spiegels 24 unter einem Einfallswinkel von 45° ein, wird von der Einfallsebene unter einem Winkel von 45° reflektiert und dann in die Bearbeitungseinheit der Laserstrahlmaschine eingeleitet.
Das Spiegeltragelement 412 ist zu einer Rechteckgestalt geformt. Das Spiegeltragelement 412 hat vier Ecken 43A bis 43D ebenso wie das Spiegeltragelement 41 der ersten Ausführungsform und ist auf dem Abstützsubstrat 17 mittels der Dreipunktbefestigungskonstruktion angebracht. Die Befestigungselemente 45A bis 45C sind jeweils an drei Ecken 43A bis 43C der vier Ecken 43A bis 43D angeordnet, und die Ecken 43A bis 43C sind an dem Abstützsubstrat 17 durch die jeweiligen Befestigungselemente 45A bis 45C befestigt.
Die Befestigungselemente 45A bis 45C legen die Ecken 43A bis 43C an den Montagebasen 12A bis 12C fest, die an dem Abstützsubstrat 17 gebildet sind. An der Ecke 43D ist kein Befestigungselement vorgesehen, und die Ecke 43 bleibt frei. Das Spiegeltragelement 412 hat die Dreipunktbefestigungskonstruktion mit nur drei Befestigungselementen 45A bis 45C. Das Abstützsubstrat 17 wird durch Wärme von dem Laseroszillator 10 verformt.
Das Spiegeltragelement 412 ist jedoch an dem Abstützsubstrat 17 mit der Dreipunktbefestigungskonstruktion befestigt. Daher wird die Verformung des kastenförmigen Spiegeltragelements 35 im Zusammenhang mit der Verformung des Abstützsubstrats 17 auf ein sehr kleines Ausmaß begrenzt.
Die Temperatur des kastenförmigen Spiegeltragelements 35 entspricht vor dem Betrieb des Laseroszillators 10 der Außentemperatur, und somit haben sämtliche Teile des Spiegeltragelements 35 eine der Außentemperatur entsprechende Temperatur. Wenn jedoch die Spiegelblöcke 23, 25 von der Kühlleitung 33 im Zusammenhang mit dem Betriebsbeginn des Laseroszillators 10 gekühlt werden, fällt die Temperatur der Vorderwand 38 im Außenbereich der Spiegelblöcke 23, 25 lokal ab, und somit wird in der Vorderwand 38 eine lokale Temperaturänderung erzeugt, und in dem kastenförmigen Spiegeltragelement 35 tritt eine Wärmebeanspruchung auf.
Da aber das kastenförmige Spiegeltragelement 35 eine Kastengestalt mit hoher Steifigkeit einschließlich der Diagonalrippen 39A, 39B hat, ist eine Verformung, wie etwa Verbiegen oder Verzerren der Vorderwand 38 des kastenförmigen Spiegeltragelements 35, auf ein hinreichend geringes Ausmaß begrenzt, auch wenn eine Wärmebeanspruchung auftritt.
Daher ist die Verformung des kastenförmigen Spiegeltragelements 35 auch dann gering, wenn es von der Kühlleitung 33 gekühlt wird, und somit kann die Parallelität der Spiegel 22, 24 im wesentlichen aufrechterhalten werden, so daß eine Änderung der optischen Achse des Laserstrahls LB auf ein sehr geringes Ausmaß begrenzt werden kann.
Bei der dritten Ausführungsform wird die gleiche Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erzielt, und außerdem ist das kastenförmige Spiegeltragelement 35 so ausgebildet, daß es durch die Diagonalrippen 39A, 39B eine hohe Steifigkeit hat. Auch wenn daher die Spiegel 22, 24 von der Kühlleitung 33 gekühlt werden, ist die Verformung des Spiegeltragelements 35 gering, und somit kann die Parallelität der Spiegel 22, 24 im wesentlichen beibehalten werden.
Daher kann eine Änderung der optischen Achse des Laserstrahls LB auf ein sehr geringes Ausmaß begrenzt werden, und es wird eine bevorzugte Bearbeitung erreicht.
Der erste Spiegel 22 ist ein zirkular-polarisierender Spiegel, und der zweite Spiegel 24 ist ein gekrümmter Spiegel bei der ersten, der zweiten und der dritten Ausführungsform. Wenn jedoch die Schwingungswellenlänge des Laserlichts gewählt werden soll, werden sowohl der erste als auch der zweite Spiegel 22, 24 durch dichroitische Spiegel ersetzt. Auch in diesem Fall kann die gleiche Auswirkung wie bei der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform erreicht werden.
Die Laseroszillationsvorrichtung der Erfindung wird für Einrichtungen verwendet, bei denen ein Hochleistungs-Laserlicht genutzt wird, wie etwa bei einer Laserstrahlmaschine.

Claims

Laseroszillationsvorrichtung (100; 100A; 100B), die einen Laseroszillator (10) aufweist, der folgende Komponenten besitzt: ein Gehäuse (11) zum Erzeugen von Laserlicht im Inneren des Gehäuses (11), einen ersten Spiegel (22) mit einer ersten Spiegeloberfläche zum Einleiten des in dem Laseroszillator (10) erzeugten Laserlichts und einen zweiten Spiegel (24) mit einer zweiten Spiegeloberfläche, wobei die zweite Spiegeloberfläche parallel zu der ersten Spiegeloberfläche angeordnet ist, um das Laserlicht von dem ersten Spiegel (22) weiter einzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillationsvorrichtung (100; 100A; 100B) ferner ein gemeinsames Spiegeltragelement (41; 411; 412) aufweist, an dem der erste Spiegel (22) und der zweite Spiegel (24) gemeinsam angebracht sind, und daß das gemeinsame Spiegeltragelement (41; 411; 412) mit nur drei Befestigungselementen (45A, 45B, 45C), die an den jeweiligen Spitzen eines Dreiecks angeordnet sind, mit dem Gehäuse (11) des Laseroszillators (10) mechanisch verbunden ist.
Laseroszillationsvorrichtung (100; 100A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegeltragelement (41; 411) unmittelbar an dem Gehäuse (11) des Laseroszillators (10) über die drei Befestigungselemente (45A, 45B, 45C) angebracht ist.
Laseroszillationsvorrichtung (100B) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillationsvorrichtung (100B) ferner ein Abstützsubstrat (17) aufweist, an dem das Gehäuse (11) des Laseroszillators (10) angebracht ist, und daß das Spiegeltragelement (412) mittels der drei Befestigungselemente (45A, 45B, 45C) angebracht ist.
Laseroszillationsvorrichtung (100A; 100B) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseroszillationsvorrichtung (100A; 100B) ferner eine Spiegeltragkonstruktion (30) aufweist, welche an dem Spiegeltragelement (411; 412) angebracht ist.
Laseroszillationsvorrichtung (100A) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeltragkonstruktion (30) ein zylindrisches Spiegeltragelement (31) ist.
Laseroszillationsvorrichtung (100B) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeltragkonstruktion (30) ein rechteckiges kastenförmiges Spiegeltragelement (35) ist, und daß das kastenförmige Spiegeltragelement (35) vier Ecken (35A, 35B, 35C, 35D) und Diagonalrippen (39A, 39B) zum Verbinden der jeweiligen Ecken aufweist.
Laseroszillationsvorrichtung (100A; 100B) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (22) und der zweite Spiegel (25) mit einer Kühlleitung (33) zum Kühlen der Spiegel versehen sind.