DE102019004853A1

DE102019004853A1 - Arrangement of multi-polygons for the effective use of laser power

Info

Publication number: DE102019004853A1
Application number: DE102019004853.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-14
Filing date: 2019-07-14
Publication date: 2021-01-28

Abstract

In dieser Patentanmeldung werden optische Anordnungen angegeben, die aus einer Laserstrahlquelle, die einen Laserstrahl emittiert, einem optischen Schalter, der den Laserstrahl zeitlich zwischen mindestens zwei Ausgängen schaltet, einer PolygonAnordnung, die aus mindestens zwei Polygonen besteht, wobei die Polygone auf einer gemeinsamen Rotationsachse und mit versetzten Phasen montiert werden.This patent application specifies optical arrangements that consist of a laser beam source that emits a laser beam, an optical switch that switches the laser beam between at least two outputs, a polygon arrangement that consists of at least two polygons, the polygons on a common axis of rotation and be installed with staggered phases.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Materialbearbeitung mithilfe von Ultrakurzpulslasern hat eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften, wie z.B. die hohe Präzision und die in der Regel minimale Wärmeeinflusszone. Um hochproduktive Anwendungen mithilfe hochrepetierender UKP-Strahlquellen zu ermöglichen werden Scannersysteme mit hohen Ablenkungsgeschwindigkeiten. Durch die Nutzung von Polygonscannern können hohe Scangeschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s erreicht werden. Ein Polygonscannersystem besteht aus einem Zylinder, der mehrere plane Spiegelfacetten auf dessen Umfang aufweist. Das Polygon (2 [221] und [222] 1) mit mehreren planen Spiegelfacetten (261, 262, ... 265...), wird auf einer Achse (23) montiert, die im Betrieb mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Wie in dargestellt ermöglicht die Drehung des Polygons eine rapide Ablenkung des Laserstrahls (101).Material processing with the aid of ultrashort pulse lasers has a number of advantageous properties, such as high precision and the usually minimal heat-affected zone. In order to enable highly productive applications using highly repetitive USP beam sources, scanner systems with high deflection speeds are used. By using polygon scanners, high scanning speeds of up to 1000 m / s can be achieved. A polygon scanner system consists of a cylinder that has several plane mirror facets on its circumference. The polygon (2 [ 221 ] and [ 222 ] 1) with several flat mirror facets ( 261 , 262 , ... 265 ...), is mounted on an axis (23) that rotates at constant speed during operation. As in The rotation of the polygon enables the laser beam to be rapidly deflected ( 101 ).

Zwischen den benachbarten Spiegelfacetten eines Polygoscanners existieren Kanten, wie z.B. (241). Trifft ein Laserstrahl auf eine solche Kante, so wird der Strahl (101), wie in dargestellt, durch die benachbarten Spiegelfacetten geteilt und in zwei verschiedene Richtungen, (124) und (125), abgelenkt. Somit ist der Laserstrahl für die Bearbeitung, im Zeitraum des Auftreffens auf die Kante, unbrauchbar. Dies bildet die Totzeit bzgl. der Nutzung des Laserstrahls. Bei typischen Anwendungen kann sich dadurch der Wirkungsgrad des Polygons, welcher den prozentualen Anteil der umsetzbaren Laserleistung beschränkt, abhängig von dem erforderlichen Verhältnis der Größe der Spiegelfacetten und dem Strahldurchmesser des Strahls, um 30% bis 50% verringern.Edges exist between the neighboring mirror facets of a polygoscanner, such as (241). If a laser beam hits such an edge, the beam ( 101 ), as in shown, divided by the adjacent mirror facets and deflected in two different directions, (124) and (125). This means that the laser beam cannot be used for processing during the period in which it hits the edge. This forms the dead time with regard to the use of the laser beam. In typical applications, this can reduce the efficiency of the polygon, which limits the percentage of the laser power that can be converted, by 30% to 50%, depending on the required ratio of the size of the mirror facets and the beam diameter of the beam.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Anordnungen mit Multi-Polygonen zur Reduzierung der Totzeit anzugeben, um die zeitlich effiziente Nutzung u. a. hochrepetierender Ultrakurzpuls-Laserstrahlquellen zu ermöglichen. Dabei wird der Laserstrahl zwischen mindestens zwei phasenversetzten Polygonen geschaltet.The object of the present invention is to specify arrangements with multi-polygons for reducing the dead time in order to ensure the time-efficient use, inter alia. to enable high repetitive ultrashort pulse laser beam sources. The laser beam is switched between at least two phase-shifted polygons.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die Kernidee der vorliegenden Anmeldung besteht darin, dass zum schnellen Ablenken und zur effizienten Nutzung von Laserleistung mindestens zwei Polygone (221) und (222) verwendet werden, wobei die Polygone (221) und (222) auf einer gemeinsamen Achse (231) montiert werden, wobei die Polygone zueinander mit einer definierten Phase versetzt werden, somit die Spiegelfacetten jeweiliger Polygone zueinandermit einem definierten Winkel um die gemeinsame Achse (231) zueinander versetzt sind. Der Laserstrahl wird mittels eines optischen Schalters zu einem Zeitpunkt T1 für eine Zeitspanne ΔT auf das Polygon (221) gelenkt und zu einem nachfolgenden Zeitpunkt T2 für eine Zeitspanne ΔT auf das Polygon (222) gelenkt. Im Folgenden wird mit einem Zeitpunkt T immer eine Zeit inkl. eine Zeitspanne ΔT bezeichnet. Die max. Zeitspanne ΔT wird so gewählt, dass bei Rotation des Polygons der Laserstrahl nicht durch die Kanten der Spiegelfacetten gebrochen wird. Der optische Schalter wird mit der Rotation der beiden Polygone synchronisiert. Die Zeitpunkte T1 und T2 werden so gewählt, dass der Laserstrahl zum Zeitpunkt T1 nur eine Spiegelfacette (266) des Polygons (221) trifft und vollständig von dieser reflektiert wird und zum Zeitpunkt T2 nur eine Spiegelfacette (366) des Polygons (222) trifft und vollständig von dieser reflektiert wird.The main idea of the present application is that for quick deflection and efficient use of laser power at least two polygons ( 221 ) and ( 222 ) can be used, where the polygons ( 221 ) and ( 222 ) are mounted on a common axis (231), the polygons being offset from one another with a defined phase, so that the mirror facets of the respective polygons are offset from one another with a defined angle about the common axis (231). The laser beam is turned on by means of an optical switch at a time T1 for a period of time ΔT on the polygon ( 221 ) steered and at a subsequent point in time T2 for a period of time ΔT on the polygon ( 222 ) steered. In the following, a point in time T always denotes a time including a time span ΔT. The maximum time period ΔT is chosen so that when the polygon is rotated, the laser beam is not broken by the edges of the mirror facets. The optical switch is synchronized with the rotation of the two polygons. The times T1 and T2 are chosen so that the laser beam at the time T1 only one mirror facet ( 266 ) of the polygon ( 221 ) meets and is fully reflected by this and at the time T2 only one mirror facet ( 366 ) of the polygon ( 222 ) and is completely reflected by it.

und zeigen ein Beispiel der Polygonanordnung gemäß der vorliegenden Patentanmeldung. Dabei werden die Polygone (221) und (222) auf einer gemeinsamen Rotationsachse (231) montiert. Zum Zeitpunkt T1 trifft der Laserstrahl (106) die Spiegelfacette (266) des Polygons (221) und wird von dieser reflektiert (vgl. ). zeigt die Situation zum Zeitpunkt 2. Dabei trifft der Laserstrahl (107) eine Spiegelfacette (366) des Polygons (222) und wird von dieser reflektiert. und zeigen ein Beispiel des optischen Schalters. Dabei besteht der optische Schalter aus einem elektrooptischen Modulator (72) und einem Polarisationsstrahlteiler (711). Ein weiterer Umlenkspiegel (761) ist nicht zwangsläufig notwendig und dient lediglich zur Strahlumlenkung. Eine Voraussetzung für die Funktion des Modulators ist, dass der Laserstrahl (101) eine lineare Polarisation aufweist und zwar p-polarisiert. Zum Zeitpunkt T1 wird der elektrooptische Modulator so konditioniert, dass die Polarisation des Laserstrahls nicht geändert wird, so dass er nach dem Modulator p-polarisiert bleibt und durch den Polarisator (711) als der Strahl (106) läuft (vgl. ). and show an example of the polygon arrangement according to the present patent application. The polygons ( 221 ) and ( 222 ) mounted on a common axis of rotation (231). At the time T1 hits the laser beam ( 106 ) the mirror facet ( 266 ) of the polygon ( 221 ) and is reflected by this (cf. ). shows the situation at the time 2 . The laser beam hits ( 107 ) a mirror facet ( 366 ) of the polygon ( 222 ) and is reflected by it. and show an example of the optical switch. The optical switch consists of an electro-optical modulator ( 72 ) and a polarization beam splitter ( 711 ). Another deflection mirror ( 761 ) is not absolutely necessary and only serves to deflect the beam. A prerequisite for the function of the modulator is that the laser beam ( 101 ) has a linear polarization, namely p-polarized. At the time T1 the electro-optical modulator is conditioned in such a way that the polarization of the laser beam is not changed, so that it remains p-polarized after the modulator and through the polarizer ( 711 ) than the ray ( 106 ) runs (cf. ).

Zum Zeitpunkt T2 wird der elektrooptische Modulator (72) so konditioniert, dass die Polarisation des Laserstrahls um 90° gedreht wird, so dass er nach dem Modulator s-polarisiert wird und durch den Polarisator (711) und den Umlenkspiegel (761) als der Strahl (107) reflektiert wird.At the time T2 the electro-optical modulator ( 72 ) conditioned so that the polarization of the laser beam is rotated by 90 ° so that it is s-polarized after the modulator and through the polarizer ( 711 ) and the deflection mirror ( 761 ) than the ray ( 107 ) is reflected.

Zur Steuerung der Leistung/Energie des Laserstrahls kann ein elektrooptischer oder ein akustooptischer Modulator vor dem optischen Schalter angeordnet werden.To control the power / energy of the laser beam, an electro-optical or an acousto-optical modulator can be arranged in front of the optical switch.

Eine weitere Anordnung für den Schalter zeigt . Dabei wird ein akustooptischer Deflektor verwendet. Der akustooptische Deflektor besteht aus einem akustooptischen Medium (61) und einem Treiber (62). Der Treiber (62) erzeugt eine Hochfreguenzleistung bei unterschiedlichen Frequenzen und somit Schallwellen unterschiedlicher Wellenlänge im akustooptischen Medium. Läuft ein Laserstrahl durch das akustooptische Medium, wird ein Teil des Strahls abhängig von der Wellenlänge der Schallwelle abgelenkt.Another arrangement for the switch is shown . An acousto-optic deflector is used. The acousto-optic deflector consists of an acousto-optic medium ( 61 ) and a driver ( 62 ). The driver ( 62 ) generates high frequency power at different frequencies and thus sound waves of different wavelengths in the acousto-optical medium. If a laser beam passes through the acousto-optical medium, part of the beam is deflected depending on the wavelength of the sound wave.

Weiterhin zeigt die Abbildung einen akustooptischen Deflektor mit zwei Hochfrequenzen f1 und f2. Damit kann der Laserstrahl, der durch das akustooptische Medium durchläuft in zwei verschiedenen Teilstrahlen (16) oder (17) umgelenkt wird. Die Strahlen (16) und (17) sind jeweils der Frequenz f1 und f2 zuzuordnen. Durch die Linse (71) werden die beiden Strahlen im Fokusbereich räumlich getrennt. Die Strahlfalle (53) wird verwendet, um die Nullte Ordnung des Laserstrahls zu absorbieren.The figure also shows an acousto-optic deflector with two high frequencies f1 and f2. This means that the laser beam that passes through the acousto-optical medium can be divided into two different partial beams ( 16 ) or ( 17th ) is diverted. The Rays ( 16 ) and (17) are to be assigned to the frequencies f1 and f2, respectively. Through the lens ( 71 ) the two beams are spatially separated in the focus area. The ray trap ( 53 ) is used to absorb the zero order of the laser beam.

Wie zeigt wird zum Zeitpunkt T1 nur die Hochfrequenz f1 appliziert, so dass der umgelenkte Strahl (16) mit einer definierten Propagationsrichtung entsteht. Demgegenüber wird in im dargestellten Fall, der dem Zeitpunkt T2 entspricht, nur die Hochfrequenz f2 appliziert, so dass der Strahl (17) mit einer anderen Propagationsrichtung entsteht. Somit wird der Laserstrahl zwischen zwei unterschiedlichen Propagationsrichtung umgeschaltet werden.As shows is at the time T1 only the high frequency f1 is applied so that the deflected beam ( 16 ) with a defined direction of propagation. In contrast, im illustrated case, the time T2 corresponds, only the high frequency f2 is applied so that the beam ( 17th ) with a different direction of propagation. Thus the laser beam will be switched between two different propagation directions.

Der Anteil des abgelenkten Strahls wird durch die Stärke der Schallwelle bestimmt. Über die Leistung der Hochfrequenz kann die Laserleistung/-energie moduliert werden.The proportion of the deflected beam is determined by the strength of the sound wave. The laser power / energy can be modulated via the power of the high frequency.

Der typische Ablenkungswinkel, der durch einen akustooptischen Deflektor bei einer annehmbaren Effizienz generiert werden kann, ist abhängig von dem Divergenzwinkel des Laserstrahls.Dadurch bedingt ist der Unterschied der Propagationsrichtungen von (16) und (17) klein. zeigt eine beispielhafte Ausführung zur Trennung der beiden Strahlen (16) und (17). Dabei werden zwei Primenarrays, (76) und (77), verwendet. Das erste Prismenarray (76) erhöht den Unterschied der Propagationsrichtung und das zweite Prismenarray (77) verringert den Unterschied der Propagationsrichtung. Die beiden Linsen (711) und (712) werden den Strahlen (16) und (17) zugeordnet. Daraus ergeben sich die Strahlen (116) und (117), die eine vordefinierte räumliche Trennung aufweisen.The typical deflection angle that can be generated by an acousto-optical deflector with an acceptable efficiency depends on the divergence angle of the laser beam. As a result, the difference in the propagation directions of (16) and (17) is small. shows an exemplary design for separating the two beams ( 16 ) and ( 17th ). Two primer arrays, ( 76 ) and (77 ) is used. The first prism array ( 76 ) increases the difference in the direction of propagation and the second prism array ( 77 ) reduces the difference in the direction of propagation. The two lenses ( 711 ) and ( 712 ) are the rays ( 16 ) and ( 17th ) assigned. This results in the rays ( 116 ) and ( 117 ), which have a predefined spatial separation.

Darüber hinaus ist die Verwendung identischer Polygone vorteilhaft. Die identischen Polygone können wie folgt hergestellt werden:

- wie in gezeigt ist, wird zuerst ein dickes Polygon (220) hergestellt
- wie in gezeigt ist, wird das dicke Polygon durch die Mitte in zwei identische Polygone (221) und (222) zerteilt.

It is also advantageous to use identical polygons. The identical polygons can be made as follows:

- as in shown, a thick polygon ( 220 ) produced
- as in shown, the thick polygon cuts through the center into two identical polygons ( 221 ) and ( 222 ) divided.

Die Polygonanordnung ist insbesondere zum Scannen von hochrepetierenden gepulsten Laserstrahlen von Bedeutung.The polygon arrangement is particularly important for scanning highly repetitive pulsed laser beams.

Claims

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power, consisting of at least two polygons (221) and (222), the polygons (221) and (222) being mounted on a common axis (231), the polygons being offset from one another with a defined phase , so that the mirror facets of the respective polygons are offset from one another at a defined angle around the common axis (231), a laser beam (101) being directed onto the polygon (221) by means of an optical switch at a time T1 for a period of time ΔT and is steered onto the polygon (222) at a subsequent time T2 for a period of time ΔT, the optical switch being synchronized with the rotation of the two polygons, the times T1 and T2 being selected and the time period ΔT being dimensioned in this way that the laser beam hits only one mirror facet (266) of the polygon (221) at time T1 and is completely reflected by this un d hits only one mirror facet (366) of the polygon (222) at time T2 and is completely reflected by this.

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power according to the Claim 1 , characterized in that the optical switch for a linearly polarized laser beam consists of an electro-optical modulator (72) and a polarization beam splitter (711), the modulator being controlled so that at time T1 the polarization of the laser beam (106) is perpendicular to the polarization of the laser beam (107) is at time T2.

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power according to the Claim 1 , characterized in that an acousto-optic deflector is used for the switch, the acousto-optic deflector consists of an acousto-optic medium (61) and a driver (62), the driver (62) generating high-frequency power at different frequencies, so that sound waves of different wavelengths arise in the acousto-optical medium, whereby the laser beam is sent through the acousto-optical medium, so that part of the laser beam is bent after passing through the acousto-optical medium and the direction of preparation of the diffracted beams is determined by the wavelength of the sound wave.

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power according to the Claim 3 , characterized in that the acousto-optic deflector has two high frequencies f1 and f2, whereby at time T1 only the high frequency f1 is applied, so that a diffracted beam (16) with a direction of propagation defined by f1, and only the high frequency f2 is applied at time T2, so that one beam (17) passes through with another f2 defined preparation direction is generated.

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power according to the Claim 3 or 4th , characterized in that the power / energy of the diffracted beams can be modulated by the power of the high frequency.

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that an electro-optical or an acousto-optical modulator is arranged in front of the optical switch to control the power / energy of the laser beam.

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that two primer arrays (76) and (77) are used to separate the two beams (16) and (17), the first prism array (76) increasing the difference in the direction of propagation of the two beams and the second prism array (77 ) reduces the difference in the direction of propagation of the two beams, two lenses (711) and (712) being used to reduce the divergence of the beams (16) and (17).

Polygon arrangement for the time-efficient use of laser power according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that identical polygons are used, which are separated from a thick polygon.