DE10331695A1

DE10331695A1 - Processing workpiece with laser beam comprises using optical arrangement as deviating element

Info

Publication number: DE10331695A1
Application number: DE10331695A
Authority: DE
Inventors: Alois Dr. Herkommer
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-17

Abstract

Processing a workpiece (12) with a laser beam (14) comprises using an optical arrangement (30) as a deviating element (28) and having a first surface (32) which is arranged slanted with respect to the incident laser beam so that the laser beam is reflected onto the first surface away from the workpiece. The optical arrangement has a second surface (34) spaced from the first surface and arranged on the side of the first surface facing away from the workpiece. An independent claim is also included for a device for processing a workpiece.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserlichtstrahl, bei dem der Laserlichtstrahl auf zumindest ein optisches Umlenkelement gerichtet wird, um den Laserlichtstrahl so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl unter einem Winkel von ungleich 90° auf das Werkstück fällt.The The invention relates to a method for processing a workpiece with a laser light beam in which the laser light beam on at least an optical deflecting element is directed to the laser light beam redirect so that the deflected laser light beam under a Angle of not equal to 90 ° the workpiece falls.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserlichtstrahl, mit einer Strahlführungseinrichtung, die zumindest ein Umlenkelement aufweist, um den Laserlichtstrahl so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl unter einem Winkel von ungleich 90° auf das Werkstück fällt.The The invention further relates to a device for processing a workpiece with a laser light beam, with a beam guiding device, at least a deflecting element so as to deflect the laser light beam, that the deflected laser light beam at an angle of unequal 90 ° up the workpiece falls.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der DE 101 18 291 A1 bekannt.A method and a device of the type mentioned are from the DE 101 18 291 A1 known.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung werden u.a. zur Materialbearbeitung von Werkstücken eingesetzt. Die Materialbearbeitung eines Werkstückes mit Laserlicht kann beispielsweise in einem Härten, Schweißen, Abtragen, Bohren usw. bestehen. Mit dem Laserlichtstrahl wird dabei ein definierter Bereich am Werkstück mit hoher Strahlintensität bestrahlt, um den gewünschten Bearbeitungsvorgang auszuführen.One such method and apparatus will be described i.a. for material processing of workpieces used. The material processing of a workpiece with laser light, for example, in a hardship, Welding, Abtragen, drilling, etc. exist. With the laser light beam is doing a defined area on the workpiece is irradiated with high beam intensity, to the desired Execute editing process.

Bei leicht zugänglichen Werkstücken fällt der Laserlichtstrahl in der Regel ohne Zwischenschaltung eines Umlemkelements direkt auf das Werkstück ein. Oft sind die räumlichen Verhältnisse am Werkstück jedoch in der Richtung senkrecht zur Oberfläche begrenzt, wie dies beispielsweise bei der Bearbeitung von Werkstückinnenflächen der Fall ist. Ein solches Verfahren ist in der zuvor genannten DE 101 18 291 A1 beschrieben.For easily accessible workpieces, the laser light beam usually falls directly on the workpiece without the interposition of a Umlemkelements. Often, however, the spatial relationships on the workpiece are limited in the direction perpendicular to the surface, as is the case, for example, when machining workpiece inner surfaces. Such a method is in the aforementioned DE 101 18 291 A1 described.

Dort wird mit einem Laserlichtstrahl eine innen liegende Fläche eines zylindrischen metallischen Werkstückes bearbeitet. Um den von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahl auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes zu richten, weist die dort beschriebene Vorrichtung eine Strahlführungseinheit auf, die einen Umlenkspiegel aufweist, um den Laserstrahl so umzulenken, dass er auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes fällt.There becomes an inside surface of a laser light beam machined cylindrical metal workpiece. To the of the laser light source coming laser light beam to be processed target area of the workpiece to judge, the device described therein has a beam guiding unit which has a deflecting mirror so as to deflect the laser beam, that it falls on the target surface of the workpiece to be machined.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Laserlicht bildet sich in Folge der starken, kurzfristigen Erwärmung der Zielfläche eine Plasmawolke, die über eine Absaugvorrichtung abgesaugt wird. Dabei hat sich jedoch herausgestellt, dass das Aufschmelzen der vom Laserlichtstrahl erwärmten Fläche so plötzlich erfolgt, dass geschmolzene Partikel, ohne vom Absaugstrom erfasst zu werden, in Richtung des Umlenkelements geschleudert werden. Die mit hoher kinetischer Energie auf den Spiegel treffenden Partikel brennen sich in die Reflexionsfläche ein, die infolgedessen schon nach kurzer Einsatzdauer unbrauchbar wird.at the machining of workpieces with laser light is formed as a result of strong, short - term warming of the target area a plasma cloud over a suction device is sucked off. However, it has been found the melting of the surface heated by the laser light beam is so sudden, that molten particles, without being caught by the suction flow, be thrown in the direction of the deflecting element. The ones with high kinetic Energy hit the mirror particles burn in the reflecting surface As a result, unusable after a short period of use becomes.

Zur Lösung dieses Problems wird in der DE 101 18 291 A1 vorgeschlagen, die Reflexionsfläche des Umlenkspiegels in Bezug auf die zu belichtende Zielfläche des Werkstückes derart auszurichten, dass der an ihr umgelenkte Laserlichtstrahl die zu belichtende Zielfläche unter einem von 90° abweichenden Winkel trifft. Entsprechend bildet auch der an dem Umlenkspiegel einmal reflektierte Laserlichtstrahl mit dem auf den Umlenkspiegel einfallenden Laserlichtstrahl einen Winkel von ungleich 90°, üblicherweise etwas größer als 90°.To solve this problem is in the DE 101 18 291 A1 proposed to align the reflection surface of the deflection mirror with respect to the target surface of the workpiece to be exposed such that the deflected at her laser light beam strikes the target surface to be exposed at a different angle of 90 °. Correspondingly, the laser light beam once reflected at the deflection mirror forms an angle of not equal to 90 °, usually slightly greater than 90 °, with the laser light beam incident on the deflection mirror.

Das schräge Belichten der Zielfläche des Werkstückes beruht auf der Erkenntnis, dass die sich bei der Laserbearbeitung von dem Werkstück lösenden Abtragprodukte größtenteils senkrecht zur bearbeiteten Zielfläche des Werkstückes abgestrahlt werden.The slope Exposure of the target area of the workpiece Based on the knowledge that comes with the laser processing from the workpiece be solved Abtragprodukte mostly emitted perpendicular to the machined target surface of the workpiece become.

Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung besteht darin, dass der Umlenkwinkel nicht beliebig abweichend von 90° gewählt werden kann, da dann die Kanten des Beleuchtungsrandes bedingt durch die endliche Tiefenschärfe unscharf abgebildet werden. Da der Laserlichtstrahl in der Regel auf das Werkstück fokussiert wird, bzw. zumindest konvergent auf das Werkstück einfällt, muss die Spiegelfläche zudem groß genug gewählt werden, um den gesamten von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahl umzulenken. Für den typischen Anwendungsfall befindet sich daher zumindest eine Ecke des Umlenkspiegels weiterhin in Normalenrichtung zur Zielfläche des zu bearbeitenden Werkstückes, d.h. in Normalenrichtung der Zielfläche des Werkstückes abgestrahlte Abtragprodukte gelangen weiterhin auf zumindest einen Teilbereich des Umlenkspiegels. Auch die Entfernung des Umlenkspiegels vom Werkstück wird durch ein stärkeres Verkippen des Umlenkspiegels nicht vergrößert.Of the Disadvantage of this known method and the known device is that the deflection angle does not deviate arbitrarily from 90 ° can be selected can, because then the edges of the illumination edge due to the finite depth of field out of focus. As the laser beam usually on the workpiece is focused, or at least convergent incident on the workpiece must the mirror surface also be chosen big enough, around the entire laser light beam coming from the laser light source redirect. For the typical application is therefore at least one Corner of the deflection mirror continues in the normal direction to the target surface of the workpiece to be machined, i.e. emitted in the normal direction of the target surface of the workpiece Abtragprodukte continue to reach at least a portion the deflecting mirror. Also, the distance of the deflecting mirror from the workpiece is through a stronger one Tilting the deflecting mirror is not increased.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden, dass insbesondere eine Beaufschlagung des zumindest einen Umlenkelements mit den bei der Bearbeitung des Werkstückes mit dem Laserlichtstrahl entstehende Abtragprodukte nicht mehr oder zumindest in geringerem Maße auf die optisch wirksame Fläche des zumindest einen Umlenkelements gelangen, ohne dass dies zu Lasten von Abbildungsfehlern geschieht.The invention is therefore based on the object to develop a method and an apparatus of the type mentioned in that the above-mentioned disadvantages are avoided, that in particular a loading of the at least one deflecting element with the resulting during processing of the workpiece with the laser light beam ablation products no longer or at least to a lesser extent reach the optically effective surface of the at least one deflecting element, without this occurring at the expense of aberrations.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens dadurch gelöst, dass als das zumindest eine Umlenkelement eine optische Anordnung verwendet wird, die eine erste Fläche aufweist, die in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl schräg angeordnet ist, so dass der Laserlichtstrahl an der ersten Fläche von dem Werkstück weg reflektiert wird, und wobei die Anordnung eine von der ersten Fläche beabstandete und auf der dem Werkstück abgewandten Seite der ersten Fläche angeordnete zweite Fläche aufweist, an deren dem Werkstück zugewandten Seite der an der ersten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl reflektiert wird, so dass der an der zweiten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl auf das Werkstück trifft.According to the invention this Task with regard to the method mentioned above achieved in that as the at least one deflection element uses an optical arrangement that will be a first surface which are slanted with respect to the incident laser light beam is such that the laser light beam on the first surface of the workpiece away, and wherein the arrangement is one of the first area spaced and on the side facing away from the workpiece of the first area arranged second surface has, at whose the workpiece facing side of the laser light beam reflected at the first surface is reflected, so that the laser light beam reflected on the second surface on the workpiece meets.

Hinsichtlich der eingangs genannten Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das zumindest eine Umlenkelement durch eine optische Anordnung gebildet ist, die eine erste Fläche aufweist, die in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl schräg angeordnet ist, so dass der Laserlichtstrahl an der ersten Fläche von dem Werkstück weg reflektiert wird, und wobei die Anordnung eine von der ersten Fläche beabstandete und auf der dem Werkstück abgewandten Seite der ersten Fläche angeordnete zweite Fläche aufweist, die so angeordnet ist, dass an deren dem Werkstück zugewandten Seite der an der ersten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl in Richtung zum Werkstück reflektiert wird.Regarding The above-mentioned device, the object is achieved in that the at least one deflecting element is formed by an optical arrangement is that a first surface which are slanted with respect to the incident laser light beam is so that the laser light beam at the first surface of the workpiece away, and wherein the arrangement is one of the first area spaced and on the side facing away from the workpiece of the first area arranged second surface which is arranged so that at the workpiece facing Side of the first surface reflected laser light beam reflected toward the workpiece becomes.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird demnach eine optische Anordnung verwendet, an der der von der Laserlichtquelle kommende Laserlichtstrahl zumindest zweimal reflektiert wird. Die erste Reflexion des einkommenden Laserlichtstrahls bewirkt eine Umlenkung des Laserlichtstrahls zunächst in Richtung von dem Werkstück weg, während durch die zweite Reflexion der Laserlichtstrahl dann auf das Werkstück gerichtet wird, und zwar schräg. Im Unter schied zu dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung ermöglicht es die zweimalige Reflexion des Laserlichtstrahls in der vorstehend genannten Weise, die optische Anordnung so in Bezug auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes anzuordnen, dass die optisch wirksamen Flächen der optischen Anordnung die zu bearbeitende Zielfläche in Normalenrichtung derselben nicht überlappen. Dadurch wird eine Beaufschlagung der optisch wirksamen Flächen der optischen Anordnung mit Abtragprodukten, die in Normalenrichtung von der zu bearbeitenden Zielfläche des Werkstückes abgestrahlt werden, vermieden oder zumindest reduziert. Außerdem kann die optische Anordnung auf diese Weise weiter von der zu bearbeitenden Zielfläche des Werkstückes entfernt werden. Wegen der zweifachen Reflexion des Laserlichtstrahls ist es auch nicht erforderlich, die reflektierenden Flächen der optischen Anordnung übermäßig schräg zu stellen, wodurch der Laserlichtstrahl möglichst scharf auf die zu bearbeitende Zielfläche des Werkstückes abgebildet werden kann. Auch müssen aus diesem Grund die optisch wirksamen Flächen der optischen Anordnung nicht übermäßig groß gewählt werden, um den gesamten einfallenden Laserlichtstrahl umzulenken, wodurch die Anordnung sehr platzsparend ausgebildet werden kann.at the method according to the invention and the device according to the invention Accordingly, an optical arrangement is used at which the of the Laser light source coming laser light beam reflected at least twice becomes. The first reflection of the incoming laser light beam causes a deflection of the laser light beam initially in the direction away from the workpiece, while then directed by the second reflection of the laser light beam onto the workpiece becomes oblique. In contrast to the known method and the known device allows it is the two-time reflection of the laser light beam in the above said manner, the optical arrangement so in relation to the processed target area of the workpiece to arrange that the optically effective surfaces of the optical arrangement the target area to be processed in the normal direction of the same do not overlap. This will be a Acting on the optically effective surfaces of the optical arrangement with Abtragprodukten, in the normal direction of the processed target area of the workpiece be emitted, avoided or at least reduced. In addition, can the optical arrangement in this way further from the processed target area of the workpiece be removed. Because of the double reflection of the laser light beam it is also not necessary to use the reflective surfaces of the to obliquely skew the optical arrangement, whereby the laser light beam as possible sharply focused on the target surface of the workpiece to be machined can be. Also need for this reason, the optically effective areas of the optical arrangement are not chosen to be excessively large, to redirect the entire incident laser light beam, thereby the arrangement can be made very space-saving.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Laserlichtstrahl an der ersten Fläche totalreflektiert.In A preferred embodiment of the method is the laser light beam totally reflected on the first surface.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die erste Fläche so ausgebildet, dass sie in Bezug auf den auf sie vor der Reflexion einfallenden Laserlichtstrahl totalreflektierend ist.In In a preferred embodiment of the device, the first surface is designed to that they are invading in relation to the one before them Laser beam is totally reflective.

Die Verwendung einer totalreflektierenden ersten Fläche zum Umlenken des von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahls hat den Vorteil, dass die erste Fläche ohne eine reflektierende Beschichtung auskommt, die, da sie dem Werkstück zugewandt wäre, Anlass zu Verunreinigungen oder Beschädigungen geben könnte.The Use of a totally reflecting first surface for deflecting the of the Laser light source coming laser light beam has the advantage that the first area without a reflective coating that, since they are the workpiece would be facing Could give rise to contamination or damage.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der an der zweiten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl durch die erste Fläche hindurch auf das Werkstück gerichtet.In Another preferred embodiment of the method is the on the second surface reflected laser light beam directed through the first surface on the workpiece.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die erste Fläche in Abhängigkeit des Einfallswinkels des Laserlichtstrahls reflektierend oder transmittierend.In Another preferred embodiment of the device is the first surface depending on the Incident angle of the laser light beam reflective or transmissive.

Diese Maßnahme, bei der die erste Fläche in Bezug auf den von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahl reflektierend und in Bezug auf den von der zweiten Fläche reflektierten Laserlichtstrahl transmittierend ist, hat den Vorteil, dass der gesamte Querschnitt des von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahls umgelenkt und auf das Werkstück gerichtet bzw. fokussiert werden kann, ohne dass ein Teil des Laserlichtes ungenutzt verloren geht. Diese Maßnahme trägt auch vorteilhafterweise dazu bei, dass die Umlenkwinkel des Laserlichtstrahls in Bezug auf den jeweils einfallenden Laserlichtstrahl nicht übermäßig groß gewählt werden müssen, wodurch Abbildungsfehler weiter reduziert werden.These Measure, at the first surface with respect to the laser light beam coming from the laser light source reflective and reflected with respect to the second surface Laser beam is transmissive, has the advantage that the entire cross section of the laser light beam coming from the laser light source deflected and onto the workpiece can be directed or focused without a part of the laser light is lost unused. This measure also contributes advantageously in that the deflection angles of the laser light beam with respect to the each incident laser light beam must not be overly large, causing Aberrations are further reduced.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung ist die erste Fläche eine Grenzfläche eines Übergangs von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium, die so angeordnet wird bzw. ist, dass der Laserlichtstrahl im optisch dichteren Medium auf die erste Fläche erstmals unter einem Einfallswinkel in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 70° fällt.In a further preferred embodiment of the method and the device, the first surface is an interface of a transition from one optically denser to an optically thinner medium, which is arranged so that the laser light beam in the optically denser medium on the first surface first falls at an angle of incidence in a range of about 50 ° to about 70 °.

Ein solcher optischer Übergang, beispielsweise Glas-Luft, hat den Vorteil, dass mit einem konstruktiv einfachen Umlenkelement insbesondere an der ersten Fläche eine Totalreflexion zur Umlenkung des von der Laserlichtquelle kommenden Laserlichtstrahls ausgenutzt werden kann, wenn der Laserlichtstrahl unter einem Einfallswinkel oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion auf die erste Fläche fällt.One such optical transition, For example, glass-air, has the advantage of having a constructive simple deflection, in particular on the first surface a Total reflection for the deflection of coming from the laser light source Laser beam can be exploited when the laser light beam at an angle of incidence above the critical angle of total reflection falls on the first surface.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung, bei der die erste Fläche eine Grenzfläche eines Übergangs von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium ist, die so angeordnet wird bzw. ist, dass der Laserlichtstrahl im optisch dichteren Medium auf die erste Fläche erstmals unter einem Einfallswinkel in einem Bereich von etwa 60° fällt.Especially preferred is an embodiment of the method and the device, at the first surface an interface a transition from an optically denser to an optically thinner medium, which is so arranged is or is that the laser light beam in the optically denser medium on the first surface first falls within an angle of incidence in a range of about 60 °.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird bzw. ist die zweite Fläche etwa parallel zu dem Laserlichtstrahl angeordnet, bevor dieser an der ersten Fläche reflektiert wird.In a further preferred embodiment of the method and the Device is or is the second surface arranged approximately parallel to the laser light beam, before this on the first surface is reflected.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die projektierte Größe der optischen Anordnung quer zum einfallenden Laserlichtstrahl möglichst gering gehalten wird.These measure has the advantage that the projected size of the optical arrangement is kept as low as possible across the incident laser light beam.

Die zweite Fläche, an der der an der ersten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl zum zweiten Mal reflektiert wird, ist vorzugsweise mit einer hoch reflektierenden Schicht versehen. Diese hoch reflektierende Schicht ist, da sie sich auf der dem Werkstück abgewandten Seite der zweiten Fläche befindet, Abtragprodukten, die bei der Bearbeitung des Werkstückes mit dem Laserlichtstrahl abgestrahlt werden, nicht ausgesetzt, was ebenfalls eine vorteilhafte Folge der zweimaligen Reflexion des Laserlichtstrahls an der optischen Anordnung ist.The second surface, at the on the first surface reflected laser light beam is reflected for the second time, is preferably provided with a highly reflective layer. This highly reflective layer is because they are facing away from the workpiece Side of the second surface located, erosion products that are involved in the machining of the workpiece emitted to the laser light beam, not exposed, which also an advantageous consequence of the two-time reflection of the laser light beam the optical arrangement is.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung werden bzw. sind die erste Fläche und die zweite Fläche so angeordnet, dass sie miteinander einen Winkel im Bereich von etwa 20° bis 40°, vorzugsweise einen Winkel von etwa 30° bilden.In a further preferred embodiment of the method and the Device, the first surface and the second surface are arranged that they together at an angle in the range of about 20 ° to 40 °, preferably form an angle of about 30 °.

Diese Maßnahme hat insbesondere in Verbindung mit der zuvor genannten Maßnahme, wonach der von der Laserlichtquelle kommende Laserlichtstrahl auf die erste Fläche unter einem Winkel von etwa 60° einfällt, und in Verbindung mit einer der zuvor genannten Maßnahmen, wonach die erste Fläche für den an der zweiten Fläche reflektierten Laserlichtstrahl in Transmission genutzt wird, den Vorteil, dass der an der zweiten Fläche reflektierte Laserlichtstrahl etwa senkrecht durch die erste Fläche hindurchtritt, wodurch auf reflexionsmindernde Beschichtungen an der ersten Fläche verzichtet werden kann, da bei senkrechtem Einfall gemäß den Fresnelschen Gleichungen die Reflexion bei nicht polarisiertem Licht im Wesentlichen minimal ist.These measure has, in particular, in connection with the abovementioned measure, then the laser light beam coming from the laser light source the first area at an angle of about 60 °, and in conjunction with one of the aforementioned measures, according to which the first area for the the second surface reflected laser light beam is used in transmission, the Advantage, that the laser light beam reflected at the second surface approximately perpendicularly passes through the first surface, whereby refrained from reflection-reducing coatings on the first surface can be, since at normal incidence according to the Fresnel equations the reflection is substantially minimal with unpolarized light is.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird als das zumindest eine Umlenkelement ein optisches Prisma verwendet, das die erste Fläche und/oder die zweite Fläche als Grenzfläche aufweist.In a further preferred embodiment of the method and the Device is as the at least one deflecting an optical Prism uses the first surface and / or the second surface as interface having.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die optische Anordnung zur Strahlumlenkung besonders kostengünstig realisiert werden kann, und sowohl die erste Fläche als auch die zweite Fläche an nur einem optischen Bauelement vorhanden sind, so dass die optische Anordnung zur Strahlumlenkung insgesamt einteilig ausgebildet werden kann.These measure has the advantage that the optical arrangement for beam deflection especially inexpensive can be realized, and both the first surface and the second surface at only an optical component are present, so that the optical Arrangement for beam deflection are formed in one piece as a whole can.

Dabei ist es bei dem Verfahren und der Vorrichtung bevorzugt, wenn das Prisma in Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl so angeordnet wird bzw. ist, dass eine Lichteintrittsfläche in das Prisma etwa senkrecht zu diesem steht.there it is preferred in the method and apparatus, if the Prism arranged with respect to the incident laser light beam is or is that a light entrance surface in the prism approximately perpendicular stands for this.

Auch hierbei ist wiederum von Vorteil, dass bei der Lichteintrittsfläche auf eine reflexmindernde Beschichtung an der Lichteintrittsfläche in das Prisma verzichtet werden kann. Vorteilhaft ist bei dieser Anordnung weiter, dass durch den senkrechten Einfall auf die Lichteintrittsfläche, sowie durch den ebenfalls senkrechten Austritt durch die Austrittsfläche eine Keilwirkung des Prismas mit den entsprechenden Abbildungsfehlern vermieden wird.Also in turn, it is advantageous that at the light entry surface an antireflective coating on the light entry surface in the Prism can be dispensed with. It is advantageous in this arrangement continue that by the vertical incidence on the light entry surface, as well through the also vertical exit through the exit surface a Wedge effect of the prism with the corresponding aberrations is avoided.

Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn der Prismenwinkel so gewählt wird bzw. ist, dass der Laserlichtstrahl senkrecht durch eine Prismenseite austritt.Farther it is particularly preferred if the prism angle is chosen so or is that the laser light beam emerges vertically through a prism side.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung wird als Prisma ein 90°-60°-30°-Prisma verwen det, dessen Hypotenuse die erste Fläche und dessen lange Kathete die zweite Fläche bildet.In a further preferred embodiment of the method and the Device is used as prism a 90 ° -60 ° -30 ° prism, whose hypotenuse the first area and whose long catheter forms the second surface.

Mit einem 90°-60°-30°-Prisma lassen sich die zuvor genannten bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltungen der ersten Fläche und der zweiten Fläche in besonders kostengünstiger und einfacher Ausgestaltung mit nur einem einzigen Umlenkelement, an dem eine zweifache Reflexion stattfindet, und dessen Hypotenuse auch in Transmission genutzt wird, erzielen. Die lange Kathetenfläche, die die zweite Fläche bildet, ist vorzugsweise, wie oben erwähnt, mit einer hoch reflektierenden Schicht versehen, die jedoch den Abtragprodukten bei der Laserbearbeitung des Werkstückes nicht wesentlich ausgesetzt ist, da sie von dem Werkstück abgewandt ist.With a 90 ° -60 ° -30 ° prism, the aforementioned preferred and advantageous embodiments of the first surface and the second surface in a particularly cost-effective and simple design with only a single deflecting element, where a double reflection takes place, and its hypotenuse also used in transmission, achieve. The long surface of the catheter that the second surface is preferably, as mentioned above, provided with a highly reflective layer, which is not substantially exposed to the Abtragprodukten in the laser machining of the workpiece, since it is remote from the workpiece.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further Advantages and features will become apparent from the following description and the attached Drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the present invention.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben.One embodiment The invention is illustrated in the drawing and is with reference closer to this described.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Laserlichtstrahl im Längsschnitt.The single figure shows a schematic representation of a device for machining a workpiece with a laser light beam in longitudinal section.

In der Figur ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes 12 mit einem Laserlichtstrahl 14 dargestellt. Mit der Vorrichtung 10 wird ein Verfahren zur Bearbeitung des Werkstückes 12 mit dem Laserlichtstrahl 14 durchgeführt, das beispielsweise in einem Schweißen, Härten oder Abtragen von Material des Werkstücks 12 besteht.In the figure, one with the general reference numeral 10 provided device for machining a workpiece 12 with a laser light beam 14 shown. With the device 10 becomes a method of machining the workpiece 12 with the laser light beam 14 performed, for example, in a welding, hardening or removal of material of the workpiece 12 consists.

Der Laserlichtstrahl 14 wird von einer Laserlichtquelle 16 erzeugt und ggf. durch der Laserlichtquelle 16 nachgeschaltete optische Einrichtungen geformt, insbesondere kollimiert. Der Laserlichtstrahl 14 weist einen Querschnitt Q auf, der einen bestimmten Durchmesser aufweist, wobei in der Figur von dem Laserlichtstrahl 14 ein Mittelstrahl 18 und zwei Randstrahlen 20 und 22, die den Laserlichtstrahl 14 begrenzen, veranschaulicht sind.The laser light beam 14 is from a laser light source 16 generated and possibly by the laser light source 16 formed downstream optical devices, in particular collimated. The laser light beam 14 has a cross-section Q, which has a certain diameter, wherein in the figure of the laser light beam 14 a central jet 18 and two marginal rays 20 and 22 that the laser light beam 14 limit, are illustrated.

Die Vorrichtung 10 weist eine Strahlführungseinrichtung 24 auf, die eine Abbildungsoptik 26 aufweist, die dazu dient, den Laserlichtstrahl 14 auf das Werkstück 12 zu fokussieren bzw. abzubilden.The device 10 has a beam guiding device 24 on, which is an imaging optic 26 which serves to the laser light beam 14 on the workpiece 12 to focus or depict.

Die Strahlführungseinrichtung 24 weist weiterhin zumindest ein Umlenkelement 28 auf, um den Laserlichtstrahl 14 so umzulenken, dass der umgelenkte Laserlichtstrahl 14 unter einem Winkel α von ungleich 90° auf das Werkstück 12 trifft.The beam guiding device 24 furthermore has at least one deflection element 28 on to the laser light beam 14 to redirect so that the deflected laser light beam 14 at an angle α of not equal to 90 ° to the workpiece 12 meets.

Das zumindest eine Umlenkelement 28 ist durch eine optische Anordnung 30 gebildet, die eine erste optisch wirksame Fläche 32 und eine davon beabstandete zweite optisch wirksame Fläche 34 aufweist. „Beabstandet" schließt nicht aus, dass die Flächen 32 und 34 wie dargestellt sich schneiden können.The at least one deflecting element 28 is through an optical arrangement 30 formed, which is a first optically effective surface 32 and a second optically active surface spaced therefrom 34 having. "Spaced" does not exclude that the surfaces 32 and 34 as shown can cut.

Die Flächen 32 und 34 sind in dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel Grenzflächen eines optischen Prismas 36, das aus einem gegenüber seiner Umgebung optisch dichteren Medium 38, beispielsweise Glas, besteht, wobei seine Umgebung bspw. Luft ist.The surfaces 32 and 34 In the preferred embodiment shown are interfaces of an optical prism 36 from a visually denser medium compared to its surroundings 38 , For example, glass, with its environment is, for example. Air.

Die zweite Fläche 34 ist auf einer dem Werkstück 12 abgewandten Seite mit einer hoch reflektierenden Schicht 40 versehen.The second area 34 is on a the workpiece 12 opposite side with a highly reflective layer 40 Mistake.

Wie aus der Figur hervorgeht, ist die zweite Fläche 34 auf der dem Werkstück 12 abgewandten Seite der ersten Fläche 32 angeordnet.As can be seen from the figure, the second surface is 34 on the workpiece 12 opposite side of the first surface 32 arranged.

Die erste Fläche 32 und die zweite Fläche 34 bilden miteinander einen Winkel β von 30°.The first area 32 and the second surface 34 together form an angle β of 30 °.

Die erste Fläche 32 ist mit Bezug auf den einfallenden Laserlichtstrahl 14 um einen Winkel γ von etwa 150° geneigt, so dass der Laserlichtstrahl 14 von der Abbildungsoptik 14 kommend unter einem Einfallswinkel φ von etwa 60° auf die erste Fläche 32 einfällt.The first area 32 is with respect to the incident laser light beam 14 inclined by an angle γ of about 150 °, so that the laser light beam 14 from the imaging optics 14 coming at an angle of incidence φ of about 60 ° on the first surface 32 incident.

Das Prisma 36 weist weiterhin eine Lichteintrittsfläche 42 auf, die mit der zweiten Fläche 34 einen Winkel δ = 90° und mit der ersten Fläche 32 einen Winkel γ = 60° bildet. Das Prisma 36 ist somit ein 90°-60°-30°-Prisma.The prism 36 furthermore has a light entry surface 42 on that with the second surface 34 an angle δ = 90 ° and with the first surface 32 forms an angle γ = 60 °. The prism 36 is thus a 90 ° -60 ° -30 ° prism.

Bei dem Verfahren zur Bearbeitung des Werkstückes 12 mit dem Laserlichtstrahl 14 wird der Laserlichtstrahl 14 durch die Abbildungsoptik 26 und durch die Lichteintrittsfläche 42 auf die erste Fläche 32 gerichtet. Die Lichteintrittsfläche 42 steht etwa senkrecht zu dem einfallenden Laserlichtstrahl 14, d.h. dessen Einfallswinkel durch die Lichteintrittsfläche 42 ist etwa 0°.In the process of machining the workpiece 12 with the laser light beam 14 becomes the laser light beam 14 through the imaging optics 26 and through the light entry surface 42 on the first surface 32 directed. The light entry surface 42 is approximately perpendicular to the incident laser light beam 14 , ie its angle of incidence through the light entry surface 42 is about 0 °.

Der auf die erste Fläche 32 treffende Laserlichtstrahl 14 und die erste Fläche 32 sind relativ zueinander so angeordnet, dass der Laserlichtstrahl 14 unter einem Winkel φ auf die erste Fläche 32 trifft, für den die Bedingungen der Totalreflexion an der ersten Fläche 32 erfüllt sind. Bei gängigen Materialien für das optisch dichtere Medium 38 des Prismas 36 gegenüber der Umgebung, beispielsweise Luft, ist dies bei einem Winkel φ von größer als 50° erfüllt, wobei im vorliegenden Fall der Winkel φ etwa 60° beträgt. Durch Totalreflexion des Laserlichtstrahls 14 an der ersten Fläche 32 wird der Laserlichtstrahl 14 entsprechend von dem Werkstück 12 weg umgelenkt. Einfallender und reflektierter Strahl schließen dabei einen Winkel von 120° ein.The on the first surface 32 striking laser light beam 14 and the first surface 32 are arranged relative to each other so that the laser light beam 14 at an angle φ on the first surface 32 for which meets the conditions of total reflection on the first surface 32 are fulfilled. For common materials for the optically denser medium 38 of the prism 36 relative to the environment, such as air, this is fulfilled at an angle φ of greater than 50 °, wherein in the present case, the angle φ is about 60 °. By total reflection of the laser light beam 14 on the first surface 32 becomes the laser light beam 14 according to the workpiece 12 diverted away. Incident and reflected beam close one Angle of 120 °.

Der an der ersten Fläche 32 reflektierte Laserlichtstrahl 14 trifft anschließend auf die zweite Fläche 34, an der der Laserlichtstrahl 14 durch die reflektierende Schicht 40 ein zweites Mal reflektiert wird. Von der zweiten Fläche 34 wird der Laserlichtstrahl 14 dann zu dem Werkstück 12 hin umgelenkt, wie in der Figur dargestellt ist. Dabei tritt der von der zweiten Fläche 34 reflektierte Laserlichtstrahl 14 durch die erste Fläche 32 hindurch, d.h. die erste Fläche 32 wird sowohl in Totalreflexion als auch in Transmission genutzt, wobei der Laserlichtstrahl 14 zunächst an der ersten Fläche 32 total reflektiert und nach Reflexion an der zweiten Fläche 34 durch die erste Fläche 32 hindurchgelassen wird, da der Einfallswinkel des an der zweiten Fläche 34 reflektierten Laserlichtstrahls auf die zweite Fläche 34 kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Bei der gezeigten Ausführung des Umlenkelements 28 als 90°-60°-30-Prisma und der gewählten Anordnung des Umlenkelements 28 relativ zu dem einfallenden Laserlichtstrahl 14, der etwa senkrecht in die Lichteintrittsfläche 42 eintritt, trifft der an der zweiten Fläche 34 reflektierte Laserlichtstrahl 14 senkrecht auf die erste Fläche 32. Auf diese Weise sind die Reflexionsverluste des Laserlichtstrahls 14 beim Durchgang durch die erste Fläche 32 minimiert, wenn mit unpolarisiertem Licht gearbeitet wird.The one on the first surface 32 reflected laser light beam 14 then hit the second surface 34 at which the laser light beam 14 through the reflective layer 40 is reflected a second time. From the second area 34 becomes the laser light beam 14 then to the workpiece 12 deflected towards, as shown in the figure. In this case, the second surface area occurs 34 reflected laser light beam 14 through the first area 32 through, ie the first surface 32 is used in total reflection as well as in transmission, whereby the laser light beam 14 first at the first surface 32 totally reflected and after reflection on the second surface 34 through the first area 32 is passed through, since the angle of incidence of the second surface 34 reflected laser light beam on the second surface 34 is smaller than the critical angle of total reflection. In the illustrated embodiment of the deflecting element 28 as a 90 ° -60 ° -30 prism and the chosen arrangement of the deflecting element 28 relative to the incident laser light beam 14 that is perpendicular to the light entry surface 42 enters, meets the second surface 34 reflected laser light beam 14 perpendicular to the first surface 32 , In this way, the reflection losses of the laser light beam 14 when passing through the first surface 32 minimized when working with unpolarized light.

Die gezeigte optische Anordnung 30 hat nicht nur den Vorteil, dass sie nur ein optisches Bauelement, nämlich das Prisma 36 benötigt, sondern die optische Anordnung 30 ist auch hinsichtlich ihrer Justiereigenschaften günstig, da die optischen Eigenschaften des Prismas 36 gegenüber einer geringfügigen Fehljustage, beispielsweise einem Verkippen um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Achse, unempfindlich sind.The optical arrangement shown 30 not only has the advantage that it is just an optical component, namely the prism 36 needed, but the optical arrangement 30 is also favorable in terms of their adjustment properties, since the optical properties of the prism 36 are insensitive to a slight misalignment, for example, tilting about an axis perpendicular to the plane of the drawing.

Wie aus der Figur hervorgeht, wird mit der optischen Anordnung 30 der Laserlichtstrahl 14 schräg auf das Werkstück 12 gerichtet, ohne dass die reflektierenden Flächen 32 und 34 übermäßig stark gegenüber dem jeweils einfallenden Laserlichtstrahl 14 verkippt sein müssen. Dabei wird erreicht, dass die optische Anordnung 30 mit den reflektierenden Flächen 32 und 34 in einer Normalenrichtung 44 des Werkstücks 12 keinen Überlapp mit dem Werkstück 12 besitzt, so dass von der mit dem Laserlichtstrahl 14 behandelten Oberfläche des Werkstücks 12 abge strahlte Abtragprodukte, die mit Pfeilen 46 angedeutet sind, und die zum Hauptteil in Normalenrichtung 44 des Werkstücks 12 abgestrahlt werden, sich an den optisch wirksamen Flächen 32 und 34 nicht ablagern oder die optische Anordnung 30 beschädigen können. Auch sind die Umlenkwinkel des Laserlichtstrahls 14 an den Flächen 32 und 34 so gewählt, dass der Lichtstrahl 14 sowohl senkrecht durch die Eintrittsfläche als auch senkrecht durch die Austrittsfläche des Prismas hindurchtritt, so dass Abbildungsfehler verringert sind. Außerdem geht aus der Figur hervor, dass die Abmessung des Umlenkelements 28 in Richtung quer zum einfallenden Laserlichtstrahl den Querschnitt desselben nicht übersteigen muss.As can be seen from the figure, with the optical arrangement 30 the laser light beam 14 obliquely on the workpiece 12 directed without the reflective surfaces 32 and 34 excessively strong with respect to the respective incident laser light beam 14 have to be tilted. It is achieved that the optical arrangement 30 with the reflective surfaces 32 and 34 in a normal direction 44 of the workpiece 12 no overlap with the workpiece 12 owns, so that of the with the laser light beam 14 treated surface of the workpiece 12 radiated erosion products with arrows 46 are indicated, and the main part in the normal direction 44 of the workpiece 12 be emitted to the optically effective surfaces 32 and 34 do not deposit or the optical arrangement 30 can damage. Also, the deflection angle of the laser light beam 14 on the surfaces 32 and 34 chosen so that the light beam 14 both perpendicularly passes through the entrance surface as well as perpendicular through the exit surface of the prism, so that aberrations are reduced. In addition, it is apparent from the figure that the dimension of the deflecting element 28 in the direction transverse to the incident laser light beam must not exceed the cross section thereof.

Claims

Method for processing a workpiece ( 12 ) with a laser light beam ( 14 ), in which the laser light beam ( 14 ) on at least one optical deflection element ( 28 ) is directed to the laser light beam ( 14 ) so that the deflected laser light beam ( 14 ) at an angle (α) not equal to 90 ° to the workpiece ( 12 ), characterized in that as the at least one deflecting element ( 28 ) an optical arrangement ( 30 ), which is a first surface ( 32 ) with respect to the incident laser light beam ( 14 ) is arranged obliquely, so that the laser light beam ( 14 ) on the first surface ( 32 ) is reflected away from the workpiece, and wherein the assembly ( 30 ) one of the first surface ( 32 ) spaced and on the workpiece ( 12 ) facing away from the first surface ( 32 ) arranged second surface ( 34 ), on whose the workpiece ( 12 ) facing side of the first surface ( 32 ) reflected laser light beam ( 14 ) is reflected, so that on the second surface ( 34 ) reflected laser light beam ( 14 ) on the workpiece ( 12 ) meets.

Method according to claim 1, characterized in that the laser light beam ( 14 ) on the first surface ( 32 ) is totally reflected.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that on the second surface ( 34 ) reflected laser light beam ( 14 ) through the first surface ( 32 ) through the workpiece ( 12 ).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first surface ( 32 ) is an interface of a transition from an optically denser to an optically thinner medium which is arranged so that the laser light beam ( 14 ) in optically denser medium ( 38 ) on the first surface ( 32 ) falls within an angle of incidence (φ) in a range of about 50 ° to about 70 ° for the first time.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the laser light beam ( 14 ) in optically denser medium ( 38 ) on the first surface ( 32 ) falls below an incident angle (φ) of about 60 °.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second surface ( 34 ) approximately parallel to the incident laser light beam ( 14 ) is arranged.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the first surface ( 32 ) and the second surface ( 34 ) are arranged so that they together form an angle (β) in the range of about 20 ° to 40 °, preferably an angle (β) of about 30 °.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that as the at least one deflecting element ( 28 ) an optical prism ( 36 ), which is the first surface ( 32 ) and / or the second surface ( 34 ) as an interface.

Method according to claim 8, characterized in that the prism ( 36 ) with respect to the incident laser light beam ( 14 ) is arranged so that a light entry surface ( 42 ) in the prism ( 36 ) is approximately perpendicular to this.

A method according to claim 8 or 9, characterized in that the prism angle is selected so that the laser light beam ( 14 ) emerges vertically through a prism side.

Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that as a prism ( 36 ) a 90 ° -60 ° -30 ° prism is used whose hypotenuse is the first surface ( 32 ) and its long catheters the second surface ( 34 ).

Device for processing a workpiece ( 12 ) with a laser light beam ( 14 ), with a beam guiding device ( 24 ), the at least one deflecting element ( 28 ) to the laser light beam ( 14 ) so that the deflected laser light beam ( 14 ) at an angle (α) not equal to 90 ° to the workpiece ( 12 ), characterized in that the at least one deflecting element ( 28 ) by an optical arrangement ( 30 ) which is a first surface ( 32 ), which in relation to the einfal loin laser light beam ( 14 ) is arranged obliquely, so that the laser light beam ( 14 ) on the first surface ( 32 ) is reflected away from the workpiece, and wherein the assembly ( 30 ) one of the first surface ( 32 ) spaced and on the workpiece ( 12 ) facing away from the first surface ( 32 ) arranged second surface ( 34 ), on whose the workpiece ( 12 ) facing side of the first surface ( 32 ) reflected laser light beam ( 14 ) is reflected, so that on the second surface ( 34 ) reflected laser light beam ( 14 ) on the workpiece ( 12 ) meets.

Device according to claim 12, characterized in that the first surface ( 32 ) is designed so that, with respect to the laser light beam incident on it before the reflection ( 14 ) is totally reflective.

Apparatus according to claim 12 or 13, characterized in that the first surface ( 32 ) as a function of the angle of incidence of the laser light beam ( 14 ) is reflective or transmissive.

Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the first surface ( 32 ) is an interface of a transition from an optically denser to an optically thinner medium, which is arranged so that the laser light beam ( 14 ) in optically denser medium ( 38 ) on the first surface ( 32 ) falls within an angle of incidence (φ) in a range of about 50 ° to about 70 ° for the first time.

Device according to one of claims 12 to 15, characterized in that the first surface ( 32 ) is an interface of a transition from an optically denser to an optically thinner medium, which is arranged so that the laser light beam ( 14 ) in optically denser medium ( 38 ) on the first surface ( 32 ) falls within an angle of incidence (φ) in a range of about 60 ° for the first time.

Device according to one of claims 12 to 16, characterized in that the second surface ( 34 ) approximately parallel to the laser light beam ( 14 ) is arranged before this on the first surface ( 32 ) is reflected.

Device according to one of claims 12 to 17, characterized in that the first surface ( 32 ) and the second surface ( 34 ) are arranged so that they together form an angle (β) in the range of about 20 ° to 40 °, preferably an angle (β) of about 30 °.

Device according to one of claims 12 to 18, characterized in that the at least one deflecting element ( 28 ) an optical prism ( 36 ), which is the first surface ( 32 ) and / or the second surface ( 34 ) as an interface.

Device according to claim 19, characterized in that the prism ( 36 ) with respect to the incident laser light beam ( 14 ) is arranged so that a light entry surface ( 42 ) in the prism ( 36 ) is approximately perpendicular to this.

Device according to claim 19 or 20, characterized in that the prism ( 36 ) is a 90 ° -60 ° -30 ° prism whose hypotenuse is the first surface ( 32 ) and its long catheters the second surface ( 34 ).