WO2006027291A1 - Device and method for controlling a laser beam, in particular for laser drilling - Google Patents

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WO2006027291A1 PCT/EP2005/053605 EP2005053605W WO2006027291A1 WO 2006027291 A1 WO2006027291 A1 WO 2006027291A1 EP 2005053605 W EP2005053605 W EP 2005053605W WO 2006027291 A1 WO2006027291 A1 WO 2006027291A1
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Jens Koenig
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Abstract

The invention relates to a device for modifying a laser beam (1), using at least one acoustic-optical modulator (10, 20, 30), which is struck by the laser beam (1) to be modulated on the entry side along an optical axis (3). According to the invention, the acoustic-optical modulator (10, 20, 30) causes a deflection of the laser beam (1) in such a way that the beam follows a path (9) on the exit side that at least partly runs outside the optical axis (3) and can be displaced along said path (9). When following the path (9) or during a displacement along said path (9), the laser beam (1) runs at an angle (α, β, η, δ) in relation to the direction of the optical axis (3). The device is used in particular for laser drilling workpieces.

Description

EINRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR STEUERUNG EINES LASERSTRAHLS , INSBESONDERE ZUM LASERBOHRENDEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING A LASER BEAM, ESPECIALLY FOR LASER DRILLING
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Modifikation eines Laserstrahls sowie ein Verfahren zur Modifikation ei¬ nes Laserstrahls.The invention relates to a device for modifying a laser beam and to a method for modifying a laser beam.
Stand der TechnikState of the art
Zum Fertigen präziser Mikrobohrungen eignen sich Laserbohr¬ verfahren als flexible Fertigungsverfahren. Um den hierfür notwendigen Anforderungen an Präzision und Geometrie ge¬ recht zu werden, werden Laserstrahlen bspw. durch eine Tre¬ panieroptik modifiziert. Eine derartige Trepanieroptik er¬ möglicht die Herstellung einer gezielten Lochkonizität mit einem gewünschten Durchmesser durch Beeinflussung des La- serstrahls. Hierbei erfolgt üblicherweise eine Winkelände¬ rung und/oder ein Versatz der Lage des Laserstrahls. Diese Beeinflussung kann durch hierfür geeignete Vorrichtungen, wie Scanner oder bewegliche Linsensysteme erfolgen. Zur Ho¬ mogenisierung von Querschnittsgeometrie bzw. Querschnittin- tensität des Laserstrahls kann zusätzlich ein Prisma zur Drehung des Laserstrahls um seine Strahlachse eingefügt werden. Laserbohr methods are suitable as flexible production methods for producing precise microbores. In order to meet the requirements for precision and geometry that are necessary for this purpose, laser beams are modified, for example, by a trepanier optics. Such a trepanation optics makes it possible to produce a targeted hole conicity with a desired diameter by influencing the laser beam. Here, usually a Winkelände¬ tion and / or an offset of the position of the laser beam. This influence can be effected by means suitable for this purpose, such as scanners or movable lens systems. In order to homogenize the cross-sectional geometry or the cross-sectional intensity of the laser beam, it is additionally possible to insert a prism for rotating the laser beam about its beam axis.
Eine derartige Vorgehensweise ist in der Druckschrift DE 197 45 280 Al beschrieben. Hier wird durch zwei unabhängige Scanner-Spiegel zur Variation einer Auftreffneigung der La¬ serstrahl in zwei unabhängige Richtungen abgelenkt. Des weiteren ist vorgesehen, den Laserstrahl um seine Strahl¬ achse zu drehen und einen Auftreffpunkt des Laserstrahls auf einem Werkstück zu variieren. Dies erfolgt etwa durch Dove-, Abbe- oder König-Prismen.Such a procedure is described in the document DE 197 45 280 Al. Here, the laser beam is deflected in two independent directions by two independent scanner mirrors for varying a landing angle. Furthermore, it is provided to rotate the laser beam about its beam axis and to vary a point of impact of the laser beam on a workpiece. This is done for example by Dove, Abbe or King prisms.
In der Druckschrift US 6 285 002 Bl wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstückoberflä¬ chen durch modulierte, ultrakurze Laserpulse offenbart. Hierbei kommen zwei akustisch-optische Deflektoren zur Feinbearbeitung zum Einsatz. Diese sind dafür vorgesehen, eine Anzahl von auf einer Werkstückoberfläche auftreffenden Laserpulsen in x- und y-Richtung abzulenken. Hierbei wird eine Winkeländerung der Strahlachse des Laserstrahls ge¬ nutzt. Die Winkeländerung vor einer Fokussierlinse führt zu einem Versatz nach der Linse und damit zu einer Auslenkung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche von der ur¬ sprünglichen Strahlposition.The document US Pat. No. 6,285,002 B1 discloses a method and a device for micromachining workpiece surfaces by means of modulated, ultrashort laser pulses. Here, two acoustic-optical deflectors are used for fine machining. These are intended to divert a number of incident on a workpiece surface laser pulses in the x and y direction. In this case, an angle change of the beam axis of the laser beam is used. The change in angle in front of a focusing lens leads to an offset to the lens and thus to a deflection of the laser beam on the workpiece surface from the original beam position.
Ausgehend hiervon wird eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 vorgeschlagen.Based on this, a device having the features of claim 1 and a method having the features of claim 12 is proposed.
Vorteil der ErfindungAdvantage of the invention
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Modifikation eines La- serstrahls weist mindestens einen mehrachsigen akustisch¬ optischen Modulator auf, der dazu ausgebildet ist, einen eingangsseitig auf den akustisch-optischen Modulator auf¬ treffenden Laserstrahl abzulenken. Die Ablenkung erfolgt erfindungsgemäß derart, dass der Laserstrahl ausgangsseitig eine wenigstens teilweise um die optische Achse verlaufende reale oder imaginäre Bahn schneidet, wobei der Laserstrahl entlang dieser Bahn bewegbar ist. Ferner verläuft der La¬ serstrahl beim schneiden der Bahn bzw. einer Bewegung ent- lang dieser Bahn bzgl. der Richtung der optischen Achse un¬ ter einem Winkel. Somit ist es möglich, dem Laserstrahl ei¬ nen bestimmbaren Winkel zu seiner ursprünglichen Strahlach¬ se aufzuprägen. Demnach führt der Laserstrahl eine Bewegung entlang einer Achse der Bahn in dem definiert eingestellten Winkel zu der ursprünglichen Strahlachse aus .The device according to the invention for modifying a laser beam has at least one multiaxial acousto-optical modulator which is designed to deflect a laser beam incident on the input side of the acousto-optical modulator. The deflection is carried out according to the invention such that the laser beam on the output side cutting a real or imaginary trajectory extending at least partially about the optical axis, the laser beam being movable along said trajectory. Furthermore, the laser beam runs at an angle when the web is being cut or moved along this web with respect to the direction of the optical axis. Thus, it is possible to impart to the laser beam a definable angle to its original beam axis. Thus, the laser beam makes a movement along an axis of the web at the defined angle to the original beam axis.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der mindes¬ tens eine mehrachsige akustisch-optische Modulator als meh- rachsiger akustisch-optischer Deflektor ausgebildet sein. Ein derartiger Deflektor ist dazu ausgebildet, den Laser¬ strahl in geeigneter Weise abzulenken.In a preferred embodiment of the invention, the at least one multiaxial acousto-optical modulator can be designed as a multi-axis acoustic-optical deflector. Such a deflector is designed to deflect the laser beam in a suitable manner.
Mit der Erfindung ist eine sehr flexible Führung des Laser¬ strahls möglich. Durch den vorteilhaft ausgebildeten mehr- achsigen akustisch-optischen Modulator, insbesondere De¬ flektor ist eine Winkeländerung unter Strahlversatz bei gleichzeitiger kreisförmiger Bewegung des Laserstrahls um seine ursprüngliche Strahlachse erreichbar. Es ist somit möglich, heutzutage gängige mechanisch bewegte Vorrichtun- gen, wie eine Trepanieroptik, Scanner und dergleichen durch mindestens einen mehrachsigen akustisch-optischen Deflektor zu ersetzen. Durch weitere Maßnahmen ist es möglich, den Laserstrahl zu einer Eigenrotation zu bewegen, dieser führt dann eine Bewegung um eine eigene Achse bzw. sich selbst aus. Hierzu ist in der erfindungsgemäßen Einrichtung eine optische Vorrichtung, wie ein zylindrischer Mobilkörper o- der dergleichen zu integrieren. Alle zur Zeit eingesetzten Vorrichtungen müssen entweder um die Strahlachse gedreht werden oder es ist eine Bewegung von Spiegelflächen erforderlich. Mechanische Bewegungen ha¬ ben jedoch immer unerwünschte Nebeneffekte, wie dabei ent- stehende Schwingungen. Mit der erfindungsgemäßen Einrich¬ tung ist eine wesentlich schnellere Modulation, bspw. eine Verschiebung des Laserstrahls, möglich, als es träge, me¬ chanisch bewegte Vorrichtungen zulassen. Dabei sind Rotati¬ onen des Laserstrahls bis in einen Bereich von mehreren hundert kHz möglich. Derartige Umdrehungsgeschwindigkeiten liegen mindestens eine Größenordnung über denen heutzutage eingesetzter mechanischer Systeme.With the invention, a very flexible guidance of the laser beam is possible. By virtue of the advantageously designed multi-axis acousto-optical modulator, in particular deflector, an angle change can be achieved under beam offset with simultaneous circular movement of the laser beam about its original beam axis. It is thus possible today to replace conventional mechanically moving devices, such as a trepanier optics, scanners and the like, by at least one multiaxial acoustic-optical deflector. By further measures, it is possible to move the laser beam to a self-rotation, this then performs a movement about its own axis or itself. For this purpose, in the device according to the invention an optical device, such as a cylindrical mobile body or the like to integrate. All devices currently used must either be rotated about the beam axis or a movement of mirror surfaces is required. However, mechanical movements always have undesirable side effects, such as vibrations that arise. With the device according to the invention, a considerably faster modulation, for example a displacement of the laser beam, is possible, as inert, mechanically moving devices allow. Rotations of the laser beam are possible up to a range of several hundred kHz. Such rotational speeds are at least an order of magnitude higher than those of mechanical systems used today.
Der mehrachsige akustisch-optische Modulator oder Deflektor der erfindungsgemäßen Einrichtung kann bspw. dazu ausgebil¬ det sein, den Laserstrahl durch Drehung um eine Kreisachse entlang einer Kreisbahn oder jeder anderen, bspw. ellipti¬ schen Bahn oder Kurve zu bewegen. Bei Auftreffen des derart manipulierten Laserstrahls auf einem Objekt, wie einem Werkstück, sind in diesem Objekt regelmäßige, kreisförmige Strukturen oder Löcher einbringbar. Zudem ist mit der er¬ findungsgemäßen Einrichtung ein Auftreffwinkel des Laser¬ strahls auf dem Objekt manipulierbar, wodurch in das Objekt eingebrachte Strukturen bzw. Löcher auch in Richtung der Strahlachse verändert werden können. So kann einem Bohrloch eine definierte Konizität beigefügt werden.The multiaxial acousto-optic modulator or deflector of the device according to the invention can, for example, be designed to move the laser beam along a circular path or any other, for example elliptical path or curve, by rotation about a circular axis. Upon impact of the thus manipulated laser beam on an object, such as a workpiece, regular, circular structures or holes can be introduced in this object. In addition, an incident angle of the laser beam on the object can be manipulated with the device according to the invention, as a result of which structures or holes introduced into the object can also be changed in the direction of the beam axis. Thus, a defined conicity can be added to a borehole.
In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrich¬ tung kann vorgesehen sein, daß der mehrachsige akustisch- optische Modulator oder Deflektor mindestens zwei einachsi¬ ge Module zur akustisch-optischen Modulation, insbesondere Deflektion und/oder mindestens ein zwei- oder mehrachsiges Modul zur akustisch-optischen Modulation oder Deflektion aufweist. Das mindestens eine Modul ist zur Bereitstellung einer Bewegung des Laserstrahls entlang einer räumlichen Bahn ausgebildet. Falls der mehrachsige akustisch-optische Modulator bzw. Deflektor mehrere ein-, zwei- oder mehrach¬ sige Module aufweist, so sind diese zur Erzielung der er- findungsgemäßen Vorteile relativ zueinander sowie relativ zu einem sich eventuell räumlich ändernden Strahlengang des Laserstrahls angeordnet. Eine Ablenkung des Laserstrahls unter dem Winkel relativ zu seiner ursprünglichen Strahl¬ achse kann bezüglich jenes Moduls erfolgen, das zu einer hinter dem akustisch-optischen Modulator angeordneten Fo- kussieroptik den geringsten Abstand aufweist.In a preferred embodiment of the device according to the invention, it can be provided that the multiaxial acousto-optic modulator or deflector has at least two uniaxial modules for acousto-optical modulation, in particular deflection and / or at least one two- or multi-axis module for acousto-optical modulation or deflection. The at least one module is for deployment formed a movement of the laser beam along a spatial path. If the multiaxial acousto-optical modulator or deflector has a plurality of mono-, di- or multi-axis modules, these are arranged relative to one another and relative to a possibly spatially varying beam path of the laser beam in order to achieve the advantages according to the invention. A deflection of the laser beam at an angle relative to its original beam axis can take place with respect to that module which has the smallest distance to a focusing optics disposed behind the acousto-optical modulator.
Es ist des weiteren vorgesehen, daß der mehrachsige akus¬ tisch-optische Modulator bzw. Deflektor und/oder das min- destens eine Modul im wesentlichen aus kristallinem Materi¬ al, bspw. aus einem Kristall oder aus mehreren Kristallen ausgebildet, ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung und ins¬ besondere der mehrachsige akustisch-optische Modulator oder Deflektor ist fest in einem Strahlengang des Laserstrahls anordenbar.It is furthermore provided that the multiaxial acoustical-optical modulator or deflector and / or the at least one module is essentially formed of crystalline material, for example of a crystal or of a plurality of crystals. The device according to the invention and in particular the multiaxial acousto-optical modulator or deflector can be arranged firmly in a beam path of the laser beam.
In dem mehrachsigen akustisch-optischen Modulator bzw. De¬ flektor sind in Richtung von mindestens zwei Achsen Schall¬ wellen induzierbar. Diese mindestens zwei Achsen sind unter einem geeigneten Winkel bspw. senkrecht zu dem Strahlengang des Laserstrahls orientiert und weisen relativ zueinander einen Winkel von bspw. 90° auf. Winkel, unter denen derar¬ tige Achsen relativ zueinander und/oder relativ zu dem Strahlengang des Laserstrahls orientiert sind, können in Abhängigkeit einer Form der Bahn oder Kurve, entlang der der Laserstrahl zu bewegen ist, auch in zeitlicher Abhän¬ gigkeit, also während einer Modulation des Laserstrahls, durch Richtungsänderung der induzierten Schallwellen vari¬ iert werden. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist zum Beispiel zur Modi¬ fikation eines zur Bearbeitung eines Werkstücks vorgesehe¬ nen Laserstrahls ausgebildet. Dies kann eine gezielte Ober- flächenbearbeitung des Werkstücks betreffen. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung zum Laser¬ bohren mittels des durch diese Einrichtung modifizierten Laserstrahls ausgebildet. Mit der Erfindung ist eine Erzeu¬ gung von definierten Präzisionsbohrungen unterschiedlichs- ter Geometrie, die durch eine Form der Kurve, entlang der sich der Laserstrahl bewegt, beeinflußbar ist, möglich.In the multiaxial acousto-optic modulator or deflector, sound waves can be induced in the direction of at least two axes. These at least two axes are oriented at a suitable angle, for example, perpendicular to the beam path of the laser beam and have an angle of, for example, 90 ° relative to one another. Angles under which such axes are oriented relative to one another and / or relative to the beam path of the laser beam can also be dependent on a shape of the path or curve along which the laser beam is to be moved, also in terms of time, ie during one Modulation of the laser beam, be varied by changing the direction of the induced sound waves. The device according to the invention is designed, for example, for modifying a laser beam provided for machining a workpiece. This can relate to a targeted surface treatment of the workpiece. In a preferred embodiment of the invention, the device for laser drilling is formed by means of the laser beam modified by this device. With the invention, it is possible to produce defined precision bores of very different geometry, which can be influenced by a shape of the curve along which the laser beam moves.
Durch die fest im Strahlengang stehende erfindungsgemäße Einrichtung, bestehend aus einer geeigneten Kombination mehrerer Module, die zu einer einachsigen akustisch¬ optischen Modulation oder Deflektion des Laserstrahls aus¬ gebildet sind, oder mindestens eines Moduls, das mindestens zu einer zweiachsigen akustisch-optischen Modulation bzw. Deflektion ausgebildet ist, ist der Laserstrahl relativ zu dem Werkstück oder dessen Oberfläche in geeigneter Weise manipulierbar.By means of the device according to the invention fixedly arranged in the beam path, consisting of a suitable combination of a plurality of modules, which are designed for uniaxial acousto-optical modulation or deflection of the laser beam, or at least one module which is at least to a biaxial acousto-optical modulation or Deflection is formed, the laser beam relative to the workpiece or its surface is suitably manipulated.
Je nach Aufbau des akustisch-optischen Modulators oder De- flektors aus einem oder mehreren Modulen besteht dieser aus einem oder mehreren Kristallen. Durch die in einem derarti¬ gen Kristall induzierten Schallwellen wird eine Änderung eines Brechungsindex innerhalb des Kristalls hervorgerufen. Sich dadurch ergebende Brechzahländerungen beeinflussen wiederum eine Ausbreitung von Licht. Somit ist es möglich, eine geradlinige Ausbreitung des Laserstrahls in Abhängig¬ keit der induzierten Schallwellen zu beeinflussen. Der meh- rachsige akustisch-optische Modulator bzw. Deflektor der erfindungsgemäßen Einrichtung kann aus einem oder einer Kombination mehrerer Module bestehen, dabei wird eine akus- tische Welle aus zwei Richtungen bzw. entlang zweier Achsen in dem Kristall induziert, so daß auch eine Veränderung der Brechzahl in zwei Raumrichtungen erfolgt. In weiterer Aus¬ gestaltung kann die erfindungsgemäße Einrichtung weitere optische Instrumente zur Beeinflussung des Laserstrahls so¬ wie auch einen Laser zur Erzeugung des Laserstrahls aufwei¬ sen. Mit einem derartigen optischen Instrument kann der La¬ serstrahl in eine Eigenrotation versetzt werden.Depending on the structure of the acousto-optic modulator or deflector of one or more modules, this consists of one or more crystals. The sound waves induced in such a crystal cause a change in a refractive index within the crystal. The resulting refractive index changes in turn influence the propagation of light. Thus, it is possible to influence a rectilinear propagation of the laser beam as a function of the induced sound waves. The multi-axis acousto-optic modulator or deflector of the device according to the invention can consist of one or a combination of several modules. Table wave induced from two directions or along two axes in the crystal, so that there is a change in the refractive index in two spatial directions. In a further embodiment, the device according to the invention can comprise further optical instruments for influencing the laser beam as well as a laser for generating the laser beam. With such an optical instrument, the laser beam can be set in a self-rotation.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Modifikation eines Laserstrahls ist vorgesehen, daß der Laserstrahl durch min¬ destens einen mehrachsigen akustisch-optischen Modulator, insbesondere mehrachsigen akustisch-optischen Deflektor zu einer Bewegung entlang einer Bahn unter einem definierbaren Winkel veranlasst wird. Zusätzlich ist eine Eigenrotation des Strahls möglich. Mit diesem Verfahren ist eine präzise Manipulation des Laserstrahls möglich, ohne daß dabei me¬ chanisch bewegte Vorrichtungen erforderlich sind.In the method according to the invention for modifying a laser beam, it is provided that the laser beam is caused to move along a path at a definable angle by at least one multiaxial acousto-optic modulator, in particular multi-axis acousto-optic deflector. In addition, a self-rotation of the beam is possible. With this method, a precise manipulation of the laser beam is possible, without the need for me¬ mechanically moved devices are required.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
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 is understood that the features mentioned above and those yet to be explained not only in the particular combination given, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden un¬ ter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically by means of exemplary embodiments in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines mehrachsigen akustisch- optischen Modulators für eine erfindungsgemäße Einrichtung.FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a multiaxial acoustic optical modulator for a device according to the invention.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines mehrachsigen akustisch¬ optischen Modulators für eine erfindungsgemäße Einrichtung.Figure 2 shows a schematic representation of a second embodiment of a multi-axis acoustic optical modulator for a device according to the invention.
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform eines mehrachsigen akustisch¬ optischen Modulators für eine erfindungsgemäße Einrichtung.FIG. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of a multiaxial acousto-optical modulator for a device according to the invention.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine bevorzug- te Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ein¬ richtung, die zwei mehrachsige akustisch-optische Modulatoren aufweist.FIG. 4 shows, in a schematic representation, a preferred embodiment of a device according to the invention which has two multiaxial acousto-optical modulators.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend be- schrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bautei¬ le.The figures are described in a cohesive and comprehensive manner, the same reference numerals designate the same components.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines mehrachsigen akustisch-optischen Modulators 10 zur Modifikation eines Laserstrahls 1. Dieser mehrachsige akustisch-optische Modu¬ lator 10 ist vorzugsweise als mehrachsiger akustisch¬ optischer Deflektor zur Ablenkung des Laserstrahls 1 ausge¬ bildet und weist zwei als Kristalle ausgebildete Module 13, 15 zur akustisch-optischen Modulation bzw. Deflektion auf. Der Laserstrahl 1 trifft eingangsseitig koaxial zu einer optischen Achse bzw. einem ursprünglichen Strahlengang 3 auf den mehrachsigen akustisch-optischen Modulator 10 auf. In den beiden als einachsige Kristalle 13, 15 ausgebildeten Modulen, die zueinander senkrecht stehen, wird aus zwei e- benfalls zueinander senkrecht stehenden Richtungen bzw. Achsen 5, 7 jeweils eine Schallwelle induziert. In der vor¬ liegenden Figur 1 erfolgt dies bei dem links angeordneten ersten Modul 13 entlang der vertikalen Achse 5 und in dem rechts angeordneten zweiten Modul 15 entlang einer dazu senkrechten, horizontalen Achse 7. Durch den mehrachsigen akustisch-optischen Modulator 10 bzw. Deflektor wird der Laserstrahl 1 derart beaufschlagt, daß der Laserstrahl 1 austrittsseitig bzw. bei Austritt aus dem mehrachsigen a- kustisch-optischen Modulator 10 eine Bewegung entlang einer Kreisbahn 9 ausführt und unter einem von dieser Kreisbahn abhängigen Winkel α aus dem Modul austritt. D. h., der La¬ serstrahl 1 schneidet eine auf der Ausgangsseite des akus¬ tisch-optischen Modulators verlaufende reale oder imaginäre Bahn (Kreisbahn 9) . Wie in Figur 1 ferner zu erkennen ist, verläuft der Laserstrahl 1 bei seinem Austritt aus dem a- kustisch-optischen Modulator, d. h. bei schneiden der Kreisbahn 9 unter einem Winkel α bzgl. der optischen Achse 3.1 shows a first embodiment of a multiaxial acousto-optic modulator 10 for modifying a laser beam 1. This multiaxial acousto-optical modulator 10 is preferably designed as a multiaxial acoustic optical deflector for deflecting the laser beam 1 and has two crystals formed as crystals Modules 13, 15 for acoustic-optical modulation or deflection. The laser beam 1 impinges on the input side coaxially to an optical axis or an original beam path 3 to the multiaxial acousto-optic modulator 10. In the two uniaxial crystals 13, 15 formed modules which are perpendicular to each other, from two e- benfalls mutually perpendicular directions or axes 5, 7 each induces a sound wave. In the present FIG. 1, this takes place in the case of the first module 13 arranged on the left along the vertical axis 5 and in the second module 15 arranged on the right along a horizontal axis 7 perpendicular thereto. The multi-axis acousto-optical modulator 10 or deflector is used the laser beam 1 is acted upon in such a way that the laser beam 1 on the exit side or at the exit from the multiaxial acousto-optical modulator 10 performs a movement along a circular path 9 and exits the module at an angle α dependent on this circular path. In other words, the laser beam 1 intersects a real or imaginary path (circular path 9) running on the output side of the acoustical-optical modulator. As can also be seen in FIG. 1, the laser beam 1 passes out of the acousto-optical modulator when it exits, ie when the circular path 9 is cut at an angle α with respect to the optical axis 3.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines mehrachsi¬ gen akustisch-optischen Modulators 20 oder Deflektors für eine erfindungsgemäße Einrichtung, das in diesem Fall als ein zweiachsiger Kristall bzw. ein zweiachsiges Modul 17 zur akustisch-optischen Modulation bzw. Deflektion des La¬ serstrahls 1 ausgebildet ist. Demnach wird in nur einem Kristall bzw. Modul 17 in Richtung der aufeinander senk¬ recht stehenden Achsen 5, 7 durch Induktion einer Schall¬ welle ein Schallfeld erzeugt, das eine derartige Brechzahl- Veränderung bewirkt, daß der Laserstrahl 1 nach Austritt aus dem Modul 17 bzw. dem akustisch-optischen Modulator o- der Deflektor eine Bewegung entlang einer Kreisbahn 9 um den ursprünglichen Strahlengang 3 ausführt und unter einem von dieser Kreisbahn abhängigen Winkel ß aus dem Modul 15 austritt. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird in nur einem Kristall 17 ein Schallfeld, das eine gewünsch¬ te zumindest zweiachsige Änderung des Brechungsindex her¬ vorruft, erzeugt.FIG. 2 shows a second embodiment of a multiaxial acoustic-optical modulator 20 or deflector for a device according to the invention, which in this case is designed as a biaxial crystal or a biaxial module 17 for acousto-optical modulation or deflection of the laser beam 1 is. Accordingly, a sound field is generated in only one crystal or module 17 in the direction of the mutually perpendicular axes 5, 7 by induction of a sound wave which causes such a refractive index change that the laser beam 1 leaves the module 17 after exiting or the acousto-optic modulator or the deflector performs a movement along a circular path 9 about the original beam path 3 and at an angle β dependent on this circular path from the module 15 exit. According to this embodiment of the invention, a sound field which causes a desired at least biaxial change in the refractive index is produced in only one crystal 17.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines mehrachsi- gen akustisch-optischen Modulators 30, der zur Bereitstel¬ lung einer Ablenkung des Laserstrahls 1 als mehrachsiger akustisch-optischer Deflektor ausgebildet ist. Dieser weist einen ersten Kristall 13, in dem eine Schallwelle entlang der vertikalen Achse 5 induzierbar ist, einen zweiten Kris¬ tall 15, in dem eine Schallwelle entlang einer dazu senk¬ rechten horizontalen Achse 7 induzierbar ist, einen dritten Kristall 13, in dem eine Schallwelle entlang der vertikalen Achse 5 induzierbar ist, sowie einen Kristall 15, in dem eine Schallwelle entlang der horizontalen Achse 7 induzier¬ bar ist, auf. Durch diese Anordnung von vier Kristallen bzw. Modulen 13, 15 wird der Laserstrahl 1 durch diesen mehrachsigen akustisch-optischen Modulator 30 bzw. Deflek- tor durch Induktion von Schallwellen entlang der vertikalen Achse 5 innerhalb der Kristalle 13 und entlang der horizon¬ talen Achse innerhalb der Kristalle 15 derart angeregt, daß sich dieser Laserstrahl 1 entlang einer Kreisbahn 9 um den ursprünglichen Strahlengang 3 bewegt und gleichzeitig ein definierter Austrittswinkel Y aus dem Modul 15 einstellbar ist. Dieser Winkel zur ursprünglichen Strahlachse 3 kann unabhängig von einem Durchmesser der Kreisbahn gewählt wer¬ den.FIG. 3 shows a third embodiment of a multiaxial acousto-optical modulator 30, which is designed to provide a deflection of the laser beam 1 as a multi-axis acoustic-optical deflector. This has a first crystal 13, in which a sound wave can be induced along the vertical axis 5, a second crystal 15, in which a sound wave can be induced along a horizontal axis 7 perpendicular thereto, a third crystal 13, in which a Sound wave along the vertical axis 5 is inducible, and a crystal 15, in which a sound wave along the horizontal axis 7 induier¬ bar is on. As a result of this arrangement of four crystals or modules 13, 15, the laser beam 1 passes through this multiaxial acousto-optic modulator 30 or deflector by induction of sound waves along the vertical axis 5 within the crystals 13 and along the horizontal axis the crystals 15 are excited such that this laser beam 1 moves along a circular path 9 about the original beam path 3 and at the same time a defined exit angle Y from the module 15 is adjustable. This angle to the original beam axis 3 can be selected independently of a diameter of the circular path.
Figur 4 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfin¬ dungsgemäßen Einrichtung. Diese weist einen Kristall 8, ei¬ nen wie in Figur 1 beschriebenen mehrachsigen akustisch¬ optischen Modulator 10 oder Deflektor und somit zumindest ein erstes zweiachsiges Modul zur akustisch-optischen Modu- lation, einen runden innenverspiegelten zylindrischen Hohl¬ körper 19 sowie einen zweiten mehrachsigen akustisch¬ optischen Deflektor 10 auf. Der runde innenverspiegelte zy¬ lindrische Hohlkörper 19 dient der Bereitstellung einer Bildrotation. In dem ersten Kristall bzw. Modul 8 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich entlang der horizontalen Achse eine Schallwelle induziert. Es ist je¬ doch denkbar, daß dieses Modul 8 auch derart ausgebildet ist, daß in ihm, gemäß dem in Figur 2 gezeigten mindestens zweiachsigen akustisch-optischen Modulator 20 bzw. Kristall oder Modul 17 eine Schallwelle in Richtung von zumindest zwei Achsen induzierbar ist.FIG. 4 shows a preferred embodiment of a device according to the invention. This has a crystal 8, a multi-axis acousto-optical modulator 10 or deflector as described in FIG. 1, and thus at least one first biaxial module for acousto-optic modulation. lation, a round innenverspiegelten cylindrical Hohl¬ body 19 and a second multi-axis acoustic optical deflector 10 on. The round innenverspiegelte zy¬ cylindrical hollow body 19 serves to provide an image rotation. In the first crystal or module 8, a sound wave is induced in the present embodiment only along the horizontal axis. However, it is conceivable that this module 8 is also designed such that in it, according to the at least biaxial acousto-optical modulator 20 or crystal or module 17 shown in Figure 2, a sound wave in the direction of at least two axes is inducible.
Der Laserstrahl 1 durchläuft zunächst das Modul 8, nachfol- gend den ersten, in der Figur 1 beschriebenen, mehrachsigen akustisch-optischen Modulator 10 bzw. Deflektor mit zwei Kristallen 13, 15, den runden innenverspiegelten zylindri¬ schen Hohlkörper 19 und abschließend den zweiten mehr¬ achsigen akustisch-optischen Modulator 10 gemäß Figur 1 mit zwei Kristallen 13, 15. Durch diese Anordnung innerhalb der erfindungsgemäßen Einrichtung 40 wird der Laserstrahl 1 derart moduliert oder modifiziert, daß sich der Laserstrahl 1 entlang der Kreisbahn 9 bewegt und dazu überlagert eine Eigenrotation 11 ausführt. Dabei kann ein definierter Aus- trittswinkel δ eingestellt werden. Wie Figur 4 zeigt, kann die erfindungsgemäße Einrichtung mehrere mehrachsige akus¬ tisch-optische Modulatoren 10 oder Deflektoren aufweisen.The laser beam 1 first passes through the module 8, following the first multiaxial acousto-optical modulator 10 or deflector with two crystals 13, 15 described in FIG. 1, the round internally mirrored cylindrical hollow body 19 and finally the second one more With this arrangement within the device 40 according to the invention, the laser beam 1 is modulated or modified in such a way that the laser beam 1 moves along the circular path 9 and overlies a self-rotation 11 performs. In this case, a defined exit angle δ can be set. As FIG. 4 shows, the device according to the invention can have a plurality of multi-axial acoustical-optical modulators 10 or deflectors.
Zur Bereitstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Modifikation des Laserstrahls 1 ist eine beliebige Kombina¬ tion der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten mehrachsigen a- kustisch-optischen Modulatoren 10, 20, 30 bzw. Deflektoren denkbar. Dabei sind einzelne Module 8, 13, 15, 17 bzw. Kri¬ stalle derart zusammenzustellen, daß der Laserstrahl 1 in Richtung von zumindest zwei Achsen 5, 7 durch Induktion von Schallwellen entlang dieser mindestens zwei Achsen 5, 7 in¬ nerhalb der Module 8, 13, 15, 17 mehrachsig akustisch¬ optisch abgelenkt wird. Eine erfindungsgemäße Einrichtung kann neben den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Modulen 8, 13, 15, 17 und/oder mehrachsigen akustisch-optischen Modu¬ latoren 10, 20, 30 oder Deflektoren zudem weitere optische Elemente, wie Linsen, Keilplatten und/oder Spiegel zur An¬ passung von Laserparametern des Laserstrahls 1 an die er- findungsgemäße Einrichtung sowie auch einen Laser zur Er¬ zeugung des Laserstrahls aufweisen.To provide the device according to the invention for modifying the laser beam 1, any combination of the multiaxial acoustic-optical modulators 10, 20, 30 or deflectors shown in FIGS. 1 to 4 is conceivable. In this case, individual modules 8, 13, 15, 17 or crystals are to be assembled in such a way that the laser beam 1 in Direction of at least two axes 5, 7 by induction of sound waves along these at least two axes 5, 7 in¬ within the modules 8, 13, 15, 17 acoustically optically deflected multi-axis. In addition to the modules 8, 13, 15, 17 and / or multiaxial acousto-optical modulators 10, 20, 30 or deflectors shown in FIGS. 1 to 4, a device according to the invention can also comprise further optical elements such as lenses, wedge plates and / or Have mirror for An¬ adaptation of laser parameters of the laser beam 1 to the inventive device and also a laser for Er¬ generation of the laser beam.
Der durch eine erfindungsgemäße Einrichtung modifizierte Laserstrahl 1, der eine von einer Eigenrotation 11 überla- gerte Bewegung entlang einer elliptischen, bevorzugt kreis¬ förmigen oder evtl. räumlichen Kurve oder Bahn 9 ausführt, kann bspw. zum Laserbohren bei einer Fertigung von durch¬ flußbestimmenden Bohrungen in Einspritzkomponenten von Mo¬ toren für Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen. Derartige Boh- rungen stellen höchste Anforderungen an Präzision und Geo¬ metrie. Insbesondere Einspritzbohrungen für Dieseldüsen können mit der erfindungsgemäßen Einrichtung oder dem er¬ findungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. The laser beam 1 modified by a device according to the invention, which carries out a movement superimposed by a self-rotation 11 along an elliptical, preferably circular or possibly spatial curve or path 9, can, for example, be used for laser drilling in the production of bores determining through-holes used in injection components of engines for motor vehicles. Such bores place the highest demands on precision and geometry. In particular, injection holes for diesel nozzles can be produced with the device according to the invention or the method according to the invention.

Claims

Ansprüche claims
1. Einrichtung zur Modifikation eines Laserstrahls (1) , mit mindestens einem akustisch-optischen Modulator (10, 20,1. Device for modifying a laser beam (1), with at least one acousto-optical modulator (10, 20,
30), auf den der zu modulierende Laserstrahl (1) eingangs- seitig entlang einer optischen Achse (3) auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass der akustisch-optische Modulator (10, 20, 30) eine Ablen- kung des Laserstrahls (1) derart bewirkt, dass dieser aus- gangsseitig eine wenigstens teilweise um die optische Achse (3) verlaufende Bahn (9) schneidet und entlang dieser Bahn (9) bewegbar ist, wobei der Laserstrahl (1) bei dem Schnei¬ den der Bahn (9) bzw. einer Bewegung entlang der Bahn (9) bzgl. der Richtung der optischen Achse (3) unter einem Win¬ kel (GC, ß, γ, δ) verläuft.30), on which the laser beam (1) to be modulated impinges on the input side along an optical axis (3), characterized in that the acousto-optical modulator (10, 20, 30) deflects the laser beam (1) in such a way causes the latter to cut, on the output side, a path (9) running at least partially around the optical axis (3) and being movable along this path (9), wherein the laser beam (1) in the case of the cutting path (9) or a movement along the path (9) with respect to the direction of the optical axis (3) at an angle (GC, β, γ, δ).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine mehrachsige akustisch-optische Modulator (10, 20, 30) als mehrachsiger akustisch-optischer Deflektor zum Ablenken des Laserstrahls (1) ausgebildet ist.2. Device according to claim 1, wherein the at least one multiaxial acousto-optical modulator (10, 20, 30) is designed as a multi-axis acoustic-optical deflector for deflecting the laser beam (1).
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der meh¬ rachsige akustisch-optische Modulator (10, 20, 30) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung des Laserstrahls (1) entlang einer Kreisbahn (9) zu bewerkstelligen.3. Device according to claim 1 or 2, wherein the meh¬ rachsige acousto-optical modulator (10, 20, 30) is adapted to accomplish a movement of the laser beam (1) along a circular path (9).
4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der mehrachsige akustisch-optische Modulator (10, 20, 30) mindestens zwei einachsige Module (8, 13, 15) zur akus¬ tisch-optische Modulation aufweist.4. Device according to one of the preceding claims, wherein the multi-axis acoustic-optical modulator (10, 20, 30) has at least two uniaxial modules (8, 13, 15) for the acoustic-optical modulation.
5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der mehrachsige akustisch-optische Modulator (10, 20,5. Device according to one of the preceding claims, wherein the multi-axis acoustic-optical modulator (10, 20,
30) mindestens ein zumindest zweiachsiges Modul (10, 17, 20, 30) zur akustisch-optischen Modulation aufweist.30) has at least one at least biaxial module (10, 17, 20, 30) for acousto-optical modulation.
6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das mindestens eine Modul (8, 10, 13, 15, 17, 20, 30) des mehrachsigen akustisch-optischen Modulators (10, 20, 30) im Wesentlichen als ein Kristall ausgebildet ist.6. Device according to one of the preceding claims, wherein the at least one module (8, 10, 13, 15, 17, 20, 30) of the multi-axis acoustic-optical modulator (10, 20, 30) is substantially formed as a crystal ,
7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der in dem mehrachsigen akustisch-optische Modulator (10,7. Device according to one of the preceding claims, wherein in the multi-axis acoustic-optical modulator (10,
20, 30) in Richtung von mindestens zwei Achsen (5, 7) Schallwellen induzierbar sind.20, 30) in the direction of at least two axes (5, 7) sound waves are inducible.
8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die fest in einem Strahlengang (3) des Laserstrahls (1) anor- denbar ist.8. Device according to one of the preceding claims, which is fixed in a beam path (3) of the laser beam (1) can be arranged.
9. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mindestens eine optische Vorrichtung (19) , die dazu ausge- bildet ist, den Laserstrahl (1) in eine Eigenrotation (11) zu versetzen, aufweist.9. Device according to one of the preceding claims, the at least one optical device (19), which is designed to set the laser beam (1) in a self-rotation (11) has.
10. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zur Modifikation eines zur Bearbeitung eines Werkstücks vorgesehenen Laserstrahls (1) ausgebildet ist.10. Device according to one of the preceding claims, which is designed for modification of a laser beam intended for processing a workpiece (1).
11 Einrichtung nach Anspruch 10, die zum Laserbohren aus¬ gebildet ist. 12. Verfahren zur Modifikation eines Laserstrahls (1), bei dem der Laserstrahl (1) durch mindestens einen mehrachsigen akustisch-optischen Modulator (10, 20, 30) zu einer Bewe¬ gung entlang einer Bahn (9) veranlasst und unter einem Win- kel (α, ß, Y, δ) definiert eingestellt wird. 11 Device according to claim 10, which is formed aus¬ for laser drilling. 12. A method for modifying a laser beam (1), in which the laser beam (1) by at least one multiaxial acousto-optic modulator (10, 20, 30) to a movement along a path (9) causes and under a win kel (α, ß, Y, δ) is set defined.
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