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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Materialbearbeitung und/oder Materialanalyse eines Objekts aus
kondensierter Materie unter Verwendung eines Lasers.
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Unter Materialbearbeitung versteht
man dabei eine Vielzahl von Bearbeitungsmethoden, bei welchen das
Material eine Erwärmung
oder Verdampfung unterzogen wird, beispielsweise Schneiden, Bohren,
Schweißen
oder Härten
von Materialien.
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Bei der hier relevanten Materialanalyse
wird durch den Laser ein Plasmaleuchten erzeugt, das so analysiert
wird, dass Rückschlüsse auf
das Material möglich
sind.
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Kondensierte Materie ist flüssige oder
feste Materie. Sowohl die Verdampfung des Materials als auch das
Erzeugen eines Plasmaleuchtens beinhaltet eine Aggregatszustandänderung
des Materials.
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Zugrundeliegender
Stand der Technik
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Verfahren zur Materialbearbeitung
oder Materialanalyse unter Verwendung eines Lasers sind in verschiedenen
Ausführungen
bekannt. Bei vielen dieser Verfahren wird dabei der Laserstrahl
auf das Objekt fokussiert, so dass ein Laserfokus entsteht, in welchem
die Laserleistung sehr hoch ist. Durch diese hohe Laserleistung
im Fokus wird eine Aggregatszustandsänderung (Verdampfung oder Plasmabildung) des
Materials des Objekts hervorgerufen. Dies wird zur Materialbearbeitung
wie Schneiden, Bohren, Schweißen
oder Härten
oder zur Materialanalyse mittels Plasmabildung ausgenutzt.
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Durch die
DE 199 33 231 A1 ist ein
Verfahren zur Materialbearbeitung eines Objekts aus kondensierter
Materie unter Verwendung eines Lasers bekannt, wobei ein Laserpuls
mittels eines Pulslasers erzeugt wird und der Laserpuls in Richtung
auf das Objekt ausgesendet wird. Die
DE 199 33 321 A1 offenbart ein optisches
Impulsverstärkungssystem, durch
welches lange Laserpulse geringer Intensität durch Verwendung von optischen
parametrischen Verstärkungsmedien
in ultrakurze Laserpulse hoher Energie umgewandelt werden. Diese
ultrakurze Laserpulse werden einer Anwendungseinheit zugeführt. Die
Anwendungseinheit kann dabei eine Werkzeugmaschine oder ein chirurgisches
Instrument sein. Die ultrakurzen Laserpulse können beispielsweise im Femtosekundenbereich
liegen.
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Durch die WO 2000 67 003 ist ein
Verfahren zur Materialanalyse eines Objekts unter Verwendung eines
Lasers bekannt, bei welchem das Objekt von einer Folge von Laserpulsen
mit einer Pulsbreite kleiner als 10 ps in einem Fokus beaufschlagt
wird. Die Intensität
der Laserpulse im Fokus wird so gewählt, dass das Material des
Objekts verdampft wird. Die Zusammensetzung des verdampften Materials
wird beispielsweise mittels eines Massenspektrometers analysiert.
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Bei allen diesen Verfahren ist es
erforderlich, den Laserstrahl durch fokussierende Mittel, z.B. durch
eine Linse zu fokussieren. Da der dadurch erzeugte Fokus räumlich in
der Richtung des Laserstrahls sehr begrenzt ist, erfordert dieser
Prozess, dass der Abstand zwischen dem Bearbeitungspunkt des Objekts
bzw. Werkstücks
und der fokussierenden Mittel genau eingestellt und eingehalten
wird. Dieser Abstand ist typischerweise einige Millimeter bis einige
Zentimeter. In vielen Anwendungsfällen ist dieser Abstand nicht
zeitlich konstant, so dass eine zeitliche Regelung des Fokus in
der Richtung des Laserstrahls erfolgen muss. Man verwendet hierfür ein mechanisches
System zum Bewegen der fokussierenden Mittel. Bei vielen Anwendungen
muss diese Regelung des Fokus sehr schnell erfolgen. Dies ist sehr
aufwendig und bei einigen Anwendungen sogar nicht möglich.
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Anwendungen, bei welchen das Verfahren zur
Materialbearbeitung und/oder Materialanalyse eine Nachregelung des
Fokus erfordert, sind beispielsweise das Bohren, das Schneiden von
nicht ebenen Werkstoffen (z.B. einer verbogenen Blechplatte) entlang
einer Linie oder die Materialanalyse von zu sortierenden Gegenständen an
einem Transportband.
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Weiterhin sind in einem anderen technischen Gebiet
(Atmosphärenforschung)
LIDAR-Systeme ("Light Detection and
Ranging") bekannt,
welche Lasersysteme verwenden, durch welche Laserpulse erzeugt werden,
deren Peak-Leistungen die kritische Leistung für eine selbst-fokussierende
Wirkung des Laserpulses übersteigen
(s. Kasparian, J. et al.: "The critical
Laser intensity of self-guided light filaments in air", in Appl. Phys.
B. Vol. 71, S. 877–879
(2000)). Solche Systeme werden "Weißlicht-LIDAR" genannt, weil im
Unterschied zum klassischen LIDAR nicht des Laserlicht selbst, sondern
das erzeugte Weißlicht als
Meßlicht
verwendet wird. Dadurch sind multispektrale simultane Messungen
u.a. von mehreren Luftschadstoffen und Treibhausgasen möglich. LIDAR-Systeme werden jedoch
nicht zur Materialbearbeitung oder Materialanalyse eines Objekts
aus kondensierter Materie verwendet.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
effektives Verfahren zur Materialbearbeitung und/oder Materialanalyse
mit Lasern zu schaffen, bei welchen eine Nachregelung des Laserfokus
in Richtung des Laserstrahls nicht notwendig ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein
Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
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Wenn ein hochintensiver ultrakurzer
Laserpuls (im Femtosekunden- und Terawattbereich) in einen Gas (z.B.
in die Atmosphäre)
gesendet wird, treten nichtlineare optische Effekte auf. Durch die
auftretenden hohen Feldstärken
wird der Brechungsindex auch von Gas- bzw. Luftmolekülen durch
den Kerr-Effekt erhöht.
Da das Intensitätsprofil
des Laserstrahls über
den Querschnitt des Laserstrahls hinweg etwa glockenförmig ist,
ist diese Erhöhung
des Brechungsindex und damit die Verringerung der Lichtgeschwindigkeit
an den Rändern
des Laserstrahls geringer als im mittleren Bereich des Laserstrahls.
Das Gas bzw. die Luft wirkt in diesem Bereich extrem hoher Feldstärken wie
eine Sammellinse. Dadurch wird der Laserstrahl fokussier. Durch
diese Fokussierung des ohnehin hochintensiven Laserstrahls tritt
eine extrem hohe Energiedichte auf, die zu einer Multi-Photon- bzw.
Feld-Ionisation des Gases bzw. der Luft führt. Die Ionisation führt ebenfalls
zu einer Veränderung
des Brechungsindex des Gases bzw. der Luft. Diese Veränderung
des Brechungsindex hängt
auch von der Lichtintensität
ab, allerdings wird hier der Brechungsindex in Abhängigkeit
von der Lichtintensität
vermindert. Da das Profil der Lichtintensität des fokussierten Laserstrahls
auch wieder über
den Querschnitt des Laserstrahls hinweg etwa einer Glockenkurve
entspricht, wirken die ionisierten Bereiche wie eine Zerstreuungslinse.
Der Laserstrahl wird wieder defokussiert. Damit ergibt sich wieder
ein Zustand, in welchem der geschilderte Kerr-Effekt wirksam und
der Laserstrahl erneut fokussiert wird. Es erfolgt also alternierend
eine Fokussierung und Defokussierung des Laserstrahls wie durch
alternierend angeordnete Sammel- und Zerstreuungslinsen, und zwar
auf Grund der jeweiligen Zustände
des Laserstrahls selbst. Es erfolgt eine "Selbstfokussierung" und "Selbstdefokussierung". Das führt zu einem über lange
Strecken hinweg nicht wesentlich auseinanderlaufenden, von dem gepulsten, hochintensiven
Laserlichtbündel
bestimmten Schlauch von z.B. 100 μm Durchmesser
mit ionisierten Abschnitten. Man bezeichnet einen solchen durch
das Laserlichtbündel hervorgerufenen
Zustand als "Filament". Theoretische Betrachtungen
des Zusammenspiels dieser Effekte sind u.a. in der Veröffentlichung "Self-channeling of
high-peakpower femtosecond laser pulses in air" von A. Braun et al. in Opt. Lett.,
Vol. 20, No. 1, S. 73–75
(1995), und in der Veröffentlichung "The critical laser
intensity of self-guided light filaments in air" in Appl. Phys. B, Vol. 71, S. 877–879 (2000)
aufgeführt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass
ein solches Filament in einem in der Richtung des Laserstrahls ausgedehnten
Bereich eine ähnlich hohe
Intensität
besitzt, wie der in der Richtung des Laserstrahls räumlich sehr
begrenzte Laserfokus bei den bekannten Lasersystemen zur Materialbearbeitung
oder Materialanalyse. Der Bereich hoher Intensität (das Filament) ist also in
einen Richtung (nämlich
in der Richtung des Laserstrahls) räumlich ausgedehnt, d.h. die
Leistungsdichte des "Fokus" wird über große Distanzen
aufrechterhalten. Zur Erzeugung der benötigten hohen Leistungsdichte
an räumlich
entlang des Laserstrahls verschieden) Punkten wird also bei der
vorliegenden Erfindung kein Nachregelsystem benötigt, um, wie bei den bekannten Vorrichtungen,
den Fokus in Richtung des Laserstrahls in Abhängigkeit von den Gegebenheiten
des Objekts nachzuregeln.
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Beim Einsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in bestimmten Anwendungsfällen eine
Relativbewegung zwischen dem Objekt und dem Laserstrahl in Richtungen
senkrecht zu dem Laserstrahl erforderlich sein (z.B. beim Schneiden
oder Sortieren). Diese Relativbewegung senkrecht zum Laserstrahl
erfolgt dann wie bei den bekannten Systemen. Dabei kann entweder
der Laserstrahl zeitlich abgelenkt werden oder es kann eine Relativbewegung
zwischen dem Objekt und dem Lasersystem ausgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei allen
Anwendungen der Materialbearbeitung und/oder Materialanalyse vorteilhaft
eingesetzt werden, bei welchen eine hohe Leistungsdichte erforderlich
ist. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei den Anwendungen,
bei welchen die Position des Laserfokus in der Richtung des Laserstrahls
zeitlich variiert werden muss. Dies ist im Falle der Material- bearbeitung beispielsweise
beim Bohren und Schneiden von dickeren Objekten oder beim Schneiden
von nicht ebenen Objekten, aber auch beim Schweißen oder Härten, wenn die Bearbeitungslinie
nicht in einer planen Ebene liegt.
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Eine weiteres Anwendungsgebiet des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist die Materialanalyse bzw. Materialdiagnostik. Es ist bekannt,
dass gasförmige
Stoffe mit Lasern sehr gut nachgewiesen werden können, da sie eine gut identifizierbare
spektrale Signatur haben. Feste und flüssige Substanzen haben hingegen
keine gut identifizierbare spektrale Signatur. Bei der Materialanalyse
von kondensierter Materie ist es deshalb vorteilhaft, das Material
zum Plasmaleuchten anzuregen und die spektrale Signatur des Plasmaleuchtens
zu untersuchen, um so auf die Materialzusammensetzung des Objekts
zu schließen.
Bei diesem Verfahren werden also Teile des Objekts ionisiert und
zum Plasmaleuchten angeregt. Dieses Plasmaleuchten wird dann beispielsweise
mit einem Spektrometer mit einem Multichannelarray analysiert, wobei
bestimmte stoffspezifische Plasmalinien zur Identifikation herangezogen
werden können.
In dieser Art kann beispielsweise Kupfer durch die typischen Kupferlinien
und Salzverbindung durch die Natriumlinie nachgewiesen werden. Methoden
zur Untersuchung des Plasmaleuchtens zur Materialanalyse sind an
sich bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.
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Eine Anwendung, bei welchem das erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Materialanalyse zum Einsatz kommen kann, ist das Sortieren von
Gegenständen
in Abhängigkeit
von der Materialzusammensetzung, beispielsweise Müllsortierung.
Dabei können
die Gegenstände
(z.B. Müll)
auf ein Transportband transportiert und unmittelbar auf dem Transportband
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens analysiert
werden. Entsprechend dem Ergebnis der Analyse des Plasmaleuchtens
kann dann eine mechanische Vorrichtung, z.B. eine Klappe gesteuert werden,
um eine Sortierung der Gegenstände
zu bewirken. Solche Transportbänder
mit Sortiervorrichtungen sind an sich bekannt und werden hier nicht näher beschrieben.
Solche auf einem Transportband befindliche Gegenstände werden
in der Regel unterschiedlich groß sein, so dass der Abstand
zwischen den einzelnen Gegenständen
und dem Lasersystem nicht konstant sein wird. Hier kommt also das
erfindungsgemäße Verfahren
gut zum Tragen. Im Vergleich zur Transportband-Müllsortierung mittels Laseranalyseverfahren
nach dem Stand der Technik ermöglicht
die vorliegende Erfindung erheblich höhere Geschwindigkeiten des
Transportbandes, so dass die Mülltrennung
erheblich wirtschaftlicher ausgestaltet werden kann.
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Im Gegensatz zu bekannten Plasmaanalyseverfahren
mittels Laseranregung ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
weiterhin eine Plasmaanalyse über
große
Distanzen. Bei bekannten Lasersystemen dieser Art ist der Abstand
zwischen dem Lasersystem mit den fokussierenden Mitteln und dem
zu analysierenden Objekt sehr klein und übersteigt normalerweise nicht
0,5 m. Abstände
im Bereich von 1–2
m fordert sehr aufwendige Systeme, größere Abstände sind nicht möglich. Diese
Abstände
zwischen dem Lasersystem und dem zu analysierenden Objekt können mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
um ein Mehrfaches übertroffen
werden. Das Plasmaleuchten wird dann vorzugsweise mit einem Fernrohr
aufgefangen, so dass das Plasmaanalysesystem sich ebenfalls in einem
großen
Abstand von dem zu analysierenden Objekt befinden kann. Dadurch
ist die Materialanalyse mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch in schwer zugänglichen
oder menschenunfreundlichen Umgebungen möglich, beispielsweise beim
Sortieren von gefährlichen
Gegenständen
(z.B. radioaktiver Müll),
in einem Chemietank mit einer heißen Metallschmelze oder bei
Havariestellen, welche nicht betreten werden können.
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Weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich in der medizinischen Behandlung. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren
als Laserbehandlungsmethode überall
dort Anwendung finden, wo heute konventionelle mit Laserfokus arbeitenden
Laserbehandlungsmethoden eingesetzt werden und die Gefahr einer
Beschädigung
der Verwendung nicht im Wege steht. Besonderes vorteilhaft kann
das erfindungsgemäße Verfahren zur
Zahnbehandlung eingesetzt werden, da hier die Gefahr einer Beschädigung von
sonstigem Gewebe gering ist.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung und veranschaulicht die Bildung des
Filaments durch einen gepulsten, hochintensiven Laserstrahl.
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2 veranschaulicht
die Bildung einer "Sammellinse" durch das Intensitätsprofil über dem Querschnitt
des Laserstrahls und die durch den Kerr-Effekt hervorgerufene Änderung
des Brechungsindex der Luft.
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3 veranschaulicht
die Bildung einer "Zerstreuungslinse" durch das Intensitätsprofil über dem
Querschnitt des fokussierten Laserstrahls und die durch Ionisation
hervorgerufene Änderung
des Brechungsindex der Luft.
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung
eines Objekts aus kondensierter Materie.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Materialanalyse
eines Objekts aus kondensierter Materie.
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6 ist
eine schematische Darstellung der Erzeugung sehr kurzer, hochintensiver
Laserpulse.
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7 zeigt
schematisch einen Pulsdehner ("stretcher") zu Erzeugung einer
spektralen Auffächerung
des Laserpulses.
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8 zeigt
schematisch einen Pulsverdichter zu Erzeugung eines kurzen, hochintensiven
Laserpulses.
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9 ist
eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
der Lasermaterialbearbeitung eines Objekts.
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10 ist
eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel der
Materialanalyse.
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11 ist
eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein zweites Ausführungsbeispiel der
Materialanalyse.
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12 ist
eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel der
Materialanalyse.
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Bevorzugte Ausführungen
der Erfindung
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In 4 ist
eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung eines Objekts aus kondensierter
Materie schematisch dargestellt. Mit 10 ist eine Laseranordnung
zur Erzeugung eines Laserstrahls 12 in Form einer Folge
von Laserpulsen 14 hoher Energie bezeichnet. Die Laserpulse,
14 können
einen "negativen
Chirp" aufweisen,
d.h. sie sind spektral aufgefächert
("Chirp"), wobei die in dem
Fortpflanzungsmedium langsamer laufenden Wellenlängen die Vorderflanke des Laserpulses
und die in dem Fortpflanzungsmedium schneller laufenden Wellenlängen die Rückflanke
des Laserpulses bilden ("negativer Chirp". Durch optische
Mittel 16 wird der Laserstrahl 12 in Richtung
auf ein Objekt 18 geleitet, welches bearbeitet werden soll.
Dabei werden die Laserpulse 14 (mittels bekannter, geeigneter
optischer Mittel) zeitlich und räumlich
fokussiert, so dass die Peak-Leistung der Laserpulse 14 an
einem Ort 20 zwischen den optischen Mitteln 16 dem
Objekt 18 die kritische Leistung für eine selbst-fokussierende
Wirkung der Laserpulse 14 übersteigt, so dass durch die
Laserpulse 14' ein
Filament 88 gebildet wird. Dabei erstreckt sich das Filament 88 zumindest
bis zur Oberfläche
des Objekts 18. Dabei ist die Laserleistung im Filament 88 so
hoch, dass eine Verdampfung des Materials des Objekts 18 hervorgerufen
wird, wodurch eine Materialbearbeitung beispielsweise in Form von
Schneiden, Bohren, Schweißen
oder Härten
stattfindet.
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In 5 ist
eine Vorrichtung zur Materialanalyse eines Objekts aus kondensierter
Materie schematisch dargestellt. Das Filament-Erzeugungsystem aus
Laseranordnung 10 und optischen Mitteln 16 entspricht
dem in 4 dargestellten
System. Bei dieser Vorrichtung zur Materialanalyse wird das Material des
Objekts 18 durch das Filament 88 zum Plasmaleuchten 90 angeregt.
Mittels eines Analysators 92 wird das Plasmaleuchten 90 in
bekannter Weise analysiert.
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6 bis 8 zeigen schematisch die
Erzeugung des ausgesandten Laserpulses.
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Ein Laser 32 erzeugt eine
Folge von kurzen Laserpulsen 34 von z.B. 80 fs geringer
Energie von z.B. 6 nJ mit einer Frequenz von z.B. 8 · 107 Hz. In einem Pulsdehner 36 werden
diese Laserpulse in spektral aufgefächerten, relativ lange Laserpulse 38 von
z.B. 200 ps Dauer und geringer Intensität von 2 bis 3 nJ, ebenfalls
mit einer Frequenz von 8 · 107 Hz umgesetzt. Ein regenerativer Verstärker 40 wählt daraus
einzelne Pulse aus und verstärkt
diese zu Laserpulsen 42 von 200 ps Dauer und mittlerer
Energie von z.B. 5 mJ bei einer Frequenz von z.B. 10 Hz. Diese Laserpulse 42 werden
durch einen Verstärker 44 mit
mehreren Durchgängen
zu Laserpulsen 46 hohe Energie von z.B. 400 mJ verstärkt, wobei
Pulsdauer und Frequenz unverändert
bleiben. Die so erhaltenen, spektral aufgefächerten Laserpulse 46 werden dann
durch einen Kompressor 48 zu sehr kurzen und sehr intensiven
Laserpulsen 22 komprimiert, die von der Laseranordnung 10 (4 und 5) ausgesandt wird.
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7 zeigt
schematisch den Aufbau eines Pulsdehners 36. Der Laserpuls 34 als
Strahl 50 fällt in
hoher Ordnung auf ein Gitter 52. An dem Gitter 52 erfolgt
eine wellenlängenabhängige Diffraktion
des Laserlichts. Das gebeugte Licht wird, wie schematisch dargestellt,
durch Linsen 54, 56 auf einem zweiten Gitter 58 gesammelt.
Durch das zweite Gitter 58 wird das Licht der verschiedenen
Wellenlängen
wieder zu einem räumlichen
Strahl 60 überlagert.
Da die verschiedenen Wellenlängen
aber zwischen den Gittern unterschiedliche geometrische Weglängen durchlaufen
haben, ist der Laserpuls 38 im Strahl 60 verbreitert
und spektral aufgefächert.
Der Strahl 60 wird dann durch einen Spiegel 62 umgelenkt.
Der Laserpuls 38 im Strahl 60 erfährt dann
die Verarbeitung durch die Verstärker 40 und 44 von 6 und fällt dann als Laserpuls 46 auf
den Kompressor 48.
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Der Kompressor 48 ist in 8 schematisch dargestellt.
Der Kompressor 48 enthält
ebenfalls zwei Gitter 64 und 66 und einen Spiegel 68.
Der Laserpuls 42 fällt
als Strahl 70 auf das Gitter 64 und wird dort
wellenlängenabhängig gebeugt.
Der an dem Gitter 64 räumlich
spektral aufgefächerte
Strahl 69 fällt auf
das zweite, zu dem ersten parallele Gitter 66. Durch das
zweite Gitter 66 werden die verschiedenen Wellenlängen so
gebeugt, dass ein Bündel
zueinander und zu dem Strahl 70 paralleler Strahlen entsteht, von
denen jeder einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet ist. Die Strahlen
dieses Bündels
werden durch den Spiegel 68 in sich zurückgeworfen und durch die beiden
Gitter 64 und 66 wieder räumlich zu einem rücklaufenden
Strahl vereinigt. Bei dieser Anordnung ist die von den -schnellen-
kurzwelligen Strahlen durchlaufene geometrische Weglänge länger als
die von den langsameren langwelligen Strahlen. Dadurch erfolgt eine
Kompression zu dem intensiven aber kurzzeitigen Laserpuls 22.
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In bestimmten Fällen, wenn der Abstand zwischen
dem Laser und dem Objekt sehr groß ist, kann der Kompressor 48 dabei
so ausgelegt sein, dass der ausgesandte Laserpuls 22 noch
einen "negativen Chirp" aufweist, d.h. spektral
noch derartig aufgefächert
bleibt, dass die kurzen Wellenlängen
im Bereich der Rückflanke
des Laserpulses 22 und sie längeren Wellenlängen im
Bereich der Vorderflanke des Laserpulses 22 auftreten.
Das Erzeugen eines negativen Chirps ist an sich bekannt und wird
hier nicht näher
beschrieben.
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Bei einer hohen Energiedichte und
Feldstärke
des Laserpulses im Bereich von Femtosekunden Pulsdauer und Terawatt
Leistung treten nichtlineare optische Effekte auf. Durch den Kerr-Effekt
in der Luft erfolgt eine Selbstfokussierung. Die Luft wirkt in einem
Bereich wie eine Sammellinse. Durch die Selbstfokussierung tritt
eine sehr hohe Energiedichte auf, die zu einer Ionisation der Luft
führt.
Die Ionisation führt
zu Bereichen, die wie eine Zerstreuungslinse wirken. Der so wieder
auseinanderlaufende Laserstrahl mit geringerer Energiedichte erzeugt
wieder durch den Kerr-Effekt einen als Sammellinse wirkenden Bereich
usw. Es erfolgt somit abwechselnd eine Selbstfokussierung und -defokussierung
des Laserstrahls.
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Das ist in den 1 bis 3
schematisch dargestellt.
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In 1 sind
mit 71, 72 und 74 usw. "Sammellinsen" bezeichnet, wie
sie von dem Fortpflanzungsmedium Luft durch den Kerr-Effekt bei
hoher Feldstärke
des Laserpulses 30 gebildet werden. Zwischen diesen Sammellinsen
sind durch die Ionisation der Luft "Zerstreuungslinsen" 76, 78 usw. gebildet. Der
Laserstrahl 12 erfährt
durch die von dem Kerr-Effekt hervorgerufenen "Sammellinsen" 71, 72, 74 usw. jeweils
eine Fokussierung. Die durch die Fokussierung erhaltene extrem hohe
Leistungsdichte bewirkt jeweils eine Ionisation der Luft, die sich
wie "Zerstreuungslinsen" 76, 78 usw.
auswirkt und eine Defokussierung bewirkt. Der Laserstrahl wird so
durch Selbstfokussierung und -defokussierung weitgehend ohne Auseinanderlaufen
geführt.
Ein so geführter
Laserstrahl mit hochintensiven und ultrakurzen Laserpulsen wird
als "Filament" bezeichnet.
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2 veranschaulicht
die Bildung der Kerr-"Sammellinsen". Die Intensität und damit
Feldstärke
des Laserstrahls ist nicht über
den gesamten Querschnitt des Laserstrahls konstant. Sie folgt vielmehr
einem glockenförmigen
Profil, wie es durch Kurve 80 links in 2 dargestellt ist. Diese Feldstärke bewirkt
durch den Kerr-Effekt eine näherungsweise
dazu proportionale Änderung
des Brechungsindex des Fortpflanzungsmediums, so dass der Brechungsindex
sich über
den Querschnitt des Laserstrahls hinweg ebenfalls nach einem glockenförmigen Profil
positiv ändert.
Die positive Änderung ΔnK
err ist in der Mitte
von 2 durch Kurve 82 dargestellt. Am
Rand des Laserstrahls ist daher der Brechungsindex geringer als
im mittleren Bereich. Die Randstrahlen laufen schneller als die
Mittelstrahlen. Das ist die Wirkung einer Sammellinse 71 wie
sie rechts in 2 dargestellt
ist.
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Auch in dem fokussierten Laserstrahl ändert sich
die Intensität
oder Leistungsdichte über
den Querschnitt des Laserstrahls hinweg nach einem glockenförmigen Profil,
das in 3 durch eine
Kurve 84 dargestellt ist. Die durch den Laserstrahl hervorgerufene
Ionisation folgt auch im wesentlichen diesem glockenförmigen Profil
und dementsprechend auch die durch die Ionisation hervorgerufene Änderung ΔnIonis
. des Brechungsindex,
die durch Kurve 86 dargestellt ist. Diese Änderung
ist jedoch negativ. Der Brechungsindex wird am Rand des fokussierten
Laserstrahls größer -oder
weniger vermindert- als in der Mitte. Die Randstrahlen laufen langsamer
als die Mittelstrahlen. Das entspricht einer Zerstreuungslinse 76 und
bewirkt eine Defokussierung.
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In 4 und 5 ist das so erzeugte Filament gestrichelt
dargestellt und mit 88 bezeichnet. Bei großen Abständen zwischen
Laser und Objekt kann durch geeignete Wahl des "negativen Chirp" erreicht werden, dass erst in einem
im Abstand von der Laseranordnung 10 und den optischen
Mitteln 16 liegenden Punkt 20 der Laserpuls 30 so
komprimiert ist, dass eine für
die Ausbildung des Filaments 88 ausreichende Feldstärke erreicht
wird. Das Filament 88 geht also vom Punkt 20 aus.
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Anhand von 9 wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens
zur Materialbearbeitung eines Objekts unter Verwendung einer Materialbearbeitungsvorrichtung
nach 4 erläutert. Mit 94 ist
ein zu bearbeitendes Objekt bezeichnet, beispielsweise ein einlang
einer vorgegebenen Bearbeitungslinie 96 zu schneidendes
welliges Blechteil. Der Laserstrahl 12 der Vorrichtung
von 4, von der lediglich
die optischen Mittel 18 in 9 gezeigt
sind, ist so ausgerichtet, dass er senkrecht in Z-Richtung auf das Blechteil
gerichtet ist. Das Blechteil 94 ist in einer (nicht gezeigten)
Haltevorrichtung befestigt, die in einer X-, Y-Ebene senkrecht zur
Z-Richtung bewegt werden kann. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Bearbeitungslinie 96 wird
das Blechteil 94 durch die Haltevorrichtung in X- und Y-Richtung
bewegt, beispielsweise mit einer bestimmten Geschwindigkeit v in
X-Richtung nach links in 9.
Das Filament 88 wird im Punkt 20 erzeugt und erstreckt
sich beim Schneiden zu jedem Zeitpunkt durch das Blechteil 94,
ohne dass eine Nachregelung eines Laserfokus erforderlich ist.
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Anhand von 10 wird ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Materialanalyse von Objekten unter Verwendung
einer Materialanalysevorrichtung nach 5 erläutert. Dabei
handelt es sich um eine Müllsortierungsanlage.
Mit 98 ist ein Transportband bezeichnet, das über zwei
Rollen 100 und 102 bewegt wird. Auf das Transportband 98 wird Müll am rechten
Ende in 10 aufgeladen.
Dabei verteilen sich die einzelnen Müllteile auf dem Transportband.
Solche einzelne Müllteile
sind in 10 schematisch
dargestellt und mit 104, 106, 108, 110, 112 und 114 bezeichnet.
Der Laserstrahl 12 der Vorrichtung von 5, von der lediglich die optischen Mittel 18 und
der Analysator 92 in 10 gezeigt sind,
ist so ausgerichtet, dass er auf die Müllteile auf dem Transportband 98 in
einem bestimmten Bereich gerichtet ist. Dabei können (nicht gezeigte) Strahlablenkmittel
vorgesehen sein, durch welche der Laserstrahl 12 in der
Ebene des Transportbandes 12 abgelenkt wird, um so die
Müllteile 104, 106, 108, 110, 112 und 114 in
einer Richtung senkrecht zum Transportrichtung zu scannen. Wenn
die einzelnen Müllteile 104, 106, 108, 110, 112 und 114 an
der Stelle des Filaments 88 ankommen, werden sie zum Plasmaleuchten 90 angeregt.
Das Plasmaleuchten 90 wird durch den Analysator 92 analysiert.
In Abhängigkeit von
dem Ergebnis dieser Analyse des Plasmaleuchtens 90 wird
eine (nicht gezeigte) mechanische Sortiervorrichtung gesteuert,
welche sich in der Nähe des
in 10 linken Endes der
Transportvorrichtung befindet und die Müllteile 104, 106, 108, 110, 112 und 114 in
Abhängigkeit
von der Materialzusammensetzung trennt.
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Anhand von 11 wird ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Materialanalyse von Objekten unter Verwendung
einer Materialanalysevorrichtung nach 5 erläutert. Mit 116 ist
ein Chemietank mit einer Schmelze 118 bezeichnet, deren
Materialzusammensetzung analysiert werden soll. An dem Chemietank 116 ist
sowohl das System 10, 16 (vgl. 5) zum Erzeugen des Filaments 88 als
auch der Analysator 92 angeflanscht. Das Filament 88 regt
die Schmelze 118 zum Plasmaleuchten 90 an, welches
durch den Analysator 92 analysiert wird. Dabei ist der
Füllstand
des Chemietanks unkritisch, da das Filament 88 über eine
lange Strecke die notwendige Energiedichte zur Plasmaanregung aufweist.
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Anhand von 12 wird ein drittes Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Materialanalyse von Objekten unter Verwendung
einer Materialanalysevorrichtung nach 5 erläutert. Dabei
handelt es sich um die Materialanalyse von Objekten in einer schwer
zugänglichen
Umgebung, beispielsweise bei einer Havarie. Mit 120 ist
ein brennendes Gebäude bezeichnet.
Dabei sollen die Materialien in dem Gebäude analysiert werden, beispielsweise
um eine Giftgasgefahr festzustellen oder auszuschließen. Zu diesem
Zweck ist die in 5 dargestellte
Vorrichtung in einem transportablen Container 122 untergebracht.
Der Container wird dann in die Nähe
des Gebäudes 120 transportiert.
Das Gebäude 120 kann dann
durch das Filament 88 abgescannt werden. Das Filament 88 regt das
zu untersuchende Material zum Plasmaleuchten 90 an, welches
durch den Analysator 92 analysiert wird. Hierdurch kann
eine sehr schnelle und gefahrlose Analyse erfolgen.