WO2003080284A1 - Verfahren zur materialbearbeitung und/oder materialanalyse mit lasern - Google Patents

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WO2003080284A1
WO2003080284A1 PCT/EP2003/002074 EP0302074W WO03080284A1 WO 2003080284 A1 WO2003080284 A1 WO 2003080284A1 EP 0302074 W EP0302074 W EP 0302074W WO 03080284 A1 WO03080284 A1 WO 03080284A1
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laser
pulse
laser pulse
analysis
filament
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PCT/EP2003/002074
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Ludger Wöste
Jean-Pierre Wolf
Original Assignee
Freie Universität Berlin
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less

Definitions

  • the invention relates to a method for material processing and / or material analysis of an object made of condensed matter using a laser.
  • Material processing means a variety of processing methods. in which the material is subjected to heating or evaporation, for example cutting, drilling, welding or having materials.
  • the laser generates a plasma light that is analyzed in such a way that it is possible to draw conclusions about the material.
  • Condensed matter is liquid or solid matter. Both the evaporation of the material and the generation of a plasma glow involves a change in the physical state of the material.
  • Nerfaliren for material processing or material analysis using a laser are known in various designs.
  • the laser beam is focused on the object, so that a laser focus is created in which the Laser power is high.
  • This high laser power in focus causes a change in the state of the aggregate (vaporization or plasma formation) of the material of the object. This is used for material processing such as sclineid, drilling, welding or hardening or for material analysis by means of plasma formation.
  • DE 199 33 231 A1 discloses a method for material processing an object made of condensed matter using a laser, a laser pulse being generated by means of a pulse laser and the laser pulse being emitted in the direction of the object.
  • DE 199 33 321 AI discloses an optical pulse amplification system through which long laser pulses of low intensity pass through
  • Using optical parametric gain media can be converted into ultra-short high energy laser pulses. These ultra-short laser pulses are fed to an application unit.
  • the application unit can be a machine tool or a surgical instrument.
  • the ultrashort laser pulses can be in the femtosecond range, for example.
  • WO 2000 67 003 discloses a method for material analysis of an object using a laser, in which the focus is applied to the object by a sequence of laser pulses with a pulse width of less than 10 ps.
  • the intensity of the laser pulses in the focus is chosen so that the material of the object is evaporated.
  • the composition of the vaporized material is analyzed, for example, using a mass spectrometer.
  • This process requires that the distance between the processing point of the object or workpiece and the focusing means is set and maintained exactly. This distance is typically a few millimeters to a few centimeters. In many applications, this distance is not constant over time, so that the focus must be regulated in time in the direction of the laser beam. A mechanical system for moving the focusing means is used for this. In many applications, this focus regulation needs a lot done quickly. This is selu complex and not even possible in some applications.
  • Cutting non-flat materials e.g. a bent sheet metal plate
  • LIDAR Unlike the classic LIDAR, not the laser light itself, but the white light generated is used as the measuring light. This makes multispectral simultaneous measurements of several air pollutants and greenhouse gases possible.
  • LIDAR systems are not used for material processing or material analysis of an object made of condensed matter.
  • the invention has for its object to provide an effective method for material processing and / or material analysis with lasers, in which a readjustment of the laser focus in the direction of the laser beam is not necessary.
  • this object is achieved by a method according to claim 1.
  • a high-intensity ultra-short laser pulse in the femtosecond and terawatt range
  • a gas eg into the atmosphere
  • non-linear optical effects occur.
  • the refractive index is also due to the high field strengths that occur of gas or air molecules increased by the Kerr effect. Since the intensity profile of the laser stralil is approximately bell-shaped across the cross section of the laser beam, this increase in the refractive index and thus the decrease in the speed of light at the edges of the laser stralil is less than in the central region of the laser beam. In this area of extremely high field strengths, the gas or air acts like one
  • Converging lens This focuses the laser beam.
  • This focusing of the already high-intensity laser beam results in an extremely high energy density, which leads to multi-photon or field ionization of the gas or air.
  • the ionization also leads to a change in the refractive index of the gas or the air. This change in the refractive index also depends on the light intensity, but here the refractive index is reduced depending on the light intensity. Since the profile of the light intensity of the focused laser beam also corresponds to a bell curve across the cross section of the laser beam, the ionized areas act like a diverging lens.
  • the laser beam is defocused again. This again results in a state in which the described Kerr effect is effective and the
  • Laser beam is focused again.
  • the laser beam is therefore alternately focused and defocused as by alternately arranged collecting and diverging lenses, specifically on the basis of the respective states of the laser beam itself.
  • Self-focusing and self-defocusing take place. This feels like a hose that does not diverge significantly over long distances and is determined by the pulsed, high-intensity laser light bundle, e.g. 100 ⁇ m diameter with ionized sections. Such a state caused by the laser light beam is referred to as a "filament”.
  • Theoretical considerations of the interplay of these effects include in the publication "Self-channeling of high-peak power femtosecond laser pulses in air" by A. Braum et al. in Opt. Lett, Vol. 20, No. 1,
  • the invention is based on the knowledge that such a filament has a similarly high intensity in an area extended in the direction of the laser beam as the laser focus, which is spatially very limited in the direction of the laser beam, in the known laser systems for material processing or material analysis.
  • the area high intensity (the filament) is therefore spatially extended in one direction (namely in the direction of the laser beam), ie the power density of the "focus" is maintained over large distances.
  • no readjustment system is required in the present invention in order to, as in the known devices, the
  • a relative movement between the object and the laser beam in directions perpendicular to the laser beam will be required in certain applications (e.g. when cutting or sorting).
  • This relative movement perpendicular to the laser beam then takes place as in the known systems.
  • Either the laser beam can be deflected in time or a relative movement between the object and the laser system can be carried out.
  • the method according to the invention can advantageously be used in all applications of material processing and / or material analysis in which a high power density is required.
  • the method according to the invention is particularly advantageous in applications in which the position of the laser focus in the direction of the laser beam has to be varied over time.
  • material processing this is the case, for example, when drilling and sclining thicker objects or when cutting non-flat objects, but also when welding or milling if the processing line is not on a flat plane.
  • Another area of application of the method according to the invention is material analysis or material diagnosis. It is known that gaseous substances can be detected very well with lasers, since they have a clearly identifiable spectral signature. Solid and liquid substances, on the other hand, do not have a clearly identifiable spectral signature.
  • parts of the object are ionized and used Plasma lights stimulated.
  • This plasma glow is then analyzed, for example, with a spectrometer with a multichannel array, it being possible for certain substance-specific plasma lines to be used for identification. In this way, for example, copper can be detected by the typical copper lines and salt connection by the sodium line.
  • Methods for examining plasma lighting for material analysis are known per se and are not described in more detail here.
  • One application in which the method for material analysis according to the invention can be used is the sorting of objects depending on the material composition, for example sorting waste.
  • the objects e.g. garbage
  • the objects can be transported on a conveyor belt and analyzed directly on the conveyor belt using the method according to the invention.
  • a mechanical device e.g. a flap can be controlled to sort the objects.
  • Such conveyor belts with sorting devices are known per se and are not described in detail here.
  • Such objects located on a conveyor belt will generally be of different sizes, so that the distance between the individual objects and the laser system will not be constant. The method according to the invention therefore comes into play well here.
  • conveyor belt waste sorting using laser analysis methods according to the state of the art
  • the method according to the invention also enables plasma analysis over large distances.
  • the distance between the laser system with the focusing means and the object to be analyzed is small and normally does not exceed 0.5 m. Distances in the range of 1-2 m require very complex systems, larger distances are not possible. These distances between the laser system and the object to be analyzed can be exceeded many times with the method according to the invention.
  • the plasma glow will then preferably caught with a telescope, so that the plasma analysis system can also be located at a large distance from the object to be analyzed.
  • This means that the material analysis by means of the method according to the invention is also possible in difficult to access or unfriendly environments, for example when sorting dangerous objects (e.g. radioactive waste), in one
  • Laser treatment method can be used wherever conventional laser treatment methods using laser focus are used today and the risk of damage to the use is not in the way.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for dental treatment since the risk of damage to other tissue is low here.
  • Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • Figure 1 is a schematic diagram illustrating the formation of the filament by a pulsed, high intensity laser beam.
  • Fig. 2 illustrates the image of a "converging lens” by the intensity profile over the cross section of the laser beam and the change in the refractive index of the air caused by the Kerr effect.
  • 3 illustrates the formation of a “diverging lens” by the intensity profile over the cross section of the focused laser beam and the change in the refractive index of the air caused by ionization.
  • Fig. 4 is a schematic representation of an apparatus for material processing an object made of condensed matter.
  • 5 is a schematic representation of an apparatus for material analysis of an object made of condensed matter.
  • Figure 6 is a schematic representation of the generation of very short, high intensity
  • FIG. 7 schematically shows a pulse deliner ("stretcher") for generating a spectral fanning out of the laser pulse.
  • FIG. 8 schematically shows a pulse compressor for generating a short, high-intensity laser pulse.
  • FIG. 9 is a schematic illustration and illustrates an example of the execution of laser material processing of an object.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a first one
  • Fig. 11 is a schematic illustration and illustrates a second
  • Fig. 12 is a schematic illustration and illustrates a third embodiment of material analysis.
  • Preferred embodiments of the invention 4 schematically shows a device for material processing of an object made of condensed matter.
  • a Laseranordnimg for generating a laser beam 12 in the form of a sequence of Laseipulsen 14 high energy is designated.
  • the laser pulses 14 have a "negative chirp", ie they are spectrally fanned out ("chirp"), the wavelengths running slower in the propagation medium forming the leading edge of the laser pulse and the wavelengths running faster in the propagation medium forming the trailing edge of the laser pulse ("more negatively chirp ").
  • the laser beam 12 is guided by optical means 16 in the direction of an object 18 which is to be processed.
  • the laser pulses 14 are focused temporally and spatially (by means of known, suitable optical means), so that the peak power of the laser pulses 14 at a location 20 between the optical means 16 and the object 18 provides the critical power for a self-focusing effect of the laser pulses 14 exceeds, so that a filament 88 is formed by the laser pulses 14.
  • the filament 88 extends at least to the surface of the object 18.
  • the laser power in the filament 88 is so high that evaporation of the material of the object 18 is caused, as a result of which material processing takes place, for example in the form of cutting, drilling, welding or hardening ,
  • Fig. 5 is a device for material analysis of an object from condensed
  • the filament production system consisting of laser arrangement 10 and optical means 16 corresponds to the system shown in FIG. 4.
  • the material of the object 18 is excited by the filament 88 to the plasma lighting 90.
  • the plasma glow 90 is analyzed in a known manner by means of an analyzer 92.
  • 6 to 8 schematically show the generation of the emitted laser pulse.
  • a laser 32 generates a sequence of short laser pulses 34 of, for example, 80 fs of low energy of, for example, 6 nJ with a frequency of, for example, 8 ⁇ 10 7 Hz
  • a regenerative amplifier 40 selects individual pulses therefrom and amplifies them to Lasei pulses 42 of 200 ps duration and medium energy of, for example, 5 mJ at a frequency of, for example, 10 Hz.
  • Lasei pulses 42 are turned into high energy by an amplifier 44 with several passes to Lasei pulses 46 amplified by, for example, 400 mJ, the pulse duration and frequency remaining unchanged.
  • the spectrally fanned out laser pulses 46 obtained in this way are then compressed by a compressor 48 to very short and high-vision laser pulses 22 which are emitted by the laser arrangement 10 (FIGS. 4 and 5).
  • FIG. 7 schematically shows the structure of a pulse stretcher 36.
  • the laser pulse 34 as the beam 50 falls on a grating 52 in high order.
  • a wavelength-dependent diffraction of the laser light takes place on the grating 52.
  • the diffracted light is collected by lenses 54, 56 on a second grating 58.
  • the light of the different wavelengths is again superimposed into a spatial beam 60 by the second grating 58. But since the different wavelengths between the
  • the laser pulse 38 is broadened in the beam 60 and fanned out spectrally.
  • the beam 60 is then deflected by a mirror 62.
  • the laser pulse 38 in the beam 60 then undergoes processing by the amplifiers 40 and 44 from FIG. 6 and then falls on the compressor 48 as a laser pulse 46.
  • the compressor 48 is shown schematically in FIG.
  • the compressor 48 also contains two gratings 64 and 66 and a mirror 68.
  • the laser pulse 42 falls as a beam 70 onto the grating 64 i d is diffracted there depending on the wavelength.
  • the beam 69 spatially spectrally fanned out on the grating 64 falls on the second, parallel to the first
  • the second grating 66 diffracts the different wavelengths in such a way that a bundle of beams parallel to one another and to the beam 69 is created, each of which is assigned to a specific wavelength.
  • the beams of this bundle are reflected back by the mirror 68 and spatially combined again to form a returning beam by the two gratings 64 and 66.
  • the arrangement is the geometrical one that is passed through by the fast, short-wave rays Path length longer than that of the slower long-wave rays. This results in compression to the intense but short-term laser pulse 22.
  • the compressor 48 can be designed so that the emitted laser pulse 22 still has a "negative chirp", i.e. remains spectrally fanned out in such a way that the short wavelengths in the area of the rear flank of the laser pulse 22 and longer wavelengths occur in the area of the front flank of the laser pulse 22.
  • the generation of a negative chirp is known per se and is not described in more detail here.
  • the ionization leads to areas that act like a diverging lens.
  • the thus diverging laser beam with a lower energy density again generates an area acting as a converging lens due to the Kerr effect, etc.
  • the laser beam thus alternately self-focuses and defocuses.
  • 1, 70, 72 and 74, etc. denote “converging lenses” as they are formed by the propagation medium air through the Kerr effect at a high field strength of the laser pulse 30. Ionizing air forms “diverging lenses” 76, 78, etc. between these converging lenses.
  • the laser beam 12 is focused by the "converging lenses” 70, 72, 74 etc. caused by the Kerr effect.
  • the extremely high power density obtained by focusing causes ionization of the air, which acts like "diverging lenses” 76, 78 etc. and one
  • the laser beam is so through self-focusing and -defocusing performed largely without divergence.
  • a laser beam guided in this way with high-intensity and ultra-short laser pulses is referred to as a "filament".
  • Figure 2 illustrates the formation of the Kerr "converging lenses".
  • the intensity and thus the field strength of the laser beam is not constant over the entire cross section of the laser beam. Rather, it follows a bell-shaped profile, as shown by curve 80 on the left in FIG. 2. Due to the Kerr effect, this field strength causes an approximately proportional change in the refractive index of the propagation medium, so that the refractive index also changes positively over the cross section of the laser beam according to a bell-shaped profile.
  • the positive change ⁇ n ⁇ .er r is in the
  • the intensity or power density changes across the cross section of the laser beam according to a bell-shaped profile, which is represented by a curve 84 in FIG. 3.
  • the ionization caused by the laser beam also essentially follows this bell-shaped profile and accordingly also the change ⁇ n ⁇ on i s caused by the ionization.
  • Refractive index Represented by curve 86. However, this change is negative.
  • the refractive index is greater or less at the edge of the focused laser beam than in the middle.
  • the marginal rays run slower than the central rays. This corresponds to a diverging lens 76 and causes defocusing.
  • the filament produced in this way is shown in dashed lines and designated by 88.
  • a suitable choice of the “negative chirp” can ensure that the laser pulse 30 is compressed only at a point 20 located at a distance from the laser arrangement 10 and the optical means 16 such that one for the formation of the Filaments 88 sufficient field strength is achieved. Filament 88 therefore starts from point 20.
  • An exemplary embodiment of a method for material processing of an object using a material processing device according to FIG. 4 is explained with reference to FIG. 9.
  • 94 denotes an object to be processed, for example a corrugated sheet metal part to be cut along a predetermined processing line 96.
  • the sheet metal part 94 is fastened in a holding device (not shown) which can be moved in an X-N plane perpendicular to the Z direction.
  • the sheet metal part 94 is moved in the X and Y directions by the holding device, for example at a specific speed v in
  • the filament 88 is generated at point 20 and extends through the sheet metal part 94 at any time during the cutting, without the need to readjust a laser focus.
  • FIG. 10 A first exemplary embodiment of a method for material analysis of objects using a material analysis device according to FIG. 5 is explained with reference to FIG. 10.
  • It is a garbage sorting plant.
  • 98 is a conveyor belt which is moved over two rollers 100 and 102. Garbage is loaded onto the conveyor belt 98 at the right end in FIG. 10. The individual waste parts are distributed on the conveyor belt.
  • Such individual garbage parts are shown schematically in FIG. 10 and designated 104, 106, 108, 110, 112 and 114.
  • the laser beam 12 of the device of FIG. 5, of which only the optical means 18 and the analyzer 92 are shown in FIG. 10, is oriented in such a way that it is directed onto the waste parts on the conveyor belt 98 in a specific area.
  • beam deflection means (not shown) can be provided, through which the laser beam 12 in the plane of the
  • Conveyor belt 12 is deflected so as to scan the garbage parts 104, 106, 108, 110, 112 and 114 in a direction perpendicular to the direction of transport.
  • the individual garbage parts 104, 106, 108, 110, 112 and 114 arrive at the location of the filament 88, they are excited to the plasma lights 90.
  • the plasma glow 90 is analyzed by the analyzer 92.
  • a mechanical sorting device (not shown) is controlled, which is located near the left end of the transport device in FIG. 10 and which Separates waste parts 104, 106, 108, 110, 1 12 and 114 depending on the material composition.
  • 116 is a chemical tank with a melt 118, the material composition of which is to be analyzed.
  • Both the system 10, 16 (see FIG. 5) for producing the filament 88 and the analyzer 92 are flanged to the chemical tank 116.
  • the filament 88 excites the melt 118 to the plasma light 90, which is analyzed by the analyzer 92.
  • the fill level of the chemical tank is not critical since the filament 88 has the necessary energy density for plasma excitation over a long distance.
  • a third exemplary embodiment of a method for material analysis of objects using a material analysis device according to FIG. 5 is explained with reference to FIG. 12. This is the material analysis of objects in a difficult-to-access environment, for example in an accident.
  • At 120 is a burning
  • Designated building The materials in the building are to be analyzed, for example to determine or rule out a risk of poison gas.
  • the device shown in FIG. 5 is accommodated in a transportable container 122. The container is then transported near building 120. The
  • the filament 88 excites the material to be examined to the plasma light 90, which by the analyzer

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung und/oder Materialanalyse eines Objekts (18) aus kondensierter Materie unter Verwendung eines Lasers (12) Mittels eines Lasers wird ein Laserpuls (14) erzeugt, welcher in Richtung auf das Objekt ausgesendet wird. Dabei wird der Laserpuls zeitlich und räumlich so fokussiert, dass die Peak-Leistung des Laserpulses an einem Ort zwischen dem Laser und dem Objekt die kritische Leistung für eine selbst-fokussierende Wirkung des Laserpulses übersteigt. Der Laserpuls wird dann ein Filament (88) mit hoher Leitungsdichte bilden. Das Filament (88) wird auf das Objekt gerichtet und dort eine Aggregatszustandänderung (Verdampfung oder Plasmabildung) eines Teils des Materials des Objekts hervorrufen. Das Verfahren kann sowohl für die Materialbearbeitung (Schneiden, Bohren, Schweissen, Härten) als auch für die Materialanalyse (Analyse des Plasmaleuchtens eingesetzt werden.

Description

Verfahren zur Materialbearbeitung und / oder Materialanalyse mit Lasern
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung und/oder Materialanalyse eines Objekts aus kondensierter Materie unter Verwendung eines Lasers.
Unter Materialbearbeitung versteht man dabei eine Vielzahl von Bearbeitungsmethoden. bei welchen das Material eine Erwärmung oder Verdampfung unterzogen wird, beispielsweise Schneiden, Bohren, Schweißen oder Hätten von Materialien.
Bei der hier relevanten Materialanalyse wird durch den Laser ein Plasmaleuchten erzeugt, das so analysiert wird, dass Rückschlüsse auf das Material möglich sind.
Kondensierte Materie ist flüssige oder feste Materie. Sowohl die Verdampfung des Materials als auch das Erzeugen eines Plasmaleuchtens beinhaltet eine Aggregatszustandänderung des Materials.
Zugrundeliegender Stand der Technik
Nerfaliren zur Materialbearbeitυng 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 sein- hoch ist. Durch diese hohe Laserleistung im Fokus wird eine Aggre- gatszustandsänderung (Verdampfung oder Plasmabildung) des Materials des Objekts hervorgerufen. Dies wird zur Materialbearbeitung wie Sclineiden, Bohren, Schweißen oder Härten oder zur Materialanalyse mittels Plasmabildung ausgenutzt.
Durch die DE 199 33 231 AI 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 AI 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 zugef hrt. Die Anwendungseinheit kann dabei eine Werkzeugmaschine oder ein chirurgisches Instrument sein. Die ultrakurzen Laserpulse können beispielsweise im Femtosekundenbereich liegen.
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.
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 selu aufwendig und bei einigen Anwendungen sogar nicht möglich.
Anwendungen, bei welchen das Verfahren zur Materialbearbeitung und/oder Material- analyse 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.
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.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren zur Material- bearbeitung und/oder Materialanalyse mit Lasern zu schaffen, bei welchen eine Nachregelung des Laserfokus in Richtung des Laserstrahls nicht notwendig ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.
Wenn ein hochintensiver ultrakurzer Laserpuls (im Femtosekunden- und Terawatt- bereich) 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 Laserstralils über den Querschnitt des Laserstrahls hinweg etwa glockenförmig ist, ist diese Erhöhung des Brechungsindex und damit die Verringerung der Lichtgeschwindigkeit an den Rändern des Laserstralils 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 fokussiert. 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 fuhrt 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 Laserstralils selbst. Es erfolgt eine "Selbstfokussierung" und "Selbstdefokussierung". Das fühlt 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-peak- power femtosecond laser pulses in air" von A. Braum 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.
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 Laserstralils räumlich sehr begrenzte Laserfokus bei den bekannten Lasersystemen zur Materialbearbeitung oder Materialanalyse. Der Bereich hoher Intensität (das Filament) ist also in einer Richtung (nämlich in der Richtung des Laserstrahls) räumlich ausgedehnt, d.h. die Leistungsdichte des "Fokus" wird über große Distanzen aufrechterhalten. Zur Erzeugimg der benötigten hohen Leistungsdichte an rämnlich 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 Laserstralils in Abhängigkeit von den Gegebenheiten des Objekts nachzuregeln.
Beim Einsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in bestimmten Anwendungs- fällen 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 Relativbewegimg zwischen dem Objekt und dem Lasersystem ausgeführt werden.
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 Materialbearbeitung beispielsweise beim Bohren und Sclineiden von dickeren Objekten oder beim Schneiden von nicht ebenen Objekten, aber auch beim Schweißen oder Flärten, wenn die Bearbeitungslinie nicht in einer planen Ebene liegt.
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 Plasma- leuchtens 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.
Eine Anwendung, bei welchem das erfmdungsgemäßen 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.
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 sein- 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 Fernrohi" 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 menschenunfreudlichen Umgebungen möglich, beispielsweise beim Sortieren von gefahrlichen Gegenständen (z.B. radioaktiver Müll), in einem
Chemietank mit einer heißen Metallschmelze oder bei Havariestellen, welche nicht betreten werden können.
Weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich in der medizinischen Behandlung. Dabei kann das erfmdungs gemäße 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.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zuge- hörigen Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht die Bildung des Filaments durch einen gepulsten, hochintensiven Laserstrahl.
Fig. 2 veranschaulicht die Bildimg einer "Sammellinse" durch das Intensitätsprofil über dem Querschnitt des Laserstrahls und die durch den Kerr-Effekt hervorgerufene Änderung des Brechungsindex der Luft. Fig. 3 veranschaulicht die Bildung einer "Zerstreuungslinse" durch das Intensitäts- profil über dem Querschnitt des fokussierten Laserstrahls und die durch Ionisation hervorgerufene Änderung des Brechungsindex der Luft.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Materialbearbeitimg eines Objekts aus kondensierter Materie.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Materialanalyse eines Objekts aus kondensierter Materie.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Erzeugung sehr kurzer, hochintensiver
Laserpulse.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Pulsdeliner ("stretcher") zu Erzeugung einer spektralen Auffächerung des Laserpulses.
Fig. 8 zeigt schematisch einen Pulsverdichter zu Erzeugung eines kurzen, hochintensiven Laserpulses.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein Ausfül rungs- beispiel der Lasermaterial bearbeitung eines Objekts.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein erstes
Ausführungsbeispiel der Materialanalyse.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein zweites
Ausführungsbeispiel der Materialanalyse.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel der Materialanalyse.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung In Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung eines Objekts aus kondensierter Materie schematisch dargestellt. Mit 10 ist eine Laseranordnimg zur Erzeugung eines Laserstrahls 12 in Form einer Folge von Laseipulsen 14 hoher Energie bezeichnet. Die Laserpulse 14 köimen 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 bekannten, geeigneten optischen 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 Leistimg 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.
In Fig. 5 ist eine Vorrichtimg zur Materialanalyse eines Objekts aus kondensierter
Materie schematisch dargestellt. Das Filament-Erzeugungsystem aus Laseranordnung 10 und optischen Mitteln 16 entspricht dem in Fig. 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.
Fig. 6 bis 8 zeigen schematisch die Erzeugung des ausgesandten Laserpulses.
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 Laseipulsen 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 Laseipulsen 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 seht- intensiven Laserpulsen 22 komprimiert, die von der Laseranordnung 10 (Fig. 4 und 5) ausgesandt wird.
Fig.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 wellenlängen- abhängige 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 Fig.6 und fällt dann als Laserpuls 46 auf den Kompressor 48.
Der Kompressor 48 ist in Fig.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 i d 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 69 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.
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.
Bei einer hohen Energiedichte und Feldstärke des Laserpulses im Bereich von Femto- sekunden Pulsdauer und Terawatt Leistung treten nichtlineare optische Effekte auf Durch den Kerr-Effekt in der Luft erfolgt eine Selbsfokussierung. 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 Selbst- fokussierung und -defokussierung des Laserstrahls.
Das ist in den Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellt.
In Fig.l sind mit 70, 72 und 74 usw. "Sammellinsen" bezeichnet, wie sie von dem Fort- pflanzungsmedium 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 erfahrt durch die von dem Kerr-Effekt hervorgerufenen "Sammellinsen" 70, 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.
Fig. 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 Fig. 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 Δnκ.err ist in der
Mitte von Fig. 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 70, wie sie rechts in Fig. 2 dargestellt ist.
Auch in dem fokussierten Laserstrahl ändert sich die Intensität oder Leistungsdichte über den Querschnitt des Laserstrahls hinweg nach einem glockenförmigen Profil, das in Fig. 3 durch eine Kurve 84 dargestellt ist. Die durch den Laserstrahl hervorgerufene Ionisation folgt auch im wesentlichen diesem glockenförmigen Profil und dement- sprechend auch die durch die Ionisation hervorgerufene Änderung Δnιonis. 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.
In Fig. 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 Ausbildimg des Filaments 88 ausreichende Feldstärke erreicht wird. Das Filament 88 geht also vom Punkt 20 aus. Anhand von Fig. 9 wird ein Ausfuhrungsbeispiel eines Verfahrens zur Materialbearbeitung eines Objekts unter Verwendung einer Materialbearbeitungsvorrichtung nach Fig. 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 Fig. 4, von der lediglich die optischen Mittel 18 in
Fig. 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-N-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 Fig. 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.
Anhand von Fig. 10 wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Materialanalyse von Objekten unter Verwendung einer Materialanalysevorrichtung nach Fig. 5 erläutert. Dabei handelt es sich um eine Mullsortierungsanlage. 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 Fig. 10 aufgeladen. Dabei verteilen sich die einzelnen Müllteile auf dem Transportband. Solche einzelne Müllteile sind in Fig. 10 schematisch dargestellt und mit 104, 106, 108, 110, 112 und 114 bezeichnet. Der Laserstrahl 12 der Vorrichtung von Fig. 5, von der lediglich die optischen Mittel 18 und der Analysator 92 in Fig. 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) Strahl- ablenkmittel 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 Fig. 10 linken Endes der Transportvorrichtung befindet und die Müllteile 104, 106, 108, 110, 1 12 und 114 in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung trennt.
Anhand von Eig. 11 wird ein zweites Ausfuhrungsbeispiel eines Verfahrens zur Material- analyse von Objekten unter Verwendung einer Materialanalysevorrichlung nach Fig. 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. Fig. 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.
Anhand von Fig. 12 wird ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Material- analyse von Objekten unter Verwendung einer Materialanalysevorrichtung nach Fig. 5 erläutert. Dabei handelt es sich um die Materialanalyse von Objekten in einer schwer zugänglichen Umgebimg, beispielsweise bei einer Havaiie. 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 Fig. 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Materialbearbeitung und/oder Materialanalyse eines Objekts aus kondensierter Materie unter Verwendung eines Lasers, mit den Verfahrensschritten:
(a) Erzeugen eines Laserpulses mittels eines Pulslasers,
(b) Aussenden des Laserpulses in Richtung auf das Objekt, und
(c) zeitliches und räumliches Fokussieren des Laserpulses derart, dass
(ci) die Peak-Leistung des Laserpulses an einem Ort zwischen dem Laser und dem Objekt die kritische Leistung für eine selbst-fokussierende Wirkung des Laserpulses' übersteigt, so dass durch den Laserpuls ein Filament gebildet wird, und
(c2) das Filament sich zumindest bis zur Oberfläche des Objekts erstreckt und eine Aggregatszustandänderung eines Teils des Materials des Objekts hervorruft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Pulslaser eine Folge von Laserpulsen erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Laser ausgesandte Laserpuls spektral aufgefächert ist ("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").
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Pulsbreite des Laserpuls kleiner als 10"1 s ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ausgangsleistung des Pulslasers größer als 10n W ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bearbeitende oder zu analysierende Objekt einen Festkörper ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die hervorgerufene Aggregatszustandänderung durch Verdampfimg und/oder Plasmabildung erzeugt wird.
8. Verwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Schneiden,
Bohren, Schweißen oder Härten.
9. Verwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur medizinischen Behandlung, insbesondere zur Zahnbehandlung.
10. Verwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Sortieren von Objekten.
11. Verwendimg des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Analysieren des Inhalts eines Behälters.
12. Verwendung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Materialanalyse von Materialien bei Havarien, insbesondere im Brandfall zur Feststellung der brennenden Substanzen.
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