CN105189017B - 用于产生具有线状强度分布的激光射束的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于产生具有线状强度分布的激光射束的设备，该设备包括：多个用于产生激光射线(3)的激光光源，用于将由激光光源发出的激光射线(3)转换为在工作面(9)内具有线状强度分布(11)的激光射束(14)的光学工具，其中，激光光源构造成基本模式激光器，并且所述设备设计成使得由激光光源发出的激光射线(3)中的每一个激光射线自身不叠加。

Description

用于产生具有线状强度分布的激光射束的设备
技术领域
本发明涉及一种用于产生具有线状强度分布的激光射束的设备。
背景技术
定义：如果没有明确给出一些其他的说明，那么激光射束、光束、分射束或射束不是指几何光学系统的理想化的射束，而是指实际的光束，诸如具有高斯形或改进的高斯形或平顶形的激光射束，该激光射束不是具有无限小的、而是具有膨胀的射束横截面。平顶分布或平顶强度分布或平顶形是指一种强度分布，该强度分布至少在一个方向方面主要可以由矩形函数(Rechteckfunktion)(rect(x))描述。在此，具有百分比范围中的矩形函数偏差或者具有倾斜的侧面的实际强度分布同样可以称为平顶分布或平顶形。
由DE 10 2007 001 639 A1已知了一种文首述及类型的设备。在其中描述的设备中设置有多个多模式运行的激光光源。它们的激光射线在一个棒状的均匀器中混匀并且在此本身叠加。接着它们由准直透镜和聚焦透镜转换为工作面中的一种线状强度分布。
这样的具有线聚焦(Linienfokus)和均匀的强度分布的激光系统迄今在具有多模式激光源的很多技术应用中是众所周知的并且得到应用。对此的物理学基础是：多模式激光器的辐射可以分为射束并且这些射束能够接着几乎无干扰条纹地光学叠加并且能够混匀或者均匀化。这样由多模式激光源可以产生几乎任意几何形状的均匀的光场。在技术方面使用特别是具有矩形平顶强度分布的、矩形的和线状的光场。
在此证实为有问题的是：基本模式激光器不适合在DE 10 2007 001 639 A1中说明的均匀化和叠加。当今，基本模式激光器通常与早已众所周知的点聚焦共同使用。在少数例外情况中，在基本模式激光器中使用光束成形光学系统，其作用原理在物理上与在多模式激光器中根本不同：基本模式激光器的辐射是很内聚的，因而在本身相互叠加时产生严重的干扰条纹。因此在基本模式激光器中应用的光束成形在现有技术中通过衍射效应、就是说绕射地或者通过波阵面的内聚变形得以实现。
发明内容
本发明要解决的问题是：提供一种文首述及类型的设备，该设备在尽管使用基本模式激光器的情况下也能够在工作面内产生比较均匀的线状强度分布。
为此，本发明提供一种用于产生具有线状强度分布的激光射束的设备，该设备包括：
-多个用于产生激光射线的激光光源，所述激光光源相应构造成光纤激光器，其中，所述设备包括用于光纤激光器的端部或用于与光纤激光器连接的光导纤维的金属箍，其中，配属给各个激光光源的金属箍在多个共同的第一保持件内相互连接，
-用于将由激光光源发出的激光射线转换为在工作面内具有线状强度分布的激光射束的光学工具，其中，光学工具包括准直的和/或成像的透镜工具以及至少一个第二保持件，
其特征在于：激光光源构造成基本模式激光器，并且所述设备设计成使得由激光光源发出的激光射线中的每一个激光射线自身不叠加，其中，所述金属箍的至少一个第一保持件与所述光学工具的至少一个第二保持件相互连接成至少一个模块，并且所述设备具有包括第一保持件和第二保持件的所述模块中的多个模块，这些模块能够模块化地相互连接。
根据本发明规定：激光光源构造成基本模式激光器，并且所述设备设计成使得由激光光源发出的激光射线中的每一个激光射线自身不叠加。通过这种方式不产生干扰的干扰条纹，内聚光在自身叠加时产生这些干扰条纹。
特别是可以通过放弃典型的多透镜均匀器保障各个基本模式激光器的光自身不叠加。这样的多透镜均匀器将激光射线分成大量的分射束，并且接着这些分射束自身叠加。
可以规定：激光光源能够产生折射率(Beugungsmasszahl)M2小于2.0、特别是小于1.5、优选小于1.3的激光射线，例如能够产生折射率M2为1.05的激光射线。
优选激光光源相应构造成光纤激光器。在过去的几年里，根据用于所有类型的材料加工的销售额和件数，增长最快的激光器类型为光纤激光器。在多个应用领域中，光纤激光器相对传统的固体激光器和气体激光器显示出明显的性价比优势。光纤激光器的出众之处在于高的射束质量和清晰度并且创造了用于材料加工的新的功率记录。例如可以采购到高达50kW的基本模式激光器。通过根据本发明的设计具有的可能性是：利用光纤激光器的特殊性能挺进新的、迄今未达到的用于线聚焦应用的强度范围内。
可以规定：所述设备设计成使得工作面内的线状强度分布具有的长度与宽度的比率大于10、特别是大于20、优选大于30。具有大的纵横比的线状强度分布特别有益于多种用途。
所述设备可以设计成使得由各个激光光源发出的激光射线沿着线的纵方向基本上并排地设置在工作面内并且共同构成线状强度分布，其中，特别是仅仅各个激光射线的强度分布的侧面沿着线的纵方向叠加。通过这种方式在构造线时还避免了激光射线的不希望有的叠加。
光学工具可以包括准直的和/或成像的(abbildend)透镜。
另外存在的可能性是：光学工具包括至少一个转换构件，该转换构件能够将高斯分布转换为平顶分布，其中，转换构件例如可以是鲍威尔透镜或包括鲍威尔透镜。
特别地，所述设备可以包括多个转换构件，这些转换构件中的一个转换构件分别如下地配属给激光光源中的一个激光光源，即，由第一激光光源发出的激光射线延伸穿过第一转换构件，而由第二激光光源发出的激光射线延伸穿过第二转换构件。通过这种方式在工作面内相对矩形的强度分布可以相互连接，从而产生一条很均匀的线。
在此，一个转换构件或多个转换构件中的每一个转换构件另外能够通过转换将由它转换的激光射线均匀化，而在此相应的激光射线本身不叠加。这特别是因为一个转换构件或多个转换构件中的每一个转换构件如移相板那样将激光射线内的能量重新分配，而在此不实施叠加。只在邻接的、相对矩形的且在工作面内互相连接的强度分布之间发生叠加。但是这些强度分布并不是彼此内聚的，因而通过它们的叠加不产生干扰的干扰条纹。
存在的可能性是：所述设备包括用于光纤激光器的端部或用于与光纤激光器连接的光导纤维的金属箍(Ferrule)，其中，优选配属给各个激光光源的金属箍在至少一个共同的、特别是导热的第一保持件内相互连接。基于导热的第一保持件，激光光源可以在很高的功率的情况中运行。为了增大线的长度，可以将这些第一保持件中的多个第一保持件沿着线的纵方向相互连接。
另外存在的可能性是：光学工具包括至少一个第二保持件，该第二保持件特别是构造成导热的。在此至少一个导热的第二保持件还确保激光光源可以在功率很高的情况中运行。
可以规定：金属箍的至少一个第一保持件与光学工具的至少一个第二保持件相互连接成至少一个模块。在此特别是所述设备可以包括模块中的多个模块，所述模块包括第一保持件和第二保持件，这些模块能够模块化地、特别是沿着需产生的强度分布的纵方向相互连接。通过这种方式也可以增大线的长度。
附图说明
借助下文参照附图对优选实施例的说明使得本发明的其它特征和优点变得清楚明了。附图中：
图1为根据本发明的设备的第一实施方式的示意性侧视图；
图2为示意性曲线图，该曲线图为第一实施方式在线的纵向方面对工作面内的线状强度分布的产生加以说明；
图3为示意性曲线图，该曲线图在线的横向方面对工作面内的线状强度分布的产生加以说明；
图4为示意性曲线图，该曲线图示出工作面内的等强度线；
图5为根据本发明的设备的第二实施方式的示意性侧视图；
图6为示意性曲线图，该曲线图为第二实施方式在线的纵向方面对工作面内的线状强度分布的产生加以说明；
图7为示意性曲线图，该曲线图在线的横向方面对工作面内的线状强度分布的产生加以说明；
图8为示意性曲线图，该曲线图示出工作面内的等强度线。
具体实施方式
在附图中相同的或功能形同的部件或光束标注相同的附图标记。另外，为了容易明确方向，在一些附图中画出坐标系。
由图1中可以清楚看到的第一实施方式包括多个构造成基本模式激光器的激光光源。特别是激光光源为光纤激光器。在图1中画出一个光导纤维1的端部，该光导纤维要么是光纤激光器的组成部分要么与这个光纤激光器连接。光导纤维1为基本模式纤维。激光光源和/和光导纤维1的输出侧的端部沿着在图1中延伸进入绘图平面的X方向并排地设置。
在其中每根光导纤维1的端部上设置有一个导热的和热优化的金属箍。特别是在此，多根光导纤维1的金属箍收纳在一个共同的第一保持件2内，该第一保持件同样构造成导热的和热优化的。多个所述第一保持件2可以沿着X方向直线并排地设置并且特别是相互连接，使得纤维端部的直线排列可以在任意的总长度上延伸。此外，第一保持件2可以吸收散光。
沿着从光导纤维1的端部中射出的激光射线3的传播方向Z设置有光学工具，这些光学工具在第一实施例中包括至少一个准直的透镜工具4、特别是至少一个准直的透镜组。所述至少一个透镜组可以构造成伸缩镜筒(Teleskop)并且具有相互直线对置的透镜，这些透镜的口径分别集中在配属的光导纤维1的纤芯中心点(Faserkernmittelpunkt)上。由配属的或者对置的伸缩镜筒对从纤维端部中射出的光进行准直。
此外，所述设备包括至少一个用于至少一个准直的透镜工具4的散热的第二保持件5。这个第二保持件5可以包括导热的和热优化的管座，该管座承载一个或多个透镜工具4并吸收散光。
此外，所述设备的第一实施方式包括至少一个转换构件6、特别是至少一个透镜组，该透镜组可以将高斯形转换为平顶形。在此，在多个透镜组的情况下可以如下地设置其中每个透镜或者其中每个对置的透镜，使得口径分别集中在配属的光导纤维1的纤芯中心点上。
此外，所述设备的第一实施方式包括用于至少一个转换构件6的散热的至少一个第二保持件7。所述至少一个第二保持件7可以包括导热的和热优化的管座，该管座承载至少一个转换构件6并吸收散光。
此外，光学工具包括至少一个聚焦的透镜工具8或至少一个聚焦的透镜组，它可以将激光射线3聚焦到一个工作面9中。在示出的实施例中，至少一个聚焦的透镜工具8与至少一个转换构件6一样安置在相同的第二保持件7中。然而无论如何也存在的可能性是：如在图5示出的第二实施方式中的情况那样，至少一个聚焦的透镜工具8单独地安置或安置在保持件内。
透镜工具4的以及转换构件6的和它们的第二保持件5、7的长度与纤维端部的第一保持件2的长度如此协调，使得对置的纤维端部的和透镜工具4的以及转换构件6的第一及第二保持件2、5、7能够组合成光机的、热耦合的单元(子模块)。
构造成透镜组的转换构件6包括直线对置地设置成组的透镜，这些透镜由每束经准直的射束特别是在工作面9内产生矩形的强度分布10。由来自各个纤维端部和附属的透镜的辐射产生的射束轮廓拥有侧面10a，该侧面具有如下的沿着长轴(X方向)的强度下降，即，一个强度分布10的侧面10a与毗邻的强度分布10的侧面10a叠加成聚在一起的激光射束14的、不间断的且形状相同的线状强度分布11。
这在图2中得到说明，在该图中画出对于X方向的工作面内的强度I。在相应的强度分布10下方，纤维端部的图形重心(Bildschwerpunkt)的位置标记为12。在图3中相应地画出对于Y方向的工作面内的强度I。
图4示出的是工作面9内的等强度线13。在此，等强度线13在图4中还继续向右和向左延伸，特别是当应该产生一个沿着线的纵方向(X方向)很长的线状强度分布11时。等强度线13大致表明激光射束14在工作面内的剖面。
在图5的实施方式中没有设置用于将高斯形转换为平顶形的转换构件6或者透镜组。因此在那里例如至少一个聚焦的透镜工具8或至少一个聚焦的透镜组可以被安置在保持件内。
由于缺少用于将高斯形转换为平顶形的转换构件6，工作面9内的各个强度轮廓(Intensitaetsprofil)10具有高斯形。在第二实施方式中各个强度轮廓10也叠加成聚在一起的激光射束14的、不间断的线状强度分布11。这个不间断的线状强度分布11是不同的。然而它的波动对于很多的应用来说是可允许的。
这在图6中清楚地示出，在该图中画出对于X方向的工作面内的强度I。在相应的强度分布10的下方，纤维端部的图形重心的位置又标记为12。在图7中相应地画出对于Y方向的工作面内的强度I。
图8又示出工作面9内的等强度线13。在此，等强度线13在图8中还继续向右和向左延伸，特别是当应该产生一个沿着线的纵方向(X方向)很长的线状强度分布11时。等强度线13由于各个分激光射束的高斯形的原因同样为略微不同的。
在两种实施方式中，沿着金属箍的线的纵方向X的间距(Pitch)为设计参数之一，利用该设计参数可以将线聚焦的强度调节到所期望的值上。Pitch(间距)向下首(并且可实现的线聚焦强度向上)受到保持件的机械稳定性，必要的传热率和准直组的微透镜的最小口径尺寸和焦距的限制。
实例1：
在一种示例性的实施方式中可以使用市场上可采购到的、水冷的IPG FiberLaser YLR SM，其具有相应的功率1kW和M2＝1.05的折射率。
此外，作为光导纤维1可以使用单模光纤，它们的数值口径可以为0.1。
透镜组中的透镜的最小焦距可以为0.3mm。透镜组中的透镜的最小口径尺寸同样可以为0.3mm。由此工作面内的光点尺寸可以达到0.06mm。
口径完全照亮时的强度可以为1.41MW/cm2。各个矩形强度分布10的延伸例如沿着长轴(X方向)可以为2mm而沿着短轴(Y方向)可以为0.05mm。
通过各个强度分布10的排列可以产生0.5kW/mm的线功率(Linienleistung)或1000kW/cm2的线强度。

Claims (16)

1.用于产生具有线状强度分布(11)的激光射束(14)的设备，该设备包括：
-多个用于产生激光射线(3)的激光光源，所述激光光源相应构造成光纤激光器，其中，所述设备包括用于光纤激光器的端部或用于与光纤激光器连接的光导纤维(1)的金属箍，其中，配属给各个激光光源的金属箍在多个共同的第一保持件(2)内相互连接，
-用于将由激光光源发出的激光射线(3)转换为在工作面(9)内具有线状强度分布(11)的激光射束(14)的光学工具，其中，光学工具包括准直的和/或成像的透镜工具(4，8)以及至少一个第二保持件(5，7)，
其特征在于：激光光源构造成基本模式激光器，并且所述设备设计成使得由激光光源发出的激光射线(3)中的每一个激光射线自身不叠加，其中，所述金属箍的至少一个第一保持件(2)与所述光学工具的至少一个第二保持件(5，7)相互连接成至少一个模块，并且所述设备具有包括第一保持件(2)和第二保持件(5，7)的所述模块中的多个模块，这些模块能够模块化地相互连接。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：激光光源能够产生折射率M2小于2.0的激光射线(3)。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：激光光源能够产生折射率M2小于1.5的激光射线(3)。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：激光光源能够产生折射率M2小于1.3的激光射线(3)。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：激光光源能够产生折射率M2为1.05的激光射线(3)。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述设备设计成使得工作面(9)内的线状强度分布(11)具有的长度与宽度的比率大于10。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于：所述设备设计成使得工作面(9)内的线状强度分布(11)具有的长度与宽度的比率大于20。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述设备设计成使得工作面(9)内的线状强度分布(11)具有的长度与宽度的比率大于30。
9.如权利要求1至8之任一项所述的设备，其特征在于：所述设备设计成使得由各个激光光源发出的激光射线(3)沿着线的纵方向(X)基本上并排地设置在工作面(9)内并且共同构成激光射束(14)的线状强度分布(11)，其中，用于金属箍的第一保持件(2)中的多个第一保持件沿线的纵方向能彼此连接，以便增大所述线状强度分布(11)的长度。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于：仅仅各个激光射线(3)的强度分布(10)的侧面(10a)沿着线的纵方向(X)叠加。
11.如权利要求1至8之任一项所述的设备，其特征在于：光学工具包括至少一个转换构件(6)，该转换构件能够将高斯分布转换为平顶分布。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于：所述转换构件(6)是鲍威尔透镜或包括鲍威尔透镜。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于：所述设备包括多个转换构件(6)，这些转换构件中的一个转换构件分别如下地配属给激光光源中的一个激光光源，即，由第一激光光源发出的激光射线(3)延伸穿过第一转换构件(6)，并且由第二激光光源发出的激光射线(3)延伸穿过第二转换构件(6)。
14.如权利要求1至8之任一项所述的设备，其特征在于：多个共同的第一保持件(2)是导热的。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于：光学工具的所述至少一个第二保持件(5，7)构造成导热的。
16.如权利要求1至8之任一项所述的设备，其特征在于：所述模块能够模块化地沿着需产生的强度分布(11)的纵方向(X)相互连接。
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