CN105980912A - 用于激光加工机的、用于激光射线的射线成形的光学组件 - Google Patents

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Abstract

光学组件(1)，用于改变激光射线(2)的正交的两个射线横截面轴线(a，b)在焦平面(F)中的比例，其根据本发明包括：准直光具(4)，用于准直发散的激光射线(2a)；布置在该准直光具(4)后面的柱面透镜望远镜(5)，用于仅在第二射线横截面轴线(b)的方向上改变准直过的射线(2b)的射线横截面，其中，该柱面透镜望远镜(5)具有在射线方向(3)上具有正焦距、负焦距和正焦距的三个透镜或透镜组(51，52，53)，与在所述柱面透镜望远镜(5)的输入部上相比，所述透镜或透镜组在所述柱面透镜望远镜(5)的输出部上产生在第二射线横截面轴线(b)的方向上具有较小射线直径和较大剩余发散度的准直过的射线(2c)；以及布置在该柱面透镜望远镜(5)后面的聚焦光具(6)，用于聚焦在所述两个射线横截面轴线(a，b)的方向上准直过的激光射线(2b，2c)。

Description

用于激光加工机的、用于激光射线的射线成形的光学组件
技术领域
本发明涉及一种光学组件，其用于改变激光射线的两个正交的射线横截面轴线在焦平面中的比例。
背景技术
在激光材料加工的不同任务中，例如在工件的去层或表面处理(例如抛光，热处理)中以及在特定的焊接应用或切割应用中，所希望的是工件表面上的非圆形的焦点几何形状。在对工件去层或做表面处理时，激光射线通常被线形地聚焦到工件表面上。在此有利的是，线长度和线宽度之间的比例是可变的，以将加工光具构型为能在多方面使用，或者，以在工件特性或过程参数变化时不必更换整个加工光具。
用于改变聚焦到工件上的激光射线的直径的最简单的可能性在于聚焦光具在轴向上失调(Dejustierung)。在聚焦光具轴向移动时，加工平面从光具的焦平面运动出来。在此，利用在焦点后或焦点前发散的射线特性，以在工件表面产生较大的激光光斑。然而，激光射线的功率分布仅在焦平面中相应于光纤激光器或光导光纤的光纤端部上的功率分布(顶-帽轮廓，“Top-Hat”-Profil)，所述光导光纤是如使用在具有固体激光器的机器上的那种光导光纤。而在散焦较大时，功率分布更相应于角度分布(高斯轮廓)。由此，在该轮廓上形成强的功率密度波动。替代地，为了改变射线在焦平面中的直径，必须改变所述光学系统的成像比例。为了该目的，该光学系统的透镜组或单个透镜(所谓的变化器)布置成可轴向移动。因为通过变化器的移动，激光射线的焦点位置同样移动，所以在所述光学系统中必须布置可轴向移动的第二透镜(透镜组)。这种所谓的补偿器用于，将焦点位置重新移动到初始位置。所述变化器和补偿器的调整路程一般处于非线性的关系中。
为了改变光学系统的成像比例，由US 4,353,617已知，将可调整的无焦望远镜布置在激光光具的准直物镜和聚焦物镜之间的准直光路中。该无焦望远镜用于，将半导体激光器的具有椭圆形射线直径的输出射线变成具有圆形射线直径的射线。
发明内容
相对地，本发明的任务在于，提供用于激光加工机的光学组件，通过该光学组件可改变或调整激光射线的两个正交的射线横截面轴线的比例并且尤其可在工件表面上产生尽可能为线形的射线焦点，所述射线焦点具有能无级调整的长宽比。
根据本发明，该任务通过一种光学组件解决，所述光学组件用于改变激光射线的两个正交的射线横截面轴线的比例，该光学组件具有：准直光具，用于准直发散的激光射线；布置在该准直光具后面的柱面透镜望远镜，用于仅在第二射线横截面轴线的方向上改变准直过的射线的射线横截面，其中，该柱面透镜望远镜具有三个在射线方向上具有正焦距、负焦距和正焦距的透镜或透镜组，所述透镜或透镜组在柱面透镜望远镜的输出部上产生与在柱面透镜望远镜的输入部上相比在第二射线横截面轴线的方向上具有较小射线直径并从而具有较大剩余发散度的准直过的射线；以及布置在该柱面透镜望远镜后面的聚焦光具，用于聚焦在两个射线横截面轴线方向上准直过的激光射线。
根据本发明，所述柱面透镜望远镜在第一射线横截面轴线的方向上对激光射线不起作用，使得激光射线在工件上沿该方向的焦点直径不可变。以该方式实现，激光射线在第一射线横截面轴线方向上的射线质量不会由于柱面透镜望远镜而改变，从而保持不变，在所述第一射线横截面轴线方向上希望有高的射线质量。用于将准直过的输出射线成像到射线焦点中的聚焦光具布置在所述柱面透镜望远镜后面。激光射线在第一射线横截面轴线方向上的成像借助通过准直光具和聚焦光具实现的远心成像来实现。该方向上的成像比例M1仅通过准直焦距与聚焦焦距的比例确定。在第一射线横截面轴线的方向上，激光射线在工件上的焦点直径是不可变的，并且，激光射线的射线质量在穿过柱面透镜望远镜时保持不变，使得在该方向上形成具有高焦深的射线焦点。
所述柱面透镜望远镜在第二射线横截面轴线的方向上这样起作用，使得射入的准直过的射线的射线直径Din和剩余发散度被改变。根据本发明，该柱面透镜望远镜这样设计，使得射出的准直过的激光射线与射入的射线相比始终具有减小的射线直径Daus。射线直径的减小导致：射出的准直过的激光射线的剩余发散度大致以相同的系数变大。即根据本发明，所述柱面透镜望远镜的(角度)放大系数V＝Din/Dout大于1(V>1)。通过聚焦光具将准直过的激光射线以系数V放大地成像，其原因是，准直过的输出射线的更大的剩余发散度被转化成焦平面中的更大的图像，即被转化成在该方向上的更大直径。即在总体上，在该方向上通过光学组件以成像比例M2＝M1*V成像激光射线。基于望远镜镜片的成像误差，在第二射线横截面轴线的方向上出现射线质量恶化，但是该射线品质在该空间方向上可被接受。
所述柱面透镜望远镜的透镜组分别由两个或多个柱面透镜组成，以将成像误差保持小。替代地，该柱面透镜望远镜的至少第一透镜组以及必要时第二透镜组可完全通过非柱面透镜替换或部分通过非柱面透镜替换，以将所需的透镜数量最小化。
优选地，射入到所述准直光具中的发散的激光射线在两个射线横截面轴线的方向上具有相同的射线质量，并且，准直光具和聚焦光具实施成球面式或实施成非球面式的。
为了可通过所述光学组件可变地调整两个射线横截面轴线的比例，具有正焦距的两个透镜或透镜组中的一个透镜或透镜组和具有负焦距的透镜或透镜组分别可在轴向上移动，其中，对于具有正焦距的所述一个透镜/透镜组的每个移动位置，都存在具有负焦距的透镜/透镜组的一个移动位置，使得在柱面透镜望远镜的输出部上存在与在柱面透镜望远镜的输入部上相比在第二射线横截面轴线方向上具有较小射线直径和较大剩余发散度的准直过的射线。优选地，第二透镜组和第三透镜组实施为可在轴向上移动，但是替代地也可以是第一透镜组和第二透镜组可在轴向上移动。透镜组的轴向调整可借助调整螺钉手动地进行。但是替代地也可能的是，通过马达实施透镜组的调整并且将该调整与控制装置结合。在通过马达调整时，可在加工期间调整放大系数并从而调整工件上的功率密度。
为了实现能尽可能宽地调整的放大范围，有利地，所述三个透镜/透镜组的焦距f1、f2、f3，间距s12、s23以及所述具有负焦距的透镜/透镜组的移动路程的路程长度e处于以下限制中：
f1+f2≤s12≤f1+f3
0<s23<f3+f2(V+1)
0>f2＝[e/2-f1]*(1/2)
f3>-f2(V+1)
以该方式可实现最终成线形的射线焦点的不同长宽比的宽范围，而不必更换系统中的构件，所述宽范围例如为3:1至10:1。
优选地，在所述准直光具前面布置有光纤，激光射线从该光纤的光纤芯发散地射出。在光纤具有圆形光纤芯横截面的情况下，在焦点中获得椭圆形的射线横截面。在光纤具有方形或矩形光纤芯横截面的情况下，只要方形或矩形的光纤芯射出面的侧边与柱面透镜望远镜的主轴线平行地取向，在焦点中就获得矩形或近似线形的射线横截面。这种线形焦点例如最适合用于工件的去层或表面处理。
特别优选地，所述光纤和所述柱面透镜望远镜布置成能相对彼此围绕所述准直光具的光学轴线旋转，以可通过改变相对旋转位置来调整射线焦点的形状。如果光纤芯射出面的侧边与柱面透镜望远镜主轴线平行地取向，则获得矩形的射线焦点，而在所述光纤相对于柱面透镜望远镜未对准(Dejustage)时，获得菱形的焦点横截面，该菱形的焦点横截面对于工件的特定表面处理能够是有利的。
有利地，光学组件模块化地构造有可更换的准直光具和聚焦光具，以扩宽两个射线横截面轴线的不同比例的可实现范围并从而扩宽射线焦点的不同线长度和线宽度的可实现范围。
本发明也涉及一种激光加工机，其具有用于产生激光射线的射线产生器并且具有如上面所述的光学组件，该光学组件用于将激光射线成像到工件上。
所述激光加工机优选具有布置在所述光学组件前面的光纤，射线产生器的激光射线耦入到该光纤中。然后，激光射线发散地从该光纤射出。射线在光纤端面上的功率分布通过所述光学组件被成像到工件表面上。
在根据本发明的激光加工机的一种有利实施方式中，所述光纤和光学组件共同地(即作为单元)以可围绕准直光具的光学轴线旋转的方式受支承。因此，例如在方形或矩形光纤的情况下，可改变焦点线在工件上的优选方向。这例如在激光抛光或在用高亮光纤激光器切割时是有利的，其原因是，仅当焦点线的取向始终保持与运动轨迹成直角时，向工件中的功率引入才均匀地进行。
本发明的主题的其他优点和有利构型由说明书、权利要求书和附图得知。之前提到的特征以及之后还会举出的特征同样可分别单独使用或针对多个特征的情况以任意组合来使用。所示出的和所描述的实施方式不视为穷举，而是仅具有用于描述本发明的示例性特征。附图的图示极其示意地示出本发明的主题并且不应理解为按比例尺绘制。
附图说明
图1a、1b根据本发明的光学组件在激光射线的第一射线横截面轴线的平面中的光路(图1a)以及在激光射线的正交的第二射线横截面轴线的平面中的光路(图1b)；
图2根据本发明的光学组件在第二射线横截面轴线的平面中的光路，标出了焦距和透镜间距；
图3a、3b在角度放大倍数为V＝3(图2a)以及角度倍数放大为V＝9(图2b)时，图1所示的光学组件在第二射线横截面轴线的平面中的光路；
图4a-4c输入侧的圆形射线横截面变化成输出侧的椭圆形射线横截面的变化(图4a)，输入侧的方形射线横截面变化成输出侧的矩形射线横截面的变化(图4b)，输入侧的方形射线横截面变化成输出侧的菱形射线横截面的变化(图4c)；以及
图5示意性地示出根据本发明的激光加工机，该激光加工机具有图1所示的光学组件。
在后面的附图描述中，对相同的或功能相同的构件使用相同的附图标记。
具体实施方式
在图1a、1b中示出通过用于激光加工机的光学组件1的光路，该光学组件用于圆形激光射线2的射线成形，并且确切来说，图1a是在激光射线2的第一射线横截面轴线a的平面中，而图1b是在激光射线2的正交的第二射线横截面轴线b的平面中。这两个射线横截面轴线a、b分别与射线方向3成直角地延伸。
光学组件1包括：球面的或非球面的准直光具4，用于准直发散地入射的激光射线2a；以及布置在该准直光具4后面的柱面透镜望远镜5，用于仅在第二射线横截面轴线b中改变准直过的射线2b的射线横截面。柱面透镜望远镜5具有三个在射线方向3上具有正焦距、负焦距和正焦距的透镜或透镜组51、52、53，所述透镜或透镜组在柱面透镜望远镜5的输出部上产生与在柱面透镜望远镜5的输入部上相比在第二射线横截面轴线b中具有较小射线直径Dout和较大剩余发散度的准直过的射线2c。
光学组件1还包括布置在柱面透镜望远镜5后面的、球面或非球面的聚焦光具6，用于聚焦在两个射线横截面轴线a、b中准直过的激光射线2b、2c。
如在图1b中示出的那样，具有正焦距的第三透镜/透镜组53可在区域g内轴向移动，而具有负焦距的第二透镜/透镜组52可在区域e内轴向移动。在此，对于第三透镜/透镜组53的每个移动位置，都存在透镜/透镜组52的一个移动位置，使得在柱面透镜望远镜5的输出部上存在与柱面透镜望远镜5的输入部相比在第二射线横截面轴线b中具有较小射线直径和较大剩余发散度的准直过的射线2c。
柱面透镜望远镜5在第一射线横截面轴线a的方向上对激光射线2b不起作用，使得该射线直径在焦平面F中不可变。以该方式实现，激光射线在第一射线横截面轴线a的方向上的射线质量不会由于柱面透镜望远镜5而改变，从而保持不变，在所述第一射线横截面轴线a方向上希望有高的射线质量，从而有良好的可聚焦性。将激光射线成像到焦平面F中借助通过准直光具和聚焦光具4、6实现的远心成像来进行，并且光学组件1在该方向上的成像比例M1仅通过准直焦距与聚焦焦距的比例确定。
柱面透镜望远镜5在第二射线横截面轴线b的方向上这样起作用，使得射入的准直过的激光射线2b的射线直径Din和剩余发散度被改变。柱面透镜望远镜5这样设计，使得射出的准直过的激光射线2c与射入的射线2b相比始终具有减小的射线直径Dout。射线直径的减小导致：射出的准直过的激光射线2c的剩余发散度大致以相同的系数变大。即柱面透镜望远镜5的角度放大系数V＝Din/Dout大于1(V>1)。通过聚焦光具6将穿过光学组件1的激光射线以系数V放大地成像，因为准直过的输出射线2c的更大的剩余发散度被转化成焦平面F的更大图像，即被转化成沿该方向的更大直径。即光学组件1在该方向上的成像比例为M2＝V*M1。基于并未保持射线质量的成像，在第二射线横截面轴线b的方向上出现射线质量恶化，但是该射线质量在该空间方向上是可接受的。
在图2中为图1b中示出的光路补充了三个透镜组51、52、53的焦距f1、f2、f3和它们的透镜间距s12、s23以及第二透镜/透镜组52的移动路程的路程长度e，这些参数优选处于以下限制中：
f1+f2≤s12≤f1+f3
0<s23<f3+f2*(V+1)
0>f2＝[e/2-f1]*(1/2)
f3>-f2*(V+1)
其中，柱面透镜望远镜5的(角度)放大系数V通过V＝Din/Dout来定义(Din＝在柱面透镜望远镜5的输入部上沿第二射线横截面轴线b方向的射线直径，而Dout＝在柱面透镜望远镜5的输出部上沿第二射线横截面轴线b方向的射线直径)。
如在图1中还示出的那样，在准直光具4前面布置有光纤10，激光射线2a从该光纤的光纤芯11(参见图4a-4c)发散地射出，但是优选具有在两个射线横截面轴线a、b中相同的射线质量。
图3a、3b示出在放大倍数为V＝3(图3a)和为V＝9(图3b)时光学组件1在第二射线横截面轴线b的平面中的光路。为了在图3b中实现大的放大倍数，第二和第三透镜组52、53在轴向上分别这样移动，使得在柱面透镜望远镜5的输出部上存在准直过的激光射线2c，其具有与图3a相比较小的射线直径Dout以及具有与图3a相比相应较大的剩余发散度。
如在图4a中示出的那样，在光纤芯11为圆形的情况下，输入侧的圆形射线横截面在走过光学组件1之后在输出侧变成椭圆形射线横截面，该椭圆形射线横截面的长轴向为V*a。如在图4b中示出的那样，在光纤芯11为方形的情况下，只要方形的光纤芯射出面10a的侧边与柱面透镜望远镜5的主轴线平行地取向，则输入侧的方形射线横截面在走过光学组件1之后在输出侧变成矩形射线横截面。该矩形射线横截面的长侧边为V*a。
如在图4c中示出的那样，在光纤芯11为方形的情况下，只要方形的光纤芯射出面10a的以虚线示出的对角线与柱面透镜望远镜5的主轴线平行地取向，则输入侧的方形射线横截面在走过光学组件1之后在输出侧变成菱形射线横截面。该菱形射线横截面的长对称轴线为V*a。在光纤芯11为非圆形的情况下，光纤10和柱面透镜望远镜5布置为能相对彼此围绕准直光具4的光学轴线旋转，以可通过改变相对旋转位置来调整射线焦点的形状。
图5示意性地示出根据本发明的激光加工机20，其具有用于产生激光射线2的射线产生器21，以及具有用于将激光射线21成像到工件22上的光学组件1。激光产生器21的激光射线2被耦入到光纤10中并且作为发散的激光射线从光纤10射出，该光纤10的光纤芯射出面通过光学组件1被成像到工件表面上。
对于特定应用，光纤10和光学组件1可整体地(即作为单元)以能围绕准直光具4的光学轴线旋转的方式受支承。因此，例如在方形或矩形光纤的情况下，可改变焦点线在工件上的优选方向。

Claims (11)

1.光学组件(1)，用于改变激光射线(2)的正交的两个射线横截面轴线(a，b)在焦平面(F)中的比例，该光学组件具有：
准直光具(4)，该准直光具用于准直发散的激光射线(2a)；
布置在该准直光具(4)后面的柱面透镜望远镜(5)，该柱面透镜望远镜用于仅在第二射线横截面轴线(b)的方向上改变准直过的射线(2b)的射线横截面，其中，该柱面透镜望远镜(5)具有三个透镜或透镜组(51，52，53)，所述三个透镜或透镜组在射线方向(3)上具有正焦距、负焦距和正焦距，所述透镜或透镜组在所述柱面透镜望远镜(5)的输出部上产生准直过的射线(2c)，所述准直过的射线与在所述柱面透镜望远镜(5)的输入部上相比在第二射线横截面轴线(b)的方向上具有较小的射线直径和较大的剩余发散度；
以及布置在该柱面透镜望远镜(5)后面的聚焦光具(6)，该聚焦光具用于聚焦在所述两个射线横截面轴线(a，b)的方向上准直过的激光射线(2b，2c)。
2.如权利要求1所述的光学组件，其特征在于，进入到所述准直光具(4)中的、发散的激光射线(2a)在所述两个射线横截面轴线(a，b)的方向上具有相同的射线质量。
3.如前述权利要求中任一项所述的光学组件，其特征在于，具有正焦距的两个所述透镜或透镜组中的一个透镜或透镜组(53)和具有负焦距的透镜或透镜组(52)能在轴向上移动，其中，对于具有正焦距的所述一个透镜或透镜组(53)的每个移动位置，都存在所述具有负焦距的透镜或透镜组(52)的一个移动位置，使得在所述柱面透镜望远镜(5)的输出部上存在准直过的射线(2c)，所述准直过的射线与在所述柱面透镜望远镜(5)的输入部上相比在所述第二射线横截面轴线(b)的方向上具有较小的射线直径、但是具有较大的剩余发散度。
4.如前述权利要求中任一项所述的光学组件，其特征在于，所述柱面透镜望远镜(5)的三个透镜或透镜组(51、52、53)的焦距(f1、f2、f3)和间距(s12、s23)以及具有负焦距的透镜或透镜组(52)的移动路程的路程长度(e)处于以下限制中：
f1+f2≤s12≤f1+f3
0<s23<f3+f2*(V+1)
0>f2＝[e/2-f1]*(1/2)
f3>-f2*(V+1)
其中，V是所述柱面透镜望远镜(5)的角度放大系数。
5.如前述权利要求中任一项所述的光学组件，其特征在于，在所述准直光具(4)的前面布置有光纤(10)，激光射线(2a)从所述光纤的光纤芯(11)发散地射出并且所述光纤的光纤芯射出面(10a)布置在所述准直光具(4)的焦平面区域中。
6.如权利要求5所述的光学组件，其特征在于，所述光纤芯(11)具有圆形的、方形的或矩形的光纤横截面。
7.如权利要求6所述的光学组件，其特征在于，方形的或矩形的光纤芯射出面(10a)的侧边与所述柱面透镜望远镜(5)的主轴线平行地取向。
8.如权利要求5至7中任一项所述的光学组件，其特征在于，所述光纤(10)和所述柱面透镜望远镜(5)布置成能相对彼此围绕所述准直光具(4)的光学轴线旋转。
9.激光加工机(20)，具有用于产生激光射线(2)的射线产生器(21)以及具有如前述权利要求中任一项所述的光学组件(1)，所述光学组件用于将所述激光射线(2)聚焦到工件(22)上。
10.如权利要求9所述的激光加工机，其特征在于，在所述光学组件(1)前面布置有光纤(10)，激光射线(2a)从所述光纤的光纤芯(11)发散地射出。
11.如权利要求10所述的激光加工机，其特征在于，所述光纤(10)和所述光学组件(1)共同地以能围绕所述准直光具(4)的光学轴线旋转的方式受支承。
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