CN107646093A - 用于借助于激光辐射加工材料的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于激光辐射加工材料的装置，所述装置包括：用于将激光束聚焦到工件上的聚焦光学器件(15)和用于调节强度分布的调节光学器件(20)。所述调节光学器件包括至少两个板状光学元件(10)，所述至少两个板状光学元件在所述激光束(14)的光束路径中一个接一个地布置，在圆周方向上能够相对于彼此旋转，且所述板状光学元件中的每一个都具有扇形块面构成的圆形型式，所述扇形块面在圆周方向上相对于各自的板平面交替倾斜。

Description

用于借助于激光辐射加工材料的装置
技术领域
本发明涉及一种用于借助于激光辐射加工材料的装置。
背景技术
在激光加工期间，即借助于激光辐射加工材料、例如激光焊接或激光切割，从激光光源、例如激光光纤的端部发射的激光束借助于光束引导和聚焦光学器件被聚焦在待加工的工件上。焦点的直径，即激光光源在工件上的图像的直径是引导和聚焦光学器件的各个光学元件的光学数据得出的结果。如通常那样，如果使用了具有准直光学器件和聚焦光学器件的光束引导和聚焦光学器件，光束引导和聚焦光学器件的激光是经由光纤提供，则焦点直径是纤芯直径与聚焦焦距的乘积除以准直焦距的结果。
根据片材的厚度，激光切割需要不同的激光束直径。这里，待切割的材料的厚度越大，激光束直径应该越大。例如，厚度多达5mm的片材需使用约125μm的焦点直径，而用于切割厚度为5mm至10mm的片材，则需要两倍大的焦点直径，即约250μm的焦点直径。从片材厚度为10mm起，使用引导和聚焦光学器件，其提供的焦点直径约为600μm或更大。然而，高切割边缘质量只能实现定制束焦散。否则，在切割边缘处形成凹槽、脊和毛刺。
在大的焦点直径的情况下，在焦点上形成强度分布的环形轮廓是有利的，因为这使得在切割切口中产生更均匀的温度分布。因此，可以通过切割气体更有效地排出熔融材料。
DE 28 21 883 C2已经公开了一种用于借助于激光辐射加工材料、例如钻孔、冲压和焊接材料的装置，其中，在用于加宽激光束的准直光学器件和用于将激光束聚焦到工件之上的聚焦系统之间，获得由透明折射材料组成的圆锥体(轴椎体)，所述轴锥体用于远离轴线和靠近轴线的激光加工光束的横截面区域的轴对称反转。然后，聚焦光学器件根据激光加工光束的变化的光束特性将激光加工光束聚焦到工件上的环形区域中。因此，通过使用轴锥体，在激光加工光束中的强度分布是变化的，使得在焦点区域中出现环形轮廓。
从DE 10 2013 102 442 A1中已知在用于使用激光材料加工的光学装置中，在相对于激光束可以横向移动的聚焦光学器件和准直光学器件之间提供双折射光学元件。这里，折射光学元件配置为板状元件，板状元件的相互面对的表面被成形为使得可以通过位移来模拟具有可变锥角的轴锥体。从而，可以制造顶帽轮廓和环形轮廓。环形直径可以连续被调节。
从WO 2013/086227 A1已知一种装置，该装置中，聚焦在工件上的光束特性不是通过光束引导和聚焦光学器件的干预获得的，而是在将激光辐射提供给光束引导和聚焦光学器件的光纤的激光出口端部获得光束特性。为此，激光束借助于可移动的耦合装置以不同的角度耦合到工艺光纤中，以便仅激发几种光纤模式。因此，可以产生高斯/顶帽轮廓以及环形轮廓。环形直径也可以连续被调节。这里，利用了光纤的入口侧的数值孔径等于出口侧的数值孔径的物理特性。
此外，已经提出了具有在圆周方向上形成锯齿形轮廓的圆周或方位角相斜面的反射玻璃板。锯齿形轮廓在内侧比在外侧更倾斜。利用这样的元件，可以制造具有固定直径的环。
DE 10 2011 113 980 A1公开了一种具有可变折射率的透镜系统，其中，两个平凸透镜围绕光轴可旋转地布置，且它们的平面表面堆叠。在这种情况下，凸透镜表面分别具有一个具有折射率的螺旋状曲率轮廓，该折射率随着围绕轴线旋转的角度而连续地增加或减小，并且在各自的零角度方向处具有至少一个方位角阶跃折射率。在透镜相对于彼此旋转期间，折射率以及因此的一对透镜的焦距变化。必须涵盖方位角阶跃。
US 2007/0139798 A1涉及一个具有径向棱镜光分流器的LED发射器。在LED前方沿主发射方向布置的径向棱镜光分流器在背离LED的一侧包括具有扇形块面构成的圆形型式的表面，该圆形型式在圆周方向上相对于各自的板平面交替倾斜。
此外，已知在激光焊接中的问题、例如溅射和孔隙的形成可以通过操作激光束的快速、周期性偏转来减少。
例如，从WO 2014/038395 A1已知一种激光加工头，在激光加工头中，由马达旋转的楔形板布置在光束路径中，以将操作激光束引导到圆形路径上。
已知DE 10 2012 008 940 A1公开了另外一种激光加工头，在激光加工头中，激光束在x方向上具有振荡运动分量的第二运动叠加在沿y方向的前进速度上，使得用于加工工件的激光束在圆形路径上相交。
在从US 8237085 B2已知的激光加工头中，激光束的强度分布在垂直于光束轴的方向上通过振动镜在时间上平均。
DE 44 30 220 A1公开了一种振动镜加工头，使聚焦镜、平面镜和电流计扫描器整合到振动镜加工头中。激光束被聚焦镜聚焦，并经由被电流计扫描器控制的平面镜引导到工件之上。激光束的形成是在正弦谐波束振荡作为驱动函数的基础上由电流计扫描器执行以控制工件上的强度分布。
DE 10 2014 105 941 A1描述了一种用于激光束焊接的方法，在该方法中，在焊接期间激光束平行于和/或垂直于焊缝执行空间振荡运动，并且熔池的固化是由与空间振荡同步地执行的激光束强度和/或激光束准直的附加的时间振荡控制的。这里，激光束能量的时间振荡通过改变光束源的激光功率和/或通过调整轴向光束方向上的准直，即通过加宽或聚焦光束来实现。
发明内容
本发明基于提供一种用于借助于激光辐射加工材料的装置和方法的目的，借助于所述装置和方法，焦点直径和光束特性两者、特别是在焦点区域中，即在焦点区域中的能量分布，可以在操作期间不需要更换引导和聚焦光学器件而改变。
根据本发明，通过根据权利要求1的用于借助于激光辐射加工材料的装置和根据权利要求20的方法来实现本发明的目的。在相应的从属权利要求中描述了本发明的有利的实施例和进一步的发展。
根据本发明，用于借助于激光辐射加工材料的所述装置在激光束的光束路径中包括至少一个板状光学元件，所述板状光学元件的一个表面具有扇形块面构成的圆形型式，所述扇形块面在圆周方向上相对于各自的板平面交替倾斜。利用这样的光学元件，激光焦点在光束平面中被分裂为围绕光束路径的光轴环形排列的多个点。然后，如果所述板状光学元件移入和移出所述激光束的光束路径，在光束平面中的激光束的功率密度分布则可以在点分布(光斑)和环形分布(环)之间切换。
根据本发明的另一方面，用于借助于激光辐射加工材料的所述装置包括至少两个板状光学元件，所述至少两个板状光学元件在光束路径中一个接一个地布置并且在圆周方向上相对于彼此是可旋转的。所述板状光学元件中的每一个都包括具有扇形块面构成的圆形型式的表面，所述扇形块面在圆周方向上相对于各自的板平面交替倾斜。因此，狭窄扇形的且优选平面的块面交替地形成楔形板扇区，所述楔形板扇区使激光束的相应的扇形区域在相反方向上偏转。
根据所述两个板状光学元件相对于彼此的角度位置，可以利用根据本发明的调节光学器件产生在聚焦光学器件的焦点中或焦平面中的点形强度分布或环形强度分布。因此，根据本发明，在激光束加工期间通过板状光学元件相对于彼此旋转也可在环形轮廓和高斯/顶帽轮廓之间切换，使得在不改变激光加工头的光束引导和聚焦光学器件的情况下也可以在一个操作步骤中生产或直接连续地生产具有不同材料厚度的片材。
虽然原则上可以想到，扇形块面具有不同的宽度，但是如果板状光学元件的所有扇形块面都具有相同的方位角宽度则是有利的。
所述调节光学器件的所述板状光学元件的扇形块面的表面是平面的或弯曲的或具有两个或更多个不同地倾斜的部分。
有利地，所述调节光学器件的所述两个板状光学元件以它们的扇形块面型式彼此面对，其中，所述调节光学器件的所述两个板状光学元件可围绕与激光束的中心轴线同轴的轴线旋转，其中，所述调节光学器件的所述两个板状光学元件的扇形块面型式具有相同数量的块面，并且使块面表面以相同的角度倾斜。这样的布置使得可以确保携带扇形块面型式的所述两个光学元件的表面以非常小的距离彼此面对，使得两个表面的光束偏转根据光学元件的角度位置理想地相互补充或抵消。因此，可以获得尽可能好的点轮廓(高斯/顶帽)以及尽可能整齐的环形轮廓。
在本发明的一个有利的发展中，可使得所述调节光学器件包括具有扇形块面型式的另外的板状光学元件。所述另外的板状元件可以具有与所述前两个板状元件相同的特性。为了能够以尽可能多种不同的方式改变在焦平面中的能量分布，特别地可使得所述另外的板状光学元件包括与所述前两个板状光学元件的扇形块面型式不同的扇形块面型式。
在这种情况下，所述另外的板状光学元件的块面表面可以相对于板平面以与所述前两个板状光学元件的倾斜角不同的角度、特别是与所述前两个板状光学元件的倾斜角之和一样大的角度倾斜。通过在激光加工光束的光束束中组合三个具有扇形块面型式的板状光学元件，两个不同的环形轮廓可以彼此组合，从而使得光束特性、即激光束中的强度分布可根据目前材料加工需要哪种强度分布而在很宽的范围内变化。
此外，所述另外的板状光学元件的块面可具有与所述前两个板状光学元件的块面的方位角宽度不同的方位角宽度。
有利地，可使得块面表面相对于板平面的倾斜角在±0.1°和±0.6°之间。
如果块面的偶数数目为18至72，优选为24至40，特别是36，则可以实现激光能量在环形轮廓中的特别均匀的分布。
尽管，原则上，根据本发明在激光束的发散区域或会聚区域中布置所述调节光学器件也是可能的，但是根据本发明，可使得准直光学器件用于加宽激光束，并且西门子星形光学器件布置在准直光学器件和聚焦光学器件之间。
在本发明的一个优选实施例中，可使旋转驱动器分配给所述板状光学元件中的至少一个，以使得所述板状光学元件可以在激光加工期间被驱动，以便以恒定的或可变的速度旋转。
如果所述调节光学器件包括两个或更多个板状光学元件，激光束的功率密度分布就可以周期性地变化，由此，当使用相应高的调制频率时，实现了在焦点中的准连续的光束加宽。
如果仅存在一个板状光学元件，通过所述板状光学元件的旋转则不能调制激光束的功率密度分布，但是，有利地，可使环形轮廓中的功率密度分布在圆周方向上均匀化，因为环形轮廓本身在平行于板状光学元件的平面的平面中旋转，即，因为环形轮廓的各个光斑基本上围绕光轴旋转。这里，在环形轮廓的一个点中的功率密度的时间分布对应于在圆周方向上的功率密度的空间分布。这不仅补偿了点结构引起的功率密度的差异，而且补偿了基于制造公差的差异。
有利地，相应的旋转驱动器分配给所述板状光学元件中的相应一个，旋转驱动器可独立地驱动，使得所述板状光学元件中的每一个的旋转的速度和旋转的方向可以自由地被选择。利用这样的装置，激光束的功率密度分布可以在时间上经由旋转的速度和在空间上经由所选择的扇形块面的几何结构以及各个旋转驱动器的启动或停用而改变。
在使用根据本发明的所述装置借助于激光辐射加工材料期间，有利的是，在激光加工期间，所述板状光学元件中的至少一个以恒定的或可变的速度旋转，以便以期望的调制频率改变功率密度分布。
有利地，可使所述至少两个板状光学元件都以相同或不同的速度沿相反方向旋转，使得功率密度分布的调制可以适应于加工任务的各自的要求。
为了在激光加工期间不仅能够改变功率密度分布而且能够改变功率本身，在一个或更多个所述板状光学元件旋转的同时调制激光器的输出功率，激光器的调制频率被耦合到功率密度分布的调制频率。
附图说明
在下文中，参照附图通过示例更详细地说明本发明。在图中：
图1示出了具有西门子星形几何形状的板状光学元件的透视图，其中，以夸张的方式示出了块面表面的倾斜角，
图2是用于聚焦平行光束的聚焦光学器件的示意图，其中，调节光学器件的单个板状光学元件布置在光束中，
图3a示出了调节光学器件的具有八个块面的简化的板状光学元件的平面示意图，
图3b是根据本发明的用于调节光学器件的板状光学元件的侧视图(展开图)，
图4示出了在焦平面之前、焦平面之中和焦平面之后的光束特性的示意图，
图5示出了根据本发明的用于形成调节光学器件的两个板状光学元件的布置，
图6示出了在激光加工头中用于激光加工的光束引导和聚焦系统，其中，在激光光束路径中布置有具有两个板状光学元件的调节光学器件，以及
图7示出了根据本发明的用于形成调节光学器件的三个板状光学元件的布置，其中，中心的一个板状光学元件的两侧被型式化。
具体实施方式
在附图中，相应的部件具有相同的附图标记。
图1示出了一个板状光学元件10，其由透明盘、特别是由石英玻璃或硫化锌制成的平面玻璃的透明盘组成，其在一侧上具有在方位角或圆周方向上倾斜的西门子星形块面。因此，块面是窄的扇区或圆扇区，类似于被称为西门子星的圆形测试型式，块面交替地具有白和黑扇区，在圆周方向上也有交替倾斜。因此，两个相邻的块面形成屋顶形状或V形谷形，其中，两个一起形成屋顶形状的块面中的每一个与它们的另一相邻块面形成V形。根据已知的用于测试成像质量的西门子星，具有以西门子星形状布置的块面的板状光学元件在下文将被称为西门子星形光学器件。
每个扇区的块面表面与平面立面一同形成楔形板，该楔形板具有准直光束的分配的圆形扇区的均匀的光束偏转。在附图中，块面的倾斜角以夸张的方式示出，即在±15°。块面、即扇区各自在方位角或圆周方向上覆盖10°的角度范围。这使得一共有36个块面，即在整个圆中的每个倾斜角的18个块面。
如图2所示，如果在激光束源(未示出)的加宽的平行光束路径14中在聚焦光学器件15之前布置一个西门子星形光学器件，则在聚焦光学器件15的焦平面F中产生由各个光点(所谓的光斑)组成的环形焦点图像。来自各个块面的各个光斑在焦平面之前的平面I和在焦平面之后的平面II中以或多或少地模糊的方式示出。
在下文中，描述了具有八个扇形块面的高度简化的西门子星形几何形状。根据图3a所示，西门子星形光学器件10包括八个块面1至8，它们倾斜成：使得屋顶线位于块面1和2、3和4、5和6、7和8之间，而谷线位于块面2和3、4和5、6和7、1和8之间。因此，如图3b所示，相应的倾斜角β1、β2交替正负。因此，相对于板的平面，即相对于板状西门子星形光学器件10的平坦侧的平面，确定倾斜度。
准直激光束14落在图2中的西门子星形光学器件10上，然后通过聚焦透镜15聚焦到焦平面F中。在图3a中所示的块面导致光束在不同方向上的区块式偏转。图4示出了在焦平面F之前(平面I)、焦平面F之中(焦平面F)和焦平面F之后(平面II)的光束轮廓。在焦平面F之前和焦平面F之后的光束轮廓中，由于离焦，块面的三角形形状是明显的，而在焦点本身的光束轮廓是由单独的点或光斑组成。
由优选地准直激光束14在倾斜块面处的折射引起的偏转角θ由倾斜角β和所用材料的折射率n计算。因此，偏转角θ＝β(n-1)。这个公式在小角度近似是充分有效的假设情况下适用，其以直至约5°的角为条件。在焦点中的环形直径是由偏转角θ和焦点f计算：
环形这里是一些示例：
进行模拟以说明根据本发明的使用西门子星形块面结构的波束形成的优点。
在图6中示出了光束引导和聚焦光学器件的基本结构，技术参数如下表所示：
这里，NA＝数值孔径。
如图6所示，从光纤16发射出的发散激光束14'被准直光学器件17转换成平行的激光束14，平行激光束14由聚焦透镜15聚焦在工件18上。根据图6，调节光学器件20、即用于调节强度分布的折射光学器件被插入到平行激光束14中。如图2所示，对于下面的模拟，使用具有块面结构的单个西门子星形光学器件。
有了这个基本结构，已检查以下四个配置：
在模拟中，在焦点之前3mm处、焦点处和焦点之后3mm处确定能量分布或光束轮廓。在第一种情况下，使用根据图6的光束引导和聚焦光学器件而没有调节光学器件。在第二个示例中，根据本发明的西门子星形光学器件放置在两个透镜之间。在第三个模拟中，在光束路径中布置了一个轴锥体、即倾斜角为0.1°的锥体。作为通过光纤的光束形成的一种替代的可能性，使用具有环形芯的阶跃折射率光纤，其中，也没有将另外的光束形成元件引入光束路径中。模拟结果如下表所示：
因此，模拟显示，根据本发明的板状光学元件、即西门子星形光学器件的西门子星形块面结构最适合于在焦平面之前和在焦平面之后尽可能广泛的范围内产生环形轮廓。
如图2所示，当单个西门子星形光学器件10插入到激光束14的光束路径中时，获得与上述配置#2(环)对应的环形功率密度分布。为了获得根据上述配置#1(光斑)的点形功率密度分布，西门子星形光学器件10仅需要从激光束14的光束路径中取出。如图2中的双箭头D所示，为了在光斑和环形模式之间切换并回到光斑模式，单个西门子星形光学器件10仅需要插入到激光束14的光束路径中，然后再次移除。
如果插入到光束路径的单个西门子星形光学器件10被合适的旋转驱动器旋转，如下面结合本发明的另一实施例更详细地说明，可以确定特别是在圆周方向上的焦平面上在环形轮廓中的功率密度分布，因为环形轮廓本身在焦平面中旋转，即，因为环形轮廓的各个光点或光斑基本上围绕光轴旋转。这里，在环形轮廓的一点处的功率密度的时间分布对应于在圆周方向上的功率密度的空间分布。这不仅允许补偿由点结构引起的功率密度差异，而且允许补偿基于制造公差的差异。
为了实现激光焦点的点形和环形轮廓之间的连续混合比，根据本发明使用了参考图1-4描述的类型的两个西门子星形光学器件。
两个西门子星形光学器件10串联连接以形成根据本发明的用于调节强度分布的调节光学器件20(见图5)，使得单独的西门子星形光学器件10的光束偏转相加。根据两个西门子星形光学器件10的相对角度位置出现三种不同的情况。当西门子星形光学器件10彼此面对而没有扭转块面周期角的倍数、从而使得相反倾斜的块面彼此面对时，光束偏转被建设性地相加，并且产生的环形轮廓的直径是单个西门子星形光学器件10产生的环形轮廓的直径的两倍大。当西门子星形光学器件相对于彼此扭转块面周期角的一半、从而使得相同倾斜的块面彼此面对时，即当一个西门子星形光学器件10的屋顶面向另一西门子星形光学器件10的谷、反之亦然时，第一个西门子星形光学器件10的光束偏转几乎完全被第二个西门子星形光学器件10抵消。在这个位置，两个西门子星形光学器件10就像平面平行的板。因此，在焦平面上产生点形焦点，就好像没有调节光学器件20一样。此外，相对于彼此扭转的所有其它角度位置也是可能的，从而使得每一个块面既与相同倾斜的块面相对，又与相反倾斜的块面相对。因此，产生了由环形和点组成的混合轮廓。在光束轮廓上的功率分布取决于相应的重叠区域。
对于根据本发明的类似的调节光学器件20也进行了相应的模拟。为此，如图6所示，调节光学器件20插入在准直透镜17与聚焦透镜15之间。如图所示，仅对准直光束区域中的调节光学器件20的布置进行模拟。然而，如图6中的虚线所示，根据本发明的偏转原理也应在会聚光束区域或发散光束区域(未示出)中起作用。
在具有两个元件的调节系统20的模拟中，使用了板状西门子星形光学器件10，板状西门子星形光学器件10的西门子星形块面结构具有角度范围为10°的块面和±0.2°的块面倾斜角。尽管这些元件可以基本上布置成使得任何表面可以彼此面对，但是这些光学元件在这里布置成使得它们的块面以相距1mm的距离彼此面对，类似于图5。这具有如下优点：即偏转效应相互补充或抵消，如下表中最后两行所示。
为了能够尽可能准确地确定激光加工中的适用性，在模拟期间考虑了制造公差。为此，屋顶的径向延伸的顶端和谷的谷底以方位角宽度10μm被平坦化。这产生了不受光束形成的影响、且因此总是成像为焦点中心的点的光束部分。根据模拟，这个部分最大为2％，其在材料加工的使用中完全可以忽略。
在模拟中，很明显，即使在距离焦平面的小轴向距离处(0.35μm)也不能识别出块面的单个图像，并且导致几乎均匀的环形轮廓出现。为了说明的目的，在下表中计算了两个平面中的光束轮廓。下表显示了两个元件之间各种相对角度的相应结果。
然而，根据本发明的调节光学器件20也可以由两个以上的元件组成，例如，如图7所示。为了在这种情况下获得对单个元件的光束偏转的完全补偿，并且为了能够最佳地组合不同的光束轮廓，当一个元件的块面的倾斜角为倾斜角相等的另外两个光学元件的块面的倾斜角的两倍大时是有利的。如果调节光学器件是由四个元件组成，则第四个元件的块面的倾斜角必须与其它三个元件的块面的倾斜角之和一样大。例如，前两个元件的倾斜角为±0.1°，第三个元件的倾斜角为±0.2°时，第四个元件的块面的倾斜角应选择为±0.4°。
在一个模拟中，使用的调节光学器件包括具有西门子星形块面的三个光学元件，即包括三个西门子星形光学器件10，其中一个元件的块面是其它两个元件的块面陡峭度的两倍(±0.2°)，其它两个元件的块面只倾斜±0.1°。这两个可以单独旋转。因此，可以产生点形焦点以及具有不同直径(600μm和300μm)的两个环形以及任何期望的混合形状。如上所述，通过使顶端和谷底平坦化，这里也考虑了可能的制造公差。
模拟的结果如下表所示：
在上表中，第一行显示元件的一相对位置，其中，光束偏转最佳地相加，这使得可通过器件达到最大直径。第二行和第三行示出了在两个元件的效果以相同的倾斜角最佳抵消的角度位置处的结果，使得环形直径仅由具有大倾斜角的元件的块面的倾斜角确定。第四行示出了当元件相对于彼此扭转成使光束偏转最佳地抵消时，焦点中的强度分布的情况。这个结果对应于表的最后一行所示的没有调节光学器件的比较示例。
表格的其余行显示任意混合的形状。
例如，当使用根据本发明的调节光学器件时，在具有相应焦距为100mm的准直透镜和聚焦透镜的激光切割头的情况下，该激光切割头通过数值孔径为0.12的100μm光纤提供激光辐射，根据本发明通过包括两个元件的调节光学器件，可以实现环和光斑(点)状态之间的快速切换。这使得可以在需要大直径的焦点的“厚板”操作模式和仅需要点形激光焦点的“薄板”操作模式之间切换。如模拟所示，也可以通过小于一个块面的旋转，即通过小于一个块面的角度的角度旋转来产生环形和点形光束特性的混合状态，使得可以根据需要在激光切割期间选择光束轮廓中的最佳能量分布。
当在本发明的一个实际实施例中所使用的调节光学器件的板状光学元件(西门子星形光学器件)具有30mm的直径、并且包括18个双块面(即36个具有10°扇形角的块面)时，当两个西门子星形光学器件相对于彼此扭转一个块面时，边缘位移2.6mm。例如，当可移动的光学器件安装在未详细示出的空心轴中并且由可以移动可旋转的西门子星形光学器件的边缘的步进电机以v＝250mm/s的速度驱动时，可以以高速度实现这种位移。然后，获得大约10毫秒的切换时间，从而可以实际上在没有中断的情况下执行从环到光斑的切换或反之亦然。
然而，利用由两个或更多个西门子星形光学器件10组成的调节光学器件20，不仅可以从环到光斑切换或反之亦然，而且可以以高频调节聚焦在工件上的激光束的空间强度分布，以提高激光切割和激光焊接期间的质量。为此，需要具有两个或更多个相继的西门子星形光学器件10的调节系统20，其中的至少一个西门子星形光学器件围绕光轴可旋转地安装并且可以旋转。如上所述，调节光学器件20可以布置在光束路径的准直、发散或会聚部分中。
为了将焦平面中产生的强度分布从光斑切换到环，N双分段(双块面)的西门子星形光学器件10相对旋转360°/2N就足以。在360°/N的相对旋转的情况下，发生从光斑到环和回到光斑的变化。这相当于一个振荡周期。
因此，强度分布的调制频率相当于西门子星形光学器件10的相对旋转频率的N倍。因此，一对西门子星形光学器件10提供了一种光学传输，即使一个或所有西门子星形光学器件10在小的旋转频率下，该光学传输也提供了用于在焦平面中的激光束14的强度分布的高调制频率。
例如，当调节光学器件20具有两个西门子星形光学器件10时，所述两个西门子星形光学器件10的西门子星形表面分别具有N＝20个双面或分段，并且对于西门子星形光学器件10中的至少一个使用具有100Hz的旋转频率的驱动器，强度分布以2千赫兹的频率在光斑模式和环模式之间调制。
特别地，可以想到以下操作模式：
-只有一个西门子星形光学器件10以频率f旋转。于是调制频率相当于N*f。
-两个西门子星形光学器件10分别以旋转频率f1和f2相对于彼此旋转。调制频率相当于N*(f1+f2)。
如果使用两个以上的系统，
-正如上面已经解释的那样，可以产生具有不同直径的环形强度分布；也
-调制频率可以进一步提高。
为此，每个西门子星形光学器件必须始终与它的相邻的西门子星形光学器件沿相反方向旋转。具有旋转频率fi的调制频率为N*(ΣMfi)。例如，当使用三个西门子星形光学器件，每个具有N＝20个双面和100赫兹的旋转频率时，强度分布以6千赫兹的频率在光斑模式和环模式之间调制。
作为示例，如图7所示的配置将被使用。如图7所示，调节光学器件30包括三个西门子星形光学器件10.1、10'.2和10.3，中心的西门子星形光学器件10'.2两侧被型式化。因此，共有四个西门子星形表面O1、O2a、O2b、O3，分别具有N个双块面。两个相对布置的西门子星形表面O1和O2a具有相同的块面节距或倾斜角β1。另外两个相互相对的西门子星形表面O2b和O3具有相同的块面节距或倾斜角β2，其中，倾斜角β1以不详细规定的方式与倾斜角β2不同。通过相对于西门子星形光学器件10'.2旋转西门子星形光学器件10.1，可以切换西门子星形表面O1和O2a的共同环形形状。这同样适用于西门子星形光学器件10'.2和10.3以及西门子星形表面O2b和O3。
如图7所示，旋转驱动器31、32或33分配给三个西门子星形光学器件10.1、10'.2和10.3中的相应一个，使得所有三个西门子星形光学器件10.1、10'2和10.3都能以频率f旋转。在这种情况下，中心的西门子星形光学器件10'.2的旋转方向与其它两个的旋转方向相反，如旋转方向箭头P所示。如果允许三个西门子星形光学器件10.1、10'.2和10.3的不同旋转频率、特别是在一个周期内产生的强度分布数量增加。
下表给出了参考图7描述的布置的各种操作模式的选择：
这里，PV＝相移，Sp＝光斑强度分布，以及
由于西门子星形光学器件10；10.1，10'.2，10.3的连续旋转与一对或多对西门子星形光学器件的光传输效应的相互作用的结果，在焦点中产生的强度分布以旋转频率的N倍或旋转频率之和的N倍被调制，其中N是每个西门子星形光学器件10；10.1，10'.2，10.3的双块面数量。
由于光传输效应，对旋转的速度的要求较低。为了旋转具有两位数的或三位数的转换频率的一个或多个西门子星形光学器件，市场上可用的具有不同驱动机制的电驱动器可用作旋转驱动器。
作为电驱动器的替代，还可以想到通过压缩空气实现旋转驱动。通常提供气体供应，因为通常压缩空气(和/或切割气体)在激光加工头的区域中可用。
在市场上，还有旋转驱动器，其可以在高达6千赫兹的特别高的旋转频率下旋转诸如西门子星形光学器件的光学元件。如果应用于具有N＝20个双块面的两个西门子星形光学器件的上述示例，则可实现高达120千赫兹的调制频率。
从2位数的千赫兹范围的调制频率开始，待加工的片材只经受在一个调制周期内平均的强度分布，因为由于热传导的相对惯性，输入功率不能快速重新分配。因此，强度分布的调制作为连续的光束加宽，因此可以代替或补充复合变焦系统。
在所有情况和配置中，根据本发明的激光加工头也优选地适用于薄板焊接或切割，因为环形形状可以借助于使用的所有西门子星形光学器件的合适的固定角度位置被停用，以便以光斑模式操作激光加工头。

Claims (22)

1.一种用于借助于激光辐射加工材料的装置，所述装置包括用于将激光束(14)聚焦到工件(18)上的聚焦光学器件(15)和用于调节强度分布的调节光学器件(20)，所述调节光学器件(20)包括至少一个具有扇形块面构成的圆形型式的板状光学元件(10)，所述扇形块面在圆周方向上相对于各自的板平面交替倾斜。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调节光学器件(20)的所述板状光学元件(10)能够移入和移出所述激光束(14)的光束路径。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调节光学器件(20)包括至少两个板状光学元件(10)，所述至少两个板状光学元件(10)中的每一个均具有在圆周方向上相对于各自的板平面交替倾斜的扇形块面构成的圆形型式，其中，所述至少两个板状光学元件(10)在所述激光束(14)的光束路径中一个接一个地布置，并且在圆周方向上相对于彼此是可旋转的。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，板状光学元件(10)的所有扇形块面具有相同的方位角宽度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述板状光学元件(10)的扇形块面的表面是平面的、或弯曲的、或具有两个或更多个不同地倾斜的部分。
6.根据权利要求3、4或5所述的装置，其特征在于，所述调节光学器件(20)的所述两个板状光学元件(10)以它们的扇形块面型式彼此面对。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节光学器件(20)的所述两个板状光学元件(10)能够围绕与激光束(14)的中心轴线同轴的轴线旋转。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节光学器件(20)的所述两个板状光学元件(10)的扇形块面型式具有相同数量的块面，并且块面表面倾斜相同的角度(β)。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述调节光学器件(20)包括具有扇形块面型式的另外的板状光学元件(10)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述另外的板状光学元件(10)在两侧上都具有扇形块面型式，并且布置在前两个板状光学元件(10)之间。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述另外的板状光学元件(10)具有的扇形块面型式与所述前两个板状光学元件(10)的扇形块面型式不同。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述另外的板状光学元件(10)的块面表面相对于板平面以一角度(β)倾斜，该角度(β)不同于所述前两个板状光学元件(10)的倾斜角，特别是与所述前两个板状光学元件(10)的倾斜角之和一样大。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述另外的板状光学元件(10)的块面的方位角宽度与所述前两个板状光学元件(10)的块面的方位角宽度不同。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述块面表面相对于所述板平面的倾斜角在±0.1°和±0.6°之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述块面的数目为18至72，优选为24至40，特别是36。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，提供了用于加宽所述激光束(14)的准直光学器件(17)，并且所述调节光学器件(20)布置在所述准直光学器件(17)和所述聚焦光学器件(15)之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，旋转驱动器(31，32，33)分配给所述板状光学元件(10)中的至少一个，使得所述板状光学元件(10)能够在激光加工期间被驱动，以便以恒定的或可变的速度旋转。
18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于给所述板状光学元件(10；10.1，10'.2，10.3)中的每一个分配旋转驱动器(31，32，33)。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述旋转驱动器(31，32，33)能够彼此独立地被驱动，使得所述板状光学元件中的每一个的旋转的速度和旋转的方向(10；10.1，10'.2，10.3)能够被选择。
20.一种用于借助于激光辐射加工材料的方法，所述方法使用用于将激光束(14)聚焦到工件(18)上的聚焦光学器件(15)和包括至少两个板状光学元件(10)的用于调节强度分布的调节光学器件(20)，所述至少两个板状光学元件(10)中的每一个都具有扇形块面构成的圆形型式，所述扇形块面在圆周方向上相对于各自的板平面交替倾斜，其中，所述至少两个板状光学元件(10)在所述激光束(14)的光束路径中一个接一个地布置并且在圆周方向上是可旋转的，其中，在激光加工期间，所述板状光学元件(10)中的至少一个以恒定的或可变的速度旋转，以便以期望的调制频率改变功率密度分布。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少两个板状光学元件(10)都以相同或不同的速度沿相反方向旋转。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，在激光加工期间激光的输出功率被调制，同时所述板状光学元件(10)中的一个或多个被旋转，其中，激光器的调制频率耦合到功率密度分布的调制频率。
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