CN108712939A - 用于借助于激光辐射的材料加工的聚焦光学系统及具有该聚焦光学系统的激光加工头 - Google Patents

用于借助于激光辐射的材料加工的聚焦光学系统及具有该聚焦光学系统的激光加工头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于激光辐射来加工材料的聚焦光学系统(20)，所述聚焦光学系统包括用于使发散的工作激光束(121)准直的准直光学装置(21)和用于使工作激光束(12)聚焦在待加工的工件(14)上的聚焦光学装置(22)，其中，所述准直光学装置(21)包括具有正焦距的、用于将工作激光束源(18)聚焦在虚拟中间焦点处的可移动的第一透镜或透镜组(211)和具有负焦距的、用于将所述虚拟中间焦点聚焦至无穷远的可移动的第二透镜或透镜组(212)。具有壳体(10)的激光加工头(1)被提供，工作激光束(12)能够被引导穿过所述壳体。根据本发明的聚焦光学系统(20)用来生成工作焦点(15)。

Description

用于借助于激光辐射的材料加工的聚焦光学系统及具有该聚 焦光学系统的激光加工头
技术领域
本发明涉及一种用于借助于激光辐射的材料加工的聚焦光学装置并且还涉及一种配备有这种光束整形光学系统的激光加工头束。
背景技术
在借助于激光辐射加工工件中，通常需要调节焦点位置(即调节激光束焦点相对于激光加工头和/或相对于工件的位置)和焦斑直径。例如，在激光切割系统中从加工薄的板材金属变成加工厚的板材金属时，这种调节是必要的。如果在这种情况下焦斑直径不能在充分宽的范围内变化，那么就不得不更换加工光学装置，由此会降低激光加工系统的生产力。
以下在技术光学上作为变焦系统的光学系统是已知的：借助于该光学系统，在保持物体和图像的位置不变的情况下可以改变图像大小，即可以改变借助于激光辐射的材料加工中的焦斑直径。例如，通过在准直光学装置与聚焦光学装置之间利用无焦望远镜，变焦系统能调节放大率，即调节焦斑直径与激光源的直径(例如光纤的激光输出面)之比。这种无焦望远镜通常由三个或四个透镜组组成。无焦望远镜例如被描述在US4353617A和EP0723834A中。两种运动通常被需要以在不改变焦点位置的情况下实现焦斑直径的调节。在这种情况下，变焦系统的透镜或透镜组的第一运动用来改变焦斑直径，而变焦系统的另一透镜或透镜组的第二运动用来补偿焦点位置的变化，即用于使焦点迁移回到它的初始位置。然而，在借助于多千瓦范围内的激光辐射实施工业加工材料中，应当尽可能地减少光学元件的数量，这是因为随着光学元件数量的增多通常会增加不期待的效果并且这些效果会彼此放大。一种这样的示例是热焦点偏移，即透镜或光学系统的屈光力或焦距由于透镜材料的随温度变化的折射率和/或热膨胀性而变化。
DE19825092C2公开了一种用于生成具有可变的焦斑直径的聚焦激光束的激光系统，其中，可以沿着光轴移动的负(凹的)光学元件(发散透镜)被设置在静止的准直透镜与也能沿着光轴移动的聚焦透镜之间。激光束的焦斑直径可以通过改变发散透镜与聚焦透镜之间的距离来改变。为了确保焦面被保持在工件面内，由发散透镜和聚焦透镜所组成的系统不得不沿着系统的光轴被对应地移位。
在这种情况下，缺陷在于：在聚焦区段中需要高机械付出，这是因为由于紧邻加工点以及所关联的热应力和污染风险(由熔化的金属、烟等所导致的)而存在对于稳健性和无障碍便可触及性方面的特殊要求。
DE202010006047U1描述了一种用于聚焦激光束的光束整形单元，所述光束整形单元包括由两个会聚性光学元件组成的准直光学装置，所述会聚性光学元件可以沿着光轴在激光加工头中移动，所述光束整形单元还包括聚焦光学装置。准直光学装置以开普勒望远镜的形式构造。在这种情况下，第一可移动光学元件用于调节焦斑直径并且第二可移动光学元件用来补偿或调节焦点位置。
由于在这种情况下在准直区段中存在真实的中间焦点，因而已知的光学系统具有可观的总长度。
DE102011117607A1公开了具有可变的放大率的、用于激光辐射的另一种光学系统，在这种光学系统中，准直透镜系统和聚焦光学装置被设置。准直透镜系统由第一可移动会聚性透镜组、第二可移动发散性透镜组和第三静止的或可轴向移动的会聚性透镜组组成。焦斑直径可以通过使前两个透镜组相对于彼此移位而被再次调节。如果第三透镜组也被轴向调节的话，还可以调节轴向焦点位置。
可移动光学元件在这种情况下也位于准直区段中，但是激光材料加工的通常的热问题、例如热焦点偏移由于所使用的光学元件的数量较大而变得尤为严重。
发明内容
本发明所基于的目的在于提供一种用于借助于激光辐射的材料加工的聚焦光学系统，所述聚焦光学系统允许以技术上简单且紧凑的设计灵活地调节焦点位置和焦斑直径。本发明还旨在提供一种具有这种聚焦光学系统的激光加工头。
所述目的通过根据权利要求1的聚焦光学系统和根据权利要求2的激光加工头来实现。本发明的有利实施例被披露在从属权利要求中。
本发明涉及用于激光辐射的、具有可调节的焦点位置和可调节的焦斑直径的聚焦光学系统。在这种情况下，变焦系统包括准直光学装置和聚焦元件，准直光学装置由具有正焦距的第一可移动透镜或透镜组和具有负焦距的第二可移动透镜或透镜组组成。具有正焦距的第一可移动透镜或透镜组用于将工作激光束源聚焦在虚拟的中间焦点中，并且具有负焦距的第二可移动透镜或透镜组用于将虚拟的中间焦点聚焦至无穷远，以使得聚焦光学装置将工作激光束源聚焦于聚焦光学装置的焦点处。
此外，激光加工头具有壳体，工作激光束可以被引导穿过所述壳体，所述激光加工头配备有根据本发明的聚焦光学系统以形成工作焦点。
根据本发明，由此可以以数量减少的光学元件或透镜组和最小的结构长度来实现焦点位置的最大调节范围。
根据本发明的激光加工头的有利改进，建议的是：第一可移动透镜或透镜组和第二可移动透镜或透镜组可以通过致动驱动器被相应地移位以调节焦斑直径和/或焦点位置。
基本上可以想到的是：可以借助于齿轮机构将两致动驱动器彼此耦接以使得透镜或透镜组的移位同步地和/或相对于彼此成比例地进行。然而，本发明的一个有利改进在于：致动驱动器彼此独立地运行。这不仅具有实现简单的机械设计的优点，而且还实现了：在焦斑直径和/或焦点位置的调节中，当工作激光辐射被改变时，可以容易地考虑波长与光学元件的焦距之间的函数关系。
可移动透镜或透镜组相对于彼此且相对于聚焦光学装置的位置借助于控制单元基于加工的类型和激光的波长而被调节，控制单元优选地是可编程的。
附图说明
在下文中参考附图来更详细地说明本发明的示例。在这些附图中：
图1示出根据本发明的激光加工头的简化示意图；并且
图2(a)至图2(c)示出根据本发明的聚焦光学系统的简化示意图，在这些图中，透镜组相对于彼此呈现不同的位置。
具体实施方式
相同的元件在附图中被指代以相同的附图标记。
图1示出一种激光加工头10，通过光纤11供应的工作激光束12被引导穿过激光加工头10并指向在工件14上。通过光纤11所输出的发散的工作激光束121借助于聚焦光学系统20聚焦于位于工件14的表面16上、上方或下方的工作焦点15处。
聚焦光学系统20包括准直光学装置21和聚焦光学装置22。准直光学装置21由具有正焦距的第一可移动透镜或透镜组211和具有负焦距的第二可移动透镜或透镜组212构成。第一、第二可移动透镜或透镜组211、212均可以借助于相应的致动驱动器A、B沿着光轴17轴向移位(如对应的箭头所示)以由此调节焦斑直径和/或焦点位置。
彼此独立运行的致动驱动器A、B被控制单元30控制(由破折线31、32示出)，从而可以基于激光波长和加工类型来调节可移动透镜或透镜组211、212相对于彼此的位置和相对于聚焦光学装置22的位置。
控制单元30可以借助于适当的无线或有线接口33来被有利地设置程序并可以集成在激光加工系统的机器控制装置中，其中，根据本发明的激光加工头1被使用在所述激光加工系统中，但是该集成在附图中没有被更详细地示出。采用这种方式，透镜或透镜组211、212的调节所需的关于激光波长、加工类型(比如激光切割或激光焊)、材料的类型(比如金属或塑料)、板材金属的厚度等的所有信息可以被控制单元30容易地获取。
图2(a)至图2(c)均示出可移动透镜组211、212相对于彼此、相对于聚焦光学装置22和相对于工作激光束源18的位置，工作激光束源18可以由光纤11的输出面形成，也即分别示出适于切割厚度为约5mm或5mm以下的薄板材金属的位置，适于切割厚度为约5mm至约10mm的中等板材金属的位置，以及适于切割厚度为约10mm以上的厚板材金属的位置。
图2(a)示出准直光学装置21的第一、第二可移动透镜或透镜组211、212的适于切割薄板材金属的位置的一示例，其中，工作激光束12可以在焦点15的区域内具有相对较小的直径和相对较小的瑞利(Rayleigh)长度。约100μm至150μm的小的焦斑直径被传统地用于薄板材金属。
如果根据以下公式来考虑透镜系统的聚焦特性
m＝NA/NA'
其中，m表示放大率，NA表示系统在物侧上的数值孔径并且NA'表示系统在成像侧上的数值孔径，那么在根据图2a的示例性实施例会得到放大率＝～1，在该实施例中，成像侧上的数值孔径NA'近似等于物侧上的数值孔径NA。由此在纤维直径为约100μm的情况下建立用于切割薄的板材金属的最佳焦斑直径。
如果要减小光束直径，则使具有正焦距的第一可移动透镜组211更靠近工作激光束源18地移动，以使得工作激光束源18的由第一可移动透镜组所产生的图像远离第一可移动透镜组211地移动。为了补偿焦点位置，具有负焦距的第二可移动透镜组212由此必须被移位直至工作激光束源18的图像位于具有负焦距的第二可移动透镜组212的焦点内，以使得工作激光束源18的图像被第二可移动透镜组212聚焦至无穷远。由此，激光焦点15再次位于聚焦光学装置22的焦点中。
为了在大焦斑直径下得到尤为长的瑞利长度(这是切割厚的板材金属所期待的)，图2(c)中示出的第一可移动透镜组件211进一步靠近工作激光束源地移动，而第二可移动透镜组件212不得不进一步靠近聚焦光学装置22地移动。图2(c)尤其示出成像侧上的数值孔径NA'小于物侧上的数值孔径NA以使得所得到的放大率m>1。
根据本发明的聚焦光学系统20的显著的优点在于：它除了在焦点位置和焦斑直径的调节上具有简易性和灵活性以外，还允许扩大了焦点位置的再调节范围。尤其扩大了在不调整聚焦光学装置22的情况下焦点位置的调节范围，这是因为焦斑直径和焦点位置可以借助于准直区段中的可移动透镜组211、212来调节并且不需要利用聚焦区段的光学装置。在本文中，本发明尤其利用了以下事实：随着聚焦光学装置22的位置的变化，焦点位置以线性的方式变化，而相对于准直区段中的光学器件的变化，焦点位置以平方的方式变化。因而，准直区段中的可移动透镜组211、212小的位移也会引起焦点位置的可观的位移。
根据本发明的聚焦光学系统的另一优点在于：根据本发明以伽利略望远镜的形式设计的准直光学装置21的使用使得聚焦光学系统20具有短的结构长度而没有真实的中间焦点。
所有的这些可以利用一共仅仅三个透镜组来实现，其中，两个透镜组布置在准直区段中，一个透镜组布置在聚焦区段中，其中，只有前两个透镜组是可移动的。采用这种方式，根据本发明的聚焦光学系统的光学变焦系统具有非常简单的技术设计并且同时不易于出现热焦点偏移。

Claims (6)

1.一种激光加工头(1)，其具有：
壳体(10)，工作激光束(12)能够被引导穿过所述壳体，以及
用于借助于激光辐射来加工材料的聚焦光学系统(20)，所述聚焦光学系统包括用于使发散的工作激光束(121)准直的准直光学装置(21)和用于使工作激光束(12)聚焦在待加工的工件(14)上的聚焦光学装置(22)，
其中，所述准直光学装置(21)包括具有正焦距的、用于将工作激光束源(18)聚焦在虚拟中间焦点处的可移动的第一透镜或透镜组(211)和具有负焦距的、用于将所述虚拟中间焦点聚焦至无穷远的可移动的第二透镜或透镜组(212)。
2.根据权利要求1所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述工作激光束(12)通过纤维直径为约100μm的光纤(11)提供。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述可移动的第一透镜或透镜组(211)和所述可移动的第二透镜或透镜组(212)能够通过致动驱动器(A，B)被相应地移位以调节焦斑直径和/或焦点位置。
4.根据权利要求3所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述致动驱动器(A，B)彼此独立地运行。
5.根据权利要求3或4所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述可移动的第一透镜或透镜组(211)和所述可移动的第二透镜或透镜组(212)相对于彼此的位置以及相对于所述聚焦光学装置(22)的位置借助于控制单元(30)基于加工的类型和激光的波长来被调节。
6.根据权利要求5所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述控制单元(30)是可编程的。
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