CN109416419B - 用于借助激光束进行材料加工的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助激光束进行材料加工的射束成型光学系统，所述射束成型光学系统包括带有多个微型轴棱锥(11)的二维的轴棱锥组件(10)，用于产生所述激光束的环形的强度轮廓，其中，所述微型轴棱锥(11)具有弯曲的周面(113)，以及一种用于借助激光束进行材料加工的设备，所述设备包括这种射束成型光学系统和用于将所述激光束聚焦在工件(18)上的聚焦光学系统(15)，其中，所述射束成型光学系统设置用于在所述聚焦光学系统(15)的焦平面(F)中产生所述激光束的环形的强度轮廓。

Description

用于借助激光束进行材料加工的设备
技术领域
本发明涉及一种用于借助激光束进行材料加工、优选用于激光切割的射束成型光学系统，以及一种用于借助激光束进行材料加工的设备，该设备包含至少一个这种射束成型光学系统。
背景技术
在借助激光束进行材料加工(例如激光焊接或激光切割)的情况下，借助射束引导和聚焦光学系统将由激光源(例如光导纤维的端部)发出的激光束聚焦到待加工的工件上。然后，焦点的直径(即激光源在工件上的图像的直径)由射束引导和聚焦光学系统的各个光学元件的光学数据得出。如果标准化地使用具有准直仪光学系统和聚焦光学系统的激光加工头，其中，通过光导纤维供给激光，则焦点直径由纤维芯直径与聚焦焦距的乘积除以准直焦距得出。根据板厚度的情况，需要不同的焦点直径(即焦点中的激光束直径)用于激光切割。在此，待切割的材料的厚度越大，激光束直径应该越大。直至5mm的板厚度例如使用大约125μm的焦点直径，而在切割5mm至10mm厚的板的情况下期望两倍大的焦点直径(即大约250μm的焦点直径)。从10mm的板厚度起，使用提供大约600μm的焦点直径的引导和聚焦光学系统。
在大的焦距直径的情况下有利的是，在焦点中形成强度分布的环轮廓，因为由此在切割切口产生更均匀的温度分布。其结果是，可以通过切割气体更有效地排出熔液。
常见的激光加工头可以以1：1与1：3之间的固定的或可变的成像比例进行成像并且产生100μm与1500μm之间的焦点直径。例如用于以高的切割边缘质量切割薄板和厚板的激光加工头需要能够分别调节工件上的最佳合适的激光功率密度分布，例如用于在焦平面中产生环形的强度分布。
为此使用射束成型光学系统。射束成型光学系统表示用于改变激光束的强度分布或形状的一个或多个光学系统。射束成型光学系统例如可以在焦平面中产生扁平的和/或环形的强度轮廓。射束成型光学系统例如可以包含一个或多个衍射或折射的光学元件。折射的光学元件具有如下的优点：高传输效率、适合在高功率激光系统中长久使用和波长独立性。
由DE 28 21 883 C2已知一种用于借助激光束进行材料加工(例如钻孔、冲孔和焊接)的设备，其中，在用于扩展激光束的准直仪光学系统与用于将激光束聚焦到工件上的聚焦光学系统之间，实现由透明折射的材料构成的锥体(轴棱锥)，用于将激光加工射束的靠近轴线和远离轴线的横截面区域轴对称地反转。然后，聚焦光学系统将激光加工射束根据其经过改变的射束特性聚焦在工件上的环形区域中。通过使用轴棱锥如此改变激光加工射束中的强度分布，使得在焦点区域产生环轮廓。
US 6,326,998 B1示出具有多个轴棱锥的光学软聚焦过滤器。
WO 2016/010954 A2示出用于借助于带有可变的长度和可变的直径的激光束的焦线加工透明的材料的材料加工系统。
US 2014/0126061 A1描述了一种光学元件，所述光学元件包括具有多个带有抛物线形的尖端的锥形的轴棱锥镜的阵列。
JP 2006142335 A涉及一种激光加工装置，其中，可以借助于由多个锥形的透镜装配构成的轴棱锥同时在多个位置在基质上进行激光加工。
DE 10 2005 059 755 B3涉及一种用于借助于由微型轴棱锥构成的阵列光谱分辨表征波前超短的激光脉冲的组件。
US 2014/0009816 A1涉及一种用于反射显示器的扩散器，用于使视角远离镜面反射的方向运动，例如具有由轴棱锥透镜构成的组件。
US 2009/0059394 A1涉及一种用于使光均匀化的方法，其中，多个带有大直径的透镜(例如轴棱锥)以特定方式被分段，并且选出的透镜段以特定阵列布置。
互联网中由Power Photonic公开的“轴棱锥阵列均化器(Axicon ArrayHomogenizer)”涉及一种轴棱锥阵列，其中，环中心的环厚度或消光比可以通过如下方式调节：相应地改变阵列的轴棱锥的特性。
发明内容
按照本发明，提出了一种用于借助激光束进行材料加工的设备，其包括：
射束成型光学系统，所述射束成型光学系统包括带有多个微型轴棱锥的二维的轴棱锥组件，用于产生所述激光束的环形的强度轮廓，其中，所述微型轴棱锥分别具有成拱形的周面，从而产生拱顶形的形状；和
用于使激光束在工件上聚焦的聚焦光学系统；
其中，所述射束成型光学系统设置用于通过将穿过各个微型轴棱锥的射束部分叠加而在所述聚焦光学系统的焦平面中产生所述激光束的均匀的环形的强度轮廓。
本发明基于以下任务：提供一种用于借助激光束进行材料加工(尤其用于激光切割)的射束成型光学系统，以及提供一种具有这种射束成型光学系统的用于借助激光束进行材料加工的设备，由此可以实现具有改善的均匀性和提高的瑞利长度的环形强度轮廓。
根据本发明，该任务通过根据上述具有用于借助激光束进行材料加工的射束成型光学系统的用于借助激光束进行材料加工的设备解决。在下述内容中描述本发明的有利的设计方案和扩展方案。
根据本发明，用于借助激光束进行材料加工(尤其用于激光切割)的射束成型光学系统包括具有多个微型轴棱锥的轴棱锥组件，用于例如在上游的或下游的聚焦光学系统的焦平面中产生激光束的扁平的和/或环形的强度轮廓。通过二维的布置可以改善环形的强度轮廓的均匀性并且提供高的横向定位公差。轴棱锥组件可以构造为折射的光学元件。也就是说，轴棱锥组件的结构尺寸可以比激光束的波长大得多。在这种情况下，由于衍射引起的光偏转可以忽略不计。
根据轴棱锥组件中的微型轴棱锥或轴棱锥单元的形状(例如高度、轴棱锥角、直径、侧面或周面的表面曲率等)，可以改变环轮廓的厚度、环直径、中心消光等。
优选地，每个微型轴棱锥的侧面或周面(也就是说，锥形的表面)是弯曲的或拱形的，使得产生拱顶形的形状。在此，“弯曲的”表示沿着射束成型光学系统的光学轴线弯曲，或在垂直于二维的轴棱锥组件的扩展平面的方向上弯曲，或与从微型轴棱锥的尖端到微型轴棱锥的基面的垂线平行地弯曲。微型轴棱锥的侧面或周面可以是非球面地弯曲。通过微型轴棱锥的弯曲的周面可以增大激光束的可实现的瑞利长度。在此，瑞利长度表示沿着光学轴线的长度，激光束需要该长度以将其最大强度从射束腰部开始减半。因此，可以改善焦点深度。同时，由此可以增大焦平面中的强度轮廓的环厚度并且因此降低峰值强度或最大强度。由此得出轴向更均匀的最大强度。
附加地，微型轴棱锥的尖端和/或微型轴棱锥之间的凹处可以是倒圆角的。这不仅可以实现简化的制造，而且可以有针对性地将光分布到强度分布中心，使得可以实现环分布中心内的强度大于零。
微型轴棱锥可以栅格状地或规则地布置在轴棱锥组件中。优选地，微型轴棱锥布置在六边形的网格或栅格中。由此可以实现最佳的填充因子，并且可以使沿着环轮廓的强度分布的均匀性最大化。
在另一优选的实施例中，轴棱锥组件可以包含形状不同的微型轴棱锥。轴棱锥组件例如可以包含具有直的和弯曲的侧面的微型轴棱锥。微型轴棱锥也可以具有不同的轴棱锥角和/或侧面的曲率和/或高度和/或直径和/或基面的形状和/或基面的尺寸。在此，“高度”表示从微型轴棱锥的尖端到其基面的垂线，该基面处于(基本上)二维的轴棱锥组件的平面中。在基面或直径不相等的情况下，微型轴棱锥之间的间距可能是不规则的。轴棱锥组件也可以包含如下的微型轴棱锥：所述微型轴棱锥本身是非对称的，例如在其侧面的曲率方面和/或在微型轴棱锥的尖端关于基面的布置方面(例如尖端非中心地布置在基面上方)。通过轴棱锥组件中不同地成型的微型轴棱锥，可以叠加不同的射束成型和/或实现更均匀的强度分布。因此，可以产生如下的射束轮廓，所述射束轮廓借助具有相同地成型的微型轴棱锥的轴棱锥组件不能产生。
轴棱锥组件可以由多个微型轴棱锥构成，所述微型轴棱锥在轴棱锥组件的基底平面中垂直于射束成型光学系统的光学轴线地布置。优选地，微型轴棱锥彼此之间以比入射到轴棱锥组件上的(优选经过准直的)激光束的射束直径小的间距布置。因此，激光束可以穿过多个微型轴棱锥。通过将穿过各个微型轴棱锥的激光束部分(所谓的细射束)叠加在焦平面中或工件上，可以产生均匀的射束轮廓而不损失射束能量。
激光束可以是多模的激光束，从而相比于单模的激光减少了自干扰并且可以实现更大的焦点直径。
此外根据本发明，用于借助激光束进行材料加工的设备包括至少一个根据所述实施例中任一个实施例所述的射束成型光学系统和用于将激光束聚焦在工件上的聚焦光学系统。
优选地，射束成型光学系统在该设备的光路中布置在聚焦光学系统(例如聚焦透镜)的前面。
此外，该设备可以包括用于扩展激光束的准直仪光学系统。优选地，射束成型光学系统布置在经过准直的激光束中，虽然原则上允许根据本发明的射束成型光学系统布置在激光束的发散或会聚的区域内。特别优选的是，射束成型光学系统布置在用于扩展激光束的准直仪光学系统与聚焦光学系统之间。
此外，该设备可以包括带有可变焦距的至少一个透镜，用于改变焦平面中的强度分布的环直径。可变焦距例如可以通过一个或多个透镜沿光学轴线的移位实现。替代地，可以使用液体透镜或聚合物透镜。
优选地，用于借助激光束进行材料加工的设备包括激光切割头或激光加工头。
附图说明
以下例如根据附图进一步阐述本发明。附图示出：
图1示出一种轴棱锥组件的示意性俯视图；
图2a示出一种具有轴棱锥单元的轴棱锥组件的示意性侧视图，所述轴棱锥单元没有弯曲的侧面；
图2b示出一种具有轴棱锥单元的轴棱锥组件的示意性侧视图，所述轴棱锥单元带有弯曲的侧面；
图3示出一种根据本发明的轴棱锥组件在经过准直的激光束中的示意图，所述轴棱锥组件具有下游的用于聚焦激光束的聚焦光学系统；
图4a示出一种根据本发明的轴棱锥组件的三维的表面轮廓的示意图；
图4b示出一种根据本发明的轴棱锥组件的二维的表面轮廓的示意图；
图5示出一种包括没有弯曲的侧面的轴棱锥单元的轴棱锥组件的焦散面以及一种包括带有弯曲的侧面的轴棱锥单元的轴棱锥组件的焦散面；
图6a示出一种包括没有弯曲的周面的轴棱锥单元的轴棱锥组件在焦平面中的模拟的射束轮廓；
图6b示出一种包括带有弯曲的周面的轴棱锥单元的根据本发明的轴棱锥组件在焦平面中的模拟的射束轮廓；
图6c示出作为对于一种包括没有弯曲的周面的轴棱锥单元的轴棱锥组件的z位置的函数的最大强度的模拟的分布；
图6d示出对于一种包括带有弯曲的周面的轴棱锥单元的轴棱锥组件的作为z位置的函数的最大强度的模拟的分布；
图7示出一种具有根据本发明的轴棱锥组件的射束引导和聚焦光学系统，例如其在激光加工头中用于激光加工；和
图8示出用于比较包括没有弯曲的侧面的轴棱锥单元的轴棱锥组件与根据本发明的包括带有弯曲的侧面的轴棱锥单元的轴棱锥组件的表格。
附图中彼此相应的构件设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出一种用于射束成型光学系统的轴棱锥组件10的示意图，轴棱锥组件具有多个微型轴棱锥11，以便形成环形的强度轮廓。优选地，微型轴棱锥11以规则的结构布置在轴棱锥组件10的面或基底平面12上。在图1所示的例子中，微型轴棱锥11布置在六边形的栅格或网格中。通过将微型轴棱锥11布置在六边形网格上可以实现最佳的填充因子。明显地，轴棱锥组件10的周边也可以具有不同于圆形的形状，例如矩形、椭圆形等。在此，以轴棱锥组件10的周边表示微型轴棱锥11的二维布置的平面内的轴棱锥组件10的边缘。也就是说，轴棱锥组件10的周边表示轴棱锥组件10在垂直于轴棱锥组件10的光学轴线的平面内的边缘。优选地，轴棱锥组件10具有带有10至50mm之间的直径的基底平面12，或在基底平面12的矩形或正方形的形状的情况下例如具有直至100mm的边沿长度。轴棱锥组件10例如可以由石英玻璃、蓝宝石或ZnSe制成。
每个微型轴棱锥11具有锥形结构，该锥形结构具有尖端111和周面或侧面113(参见图2a和2b)。在相邻的微型轴棱锥11之间形成轴棱锥组件10中的凹处112。从尖端111到微型轴棱锥11的处于基底平面12中的基面的垂线的长度表示为高度。微型轴棱锥11的直径或周边以下涉及微型轴棱锥11的基面的直径或周边。由侧面113在微型轴棱锥11的尖端111处形成的张开角表示为轴棱锥角114。
图2a示出一种具有多个微型轴棱锥11的轴棱锥组件的侧视图，该微型轴棱锥具有直的侧面或周面。在这种情况下，微型轴棱锥11的侧视图相当于具有直的周面或侧面113的等腰三角形。
图2b示出一种根据优选的实施方式的轴棱锥组件10，所述轴棱锥组件具有多个带有拱形的侧面113的微型轴棱锥11，从而在侧视图中产生拱顶形的结构。在此，微型轴棱锥11的侧面113可以非球面地成型。附加地，微型轴棱锥11的尖端111和/或微型轴棱锥11之间的凹处112可以是倒圆角的，由此轴棱锥组件10更容易制造并且使得光能够分布到环形强度分布的中心内。优选地，轴棱锥组件中的微型轴棱锥11规则地(也就是说，在栅格结构或网格结构中)布置，如参照图1所描述的那样。
在另一优选的实施例中，微型轴棱锥11不是统一地成型，而是可以在高度、直径、轴棱锥角、侧面的曲率、基面的尺寸和/或形状等的至少一个参数方面不同。微型轴棱锥11也可以本身不对称地成型。尖端111例如可以不居中地布置在微型轴棱锥11的基面上方，从而得出尖端111至微型轴棱锥11的周边的不同间距。在另一例子中，微型轴棱锥的侧面113的曲率可以变化，例如在侧面113的区域内比关于垂线与尖端111对置的区域更强烈地弯曲。因此，轴棱锥组件10可以由不同地成型的微型轴棱锥11构成。轴棱锥组件10例如可以包括带有弯曲的侧面113(参见图2b)的微型轴棱锥11和带有直的侧面113(参见图2a)的微型轴棱锥11。不同地成型的微型轴棱锥11可以不规则地或规则地布置。在此，不相同的基面或直径可以通过不同地成型的凹处补偿。通过轴棱锥单元中的不同地成型的微型轴棱锥11得出不同的射束成型的叠加，从而可以实现如下的射束轮廓：该射束轮廓在具有相同地成型的微型轴棱锥11的轴棱锥组件10的情况下是不可能的。在某些情况下，也可以实现环轮廓中的还更均匀的强度分布。
微型轴棱锥11的尺寸可以在0.5mm至5mm之间。轴棱锥角114(即张开角或尖端角)可以根据所期望的环直径选择并且优选地处于0.1°和1°之间。在具有弯曲的侧面113的微型轴棱锥11的情况下，轴棱锥角114通过在靠近尖端111的侧面113处的切线定义。理想地，微型轴棱锥11紧密地装在轴棱锥组件10中，也就是说，在相邻的微型轴棱锥11之间没有间距。然而，在制造技术上有利的是，允许相邻的微型轴棱锥11之间的凹处一定的倒圆，使得间距虽然实际大于0mm，但仍然明显小于1mm。
图3例如示出一种在激光(纤维激光、盘激光或二极管激光)的光路中具有下游的聚焦透镜15的轴棱锥组件10的示例的布置。经过准直的激光束14在穿过轴棱锥组件10后扩开，并且接下来通过聚焦透镜15在聚焦透镜的焦平面F中成像为环形的射束轮廓。在此，所实现的环直径可以处于500μm至1500μm之间，而环厚度处于300μm至1000μm之间。所成型的激光束14b在图3中标记为虚线，而正常的经过准直的激光束14的射束走向(没有轴棱锥组件)以实线标记。具有n个微型轴棱锥11的轴棱锥组件10将激光束14划分成n个射束部分或细射束。通过下游的聚焦透镜将n个细射束在聚焦透镜15的焦平面F中叠加并且得出均匀的环形的强度轮廓(参见图6a和6b)。
图4a中示出轴棱锥组件10的三维表面轮廓的立体图(未按比例)。图4b中示出轴棱锥组件10的二维表面轮廓。数字数据涉及以mm为单位的轮廓高度。
图5中示出一种具有轴棱锥单元(即微型轴棱锥)的轴棱锥组件在不同的z位置处(即沿着光学轴线)的焦散面(1.5mm×1.5mm的图像部分)，所述轴棱锥单元具有弯曲的侧面或没有弯曲的侧面。灰度级的定标相当于从低强度(标度的下端)到高强度(标度的上端)以任意单位(W/cm2)的标度，并且该标度可以如在图6a和6b中的所示的那样。通过微型轴棱锥11的拱形的侧面113，穿过轴棱锥组件10的激光束的瑞利长度增大。在此，所引起的环形强度轮廓的焦平面中的环厚度也增加，并且因此尖端强度下降。在焦平面之外，弯曲或拱形结构的影响很小(参见图5)。此外，如可以看出的那样，环形的强度轮廓主要存在于焦点(z＝0)中并且具有高的均匀性。
图8中所示的表格例如示出根据两个ZEMAX模拟的效果。相对地放置没有弯曲的周面的轴棱锥组件和具有弯曲的周面的轴棱锥组件。在表格的第一行中相对地放置没有弯曲的侧面的轴棱锥组件(左)的模拟的表面轮廓(侧视图)和具有弯曲的侧面的根据本发明的轴棱锥组件(右)的模拟的表面轮廓(侧视图)。高度轮廓z(r)根据如下多项式定义：z(r)＝Coeff1*r+Coeff2*r2+...。如果较高的系数Coeff2不等于0，则得出弯曲的表面。瑞利长度可以通过弯曲的周面从3.4mm增加到9.4mm。
图6a和6b中对于没有弯曲的侧面的轴棱锥组件和具有弯曲的侧面的根据本发明的轴棱锥组件示出在焦平面z＝0中所属的模拟的射束轮廓。图6c中对于没有弯曲的侧面的轴棱锥组件示出作为z位置(沿着光学轴线)的函数的最大强度，并且图6d中对于根据本发明的具有弯曲的侧面的轴棱锥组件示出作为z位置的函数的最大强度。如由图6a至6b可看出的那样，包括带有弯曲的表面的微型轴棱锥的轴棱锥组件的焦平面中的射束轮廓更均匀并且最大强度在z方向上更均匀地分布。
图7中示出一种射束成型光学系统，其具有在用于借助激光束进行材料加工(尤其激光切割)的设备(例如激光加工头)的光路中的轴棱锥组件10。在该示例性的组件中，射束成型光学系统或轴棱锥组件10布置在准直仪光学系统17和聚焦透镜15之间的经过准直的激光束14中。由光导纤维16射出的发散的激光束由准直仪光学系统17变形成平行的或经过准直的激光束14，所述激光束由聚焦透镜15聚焦到工件18上。替代地，射束成型光学系统或轴棱锥组件10也可以在光路中布置在聚焦透镜15后面。通常，射束成型光学系统或轴棱锥组件10也可以布置在发散的或会聚的激光束中。
具有轴棱锥组件10的射束成型光学系统可以与任何透镜系统组合。在具有一个或多个焦距可变的透镜的组合的情况下，焦平面中的强度轮廓的所产生的环直径可以改变并且因此根据材料和材料强度单独地调整。因此能够实现，借助激光加工头对厚板和薄板进行加工，该激光加工头包含具有轴棱锥组件10的射束成型光学系统和具有可变焦距的透镜系统。例如焦距可以改变，其方式是：将单个或多个透镜沿着光学轴线移位(z移位)。替代地，可以使用具有可变焦距的透镜，例如液体透镜或聚合物透镜。
优选地，射束成型光学系统或轴棱锥组件10可以插入在该设备或激光加工头中或从其中移除。这意味着，射束成型光学系统或轴棱锥组件10可运动地支承在该设备或激光加工头中，优选在光路的准直的部分中，替代地在光路的发散的或会聚的部分中。由此，焦平面中的强度轮廓的环成型可以选择性地打开或关断。为了永久的环成型，射束成型光学系统或轴棱锥组件10当然也可以固定地安装在光路中。
因此，根据本发明的轴棱锥组件可以通过微型轴棱锥表面的弯曲提高激光束的可达到的瑞利长度，由此在焦平面中提高环厚度并且降低峰值强度。这能够实现工件上的均匀的环形的强度分布和由此引起的更均匀的温度分布。此外，在使用具有可变焦距的透镜的情况下，环形焦点的直径可以改变并且适配于相应的工件。由此，具有根据本发明的轴棱锥组件的激光加工头可以被多方面地使用。

Claims (11)

1.一种用于借助激光束进行材料加工的设备，其包括：
射束成型光学系统，所述射束成型光学系统包括带有多个微型轴棱锥(11)的二维的轴棱锥组件(10)，用于产生所述激光束的环形的强度轮廓，其中，所述微型轴棱锥(11)分别具有成拱形的周面(113)，从而产生拱顶形的形状；和
用于使激光束在工件(18)上聚焦的聚焦光学系统(15)；
其中，所述射束成型光学系统设置用于通过将穿过各个微型轴棱锥的射束部分叠加而在所述聚焦光学系统(15)的焦平面(F)中产生所述激光束的均匀的环形的强度轮廓。
2.根据权利要求1所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，至少一些微型轴棱锥(11)的周面(113)非球面地成拱形。
3.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，至少一些微型轴棱锥(11)的尖端(111)和/或至少一些微型轴棱锥(11)之间的凹处(112)是倒圆角的。
4.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，所述微型轴棱锥(11)布置在六边形的网格中。
5.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，所述微型轴棱锥(11)布置在规则的栅格结构中或不规则地布置。
6.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，所述二维的轴棱锥组件(10)包括锥形的微型轴棱锥(11)或由锥形的微型轴棱锥(11)构成。
7.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，至少一些微型轴棱锥(11)具有圆形的周边。
8.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其还包括用于扩展所述激光束的准直仪光学系统(17)，其中，所述射束成型光学系统在光路中布置在所述准直仪光学系统(17)的后面。
9.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，所述设备还包括至少一个透镜，该透镜具有可变焦距，用于改变所述焦平面(F)中的强度轮廓的环直径。
10.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，所述射束成型光学系统能够可选地应用在所述设备的光路中。
11.根据权利要求1或2所述的用于借助激光束进行材料加工的设备，其中，所述微型轴棱锥(11)不同地成型。
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