CN110352378A

CN110352378A - 用于形成用于激光加工的辐射的方法和设备

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Publication number: CN110352378A
Application number: CN201880016522.7A
Authority: CN
Inventors: D.米海洛夫; R.高赫; T.格拉夫
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: WO2018162356A1; US20200070280A1; KR20190120243A; EP3593421B1; EP3593421A1; US11440136B2; KR102453461B1; JP6856765B2; CN110352378B; DE102017203655B4; DE102017203655A1; JP2020510538A

Abstract

本发明涉及一种用于材料加工的方法和激光器装置，其中在激光器装置中将激光光束聚焦到加工/成像平面上并且所述激光光束能够借助至少一个光束形成器在其强度分布方面被适配。在此规定，为了避免在所述加工/成像平面中的均匀性误差，所述激光光束借助至少一个分束器被划分成至少两个子光束或单光束并且所述子光束或单光束不同地受影响或每个子光束或单光束由具有不同波长的激光源形成，所述子光束或单光束在其聚集并聚焦到所述加工/成像平面上之后形成具有强度轮廓的输出光束，其中所述强度轮廓的相邻的强度最大值在其光特性方面不同。因此可以防止干扰性的干涉形成，使得干扰性的散斑图案尽可能被去除，由此尤其针对激光加工过程能够明显改善光束形状的质量。

Description

用于形成用于激光加工的辐射的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于在激光加工过程中进行光束形成的方法，其中在激光器装置中可以将激光光束聚焦到加工/成像平面上并且可以借助至少一个光束形成器在激光光束的强度分布方面适配该激光光束。

此外，本发明涉及一种设备，尤其激光器装置，具有用于执行根据本发明的方法的计算机单元。

背景技术

在激光材料加工中（激光烧蚀、激光熔接、激光钎焊、激光清洁、激光钻孔、激光烧结、激光熔融等），在大多数情况下利用被聚焦的激光光束来工作，所述激光光束具有高斯形的强度分布。但是对这些过程中的许多过程有大的优点是，使加工平面中的强度分布与所述过程适配。加工平面中的光束形成在此为激光工艺开发提供巨大的优化潜力。

为了能够使激光光束以其强度分布形成，必须调制所述激光光束的相位、所述激光光束的幅度或一起调制这两者。相应地存在相位调制器、幅度调制器或相位和幅度调制器。幅度调制器（例如DMD微镜阵列）的大的缺点在于，在所述幅度调制器用于光束形成时原始光束的激光辐射的至少一部分大多被遮挡，由此总系统的能量效率下降。相位调制器的优点在于，这些相位调制器并不影响原始光束的幅度并且因此可以将（几乎）全部的能量用于激光加工过程。相位调制器又基于两种不同的原理-折射（Refraktion）原理和衍射原理（Diffraktion）。相应地，存在折射和衍射光束形成器。前者在其光束形成的可能性方面相当受限制。主要只能产生简单的和通常也轴对称的辐射形成、如所谓的平顶（Top Hat）光束、贝塞尔光束、艾里光束、圆环等等。复杂的几何形状、尤其不具有旋转或矩形对称性的这种几何形状要求使用自由形状面。相应的设计和制造方法已经被开发，但还不是工业标准。而衍射光束形成器提供用于光束形成和光束分离的更多可能性，因为相应的微光学结构例如可以利用光刻方法、压铸或压印来制造并且借助所建立的相位恢复算法来计算。此外，在市场上例如基于液晶技术或微镜阵列的可切换的光束形成器越来越多地可用。

衍射光束形成器大多是1D或2D阵列结构，其将离散化的相位延迟（相位分布）外加到入射的（未形成的）激光光束上。通过改变入射的激光光束的相位分布同样改变/调制其在傅里叶平面（焦平面）中的强度分布。已知的衍射光束形成器例如是所谓的衍射光学元件（DOE），所述衍射光学元件由玻璃或者塑料构建并且已加上固定的不可改变的衍射结构。灵活的/可编程的光束形成器、诸如空间光调制器（SLM）、优选地基于液晶的具有双折射液晶的相位调制器也是更广泛已知的。

在DOE中加上的或在SLM上被编程的衍射结构被称为相位掩模。为了设计这些相位掩模使用不同的算法，所述算法根据对光束形成的要求来选择。广泛流行的是基于迭代傅里叶变换算法（IFTA）的所谓的衍射漫射器算法。该算法的任务在于，通过外加相位掩模由入射的未形成的光束产生大量衍射级，所述衍射级在加工平面中得出所期望的光束轮廓或所期望的强度分布。在此，衍射漫射器算法（此外IFTA）可以被用于光束分离和光束形成。当各个所产生的衍射级彼此有足够的间距并且在一定程度上不重叠时，谈及光束分离。当各个衍射级靠近地在一起并且通过其局部叠加得出作为平面的强度分布外加的所期望的光束轮廓时，谈及光束形成。

借助IFTA产生的相位掩模相对于其他算法提供多个优点并且因此优选地被使用在激光材料加工中。衍射漫射器算法IFTA：

- 提供激光辐射的能量利用的非常高的效率（少量散射辐射）

- 产生相位掩模，其相对于在光束形成器上的激光光束位置具有小的调整敏感性

- 由输入光束的各个衍射级组成所期望的光束轮廓，由此所产生的光束轮廓的景深与未被形成的聚焦的输入光束的景深相同

- 可以相对简单地实现（数学上看）

- 是更快的算法（计算时间技术上看）

尤其在将衍射漫射器用作分束器的情况下，在那里每个衍射级是输入光束的成像，该算法提供在调节位置和相应的点功率时的高精度：目前，可以产生分束器相位掩模，其中加工平面中的各个衍射级中的功率的变化处于±0.5%的范围中。

由于所列举的优点，所以在涉及光束分离时经常利用所描述的IFTA来计算用于DOE和SLM的相位掩模。在光束形成的情况下，该算法具有显著的缺点：各个衍射级靠近地在一起，使得在确定的情况下（例如在相邻的衍射级中的相位跳变的情况下）发生在这些相邻的衍射级之间的不期望的干涉。由于交替的相长和相消干涉，因此发生直至100%的对比率。这些干涉现象或散斑图案在激光加工时产生干扰。在借助衍射漫射器算法IFTA的光束形成的情况下因此存在大的缺点，应该消除该缺点，以便能够利用该算法的许多优点。

US 6,717,104 B2例如描述用于借助激光辐射进行材料加工的系统，该系统由以下组件构成：激光源，所述激光源产生激光光束，所述激光光束被引导到工件；空间光调制器SLM，该空间光调制器具有可单独操控的用于影响激光光束的相位轮廓的元件，以便在工件上产生相关的强度分布；与SLM连接的控制单元，以便操控其可单独操控的元件，使得激光光束的相位轮廓可以被调节，使得在工件上获得所期望的强度轮廓，所述强度轮廓适合于预期的材料加工。此外，将传感器指向SLM之前并且对准工件，所述传感器检测强度分布并且将数据发送给控制单元，基于所述数据修正相位分布中的偏差。

由EP 000000540759 A1已知用于在空间中产生图案的光学设备，所述光学设备具有至少一个相关光源、用于形成相干光源的光的波前的平面的光调制器（空间光调制器SLM）和用于记录在光调制器上的复杂的幅度分布的设备。该光学设备适合于将（结构化的）图案施加到对象上。此外，描述要结构化的对象的多重曝光，其中在时间上相继地将不同的数据集输送给光调制器，所述数据集导致在要结构化的对象上的相同图案。因此，对象上的散斑图案被平均。

WO 00206104704 A1描述用于减少激光投影仪中的散斑图案的装置，该激光投影仪使用具有预先给定的像素率的空间光调制器（SLM）。在该装置中，通过分束器将激光光束划分成两个光束，其中第一光束通过第一半波板被形成为s偏振的光束并且第二光束通过第二半波板形成为p偏振的光束。所述光束在SLM之后被聚集，以便减少散斑图案。在该文献中描述的装置涉及用于在投影屏幕上再现图像的激光投影仪并且因此涉及所谓的主观散斑的出现。

US 6,577,429 B1描述具有减少的散斑图案形成的、例如作为投影设备的显示设备，该显示设备基本上由脉冲式激光器、用于产生分别相对于彼此时间延迟的子激光光束的分束器装置、漫射器、梳状积分器、以及平面光调制器和用于图像显示的投影透镜构成，其中时间延迟大于或等于激光器的相干长度，所述漫射器减少子激光光束的相干，所述梳状积分器改善照明均匀性并且进一步减少散斑图案形成。

尤其在激光材料加工中，例如在激光熔接、烧蚀、钎焊等中，客观散斑图案、即直接在加工平面中形成在要加工的材料表面上的散斑可能对加工质量产生负面影响。在还未公开的本申请人的平行申请中描述了如何能够改善光束质量的不同方案。因此此外在这些申请中也描述如何能够补偿开头所描述的干扰性散斑图案的方案。

发明内容

本发明的任务在于，在借助衍射漫射器算法产生的/形状的光束轮廓中抑制在各个相邻的衍射级之间的不期望的干涉的形成，以便提高利用任意的相干的和所形成的辐射的加工质量。

此外，本发明的任务是，提供具有用于执行该方法的计算机单元的相应的设备、尤其激光器装置。

涉及该方法的任务通过权利要求1至13的特征来解决。

根据本发明在此规定，为了避免在加工/成像平面中的均匀性误差，借助至少一个分束器将激光光束划分成至少两个子光束或单光束，并且子光束或单光束不同地被影响或每个子光束或单光束由具有不同波长的激光源形成，使得所述子光束或单光束在其聚集并聚焦到加工/成像平面上之后形成具有强度轮廓的输出光束，其中输出光束的强度轮廓的相邻的强度最大值在至少一个或多个光特性方面不同，以便排除干涉形成。因此意指光的如下特性，在所述特性的情况下在将至少两个具有至少一种相同的物理上可识别的（auszumachend）光特征的光束聚集时存在用于构成干涉的标准。相邻的强度最大值在此分别被分配给子光束或单光束。相应的强度最大值在此由于子光束或单光束的所调节的光束轮廓而存在。因此，尽管在相邻的衍射级之间有相干激光辐射，但可以有利地防止不期望的干涉，这显著地提升加工/成像平面中的光束质量并且因此帮助改善激光加工过程。尤其开头提及的散斑图案因此可以被避免。

在上面所提到的至少一个或多个要区分的光特性方面存在不同的选择可能性。在此，在优选的方法变型方案中规定，借助光束形成器和/或延迟单元和/或波长操纵器使子光束或单光束在其相位和/或其强度轮廓和/或其波长方面不同地受影响。因此，在一种情况下可以排除直接相邻的次子光束（Sub-Teilstrahlen）的干涉，因为所述次子光束在不同的可预先给定的延迟的情况下在时间上不同地射在加工/成像平面中，即在时间上相距大于激光辐射的相干长度或大于在脉冲式辐射的情况下的脉冲持续时间，并且因此不会产生干涉。在其他情况下可以通过单光束或次子光束的相应的光束形成和产生来实现，子光束的次子光束局部分开足够远地被投影到加工/成像平面上，因此所述次子光束不会产生干涉。如果直接相邻的强度最大值具有略微不同的波长，则同样可以防止干扰性的干涉。所有这些方法方案因此互补并且以其组合形成理想的方法，以便避免在相邻的衍射级之间的不期望的干涉和如开头所描述的由此造成的强度对比（均匀性误差）。

特别有利的用于避免干扰性的散斑图案的方法变型方案规定，将激光光束划分成至少两个被不同地偏振的子光束并且分别借助光束形成器将所述子光束在其强度轮廓方面进行改变并且在聚集被不同地偏振的子光束之后将两个子光束的强度轮廓在加工/成像平面中叠加成额定光束轮廓，其中强度轮廓的相邻的强度最大值分别具有不同的偏振并且分别被分配给子光束。因为在此情况下相邻的强度最大值在加工或成像平面中被不同地偏振，所以所述强度最大值不会相互干涉，使得可以明显减少散斑效应并且可以提高激光加工质量。两个具有旋转偏振的强度分布的这种所提出的彼此嵌套可以避免作为散斑图案起干扰作用的不想要的强度变化或均匀性误差，并且仍然利用该高度灵活类型的光束形成。在此上下文中，应注意的是，也可以设想如下方法，在该方法中激光光束首先相应地被形成并且然后紧接着在将子光束聚集之前进行光束分离和偏振旋转。

在基于计算机地生成相位掩模和/或幅度掩模方面有利的是，子光束或单光束（或次子光束）的强度轮廓在加工/成像平面中作为具有反复的图案区域的规则的图案被聚集。这样，各个图案区域整体上可以被布置成简单的几何形状，使得规则的图案例如于是作为棋盘图案、作为蜂窝图案、作为三角形图案或菱形图案或作为其他规则图案存在。输出光束的强度轮廓因此由相邻的图案区域形成，所述图案区域通过子光束或单光束的相应的强度轮廓形成。在此，直接相邻的图案区域又通过子光束或单光束形成，所述子光束或单光束在先前提到的光特性中的至少一个或多个光特性方面不同。

优选地，在此情况下至少第一类型（例如类型A）的至少多个子光束在第一矩阵布置中彼此间隔开并且至少第二类型（例如类型B）的至少多个子光束在第二矩阵布置中彼此间隔开，其中子光束的至少第一和第二矩阵布置在加工/成像平面中在构成规则的图案的情况下彼此嵌套地布置，使得直接相邻的图案区域被分配给分别不同的类型的子光束（例如，规则的图案作为子光束类型的ABABA等布置存在）。在多于两种类型的子光束的情况下，子光束向规则的图案的所构成的图案区域的分配可以在加工/成像平面中按分别相同的顺序重复（在三种类型的子光束的情况下例如规则的图案作为子光束类型的ABCABCABC等布置存在）。但是该重复在确定的应用中也可以遵循另一重复模式，例如在将图案构成为子光束类型的ABCABABABCABABABC等布置的情况下。在相应类型的矩阵布置之内的各个子光束在优选的实施方案中至少这样远地彼此间隔开，使得在这些子光束之间不出现干涉现象。

输出光束的强度轮廓现在可以在加工/成像平面中根据图案构成非常可变地并且特定地来调节，如随后所示出的：

a）图案成形通过如下方式得出：至少第一和其他类型、尤其所有类型的子光束彼此间隔开，由此尤其在加工/成像平面之内相应地形成的直接相邻的图案区域彼此具有未被照射的间距范围。替代地或附加地，至少第一和其他或另一类型、尤其所有类型的子光束彼此直接邻接地和/或重叠地布置，由此尤其在加工/成像平面之内相应地形成的直接相邻的图案区域无缝隙地彼此邻接和/或重叠。

b）通过如下方式显示出另一图案成形：至少一种类型或多种类型、尤其所有类型的子光束在其相应的矩阵布置之内具有相同的光束轮廓或相同的强度值、相同的横截面大小和/或相同的横截面形状。替代地或附加地，至少一种或多种类型、尤其所有类型的子光束在其光束轮廓或其强度值、其横截面大小和/或其横截面形状方面不同。这样，图案区域的横截面形状例如可以成形为圆形、矩形、正方形、三角形、菱形或n边形（n-Eck）（其中n>5）。基本上在此情况下在不同类型的相应的矩阵布置之内局部地也可以设置为零的强度值，使得没有子光束局部地有效。据此，规则的图案因此也可以以被照射的和未被照射的图案区域存在于工作/成像平面中。根据利用子光束或单光束照射或保持不照射哪些图案区域的设定，可以在工作/成像平面中形成具有极大不同的横截面形状的输出光束，其中由所有被照射的图案区域得出横截面形状。

c）另一图案成形通过如下方式存在：至少一种类型或多种类型、尤其所有类型的子光束在其相应的矩阵布置之内成像到相同的焦平面上。替代地或附加地，至少一种或多种类型、尤其所有类型的子光束在其焦平面方面不同，在所述焦平面中所述子光束分别成像。由此，图案构成可以根据加工/成像平面的任意的面变化来适配。

一个有利的方法变型方案在此规定，此外借助光束成像器以短的时间间距连续地利用至少一个相位和/或幅度掩模来修改子光束，所述子光束在加工/成像平面中得出相同的所期望的强度分布。所述相位和/或幅度掩模中的每个在此导致不同的散斑图案。如果不同的相位和/或幅度掩模借助光束形成器相继地被显示，则不同的强度对比或散斑图案在加工/成像平面中在时间上、即不相干地叠加，由此得出时间平均，该时间平均导致强度对比或散斑对比的减小。如果在交替的散斑图案之间的间距足够短，则可以附加地提高加工质量。在此假定，所使用的用于光束形成的系统具有用于显示不同的相位和/或幅度掩模的足够高的图像重复频率。

在此有利的是，根据额定光束轮廓，为激光加工预先给定不同的相位和/或幅度掩模。所述相位和/或幅度掩模可以被保存在用于激光加工设备的计算机单元中或根据额定光束轮廓来生成。

同样有利的方法变型方案在此规定，子光束分别本身分开地或共同地利用相位和/或幅度掩模来修改。

在优选的方法变型方案中，为了光束形成使用衍射漫射器，其被实施为空间光调制器（SLM）。借助相位调制的光束形成有利地可以借助LCoS-SLM单元（Liquid Crystal onSilicon（硅上液晶））进行，其中借助双折射液晶的阵列可以将入射的激光光束的相位离散化，其方式是：每个像素具有液晶的可不同地操控的角取向。以此可以实现原始光束中的相位的高分辨率的、快速的和灵活的改变并且在加工平面或投影平面中的激光功率密度分布的改变可以根据傅里叶变换借助透镜系统来适配。光束形成原则上也可以借助于幅度调制借助光束形成模块中的DMD（Digital Micromirror Device（数字微镜器件））单元来进行。在此，可单独操控的微镜的阵列将入射的激光光束通过划分成许多小的子光束来离散化，由此通过单光束的不同偏转可以适配加工平面中的激光光束的强度分布。在此情况下，入射光部分地又直接被反射回来，这在水平镜位置的情况下进行，或部分地通过使微镜倾斜从光束中切割出。不过，能量效率就此降低，这相对于作为光束形成器的SLM单元可能是缺点。

针对根据本发明的方法可以使用如在激光材料加工中所使用的脉冲式或非脉冲式相干光源（激光器）。

在使用脉冲式激光器时，激光光束可以在其划分成至少两个针对每个子光束具有不同的强度轮廓的子光束或单光束之后借助延迟单元针对每个子光束或单光束不同地被时间延迟，使得在其聚集并聚焦到加工/成像平面上之后形成具有强度轮廓的输出光束，而至少在时间上在加工/成像平面中不叠加。在此，为了针对每个子光束产生不同的强度轮廓，光束形成器可以与分束器组合，或被布置在延迟单元之后在光束聚集装置之前。该方法变型方案尤其可以有利地在短或超短脉冲激光器、例如皮秒或飞秒激光器（ps-或fs-Laser）的情况下被用于避免在加工/成像平面中的不期望的光束干涉。

为了完全避免在子光束聚集之后的时间叠加，在优选的方法变型方案中最小延迟被选择为大于或等于激光光束的脉冲持续时间。

在一个优选的方法变型方案中，针对第一子光束不选择延迟，针对第二子光束选择对应于至少激光光束的脉冲持续时间的延迟，针对第三子光束选择对应于至少激光光束的两倍的脉冲持续时间的延迟并且针对第n个子光束选择选择对应于至少激光光束的（n-1）倍的脉冲持续时间的延迟。因此可以实现，最快的和最慢的子光束以尽可能短的间距到达加工平面上，使得整个光束轮廓仅仅最小限度地在时间上失真。

另一方法变型方案规定，将激光光束划分成n个子光束，由此至少一个子光束借助光束形成器在其光束形状方面变化并且该子光束或其他子光束在没有光束形成的情况下与至少一个经光束形成的子光束被聚集到加工/成像平面中的要加工的工件上的照射区或有针对性地使其他子光束产生干涉，以便同时完成不同的照射任务。一方面因此可以减少光束形成器单元的加热，因为不必光束形成完整的激光功率，并且另一方面因此也可以在一个步骤中执行不同的照射任务。这样，例如可以实现激光烧蚀过程或通过激光干涉所支持的结构化过程。先前所描述的对均匀性误差的避免也可以利用该方案来保证。这里应注意的是，在还未公开的并行申请中描述关于该方法变型方案的其他细节。

如先前利用其变型方案所描述的该方法的一个优选的应用规定使用在用于激光烧蚀、激光钻孔、激光标记、激光钎焊或激光熔接、激光切割、激光烧结和堆焊、激光清洁、激光硬化、激光重熔、激光合金化和分散或用于激光抛光的激光加工设备中。在此情况下，取决于具有均匀光束形成的完美的光束质量。尤其，在光束形成中的开头所描述的干扰性的散斑形成可以利用所介绍的方法来补偿，所述散斑形成可能导致不精确性。

涉及设备的任务通过如下方式来解决：激光器装置和计算机单元具有用于执行如先前所描述的方法的装置，并且激光光束可以借助至少一个分束器划分成子光束或单光束，或每个子光束或单光束可以由具有不同波长的激光源产生，并且可以借助可以由计算机单元操控的光束形成器和/或延迟单元和/或波长操纵器使子光束或单光束在其相位、偏振、波长和/或其强度轮廓方面不同地受影响，以及在所述子光束或单光束借助光束聚集装置聚集并且聚焦到加工/成像平面上之后可以形成具有强度轮廓的输出光束，其中强度轮廓的相邻的强度最大值在其光特性方面不同以便排除干涉形成。原则上，先前所描述的用于避免在相邻的衍射级（偏振、波长、超过相干长度或脉冲持续时间的延迟）之间的不期望的干涉现象的方案/原理或这样的激光器装置必要时可以至少部分组合地集成到现有的激光加工设备中。其组合在许多情况下可以拥有在缩小设备的结构空间、提高衍射级的类型的数量并且因此也进一步减少干涉现象方面的优点。

附图说明

以下借助在图中示出的实施例更详细地解释本发明。

图1以示意图示出用于借助衍射漫射器将单光束轮廓叠加成额定轮廓的图表，

图2a和2b以示意图示出客观散斑与主观散斑之间的区别，

图3a至3b以示意图示出本发明的原理，

图4以示意图示出四个被不同地分束的轮廓示例性地嵌套成矩形平顶，

图5以示意图示出用于加工工件的激光器装置，

图6以另一图表示出被不同地偏振的子光束轮廓叠加成额定轮廓，

图7以示意图示出用于借助两个具有不同波长的激光源加工工件的激光器装置，

图8以另一示意图示出具有不同波长的子光束的替代的激光器装置，

图9以另一示意图示出激光器装置，其中激光光束被划分成不同的子光束和单光束，以及

图10以另一示意图示出具有脉冲式激光源的激光器装置。

具体实施方式

图1示意性地在图表10中示出开头所描述的在使用衍射漫射器16时的缺点。示意性地作为强度11根据间距12的变化示出的额定轮廓13的强度分布借助漫射器16通过多个衍射级14的叠加组成。如果这些衍射级14太靠近地在一起并且具有强的相位变化，则这些衍射级产生干涉并且形成不期望的干涉现象，所述干涉现象也称为散斑15。这些均匀性误差或散斑图案由于交替的相长和相消干涉而干扰额定轮廓13的成像。

根据所使用的成像系统，在主要英语的文献中此外在“主观散斑”与“客观散斑”之间进行区分。主观散斑例如通过观察具有粗糙表面的屏幕而形成并且例如随着观察角度而改变，因为相位偏移和由此得到的干涉图案首先在屏幕上（或通过光学系统中的表面）例如通过表面粗糙度而外加。客观散斑由衍射光学元件（DOE）中的相位跳变造成并且因此通过相位掩模的傅里叶变换确定。

图2a和2b示意性地阐明区别。在利用衍射光学元件（DOE）或空间光调制器（SLM）（这里作为光束形成器26、30示意性示出，参见图3）的所想要的光束形成之后客观散斑在焦平面中或在加工/成像平面29中（参见图3）形成。即，干涉图案由于所使用的光束形成的方式作为激光光束22的干涉辐射的相位调制形成。这些干涉图案不在观察者的眼睛中形成，而是其已经作为散斑15存在于焦平面或加工/成像平面29中。根据本发明的任务，应该避免这些客观散斑15。

与此相反，图2b示意性地描述在利用相干辐射（激光光束22）照射的漫射的表面18上作为闪光的“主观散斑”的形成。漫射的表面18在此实际上是任何粗糙的表面。尤其，表面上的效果是可见的，所述表面具有在相干辐射的波长的数量级上的粗糙度。这些散斑是由于在表面18上的衍射而形成的干涉。不过，这些散斑15在观察者的眼睛19中或在摄像机中才可见。在成像平面中不存在这些散斑图案。

本发明的核心在于，衍射漫射器算法的所有优点被利用来计算用于相干辐射的光束分离的相位掩模，以便因此也能够执行光束形成，而在相邻的衍射级之间不出现不期望的干涉。在此情况下利用如下原理：

1）如上面所描述的那样，借助衍射漫射器算法IFTA可以简单且精确地计算用于光束分离的相位掩模。

2）在利用IFTA进行光束形成时，在叠加的衍射级之间形成干扰性的伪影/干涉（散斑），因为激光是相干的。

3）两个局部重叠的/叠加的激光光束在：

i. 所述激光光束是不同偏振

ii. 所述激光光束是不同波长

iii. 所述激光光束在时间上相距大于激光辐射的相干长度

iv. 所述激光光束在时间上并不重叠（例如在脉冲式激光器的情况下，当一个脉冲并不与另一脉冲同时达到，而是在另一脉冲之后才到达时）时不会产生干涉。

原理i. 至 iv. 在其与如示意性地在图3a至3d中所示出的如下思想组合时形成用于避免在相邻的且重叠的衍射级之间构成不期望的干涉的解空间。

示例性地在图3a中示出了额定光束轮廓33（这里为矩形），其中两个衍射级可能重叠并且因此可能产生干涉，这导致强度超高和下降，这以干扰性的散斑图案表现出来。图3b和3c针对两种类型A和B的子光束35分别示出用于第一子光束37.1（类型A）和第二子光束37.2（类型B）的输出强度轮廓。在图3c中示出的图案在此与图3b中示出的图案互补。类型A的子光束35和类型B的子光束35分别处于矩阵布置MA和MB中，其中具有强度值37.1或37.2的子光束35布置在相应的格栅网的所想像的交点上。格栅网在此情况下例如可以具有彼此正交地或成角度地伸展的主格栅线。在相应类型的矩阵布置MA、MB之内的各个子光束35优选地至少彼此远远地间隔开，使得在这些子光束35之间不出现干涉现象。图3d示出用于由两个子光束35组成的输出光束28的强度轮廓28.1，其中两个衍射级重叠，但并不会产生干涉，因为衍射级“A”和“B”具有完全特别不同的光特性。输出光束28形成为规则的图案M，其由反复的图案区域MFA、MFB构成，其中规则的图案M由子光束35的第一和第二矩阵布置MA、MB的互补的嵌套在加工/成像平面中构成，使得直接相邻的图案区域MFA、MFB被分配给分别不同的类型的子光束35。本发明的核心思想在于，相邻的衍射级在基于IFTA的光束形成中被删除，使得IFTA实际上应计算用于光束分离的相位掩模（步骤1，从图3a至图3b）。将由这样的计算得出的图像将具有空隙（参阅图3b，这里构成为棋盘图案）。在步骤3中，这些空隙必须重新被闭合（图3d），更确切地说利用在步骤2中产生的互补的图像，该图像由不会与第一衍射级产生干涉的各个衍射级构成（根据原理i.- iv.，参阅图3c）。

图3a至3d仅仅示出该思想的示意图，其中所形成的规则的图案M的图案成形（Musterausprägung）可以不同地来设计，尤其根据至少一个变化可能性或以如先前已经在一般描述部分中所论述的多个变化可能性a）-c）的组合。以相同或相似的方式可设想的是，不仅仅两个不同类型的衍射级“A”和“B”聚集成所期望的光束轮廓，而是使用更多的衍射级（此外用“C”、“D”等表示），以便提高在相同类型的衍射级之间的间距并且更进一步使干涉最小化或完全排除干涉（图4）。这里示意性地示出了四个子光束35，其分别具有不同的输出强度轮廓37.1...37.4并且聚集成具有所组成的强度轮廓28.1的输出光束28。总之，输出光束28形成为相邻的区域图案MFA、MFB、MFC、MFD的规则的图案M，其方式是：具有强度轮廓37.1、37.2、37.3、37.4的相应的子光束35的四个矩阵布置MA、MB、MC、MD彼此嵌套为ABCD布置。替代地，图案区域MFA、MFB、MFC、MFD的重复模式也可以不同地构成，例如构成为ABACAD布置、ABCABD布置、ABABCABCD布置或其他布置。

该示例以下更详细地被叙述。在如在图像3d、步骤3中示出的衍射级的这样的布置中，所期望的光束轮廓（矩形平顶）的均匀性取决于在相邻的、利用分束的IFTA产生的衍射级之间的间距。因此，IFTA计算的衍射级之间的间距s可以由对光束形成中的所期望的强度分布的均匀性的要求来确定并且然后借助IFTA来调节。作为示例，在平顶的情况下通常需要在0%-10%的范围中的光束轮廓均匀性。从粗略计算和强度图表出发，可以保持：在此情况下在相邻的衍射级之间的距离s应处于半个至整个单衍射直径D的范围中。在可编程的衍射光束形成器（例如硅上液晶空间光调制器LCoS SLM）的情况下，在相邻的衍射级之间的间距s可以非常灵活地来调节。

图5至10示出用于技术上实现该方案的具体的激光器装置20。

图5以示意图示出根据本发明的用于加工工件的激光器装置20。

从激光源21出发，激光光束22借助分束器23被划分成两个光路，即p偏振和s偏振子光束24、25。这例如可以借助偏振分束器完成。在每个光路中的激光功率应是可调节的，例如通过输出辐射的偏振调节。s偏振子光束25是如下光束分量，其线性地垂直（索引：s）于入射平面偏振。所述光束分量在文献中也被称为横向电（TE）分量。在另一情况、即p偏振光束24中，观察在入射平面中线性地平行地（索引：p）偏振的波的幅度。所述幅度在文献中也被称为横向磁（TM）分量。

任务是，将可预先给定的额定光束轮廓33（I₀）理想地投影到加工/成像平面29上，所述额定光束轮廓例如保存在用于材料加工的计算机单元34中。不过，由于系统误差和散斑15（参见图1）将得出偏离的光束轮廓。

根据本发明，因此借助光束形成器26、30分别修改两个p偏振和s偏振子光束24、25，使得对于每个子光束得出不同的强度轮廓24.1 I_(p)和25.1 I_(s)，其然后紧接着借助光束聚集装置27聚集并且作为具有共同的强度轮廓 28.1 I _(a)的输出光束28投影到加工/成像平面29上。强度轮廓24.1 I_(p)和25.1 I_(s)在此在空间上被预先给定，使得这些强度轮廓一方面本身不会产生干涉并且不会产生干扰性的散斑15。另一方面，强度轮廓24.1 I_(p)和25.1 I_(s)在空间上被预先给定，使得输出光束28作为在加工/成像平面29中的叠加具有强度轮廓28.1 I_(a)，所述强度轮廓理想地对应于预先给定的额定光束轮廓33（I₀）并且相邻的单光束被不同地偏振。优选的强度分布在此可以对应于棋盘图案，其中棋盘的白色区域例如对应于p偏振子光束24的单强度分布，并且黑色区域对应于s偏振子光束25的单强度分布。因为具有不同偏振的辐射并不产生干涉，所以利用这种布置可以明显地减少散斑效应。同样也可设想的是蜂窝图案形式的六边形几何形状。

原始的激光光束的合适的偏振例如可以借助在分束器之前的延迟板来调节（在图5中未示出）。分束器可以被实施为偏振分束器立方体或薄膜偏振器。

在另一方法变型方案中，该方法、被不同地偏振的子光束的叠加、以及用于在时间上平均散斑图案的方法的已经提及的组合在进一步减少散斑15方面是有利的。

在计算机单元34中计算相应的强度轮廓24.1和25.1，使得可以进行光束形成器26、30的操控。尤其，不同的偏转镜31、32以及其他光学系统、如反射镜和/或透镜系统用于光束引导，但是所述其他光学系统为了保持清楚性未在图5中和在其他图中示出。

图6示意性地在作为强度11根据间距12的变化示出的图表10中示出由不同地偏振的具有其强度轮廓24.1 I_（p）和25.1 I_（s）的子光束组成图1中的额定轮廓13，其中相邻光束由于其不同的偏振而不产生干涉，并且因此不会产生干扰性的干涉现象或散斑图案。

在两个被分光的强度轮廓聚集成共同的图像时，必须以高精度进行调整，例如在40μm大的单光点的情况下，两个光束轮廓相对彼此移动几微米可能导致大的不利的强度变化。

作为对图5中所示出的结构的稍微简化的替代方案，可以使用如下结构，其中仅仅使用一个光束形成器或分束器，其产生由各个衍射级构成的棋盘图案。该棋盘图案被划分成两个光路，其中各个光路的偏振被操纵，使得两个光束在紧接着聚集时不再能够产生干涉。聚集偏移地发生，使得两个棋盘图案的各个衍射级交错。在此情况下，该结构的缺点变得明显：在光束轮廓的两侧处形成空隙，所述空隙对于激光加工过程而言可能是干扰性的，但不一定必定是干扰性的。优点是节省第二分束器/光束形成器并与此关联地降低总系统的复杂性。

众所周知地，在波长差超过几皮米时，不同波长的相干激光辐射并不产生干涉。如果现在使用具有足够光谱间距的不同波长的两个激光光束，则相同类型的各个衍射级局部地仅仅少量地重叠，其中所述激光光束利用两个衍射光束形成器（优选SLM或DOE）根据图像3a至3d中所示出的原理被分光并且在加工平面中又被聚集。不同类型（A和B）的衍射级的重叠完全不导致干涉，因为A衍射级和B衍射级是不同波长。不同类型的衍射级的棋图案的嵌套的核心原理这里如在先前所描述的实施例中那样同样被应用。区别在于，这里并不操纵偏振，而是操纵两个光路的波长。

图7示出具有两个激光源21的相应的激光器装置20，所述两个激光源发射λ₁和λ₂的辐射，其中这两个波长仅仅些微不同。第一激光源21的激光光束22利用第一光束形成器26形成。第二激光源21的激光光束22利用第二光束形成器30形成。两个光束的两个输出强度轮廓37.1和37.2然后利用光束聚集装置27聚集成具有叠加的强度轮廓28.1的输出光束28并且聚焦到加工/成像平面29上。因为直接邻接的单衍射图像具有不同的波长，所以这些单衍射图像不会产生干涉，由此避免干扰性的干涉并因此避免干扰性的散斑图案。

作为替代方案，如在图8中所示出的，代替两个激光源21（根据图7）也可以仅仅使用一个激光源，其中然后在将激光光束22划分成两个之后借助波长操纵器38操纵一个子光束的波长。如何能够具体地操纵波长在此是不重要的并且可以利用所有已知的方法来执行。也可设想如下实施方案，其中仅仅使用一个光束形成器。

作为其他替代方案可设想的是，使用多于两种类型的衍射级：最终的光束轮廓将可能由多于两个衍射图案组成（参见衍射图案A、B、C、D等，如在图4中所示出的）。为此，波长必须在所有光路中是不同的。

如果相邻的衍射级不再彼此相干，则这些衍射级同样不产生干涉。在使用如图7中的结构时，情况将可能如此，其中两个激光源21的波长可以是相同的。不过已经通过使用两个不同的激光源21，两个光束不再彼此相干，因此其衍射级不会产生干涉。替代方案可以是，如在图8中那样使用一个激光源，尽管代替波长操纵器38时间延迟器将被安装到第二光路中。该延迟器或延迟线将延迟第二光束，直至其不再与第一光束相干。对时间延迟的要求从光束源的相干长度的知识获得：如果相干长度例如是Xm，则空间延迟也必须为至少Xm，或转移到时域中：Δt=Xm/c，其中c是光速。在50m的情况下，1.67*10^-7s的时间延迟将是必要的。光束延迟例如可以通过延长其光学路径来进行（由多个反射镜构成的结构，所述反射镜将光束来回反射）或通过安装光密介质来进行，在所述光密介质中与在周围的介质（例如玻璃块）中相比光速更小。

作为其他替代方案可设想的是，使用多于两种类型的衍射级：最终的光束轮廓将可能由多于两个衍射图案组成（衍射图案A、B、C、D等），如在图4中所示出的。为此，所有子光束必须被延迟n倍的相干长度，其中n是相应的子光束的编号。

图9示意性地示出另一激光器装置20，其中从在所示出的示例中被实施为脉冲式激光器的激光源21出发，具有其强度轮廓22.1的激光光束22借助分束器23被划分成不同的子光束35。这些、在所示出的示例中四个子光束35中的每个都具有自己的强度轮廓35.1…35.4并且可以借助延迟单元36被不同地延迟。此外，这些子光束35中的每个都借助对于每个子光束而言自己的光束形成器37被划分成其他次子光束，所述次子光束分别具有输出强度轮廓37.1…37.4。光束形成器37例如被实施为SLM或DOE，并且如延迟单元36那样由这里未示出的计算机单元34操控。该最后的划分在散斑形成方面不成问题，因为次子光束局部地并不重叠。现在，由次子光束构成的子光束35借助光束聚集装置27来组成并且作为输出光束28聚焦到加工/成像平面29上。每个子光束35在加工/成像平面29中都是一种像素区域，其中次子光束的大小也是总图像的分辨极限，所述总图像通过输出光束28的所组成的强度轮廓28.1形成。由不同的子光束35造成的次子光束可以局部地重叠，而不产生干涉，因为所述次子光束时间偏移地冲击。将激光光束22多级地划分成子光束35和次子光束、将子光束35不同地时间延迟和将次子光束组成一个图像得出无散斑的图像。

先前所描述的方法变型方案或所描述的设备示例不仅利用脉冲式相干辐射而且利用非脉冲式相干辐射运行。

在脉冲式短脉冲激光器或超短脉冲激光器的情况下，脉冲持续时间典型地为几微秒至几飞秒。在各个脉冲之间的时间间距通常明显长于脉冲长度本身。该情况可以被用于在光束形成时避免散斑图案。脉冲式激光光束被划分成多个光束，其中所述多个光束中的每个都被形成为子光束轮廓。所有被划分的和所形成的光束又被聚集，其中子光束轮廓得出整个期望光束轮廓。如果所有子光束的光学路径相同，则在子光束轮廓局部叠加成总光束轮廓时将形成干涉。然而，如果子光束分别被不同地延迟，则在其局部叠加时不发生干涉，因为将不存在时间叠加。这假定：该延迟长于脉冲长度并且子光束彼此具有至少脉冲长度的时间间距。然而在此应尝试，将在射到加工平面上的最快的子光束与最慢的子光束之间的时间间距保持尽可能小，以便使整个光束轮廓在时间上不失真。

对该方法变型方案的结构和运行方式的描述借助在图10中所示出的激光器装置20进行。脉冲式激光光束22从例如被实施为皮秒或飞秒激光器的激光源21在部件分束器23和光束形成器37中被划分成例如四个子光束35。这些子光束就其而言利用漫射器被形成为针对每个子光束35.1、35.2、35.3、35.4具有不同的强度轮廓的不同的光束图案。这些光束图案中的每个都是独特的。当借助光束聚集装置27将所有单个光束图案聚集在加工/成像平面中时，得出具有总光束轮廓的输出光束28，所述总光束轮廓具有例如正方形（即正方形的平顶）形式的强度轮廓28.1。直至子光束的聚集，所述子光束35中的每个都借助延迟单元36（延迟线）被不同地延迟。如先前已经论述的，最小延迟应大于或等于脉冲持续时间。如果例如脉冲持续时间为1ps，则应该Δt₁=0s并且Δt₂≥1ps。第n个子光束的延迟于是将是Δt_n=（n-1）*1ps。以这种方式，利用漫射器形成的光束图案可以不彼此干涉，因为它们局部不重叠。重叠的区域位于分别不同的子光束35中，所述子光束又彼此在时间上分开并且因此可以不产生干涉。因此，防止在加工平面29中的散斑形成并且确保利用所形成的激光光束的加工质量。

替代地，在另一这里未示出的方法变型方案或激光器装置20中光束形成37也可以在延迟单元37之后且在光束聚集装置27之前进行。

先前所描述的用于避免在相邻的衍射级（偏振、波长、超过相干长度或脉冲持续时间的延迟）之间不期望的干涉现象的方案/原理也可以组合在一个设备中。其组合在许多情况下可以拥有在缩小设备的结构空间、提高衍射级的类型的数量以及因此也进一步减少干涉现象方面的优点。

所介绍的方法可以被使用在激光加工设备中，所述激光加工设备装备有光束形成器26、30、37。先前所描述的用于避免或时间上平均散斑图案的方案的应用领域是各式各样的。原则上，该方法可以被使用在所有已知的激光加工过程中，尤其被使用在微加工中：激光熔接、激光抛光、激光烧蚀、标记、钻孔、激光清洁等等。

Claims

1. 一种用于在激光加工过程中进行光束形成的方法，其中在激光器装置（20）中能够将激光光束（22）聚焦到加工/成像平面（29）上并且所述激光光束（22）能够借助至少一个光束形成器（26，30）在其强度分布方面被适配，其特征在于，为了避免在所述加工/成像平面（29）中的均匀性误差，所述激光光束（22）借助至少一个分束器（23）被划分成至少两个子光束或单光束（24，25，35）并且所述子光束或单光束不同地受影响或每个子光束或单光束由具有不同波长的激光源（21）形成，所述子光束或单光束在其聚集并聚焦到所述加工/成像平面（29）上之后形成具有强度轮廓（28.1）的输出光束（28），其中所述强度轮廓（28.1）的相邻的强度最大值在至少一个或多个光特性方面不同，以便排除干涉形成。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子光束或单光束（24，25，35）借助光束形成器（26，30，37）和/或延迟单元（36）和/或波长操纵器（38）在其相位和/或其强度轮廓（24.1，25.1，37.1，37.2，37.3，37.4）和/或其波长方面不同地受影响。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光光束（22）被划分成至少两个被不同地偏振的子光束并且所述子光束分别借助光束形成器（26，30）在其强度轮廓（24.1，25.1）方面被改变并且在聚集所述被不同地偏振的子光束之后，两个子光束的强度轮廓（24.1，25.1）在所述加工/成像平面（29）中叠加成额定光束轮廓（33），其中所述强度轮廓（24.1，25.1）的相邻的强度最大值分别具有不同的偏振。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述子光束或单光束的强度轮廓（24.1，25.1，37.1，37.2，37.3，37.4）在所述加工/成像平面（29）中在构成作为规则的图案M的所述输出光束（28）的情况下被聚集，所述规则的图案具有反复的图案区域（MFA，MFB，MFC，MFD），例如以棋盘图案或蜂窝图案或三角形图案或菱形图案或其他规则图案的形式，其中直接相邻的图案区域（MFA，MFB，MFC，MFD）分别被分配给不同类型的子光束或单光束，其中所述不同类型的子光束或单光束在至少一个光特性方面不同。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述光束形成器（26，30，37）以短的时间间距连续地利用至少一个相位掩模和/或幅度掩模修改所述子光束（24，25，37）。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据额定光束轮廓（33），为激光加工预先给定不同的相位掩模和/或幅度掩模。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述子光束分别本身分开地或共同地利用所述相位掩模和/或幅度掩模来修改。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了光束形成，使用衍射漫射器，所述衍射漫射器被实施为空间光调制器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，使用脉冲式或非脉冲式相干光源。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在使用脉冲式激光器的情况下所述激光光束（22）在其划分成至少两个针对每个子光束（35.1，35.2，35.3，35.4）具有不同的强度轮廓的子光束或单光束（24，25，35）之后借助延迟单元（36）针对每个子光束或单光束（24，25，35）不同地被时间延迟并且在所述子光束或单光束聚集并聚焦到所述加工/成像平面（29）上之后形成具有强度轮廓（28.1）的输出光束（28），而至少在时间上在所述加工/成像平面（29）中不叠加，其中为了针对每个子光束（35.1，35.2，35.3，35.4）产生不同的强度轮廓，所述光束形成器（37）与所述分束器（23）组合或布置在所述延迟单元（36）之后在所述光束聚集装置（27）之前。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，最小延迟被选择为大于或等于所述激光光束（22）的脉冲持续时间。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，针对第一子光束选择无延迟，针对第二子光束选择对应于至少所述激光光束（22）的脉冲持续时间的延迟，针对第三子光束选择对应于至少所述激光光束（22）的两倍的脉冲持续时间的延迟，以及针对第n个子光束选择对应于至少所述激光光束（22）的（n-1）倍的脉冲持续时间的延迟。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光光束（22）被划分成n个子光束（35），由此至少一个子光束借助光束形成器（26，30，37）在其光束形状方面被改变并且该子光束或其他子光束（35）在没有光束形成的情况下与至少一个经光束形成的子光束被聚集到所述加工/成像平面（29）中的要加工的工件上的照射区或有针对性地使其他子光束（35）产生干涉。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法在用于激光烧蚀、激光钻孔、激光标记、激光钎焊或激光熔接、激光切割、激光烧结和堆焊、激光清洁、激光硬化、激光重熔、激光合金化和分散或用于激光抛光的激光加工设备中的应用。

15. 一种用于材料加工的设备、尤其激光器装置（20），所述设备包括至少一个计算机单元（34）、激光源（21）和光束形成器（26，30，37），其中来自所述激光源（21）的激光光束（22）能够聚焦到加工/成像平面（29）上并且所述激光光束（22）能够借助所述光束形成器（26，30，37）在其强度分布方面被适配，其特征在于，所述激光器装置（20）和所述计算机单元（34）具有用于执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法的装置，并且所述激光光束（22）能够借助至少一个分束器（23）被划分成子光束或单光束（24，25，35）或每个子光束或单光束（24，25，35）能够由具有不同波长的激光源（21）产生，并且借助光束形成器（26，30，37）和/或延迟单元（36）和/或波长操纵器（38），所述子光束或单光束在其相位、偏振、波长和/或其强度轮廓（24.1，25.1，37.1，37.2，37.3，37.4）方面能够不同地受影响，所述光束形成器（26，30，37）和/或延迟单元（36）和/或波长操纵器（38）能够是由所述计算机单元（34）可操控的，并且在所述子光束或单光束借助光束聚集装置（27）聚集并聚焦到所述加工/成像平面（29）上之后能够形成具有强度轮廓（28.1）的输出光束（28），其中所述强度轮廓（28.1）的相邻的强度最大值在至少一个或多个光特性方面不同，以便排除干涉形成。