CN111699069B - 用于使电磁波束定形状的光学装置及其用途、束处理装置及其用途以及束处理方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于使电磁波束定形状的光学装置及光学装置的用途、一种束处理装置及束处理装置的用途以及一种束处理方法。该光学装置具有光学元件以及激励器装置，该光学元件位于束传播方向内，该激励器装置功能性地连接至光学元件以用于引起焦点沿着焦点振荡路径在垂直于束传播方向的平面的x方向和y方向中的至少一者上的振荡。

Description

用于使电磁波束定形状的光学装置及其用途、束处理装置及 其用途以及束处理方法

技术领域

本发明涉及一种用于使电磁波束定形状的光学装置及其用途、一种束处理装置及其用途以及一种束处理方法。

背景技术

对使用电磁波束来处理工件、例如金属片材的激光束切割的主要需求是为了提高处理过的工件的质量。

例如，当使用激光束来切割金属片材时，通常使用可以是活性的或惰性的辅助气体。使用氧气作为活性气体，金属在被激光束加热到点火温度后燃烧并且汽化。氧气与金属之间的反应实际上以热的形式产生了额外的能量，从而支持了切割工艺。具有非常低的粘度的熔融液态金属通过氧气射流的剪切力被从切口中去除。当使用比如氮气的惰性气体进行切割时，材料仅靠激光功率被熔化，并且通过气体射流的动能被从切缝中吹出。

为了获得高质量的处理过的工件，期望的是优化的束质量，这可以通过改变束斑直径以及需要时改变束斑形状来实现。束斑可以被理解为电磁波束的垂直于电磁波束的传播方向的例如在聚焦平面内的强度分布。根据待处理的工件的厚度和材料以及具体的处理类型来调节束斑可以使束处理装置的性能提高。

束质量可以例如通过以恒定的传播角度来改变束斑直径而被改变，从而调节束参数乘积(BPP)。为了使用典型的束处理头实现这种类型的束定形，需要附加的光学部件、比如透镜或传输光纤。但是，特别是在用大功率激光束(>1kW)处理工件时，在激光束的自由路径内使用其他光学部件可能会是不利的。

US 8781269 B2公开了一种用于产生具有不同的束轮廓特征的激光束的方法。激光束耦接到多包层光纤的一个光纤端部。为了产生输出激光束的不同的束轮廓特性，将输入激光束选择性地耦接到多包层光纤的内部光纤纤芯或一个外环纤芯中。

US 9250390 B2涉及一种材料激光束处理系统。通过改变发射到波导中的激光束的输入会聚角和/或发射角，可以连续地改变输出斑的尺寸。

EP 2762263 A1公开了一种具有环形束的激光切割器，环形束的内直径和外直径在穿过聚光透镜的聚焦位置后趋于扩大。

EP 2778746 B1描述了一种用于束形成的光学装置，该光学装置具有两个板状光学元件，所述两个板状光学元件的厚度轮廓彼此相反。

DE 102015101263 A1图示了具有圆形表面图案的两个板状光学元件，两个板状光学元件包括交替的倾斜面并且位于准直的激光束内。

US 20160266393 A1公开了一种场映射光学系统和方法，所述场映射光学系统和方法通过在第一光场与第二光场之间创建中间光场，将具有已知空间相干的第一光场的光束转换为在距系统所需距离处具有所需的强度分布和平坦的波前的第二光场，该中间光场是从第二光场的傅立叶逆变换导出的。

EP 2894004 B1涉及一种用于使用照相机和可动镜进行激光加工的装置。

DE 102014210118 A1公开了一种光学系统，该光学系统具有外部壳体和可移动地支承在外部壳体内的内部壳体。该内部壳体至少包括准直透镜和聚焦透镜。内部壳体能够通过径向轴承径向地移动。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于使电磁波束定形状的改进的光学装置、和/或一种改进的束处理装置、和/或一种改进的束处理方法。

该目的通过根据本发明的第一方面的用于使电磁波束定形状的光学装置、根据本发明的第二方面的用途、根据本发明的第三方面的束处理装置、根据本发明的第四方面的用途以及根据本发明的第五方面的束处理方法来实现。

本发明的一个实施方式涉及一种用于使电磁波束定形状的光学装置，该束由源产生并且具有束传播方向和焦点，该光学装置包括光学元件以及激励器装置，该光学元件位于束传播方向内，该激励器装置功能性地连接至光学元件以用于引起焦点沿着可控的焦点振荡路径在垂直于束传播方向的平面的x方向和y方向中的至少一者上的振荡，x方向和y方向彼此不平行，其中，激励器装置具有用于引起焦点振荡的x方向分量的至少第一激励器单元和用于引起焦点振荡的y方向分量的至少第二激励器单元，光学装置还包括用于对激励器装置进行控制的控制单元。相应的光学元件与激励器装置的功能连接用于引起光学元件的仅振荡重复运动。

由于引起焦点振荡，以上实施方式允许提供在x-y平面内具有增加的直径的束斑，从而导致增加的束参数乘积(BPP)。此外，由于焦点振荡，从束源最初输出的束斑可以相对于束的传播方向横向移动，从而在切割工艺中，当与非振荡束斑相比时，提高了输入到工件切割边缘中的能量。另外地，由于上述实施方式的激励器装置可以用通常设置在提供电磁波束的任何装置——比如束处理头或切割头——中的光学元件来实现，因此可以实现束定形，而无需位于电磁波束的自由路径内的附加的光学部件。电磁波束可以例如是激光束。

在一些实施方式中，焦点振荡可以具有至少一个频率。另外地或替代性地，焦点振荡路径可以具有路径长度。特别地，频率可以为100Hz或更大、优选为2kHz或更大。此外，路径长度可以为至少0.1mm、优选为 0.5mm或更大。由此，可以实现电磁波束的在x-y平面、例如在聚焦平面内的强度分布的可变定形。这进而允许通过产生的束对工件进行高质量的处理、比如切割。

根据另外的实施方式，激励器装置可以具有第三激励器单元，该第三激励器单元用于引起焦点振荡的z方向分量，其中，z方向垂直于x-y平面。因此，所引起的焦点振荡可以包括在z方向上的分量。

另外，可以由激励器装置在x方向、y方向和z方向中的至少一者上激励的焦点振荡的幅度可以等于或小于+/-1mm、优选地为至少+/-0.01 mm。由此，可以实现微调的束斑直径。

如以上所提及的，各实施方式包括用于对激励器装置进行控制的控制单元。特别地，控制单元可以包括预定义的二维李萨如图和三维李萨如图的数据库，并且控制单元可以配置成将激励器装置控制成使得所生成的焦点振荡路径对应于预定义的李萨如图中的一个李萨如图或预定义的李萨如图中的多于一个李萨如图的组合。由此，可以实现焦点的两个或更多个谐波振荡的叠加。

此外，控制单元可以配置成在x方向、y方向和z方向中的任何一者上独立地调节焦点振荡的相位。这允许提供各种各样的振荡类型。

另外，控制单元可以配置成根据束的处理方向、特别是切割方向来在 x-y平面上定向振荡路径。因此，当处理方向遵循曲线时，振荡路径可以旋转。此外，当处理方向遵循直线时，可以保持振荡路径的取向。

相应的光学元件与激励器装置的功能连接用于引起光学元件的仅振荡重复运动。特别地，光学元件的振荡重复运动提供焦点振荡。从而，可以可靠地实现焦点振荡。

根据一些实施方式，光学元件可以是选自聚焦透镜、准直透镜或者聚焦透镜和准直透镜的组合的透镜装置，该透镜装置功能性地连接至激励器装置，以用于传输激励器装置的激励，从而提供透镜装置在平行于x-y平面的X-Y平面中的振荡重复运动，透镜装置的振荡重复运动引起焦点在x 方向和/或y方向上的振荡。

在其他实施方式中，光学元件可以是光纤、光纤耦合器、端部帽或者光纤、光纤耦合器和端部帽的任何组合中的一者，光学元件的自由端部功能性地连接至激励器装置，以用于传输激励器装置的激励，从而提供光学元件的自由端部在平行于x-y平面的X-Y平面中的振荡重复运动，光学元件的自由端部的振荡重复运动引起焦点在x方向和/或y方向上的振荡。

根据另外的实施方式，光学元件可以是具有中心并且配置成用于使束偏转达偏转角度的离轴抛物面镜，该镜功能性地连接至激励器装置，以用于传输激励器装置的激励，从而提供镜在X-Y平面内的振荡重复运动，该X-Y平面是镜的中心处的切平面，镜的振荡重复运动引起焦点在x方向和/或y方向上的振荡。镜在镜的中心处的切平面中的振荡重复运动可能导致偏转角度的变化。

此外，相应的光学元件与激励器装置的功能连接可以用于传输激励器装置的激励，以进一步提供相应的光学元件的振荡重复运动的Z方向分量。由此，可以实现焦点振荡的z分量。

根据另外的实施方式，激励器装置可以包括选自压电致动器、石英晶体振荡器、偏心轮、用于产生振荡电磁场的装置、以及MEMS(微机电系统)振荡器中的至少一个元件。这些实施方式允许光学元件与激励器装置的可靠功能连接以及光学元件的适当的振荡重复运动。在一个示例中，用于产生振荡电磁场的装置可以在光学装置中设置在距附接有磁体的光学元件的一定距离处，从而使光学元件在操作期间在振荡电磁场内盘旋和振荡。

在另外的实施方式中，焦点的尺寸可以通过光学系统的放大率和电磁束的初始直径来控制。例如，焦点的尺寸可以为至少0.1mm、优选地为 0.15mm或更大且不大于0.4mm。由此，可以实现束斑尺寸的微调。

一些实施方式提供了根据以上实施方式中的任何一个实施方式的光学装置的用于使电磁波束定形状的用途。

另外的实施方式涉及一种束处理装置、特别是束切割装置，该束处理装置包括处理头、特别是切割头，该处理头用于将电磁波束引导到待被电磁波束处理的材料的表面上，该处理头包括根据以上实施方式中的任一实施方式的光学装置。

又一实施方式提供了根据上述另外的实施方式的束处理装置的用于对要被电磁波束切割的材料的表面进行切割的用途。

根据一个实施方式，使用以上实施方式中的任何实施方式的光学装置和/或束处理装置的束处理方法、特别是束切割方法包括：通过源来产生电磁波束，该束具有束传播方向和焦点；将束照射到位于束传播方向内的光学元件上；使焦点沿着焦点振荡路径在与束传播方向垂直的平面的x方向和y方向中的至少一者上振荡，x方向和y方向彼此不平行，其中，焦点振荡是由激励器装置引起的，该激励器装置具有用于引起焦点的x方向分量的至少第一激励器单元的和用于引起焦点振荡的y方向分量的至少第二激励器单元；以及对要被电磁波束处理的材料的表面进行处理、特别是进行切割；其中，焦点振荡由激励器装置引起，该激励器装置具有相应的光学元件与激励器装置的功能连接，以用于引起光学元件的仅振荡重复运动。

由于引起焦点振荡，以上实施方式可以提供在x-y平面内具有增加的直径的束斑，从而导致增加的束参数乘积(BPP)。此外，由于焦点振荡，从束源最初输出的束斑可以相对于束的传播方向横向运动，由此在切割处理的情况下，与非振荡束斑相比，可以提高输入到工件的切割边缘中的能量。这样可以改善或甚至优化处理过的工件的切割边缘。

可以使用如上所述的用于使电磁波束定形状的束处理装置和/或光学装置的任何实施方式来修改上述实施方式的束处理方法。

附图说明

在参照以下附图的典型的实施方式的以下描述中，将对以上所提及的实施方式中的一些实施方式进行更详细的描述，在附图中：

图1a示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的光学装置1；

图1b示意性地示出了根据本发明的实施方式的光学装置100；

图2a示意性地图示了根据本发明的实施方式的激励器装置6；

图2b示意性地图示了根据上述实施方式的激励器装置6的激励器单元15；

图2c示意性地图示了根据本发明的实施方式的激励器装置60；

图2d示意性地图示了根据本发明的实施方式的激励器装置66；

图3a示意性地示出了根据本发明的另外的实施方式的激励器装置 600；

图3b示意性地示出了根据本发明的另外的实施方式的激励器装置的激励器单元17；

图4示意性地图示了根据本发明的实施方式的光学装置110；

图5示意性地图示了根据本发明的实施方式的光学装置120；

图6示意性地示出了由图1的装置所获得的聚焦区域9以及所得到的束直径因数与聚焦位置的关系；

图7图示了存储在一个实施方式的控制单元中的预定义的二维李萨如图的示例；以及

图8示出了如何沿着电磁波束的切割路径来实现图7的右下方处的李萨如图、即对应地获得的焦点的振荡的示例。

具体实施方式

在附图的以下描述内，相同的附图标记指代相同的部件。通常，仅描述关于相应的实施方式的差异。在下文中，各实施方式是参照切割工艺来进行描述的，但各实施方式不限于此。而是，可以使用本发明的各实施方式来执行任何束处理工艺。

根据本发明各实施方式的光学装置具有光学元件和激励器装置，该光学元件位于束传播方向内，该激励器装置功能性地连接至光学元件，以用于引起焦点沿焦点振荡路径在垂直于束传播方向的平面的x方向和y方向中的至少一者上的振荡。光学元件与激励器装置的功能连接用于专门引起光学元件的运动，从而实现焦点运动。光学元件的运动是振荡重复运动。

图1a示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的光学装置1。光学装置1包括由一个聚焦透镜7形成的光学元件。激光源2a产生激光束，该激光束被导引穿过耦接至激光源2a的激光导引光纤2b。在光纤2b的自由端部处设置有光纤耦合器3。光纤耦合器3包括端部帽4，激光束通过端部帽4在束传播方向上扩散。束被外部束射线5限制，从而形成垂直于束传播方向的圆形束斑。束传播至位于束传播方向内的聚焦透镜7。束通过聚焦透镜7朝向喷嘴8并且穿过喷嘴8传输，从而产生包括焦点的焦点范围9，如图6中所示。

通过使用移位装置(未示出)使光学元件平行于束传播方向移动，可以沿着束传播方向来改变焦点的位置。替代性地，为了沿着束传播方向来调节焦点位置，喷嘴8可以平行于束传播方向上移动距离11。

聚焦透镜7功能性地连接至激励器装置6，该激励器装置6在本实施方式中引起聚焦透镜7的振荡重复运动。激励器装置6配置成在聚焦透镜 7的振荡重复运动的X方向上提供分量12a，在聚焦透镜7的振荡重复运动的Y方向上提供分量12b，X方向和Y方向垂直于束传播方向。

在本实施方式中，由激励器装置6实现的透镜7的振荡重复运动对应于X-Y方向上两个谐波振荡的叠加。

如果需要的话，透镜7在X-Y方向上的两个谐波振荡可以进一步与在Z方向上的运动的分量10叠加。在Z方向上的运动也可以被实现为透镜7的振荡重复运动，该运动通过激励器装置6的对应的移位装置来实现。

在操作中，由激励器装置6提供的透镜7的振荡重复运动引起激光束的焦点在垂直于束传播方向的x方向和/或y方向上的振荡，以及可选地在平行于束传播方向的z方向上的振荡。

根据各实施方式，可以设置光学元件的位移范围，这允许仅通过光学元件的运动、特别是通过光学元件的振荡重复运动来使束在喷嘴内居中。

图1b示意性地图示了根据本发明的另外的实施方式的光学装置100。光学装置100包括由准直透镜7a和聚焦透镜7b的组合形成的光学元件。与图1a中所示的实施方式相比，该实施方式具有两个激励器装置6，一个引起准直透镜7a的振荡重复运动，而另一个引起聚焦透镜7b的振荡重复运动。根据本实施方式，两个透镜7a和7b的振荡重复运动可以是谐和且相同的。然而，根据该实施方式的改型，透镜7a和透镜7b的振荡重复运动可以彼此不同，例如，用于引起焦点的特定振荡。

操作图1a中所示的装置，由两个激励器装置6实现的透镜7a和透镜 7b的振荡重复运动引起激光束的焦点在x方向和/或y方向上以及可选地在z方向上的振荡。

根据实施方式，光学元件可以是功能性地连接至激励器装置的相同类型或不同类型的两个透镜的组合。通过使比如图1b中所示的实施方式的准直透镜7a和聚焦透镜7b的两个透镜相对于彼此以不同的方式动态地运动，能够增大光学元件整体的位移范围。

此处关于呈聚焦透镜7或透镜7a和7b形式的光学元件描述的原理也可以应用于其他光学元件、比如光纤耦合器3(如关于图4所描述的)或离轴抛物面镜70(如关于图5所描述的)。

图2a示意性地图示了根据本发明的实施方式的激励器装置6，该激励器装置6参照图1的光学装置1被示例性地描述。激励器装置6通过在由图1的X分量12a和Y分量12b表示的X-Y平面中的四个激励器单元(振荡器)15的笛卡尔布置形成。激励器单元15在正交的X方向和Y方向的坐标处被附接至、例如焊接至、胶接至或夹持至呈透镜7形式的光学元件。然而，根据激励器装置6的改型，激励器单元15的布置可以是非正交的。四个激励器单元15通过附件16连接至光学装置1的壳体(未示出)，该附件16包括用于电力供应的电馈通(未示出)和到控制单元(未示出) 的数据传导连接。

如图2b中所呈现的，激励器单元15各自包括嵌入到实心接合件14 中的一个或更多个压电致动器13，所述一个或更多个压电致动器13将压电挠度转换为与由控制单元所规定的X/Y分量对应的最大+/-1mm的致动器行进距离。应当提及的是，压电致动器13在其纵向方向上的取向和激励器单元15的相应的取向可以平行于与X-Y平面垂直的Z方向。通过平行于Z方向的这种取向，可以改善激励器单元15的Z方向上的刚度。

在图1中所示的透镜7的振荡的重复运动中要实现Z分量的情况下，可以通过附接至激励器单元15的附加的压电致动器13来实现以上所提及的如被包括在激励器装置6中时的移位装置，从而使激励器装置6沿Z方向振荡。

图2c示意性地图示了根据本发明实施方式的激励器装置60，其中，激励是通过电磁致动来引起的。再次参照图1的光学装置1示例性地描述该实施方式。激励器装置60包括用于产生振荡电磁场的装置，从而在由图1的X分量12a和Y分量12b表示的X-Y平面中提供四个激励器单元 (振荡器)150的笛卡尔布置。每个激励器单元150由线性音圈致动器 (VCA)形成，该线性音圈致动器具有磁性壳体151和定位在壳体内的线圈152。可能由VCA产生的力与流动穿过线圈的电流成正比。激励器单元150在正交的X方向和Y方向的坐标处被附接至、例如焊接至、胶接至或夹持至呈透镜7形式的光学元件。根据激励器装置60的改型，激励器单元150的布置可以替代性地是非正交的。四个激励器单元150通过附件160连接至光学元件1的壳体(未示出)，该附件160包括用于电力供应的电馈通(未示出)和到控制单元(未示出)的数据传导连接。应该提及的是，磁性壳体151和线圈152可以与图2c中所示相反地布置。

在操作期间，附接至透镜7的每个VCA 150的线性运动由控制单元控制，从而提供透镜7在平行于所期望的焦点振荡的x、y分量并且根据所期望的焦点振荡的x分量、y分量的X方向和/或Y方向上的振荡重复运动。如以上所提及的移位装置也可以在图2c的实施方式中实现，以用于使激励器装置60在Z方向上移位或振荡。

图2d示意性地图示了根据本发明的实施方式的激励器装置66，该激励器装置66再次参照图1的光学装置1被示例性地描述。激励器装置66 通过在由图1的X分量12a和Y分量12b表示的X-Y平面中的两个激励器单元(振荡器)15形成。激励器单元15类似于关于图2a和图2b描述的激励器单元，并且激励器单元15附接至、例如焊接至、胶接至或夹持至呈透镜7形式的光学元件。在光学元件之间、在该实施方式中例如在透镜7与附件16之间布置有无源导引元件117。无源导引元件117将光学元件保持在X-Y平面中，并且允许在X方向和Y方向上致动。作为激励器单元15的替代，可以替代地使用如关于图2c所描述的激励器单元150或如关于图3a所描述的激励器单元17。光学元件还可以被实现为如关于图 4所描述的光纤耦合器3或如关于图5所描述的离轴抛物面镜70。

在光学元件的X-Y平面中包括激励器单元(振荡器)的笛卡尔布置的各实施方式提供了光学元件的规定运动，该运动在X-Y平面内可以如所期望的被选择。此外，光学元件的运动可以被选择为振荡重复运动，由激励器装置提供的频率是可变的。通过选择合适的激励能量，可以如所期望的选择振荡幅度。通过选择激励器单元的相移，可以改变焦点运动的图案。在实现两个振荡激励器电路的情况下，可以实现与如图7中所示的李萨如图相对应的焦点运动的图案。

如以上所提及的，各实施方式包括用于对激励器装置进行控制的控制单元。在一些实施方式中，控制单元可以包括预定义的二维李萨如图和三维李萨如图的数据库。控制单元可以配置成控制和/或可以控制激励器装置，使得所产生的焦点振荡路径对应于预定义的李萨如图中的一个李萨如图或预定义的李萨如图中的多于一个李萨如图的组合。由此，可以实现焦点的两个或更多个谐波振荡的叠加。因此，在一些示例中，控制单元包括预定义的二维和/或三维李萨如图的数据库，以控制激励器装置，从而生成与预定义的李萨如图中的一个李萨如图或预定义的李萨如图中的多于一个李萨如图的组合对应的焦点振荡路径。

图3a示意性地示出了根据本发明的另外的实施方式的激励器装置 600，该激励器装置600再次参照图1的光学装置1被示例性地描述。激励器装置600由四个激励器单元17的极性布置形成，该布置平行于由图1的X分量12a和Y分量12b表示的平面。激励器单元17各自由偏心圆盘形成，偏心圆盘机械地接触透镜7且具有在X方向、Y方向上的两个轴线。如图3b中所示例性地指出的，对于偏心圆盘中的提供透镜7在X方向上的运动的一个偏心圆盘而言，通过将偏心杆(未示出)的轴线21在 X方向上布置在距偏心圆盘的轴线20一定距离处来实现偏心度19。每个杆功能性地连接至对应的驱动系统(未示出)。在操作期间，附接至相应的偏心圆盘的每个偏心杆的旋转18由控制单元61控制，从而提供透镜7 在平行于所期望的焦点振荡的x、y分量并且根据所期望的焦点振荡的x 分量、y分量的X方向和/或Y方向上的振荡重复运动。

通过具有激励器单元的极性布置的各实施方式，光学元件可以相对于其光学中心非居中地旋转。在这些实施方式的改型中，可以改变光学元件的偏心度和/或旋转速度。

根据各实施方式，控制单元可以配置成在x方向、y方向和z方向中的任何一者上独立地调节焦点振荡的相位。

图4示意性地图示了根据本发明实施方式的光学装置110，在该光学装置110中光学元件由如图1a中所示的光纤2b的自由端部、光纤耦合器 3和端部帽4形成。替代性地，光学元件可以由激光导引光纤2b的自由端部形成。激光导引光纤2b耦接至激光源2a。如上参照图2a和图2b所描述的，包括端部帽4的光纤耦合器3功能性地连接至激励器装置6。也就是说，激励器装置6通过在由图1的X分量12a和Y分量12b表示的 X-Y平面中的四个激励器单元15的笛卡尔布置形成，该X-Y平面平行于焦点振荡的平面x-y。然而，可以替代地使用其他实施方式的激励器装置 60、66或600。在本实施方式中，激励器单元15在正交的X方向和Y方向的坐标处附接至光纤耦合器3。四个激励器单元15通过附件16连接至光学装置110的保持器(未示出)，该附件16包括用于电力供应的电馈通 (未示出)以及到控制单元(未示出)的数据传导连接。激励器单元15 各自包括嵌入到实心接合件14中的压电致动器13，如图2b中所示，该压电致动器13将压电挠度转换为与由控制单元所规定的X/Y分量对应的最大+/-1mm的致动器行进距离。在操作期间，激励器装置6的激励被传递到光纤2b的自由端部，该自由端部由束出射平面限制。由此，在平行于x-y平面的X-Y平面中实现了光纤的自由端部的束出射平面的振荡重复运动。因此，光纤2b的自由端部的振荡重复运动引起焦点在x方向和/或 y方向上的振荡。如以上所提及的移位装置也可以被实现为用于使激励器装置6如图4中所表示的沿Z方向移位或振荡达Z方向分量10。

图5示意性地示出了本发明的另外的实施方式的光学装置120。根据该实施方式，光学元件是具有中心的离轴抛物面镜70。镜70位于束传播方向内，以将从光源2a发射的激光束偏转约90°的偏转角度。然而，该实施方式的其他示例可以允许其他偏转角度。镜70功能性地连接至激励器装置6，如上面关于图2a和图2b中所描述的。也就是说，激励器装置6由X-Y平面中的四个激励器单元15的笛卡尔布置形成，X-Y平面在该实施方式中是在镜的中心处的切平面。在本示例中，X-Y平面相对于由焦点振荡的x分量、y分量表示的平面倾斜约45°。激励器单元15在正交的X 方向和Y方向的坐标处附接至、例如焊接至、胶接至或夹持在镜70的侧部处。由此，在操作期间，激励器装置6的激励被传递到镜70，从而提供镜70的在X-Y平面中的振荡重复运动。所产生的镜70的振荡重复运动引起焦点在x方向和/或y方向上的振荡。在本实施方式中，代替激励器装置6，可以替代性地使用其他实施方式的激励器装置60、66或600。

图6示意性地图示了使用图2a和图2b中所示的激励器装置6通过图 1的装置获得的焦点区域9，以及所产生的束直径因数与束轴线上的位置的关系。如图6的上部图示中所示，激光束在没有振荡的情况下被聚焦区域9内的外部束射线5a限制，并且具有在聚焦平面9a处最小的束腰。然而，焦点在聚焦平面9a内的振荡使激光束转换成由形成束腰的外部束射线5b所限制，该束腰比没有振荡的情况下的束腰大。因此，获得了更高的BPP。即使在远场平面9b处并且如图6的下部图示中所示，通过使焦点振荡而产生的束斑具有比没有使焦点振荡的激光束的束斑大的直径。因此，由于焦点在聚焦平面内的快速振荡运动，提供了具有较大直径的束斑，即束强度分布。因此，由于焦点振荡，与非振荡的束斑相比，可以提高输入到工件的切割边缘中的能量。此外，通过使用本发明的实施方式改变焦点振荡，可以针对要切割的材料的不同厚度来根据需要调节束斑直径并且因此调节参数乘积(BPP)。

图7图示了存储在一个实施方式的控制单元中的预定义二维李萨如图的示例。根据该实施方式，控制单元配置成将激励器装置6、60、66、 600控制成使得所产生的焦点振荡路径对应于预定义的李萨如图中的一个李萨如图或预定义的李萨如图中的多于一个李萨如图的组合。如从图7可以明显看出，由于焦点或束斑22根据李萨如图的振荡，因此焦点或束斑 22可以在x-y平面(聚焦平面)内沿运动路径23往复运动或绕轨道运动。焦点振荡具有频率，并且焦点振荡路径具有路径长度。应当注意的是，焦点在焦点振荡路径中位于不同位置n处的概率由焦点直径(fpd)/路径长度*频率的乘积给出。

图8示出了如何沿着激光束的切割路径25来实现图7的右下方处的李萨如图、即对应地获得的焦点的振荡路径的示例。由于焦点振荡，沿着切割路径提供了具有较大直径的束斑和束强度分布。因此，与非振荡的束斑相比，可以提高输入到工件的切割边缘中的能量。控制单元对焦点的振荡进行控制，使得当处理/切割路径形成曲线时，李萨如图/焦点的振荡路径被旋转。也就是说，振荡路径/李萨如图在x-y平面中的取向取决于切割束在x-y平面中的处理/切割方向。

结论

使用本发明的各实施方式，束处理工艺、特别是切割工艺可以通过调节束斑直径并且因此调节束参数乘积(BPP)而被优化，这对于不同厚度的待处理/切割的材料而言特别有利。对于光纤激光器和普通固态激光器而言，BPP由所使用的光纤的直径限定。通过本发明的各实施方式，由于焦点振荡和由此产生的束斑直径的变化，甚至可以有效地调节光纤激光器和固态激光器的BPP。因此，可以提供具有“实时”BPP调节的束处理头或切割头。

此外，使用本发明的各实施方式，由于焦点振荡和由此产生的束斑直径的变化，可以实现在x-y平面内的强度分布的可变定形，例如，可以实现电磁波束的聚焦平面内的强度分布的可变定形。这进而允许通过产生的束对工件进行高质量的处理、比如切割。为了实现高质量的处理工艺、例如切割工艺，可以根据不同工艺参数的需要来定制焦点振荡的图案，所述工艺参数比如是切割切口、激光功率、处理/切割速度、气压、处理/切割方向以及待处理/切割的材料的类型。

虽然前述内容针对本发明的各实施方式和各示例进行的，但是可以设计本发明的其他和另外的实施方式。特别地，上述各实施方式和各示例的互不排斥的特征可以彼此组合。

附图标记列表

1 光学装置

2a 激光源

2b 激光导引光纤

3 光纤耦合器

4 端部帽

5 外部束射线

5a 无焦点振荡的外部束射线

5b 具有焦点振荡的外部束射线

6 激励器装置

7 透镜

7a 准直透镜

7b 聚焦透镜

8 喷嘴

9 聚焦区域

9a 聚焦平面

9b 远场平面

10 光学元件的运动的Z分量

11 喷嘴的运动的Z分量

12a 光学元件的运动的X分量

12b 光学元件的运动的Y分量

13 压电致动器

14 实心接合件

15 激励器单元

16 附件

17 激励器单元、偏心圆盘

18 旋转

19 偏心度

20 偏心圆盘的轴线

21 偏心杆的轴线

22 束斑

23 束斑在x-y平面内的运动路径

24 李萨如图

25 切割路径

60 激励器装置

61 控制单元

66 激励器装置

70 镜

100 光学装置

110 光学装置

117 无源导引元件

120 光学装置

150 激励器单元

151 磁性壳体

152 线圈

600 激励器装置

Claims (27)

1.一种用于使电磁波束定形状的光学装置，所述束由源产生并且具有束传播方向和焦点，所述光学装置包括：

光学元件(7；7a，7b；2b；3；4；70)，所述光学元件(7；7a，7b；2b；3；4；70)定位在束传播方向内，以及

激励器装置(6；60；66，600)，所述激励器装置(6；60；66，600)连接至所述光学元件以用于引起所述焦点沿着可控的焦点振荡路径在垂直于所述束传播方向的平面的x方向和y方向中的至少一者上的振荡，所述x方向和所述y方向彼此不平行，

其中，所述激励器装置具有用于引起焦点振荡的x方向分量的至少第一激励器单元(15；17；150)和用于引起所述焦点振荡的y方向分量的至少第二激励器单元(15；17；150)，所述光学装置(1；100；110；120)还包括用于控制所述激励器装置的控制单元(61)；

其特征在于，相应的光学元件与所述激励器装置的连接用于引起仅所述光学元件的振荡重复运动。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述焦点振荡具有至少一个频率，以及/或者所述焦点振荡路径具有路径长度。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述频率为100Hz或更大。

4.根据权利要求2和3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述路径长度为至少0.1mm。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述激励器装置具有第三激励器单元，所述第三激励器单元用于引起所述焦点振荡的z方向分量，其中，所述z方向垂直于x-y平面。

6.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，能够由所述激励器装置在所述x方向、所述y方向和所述z方向中的至少一者上激励的所述焦点振荡的振幅等于或小于+/-1mm。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述控制单元(61)包括预定义的二维和/或三维李萨如图(24)的数据库，并且，所述控制单元配置成将所述激励器装置控制成使得所产生的焦点振荡路径对应于所述预定义的李萨如图中的一个李萨如图或所述预定义的李萨如图中的多于一个李萨如图的组合。

8.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述控制单元配置成在所述x方向、所述y方向和所述z方向中的任何一者上独立地调节所述焦点振荡的相位。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述控制单元配置成根据所述束的处理方向来在x-y平面中定向所述振荡路径。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述光学元件是选自聚焦透镜、准直透镜或者聚焦透镜和准直透镜的组合的透镜装置(7；7a，7b)，所述透镜装置连接至所述激励器装置以用于传输所述激励器装置的激励，从而提供所述透镜装置在平行于x-y平面的X-Y平面(12a，12b)中的振荡重复运动，所述透镜装置的所述振荡重复运动引起所述焦点在x方向和/或y方向上的振荡。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述光学元件是光纤(2b)、光纤耦合器(3)、端部帽(4)中的一者或者光纤(2b)、光纤耦合器(3)和端部帽(4)的任何组合，所述光学元件的自由端部连接至所述激励器装置以用于传输所述激励器装置的激励，从而提供所述光学元件的所述自由端部在平行于x-y平面的X-Y平面(12a，12b)中的振荡重复运动，所述光学元件的所述自由端部的所述振荡重复运动引起所述焦点在x方向和/或y方向上的振荡。

12.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述光学元件是离轴抛物面镜(70)，所述离轴抛物面镜(70)具有中心且配置成用于使所述束偏转达偏转角度，所述镜连接至所述激励器装置以用于传输所述激励器装置的激励，从而提供所述镜在X-Y平面(12a，12b)中的振荡重复运动，所述X-Y平面(12a，12b)为所述镜的所述中心处的切平面，所述镜的所述振荡重复运动引起所述焦点在x方向和/或y方向上的振荡。

13.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述相应的光学元件与所述激励器装置的连接用于传输所述激励器装置的激励，以进一步提供所述相应的光学元件的所述振荡重复运动的Z方向分量。

14.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述激励器装置包括选自压电致动器、石英晶体振荡器、偏心轮、用于产生振荡电磁场的装置、以及MEMS振荡器中的至少一个元件。

15.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述焦点的尺寸能够通过光学系统的放大率和所述束的初始直径来控制。

16.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述焦点的尺寸为至少0.1mm。

17.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述频率为2kHz或更大。

18.根据权利要求2和3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述路径长度为0.5mm或更大。

19.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述控制单元配置成根据切割方向来在x-y平面中定向所述振荡路径。

20.根据权利要求1至3中的任一项所述的光学装置，其特征在于，所述焦点的尺寸为0.15mm或更大且不大于0.4mm。

21.一种根据权利要求1至20中的任一项所述的光学装置的用于使电磁波束定形状的用途。

22.一种束处理装置，所述束处理装置包括处理头，所述处理头用于将电磁波束引导至待被所述电磁波束处理的材料的表面上，所述处理头包括根据权利要求1至20中的任一项所述的光学装置。

23.根据权利要求22所述的束处理装置，其特征在于，所述束处理装置是束切割装置，所述处理头是切割头。

24.一种根据权利要求22至23中的任一项所述的束处理装置的用于对要被所述电磁波束切割的材料的表面进行切割的用途。

25.一种束处理方法，所述束处理方法使用了根据权利要求1至20中的任一项所述的光学装置或根据权利要求22至23中的任一项所述的束处理装置，所述束处理方法包括：

通过源(2a)来产生电磁波束，所述束具有束传播方向和焦点，

将所述束照射到定位在所述束传播方向内的光学元件(7；7a，7b；2b；3；4；70)上，

使所述焦点沿着焦点振荡路径在与所述束传播方向垂直的平面的x方向和y方向中的至少一者上振荡，所述x方向和所述y方向彼此不平行，

其中，焦点振荡由激励器装置(6；60；66；600)引起，所述激励器装置(6；60；66；600)具有用于引起所述焦点振荡的x方向分量的至少第一激励器单元以及用于引起所述焦点振荡的y方向分量的至少第二激励器单元(15；17；150)，以及

对要被所述电磁波束处理的材料的表面进行处理；

其特征在于，所述焦点振荡由所述激励器装置(6；60；66；600)引起，所述激励器装置(6；60；66；600)具有相应的光学元件与所述激励器装置的连接，以用于引起仅所述光学元件的振荡重复运动。

26.根据权利要求25所述的束处理方法，其特征在于，所述束处理方法是束切割方法。

27.根据权利要求25或26所述的束处理方法，其特征在于，对要被所述电磁波束处理的材料的表面进行处理为对要被所述电磁波束处理的材料的表面进行切割。

Images