CN111868602A - 用于通过可编程光束整形器来对激光光束进行整形的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过可编程光束整形器来对激光光束进行整形的设备。按照本发明来规定：存在偏转单元，用于使所述激光光束沿着第一光路和至少一个第二光路交替偏转到所述光束整形器的至少两个不同的区域上或者交替偏转到第一光束整形器和至少一个第二光束整形器上；存在光学系统单元，用于使第一和至少第二光路在光束整形之后合并；设置控制单元，用于操控所述偏转单元（13）以及第一和至少第二光束整形器（14、15）；并且在所述控制单元（20）中设置过程控制装置，用于使所述激光光束（12）交替偏转到所述第一光路（17）和至少所述第二光路（18）上以及用于操控在所述第一光束整形器（14）和至少所述第二光束整形器（15）上的整形模式。

Description

用于通过可编程光束整形器来对激光光束进行整形的设备和 方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过可编程光束整形器来对激光光束进行整形的设备。

本发明还涉及一种用于通过可编程光束整形器来对激光光束进行整形的方法。

背景技术

用于影响激光光束的空间上的和时间上的强度分布的可编程光束整形器公知为基于液晶的“空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）”或者公知为以可移动反射镜的一维或二维布置的形式的“数字微镜设备（Digital Micromirror Device）”。在了解输入光束的特性的情况下，可以利用这些特性来有针对性地调整出输出光束的波阵面的所希望的形状。限制性因素是在此所能达到的图像刷新率，利用该图像刷新率可以依次调整出不同的光束形状，以便使光束形状与相应的加工过程适配。在将可编程光束整形器上的被用于光束整形的整形模式变换到另一整形模式的情况下，在该过程中可感受得到的时长内可能发生意外的过渡状态（折射率矩阵的未知状态），这些意外的过渡状态可能损害激光加工过程。

文献GB 2488780A描述了一种用于借助于激光辐射来加工工件的设备，该设备由如下组件组成：

- 激光器；

- 可控光处理单元，该可控光处理单元包含控制面网格，这些控制面可以彼此无关地调整每个控制面的输出光的光特性；

- 在光处理单元的控制面的输出光的光路中的微透镜栅格装置；和

- 聚焦光学系统，用于在所要加工的工件中产生多个聚焦区域，其中每个微透镜都分配有聚焦区域。

因此，在工件上在微透镜装置的网格中产生加工面，其中每个加工面都单独可控。没有规定按顺序操控并且没有规定将光路合并到唯一的加工面上。

文献WO 02/034446A3描述了一种用于借助于激光辐射来加工工件的设备，该设备由如下组件组成：

- 线偏振激光器，用于产生线偏振光束；

- 分束器，用于将一次光束分成多条二次光束；

- 光调制器栅格装置，该光调制器栅格装置具有单独可控元件的栅格装置，该具有单独可控元件的栅格装置可以分别透过或阻挡这些二次光束之一；

- 微透镜栅格装置，其中这些微透镜具有预先给定的焦距而且其中这些微透镜分别被分配给光调制器的可控元件，使得二次光束在穿过光调制器之后通过微透镜被聚焦；和

- 控制单元，用于以可预先给定的方式和方法在透光与不透光状态之间单独控制光调制器的每个可控元件。

该设备被设计为利用多条激光光束来同时加工工件。并没有规定：将这些激光光束在工件上合并并且这样来改善由光束整形器构成的装置的工作频率。

因而，本发明的任务是提供一种用于提高工作频率并且用于减少针对激光光束的光束整形的成像误差的设备和方法。

发明内容

本发明的涉及该设备的任务通过如下方式来解决：存在偏转单元，用于使激光光束沿着第一光路和至少一个第二光路交替偏转到光束整形器的至少两个不同的区域上或者交替偏转到第一光束整形器和至少一个第二光束整形器上；存在光学系统单元，用于使第一和至少第二光路在光束整形之后合并；设置控制单元，用于操控偏转单元以及第一和至少第二光束整形器；并且在控制单元中设置过程控制装置，用于使激光光束交替偏转到第一光路和至少第二光路上以及用于操控在第一光束整形器和至少第二光束整形器上的整形模式。该设备并不限于两个光束整形器和两个光路；可以设置多个光束整形器和光路。在此，这些光束整形器可具有不同的整形模式，利用偏转单元可以在这些不同的整形模式之间非常快地进行切换。因此，变换频率不再取决于光束整形器的切换速度（图像刷新率）。由于变换频率被提高，可以经改善地使用诸如摆动或温度场调节那样的高动态激光加工过程。此外，因为单个光束整形器没有持续被加载激光，所以单个光束整形器的热负荷降低。在热负荷相同的情况下，过程时长可以被缩短。不需要总是按相同的顺序来寻址光路和光束整形器。也可以规定：使该顺序取决于整形模式的类型或者光束整形器的热荷载。

在一个实施方式中，可以规定：控制单元也对光学系统单元进行操控，以便使光路在光束整形器之后合并。如果该设备被设计为使得不同的光路作用于唯一的光束整形器上的不同的区域，则控制单元可以对偏转单元和光束整形器适当地进行操控。

在该设备的一个扩展方案中规定：过程控制装置被设计为使得只有当激光光束没有沿着第一光路偏转时才设置在第一光束整形器上的整形模式的改变并且只有当激光光束没有沿着第二光路偏转时才设置在第二光束整形器上的整形模式的改变。比照来说，可以集成其它光束整形器，使得只有当光束整形器没有被加载激光时才执行对整形模式的改变。如果使用单个光束整形器，在其上由不同的光路作用于不同的区域，则只有当这些区域中的一个区域没有被加载激光时，才改变在该区域中的整形模式。

本发明的涉及该方法的任务通过如下方式来解决：激光光束通过偏转单元沿着第一光路和至少一个第二光路交替地被偏转到可编程光束整形器的至少两个不同的区域上或者交替地被偏转到第一光束整形器和至少一个第二光束整形器上并且在可编程光束整形器或者第一光束整形器与第二光束整形器之后在光学系统单元中被合并成经合并的激光光束。利用偏转单元可以在具有不同整形模式的不同光束整形器之间进行切换，使得在整形模式之间的变换频率可以强烈被改善。在光学系统单元中，将来自不同光路的部分光束合并到共同的光轴上，使得这些部分光束可以共同被引导、偏转和聚焦。

在该方法的一个扩展方案中规定：在其中这些光束整形器中的一个光束整形器没有被加载激光辐射的光束停顿期间，进行对在该光束整形器上的整形模式的改变。经此，可以使经合并的激光光束不受在这些光束整形器上的整形图案变换时的过渡效应（例如“Tearing（撕牌）”）影响，并且可以改善加工过程的质量。

在优选的应用中，该设备或该方法可以被用于利用激光进行以焊接、气体合金化、钎焊、铭刻（Beschriften）、标记、钻孔、清洁、抛光为形式的材料加工或者被用于激光烧蚀。该设备和该方法还可以被用在激光投影技术中，在该激光投影技术中，该设备和该方法提供相同的优点。

在另一优选的应用中，该设备或该方法可以被用于激光投影。

附图说明

在下文，本发明依据在附图中示出的实施例进一步予以阐述。其中：

图1以示意图示出了其中可应用该方法的激光加工设备。

具体实施方式

图1示意性示出了激光加工设备10，该激光加工设备具有发出激光光束12的激光源11。激光光束12由偏转单元13交替地沿着第一光路17被输送给第一光束整形器14，沿着第二光路18被输送给第二光束整形器15并且沿着第三光路19被输送给第三光束整形器16。在该装置的一个扩展方案中，也可以用激光光束12的光经由其它光路来加载数目更多的光束整形器。在光束整形器14、15、16之后，光路17、18、19在光学系统单元21中被偏转为使得这些光路沿着共同的光轴被合并成经合并的激光光束22。经合并的激光光束22指向工件23，在该工件处，该经合并的激光光束可以示例性地用于焊接、钎焊、铭刻、标记、气体合金化、钻孔、清洁、抛光或者用于材料烧蚀。可以根据相同原理来产生激光投影。那么，23是投影面。控制单元20将偏转单元13和光束整形器14、15、16操控为使得只有在激光光束12加载其它光束整形器14、15、16之一期间才进行对在光束整形器14、15、16上的整形模式的改变。经此可以实现：只在没有被加载激光的光束整形器上进行对整形模式的改变；并且在两个连续的整形模式之间的过渡形式对经合并的激光光束22没有影响。经此来改善经合并的激光光束22的质量。

使用多个光束整形器14、15、16具有如下优点：可以显著提高可用来执行在针对经合并的激光光束22的整形模式方面的改变的图像变换速率。此外，因为单个光束整形器不是连续被加载激光辐射，所以单个光束整形器的热负荷降低。通过按照本发明的装置，可以减少物镜斑点对激光加工结果的影响，并且借此可以改善加工结果。

在该装置的一个实施方式中，替代将激光光束12偏转到不同的光束整形器上，该激光光束可以通过偏转单元13被偏转到单个光束整形器的不同区域上。在这种情况下，在恰好被加载激光的区域中的整形模式保持不变，而在需要时在未被加载激光的区域之一中的整形模式被改变。

偏转单元13可以构造为：多边形扫描仪；声光或电光调制器；利用电动马达来驱动的反射镜装置；基于其它技术的用于使激光光束偏转的执行器；或者上述单元的组合。在偏转单元13中可以设置多个子单元，以便实现二维偏转。光学系统单元21可以构造为由如反射镜、透镜或棱镜那样的光学组件构成的系统。该光学系统单元可以被控制单元操控为使得可移动或可操控的光学组件将来自这些光束整形器的激光合并成具有共同的光轴的经合并的激光光束22。

Claims (6)

1.一种用于通过可编程光束整形器来对激光光束（12）进行整形的设备，其特征在于，存在偏转单元（13），用于使所述激光光束沿着第一光路（17）和至少一个第二光路（18）交替偏转到所述光束整形器的至少两个不同的区域上或者交替偏转到第一光束整形器（14）和至少一个第二光束整形器（15）上；存在光学系统单元（21），用于使第一和至少第二光路（17、18）在光束整形之后合并；设置控制单元（20），用于操控所述偏转单元（13）以及第一和至少第二光束整形器（14、15）；并且在所述控制单元（20）中设置过程控制装置，用于使所述激光光束（12）交替偏转到所述第一光路（17）和至少所述第二光路（18）上以及用于操控在所述第一光束整形器（14）和至少所述第二光束整形器（15）上的整形模式。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述过程控制装置被设计为使得：只有当所述激光光束（12）没有沿着所述第一光路（17）偏转时才设置在所述第一光束整形器（14）上的整形模式的改变并且只有当所述激光光束（12）没有沿着所述第二光路（18）偏转时才设置在所述第二光束整形器（15）上的整形模式的改变。

3.一种用于通过可编程光束整形器来对激光光束（12）进行整形的方法，其特征在于，所述激光光束（12）通过偏转单元（13）沿着第一光路（17）和至少一个第二光路（18）交替地被偏转到所述可编程光束整形器的至少两个不同的区域上或者交替地被偏转到第一光束整形器（14）和至少一个第二光束整形器（15）上并且在所述可编程光束整形器或者所述第一光束整形器（14）与所述第二光束整形器（15）之后在光学系统单元（21）中被合并成经合并的激光光束（22）。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在其中所述光束整形器（14、15）中的一个光束整形器没有被加载激光辐射的光束停顿期间，进行对在该光束整形器上的整形模式的改变。

5.根据上述权利要求中任一项所述的设备或方法的用于利用激光进行以焊接、气体合金化、钎焊、铭刻、标记、钻孔、清洁、抛光为形式的材料加工或者用于激光烧蚀的应用。

6.根据上述权利要求中任一项所述的设备或方法的用于激光投影的应用。

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