CN113573841A - 用于产生多个沟槽的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在表面(110)上产生多个沟槽的激光加工设备(100)，具有光学衍射装置(102)，其被设置为接收激光辐射(104)以及由此产生输出辐射(106)，其中输出辐射具有多个强度最大值。提供致动装置(108)用于在所述输出辐射(106)和表面(110)之间产生相对运动，其中每个强度最大值产生多个沟槽中的一个沟槽。

Description

用于产生多个沟槽的设备和方法
技术领域
本文公开的主题涉及对表面的激光加工领域。
背景技术
WO2018/197555A1公开了一种用于肋的生产，其中利用激光干涉结构的装置(DLIP-直接激光干涉图案)将所述肋引入一个表面，特别是到一个已经涂漆且固化的表面。具有以这种方式产生的肋的构件使飞机、船舶和风力涡轮机能够以较小流动阻力来运行。
发明内容
鉴于上述情况，需要一种具有改进特性的对表面进行激光加工的技术。
独立权利要求的主题考虑了这种需要。在从属权利要求中指定了有利的实施方式。
根据本公开的主题的第一方面，公开了一种设备，特别是用于在表面中产生多个沟槽的激光加工设备。
根据第一方面的实施例，公开了一种用于在表面中产生多个沟槽的激光加工设备，该激光加工设备包括：光学衍射装置，该光学衍射装置被设置为接收激光辐射并由此产生输出辐射，其中该输出辐射具有多个强度最大值；以及致动装置，用于在输出辐射和表面之间产生相对运动，其中(多个强度最大值中的)每个强度最大值产生多个沟槽中的一个沟槽。
根据本公开的主题的第二方面，公开了一种方法，特别是一种用于在表面产生多个沟槽的方法。
根据第二方面的实施例，公开了一种用于在表面产生多个沟槽的方法，所述方法包括：将激光束引导到用于产生输出辐射的光学衍射装置上，其中输出辐射具有多个强度最大值；将输出辐射引导到所述表面上；并在输出辐射和所述表面之间产生相对运动，其中(多个强度最大值中的)每个强度最大值产生多个沟槽中的一个沟槽。
本公开的主题的各个方面和实施例基于如下构思：即具有改进特性的表面激光加工可以通过来自激光束(或激光辐射)的多个强度最大值来提供，其中通过光学衍射装置(例如衍射光学元件或多个相位板)直接产生激光束(例如激光辐射)中的多个强度最大值，并且多个强度最大值中的每个强度最大值被用于产生多个沟槽中的一个沟槽。
根据第一方面的实施例，激光加工设备被设计成提供本文公开的一个或多个实施例的功能和/或提供本文公开的一个或多个实施例所需的功能，特别是第一或第二方面的实施例所需的功能。
根据第二方面的实施例，所述方法被设计成用于提供本文公开的一个或多个实施例的功能和/或提供本文公开的一个或多个实施例所需的功能，特别是第一或第二方面的实施例所需的功能。
可以从本公开优选实施例中的以下示例性描述中得出本公开的主题的其他优点和特征，然而本公开不限于此。本申请的附图中的各个图应当仅被视为示意性的，不一定按比例绘制。更确切地说，为了阐明本文公开的主题的一些实施例，可能未按比例绘制相对尺寸和角度。
附图说明
图1示意性地示出了根据本文公开的主题的实施例的激光加工设备。
图2示出了从图1中的线II-II观察的图1中对象的表面。
图3在沿图2中III-III线的剖视图中示出图2中的多个沟槽的一部分。
图4示出了根据本文公开的主题的实施例的激光加工设备。
图5示出了根据本文公开的主题的衍射装置的平面图。
图6以剖视图示出了图5中的衍射装置的光学元件。
具体实施方式
在下文中描述本文中所公开的主题的示例性实施例，其中例如涉及一种激光加工设备或方法。应强调的是，各个方面、实施例和示例的特征的任何组合是可能的。特别地，一些实施例是通过参考方法来描述的，而其他实施例是通过参考激光加工设备来描述的。然而，根据前面和下面的描述、权利要求和附图，本领域技术人员将理解，除非另有说明，否则各个方面、实施例和示例的特征可以组合并且这些特征的组合被认为已被本申请所公开。例如，甚至与方法相关的特征也可以与关于激光加工设备的特征进行组合，反之亦然。此外，一个实施例的涉及激光加工设备的特征能够与涉及一种方法的对应特征组合。随着方法、方法实施例或功能的公开，用于执行方法或功能的一个或多个元件(例如光学元件)和/或致动器(例如以致动装置的形式)以及与致动器相互作用的功能控制装置也应被视为公开。此外，随着设备功能的公开，在没有设备特征的情况下定义功能的方法也应被视为公开。
除非另有说明，数值应理解为包括±5％的窗口，即例如，根据一个实施例，沟槽数量100的指示包括在(100±5％)＝[95；105]区间之内的沟槽数量，以及根据一个实施例，50％的百分比包括在50％±5％＝[47.5％；52.5％]区间内的百分比。根据另一实施例，数值应理解为包括±10％的窗口内的数值。
根据一个实施例，公开了一种激光加工设备，其被配置为在表面中产生多个沟槽。根据另一实施例，激光加工设备具有光学衍射装置，该装置被设置为接收激光辐射并且由此产生输出辐射。根据另一实施例，激光加工设备具有致动装置，用于在输出辐射和表面之间产生相对运动。由此，输出辐射(通过从表面去除材料)在表面产生了大量的沟槽。根据一个实施例，输出辐射具有多个强度最大值，其中每个强度最大值产生多个沟槽中的一个沟槽。
根据本公开的主题的实施例，激光加工设备具有光束路径，该光束路径被设置为将输出辐射引导到表面上。例如，光束路径可以是输出辐射从衍射装置传播到所述表面的一个自由空间。根据另一实施例，光束路径可具有一个或多个偏转元件，例如反射镜。例如，致动装置可以被设置用于移动至少一个偏转元件并且由此产生输出辐射和表面之间的相对运动。根据另一实施例，致动装置被设置为移动表面和/或激光加工设备或其部分。
根据另一实施例，光束路径可具有一个或多个聚焦光学元件和/或一个或多个漫射光学元件，例如光学透镜。
根据一个实施例，多个强度最大值沿着光束路径仅存在于输出辐射的光束路径的狭窄限定区域中。当然，在这种情况下，表面被定位在光束路径的该区域中。换言之，根据一个实施例，表面和光束路径相对于彼此定位，使得表面位于光束路径的输出辐射具有多个强度最大值的区域中。
相应地，根据一个实施例，一种用于在表面中产生多个沟槽的方法可以具有以下实施例中的一个或多个。根据一个实施例，该方法包括将激光辐射引导到用于产生具有多个强度最大值的输出辐射的衍射装置上。根据另一实施例，该方法包括将输出辐射引导到表面上。根据另一实施例，该方法包括在输出辐射和表面之间产生相对运动(例如，相对运动过程中产生输出辐射)。通过输出辐射和表面之间的相对运动产生多个沟槽，其中每个强度最大值产生多个沟槽之一。
根据一个实施例，将输出辐射引导到表面上包括相对于彼此定位表面和输出辐射，使得表面处于光束路径的输出辐射具有多个强度最大值的区域。
根据一个实施例，光学元件和/或光束路径和/或致动装置被设置为使得由输出辐射产生的多个沟槽是平行沟槽。
根据一个实施例，由多个强度最大值生成沟槽的80％(例如深度)横截面尺寸约为在±10％的横截面尺寸公差区间内的横截面尺寸的平均值。根据一个实施例，平均值在这种情况下是多个沟槽的相关横截面尺寸的算术平均值。根据一个实施例，横截面尺寸可以是沟槽的宽度或沟槽的深度。
根据一个实施例，表面中的沟槽形成肋，即与光滑表面相比降低表面流动阻力的结构。特别是关于肋的应用、功能、形状、尺寸、特性等，明确参考WO2018/197555A1，其公开内容(特别是肋的尺寸和应用)在此通过参考并入本公开。
对于常规的肋，在一个实施例中，每个沟槽都分别具有侧壁。因此两个相邻沟槽的相邻壁在两个沟槽之间形成肋条的两个相互背离的侧面。换句话说，根据一个实施例，多个沟槽在表面上产生多个肋条，当尺寸合适时，这些肋条充当肋(即，减少表面之上的流动阻力)，例如，上面引用的WO2018/197555A1进行了描述。根据一个实施例，肋条的侧面围成锐角。特别地，根据一个实施例，肋条被构造为逐渐变细成一点的形状。
根据一个实施例，肋条基本上彼此平行并且特别地平行于表面上的预期流动的流动方向延伸。
根据一个实施例，衍射装置具有至少一个光学元件。如果下文提及光学元件，则应当理解的是，根据一个实施例，在两个或更多个光学元件的情况下，这些光学元件中的每一个都可根据本文所公开的一个或多个实施例进行配置。
根据一个实施例，至少一个光学元件(例如衍射装置的每个光学元件)被设置为在输出辐射的多个部分之间产生多个相位差。根据另一实施例，所述至少一个光学元件被设置为通过产生多个相位差在输出辐射中产生多个强度最大值。当然，在每种情况下，输出辐射的两个部分之间的相位差对于输出辐射的不同部分来说一般是不同的。
根据一个实施例，光学元件例如是衍射光学元件。例如，根据一个实施例，衍射光学元件具有产生多个相位差的结构。根据另一实施例，衍射装置具有两个或多个衍射光学元件。例如，在一个实施例中，衍射装置具有两个或多个(衍射)光学元件(例如也称为相位掩模)，由此在多个平面中产生相位差(多平面光转换)(MPLC)。根据另一实施例，衍射装置是全息图。从输出辐射的期望强度分布开始，可以根据本身已知的制造方法制造衍射光学元件、MPLC元件或全息图。以下文献(例如，EP1591805B1、US5073007)中描述的技术在此仅作为示例提及。
根据一个实施例，衍射装置的至少一个光学元件被设计成在输出辐射的横截面内产生多个强度最大值，该横截面小于落在衍射装置上的激光辐射的横截面。换言之，衍射装置的至少一个光学元件被设计成实现激光辐射的聚焦，如激光辐射落在衍射装置上时那样。例如，根据一个实施例，衍射装置的最后一个(即产生的输出辐射的)光学元件(在激光辐射的传播方向上看)以这种方式形成。根据一个实施例，横截面(这里也称为光束对角线)由垂直于辐射方向的辐射的最大范围限定。
除非另有说明，输出辐射的横截面指的是在表面上的输出辐射的横截面。换句话说，根据一个实施例，输出辐射的横截面对应于输出辐射在表面上(即，在距衍射装置的限定距离处)产生的整个照明光斑的横截面。因此，光斑(即输出辐射在表面上产生的整个照明光斑)包括多个强度最大值。
根据一个实施例，可以在衍射装置和所述表面之间(即在光路中)布置有至少另一光学元件，例如至少一个聚焦光学元件和/或至少一个漫射光学元件，例如透镜等。例如，所述至少另一光学元件可以被提供用于以下功能中的至少一个：聚焦或扩散输出辐射；缩放多个强度最大值；以期望的配置产生强度最大值；如果衍射装置被设置用于利用所述至少另一光学元件以期望的配置产生多个强度最大值等等。根据一个实施例，衍射装置被设置(计算)用于，可能地考虑到所述至少另一光学元件，在预定距离处产生多个强度最大值(特别是具有多个强度最大值的光斑)。根据一个实施例，表面被布置在距衍射装置预定距离处。
根据一个实施例，多个强度最大值(也就是说，分别生成多个沟槽之一的多个强度最大值)包括至少10个强度最大值。例如，多个强度最大值包括至少50个强度最大值，或者根据其他实施例，包括至少100、至少200、至少500或至少1000个强度最大值。例如，强度最大值的多重性包括介于500和1500之间的强度最大值。
根据一个实施例，强度最大值之间的间隔名义上在40μm和160μm之间，例如100μm。不言而喻，在沟槽在表面上产生肋的情况下，强度最大值的间隔被调整以实现肋条的期望间隔。如所解释的，肋之间的期望间隔(以及因此强度最大值之间的期望间隔)例如取决于流动速度，对于该流动速度而言肋产生期望的流动阻力减小。不言而喻，多个沟槽的相邻沟槽之间的间隔实际上可以偏离强度最大值的标称间距，例如±5％。例如，根据一个实施例，对于100μm的强度最大值之间的标称间隔，相邻沟槽之间的间隔可以在90μm和110μm之间。
根据一个实施例，光斑尺寸在15mm和500mm之间，例如在30和200mm之间。例如，对于5千瓦激光器来说，光斑尺寸可以为120mm。此外，例如对于2kW激光器来说，光斑尺寸可以是70mm。根据一个实施例，光斑在垂直于相对运动的方向上具有光斑尺寸。
根据一个实施例，光斑具有最小尺寸方向和最大尺寸方向，其中根据一个实施例，最大尺寸dmax是最小尺寸dmin的倍数。例如，最大尺寸dmax是最小尺寸dmin的F倍，dmax＝F*dmin，其中根据一个实施例，因子F在5和100之间，例如40(dmax＝40*dmin)。例如，最小尺寸可以是3mm，而最大尺寸可以是120mm。例如，根据一个实施例，光斑是具有dmin*dmax尺寸的基本上矩形或椭圆形的光斑，即，例如，具有3mm*120mm的尺寸。光斑具有多个强度最大值的情况下，光斑尺寸(例如“基本矩形”光斑)表示矩形的尺寸(例如dmin、dmax)，所述矩形能够确定所述光斑(或多个强度最大值)。根据一个实施例，这里所说明的光斑尺寸是光斑的最大尺寸。
根据一个实施例，输出辐射和表面之间的相对运动发生在最小尺寸的方向上。因此，在给定的相对运动的速度下，这允许通过最小尺寸实现较短的表面照射持续时间。根据一个实施例，输出辐射对表面的照射持续时间小于40ms，例如小于10ms。特别是，输出辐射对表面的照射时间小于2ms。根据一个实施例，最小尺寸和相对运动的速度匹配以实现指定的照射持续时间。根据一个实施例，相对运动的速度至少为100mm/s，例如在100mm/s和2m/s之间的区间内，特别是在300mm/s和1m/s之间的区间内。例如，相对运动的标称速度为500mm/s以上。根据一个实施例，强度最大值被周期性地布置，例如周期性地排成一行。根据一个实施例中，每个强度最大值具有偏离圆形的形状。例如，多个强度最大值中的每个强度最大值具有细长形状。强度最大值的形状在此像往常一样定义，例如通过等强度线的形状来定义。
根据一个实施例，光学元件被设置为用于反射。换言之，根据一个实施例，光学元件是反射光学元件。反射光学元件可以减少光学元件上的热应力。根据一个实施例，在光学元件以反射方式工作的情况下，产生的相位差结构是表面结构。
根据另一实施例，光学元件具有由金属或半导体材料制成的本体。根据一个实施例，本体由具有高导电性的金属和/或具有高导热性的金属形成，例如铜或金。根据另一实施例，本体由耐腐蚀金属(即不易腐蚀的金属)制成，例如由合适的金属合金或由贵金属构成。根据另一实施例，本体由硅形成。根据一个实施例，本体由单晶形成。通过这种方式，可以避免晶界对光学元件的特性的影响。
根据另一实施例，本体至少部分地覆盖有金属，特别是耐腐蚀金属涂层。根据一个实施例，耐腐蚀金属是耐腐蚀合金或贵金属，例如金。由于采用耐腐蚀金属，因此可以长期实现光学元件的高反射率。例如，光学元件可以具有由硅制成的本体，该本体涂有金属(例如金)。
根据一个实施例，本体的厚度在1mm和200mm之间的范围内，例如在5mm和50mm之间。更大的厚度可以允许本体具有更高的刚度，因此光学元件具有更高的精度。
根据另一实施例，光学元件具有(例如本体，或者如果涂层布置在本体上时，涂层)具有(例如直径)在20mm和500mm之间的范围内(例如直径在70mm和200毫米之间)的横截面的第一表面。根据一个实施例，横截面(例如直径)由第一表面的最大范围来定义(例如光学元件的主表面)。
根据一个实施例，光学元件在第一表面上被结构化，其中根据另一实施例，结构化表面被非结构化边缘围绕。根据一个实施例，光学元件的结构化表面可以通过对本体进行结构化(例如通过雕刻、蚀刻等)来形成，其中根据一个实施例，以这种方式获得的本体的结构被转移到涂层上，因此涂层(如果存在)具有相应的结构(即光学元件的结构化表面)。根据一个实施例，非结构化边缘的宽度介于第一表面的横截面的2％至20％之间。根据一个实施例，结构化表面完全被激光辐射照射。为此，根据一个实施例，激光辐射相应地扩散，例如在使用扩束器，例如以透镜组或DOE的形式。
根据一个实施例，激光加工设备具有用于冷却光学衍射装置(特别是用于冷却光学元件)的冷却剂流动路径，特别是用于液体冷却剂的冷却剂流动路径。例如，光学元件可以具有空腔，所述空腔形成冷却剂流动路径的至少一部分。根据另一实施例，冷却剂流动路径可以由独立的构件来构成，所述构件以热传导的方式与光学元件连接。根据一个实施例，冷却剂流动路径被布置在本体的后侧上，即在本体的第二表面(例如第二主表面)上，该第二表面被布置成背离结构化的第一表面。
根据一个实施例，输出辐射与本体的结构化(第一)表面的(平均)表面法线形成介于0度和50度之间的角度，例如10度的角度。
根据一个实施例，激光辐射与光学元件的结构化(第一)表面的表面法线为1度到70度之间的角度，例如45度到60度之间的角度。
根据一个实施例，激光辐射(即入射到衍射装置上的输入辐射)和输出辐射之间的角度在20度和100度之间，例如50度。
根据一个实施例，针对激光加工设备的光学部件和表面的特定布置(特别是激光辐射、光学元件和表面之间的特定布置)计算光学元件(在光学衍射装置的在辐射方向上的最后一个光学元件)。如果光学衍射装置由单个衍射光学元件(DOE)构成，则针对激光加工设备的光学部件和表面的特定布置来计算光学元件是尤其有利的。
根据一个实施例，激光辐射具有小于1.5的衍射指数M2(M2<1.5)。根据另一实施例，激光辐射的衍射指数M2<1.3或M2<1.1。衍射指数越小,所预期的衍射图案就越准确，所属衍射图案具有多个强度最大值。
根据一种实施方式，激光辐射是CO 2激光器的激光辐射。CO2激光器的优势在于它可以在高平均功率下工作，从而实现高加工速度。例如，激光辐射的平均功率至少为500瓦(W)。根据另一实施例，激光辐射的平均功率至少为1千瓦(kW)，或者，根据又一实施例，至少3千瓦。
然而，作为回报，高平均功率需要对激光加工设备及其部件进行合适的设计，以使得激光加工设备可靠和稳定地工作。本文公开的主题的实施例允许激光加工设备以高平均功率可靠且稳定地工作。
根据一种实施方式，激光加工设备具有用于产生激光辐射的激光源。然而，根据另一实施例，还可以规定，激光加工设备可以连接到激光源。
综上所述，本发明具体包括以下实施例及其组合：
1.一种用于在表面产生多个沟槽的激光加工设备，该激光加工设备包括：光学衍射装置，用于接收激光辐射并由此产生输出辐射，输出辐射有多种有强度最大值；致动装置，用于在输出辐射和表面之间产生相对运动，每个强度最大值产生多个沟槽中的一个沟槽。
2.根据实施例1的激光加工设备，其中光学衍射装置具有至少一个光学元件，特别是其中该至少一个光学元件被设置为在输出辐射的多个部分之间产生相位差。
3.根据实施例2所述的激光加工设备，其中所述至少一个光学元件被设置为用于反射。
4.根据实施例2或3的激光加工设备，其中所述至少一个光学元件具有由金属或半导体材料的制成的本体。
5.根据实施例4的激光加工设备，其中所述本体至少部分地涂覆金属，特别是耐腐蚀金属，例如耐腐蚀合金或贵金属。
6.根据前述实施例中任一项所述的激光加工设备，其中所述光学元件是衍射光学元件。
7.根据前述实施例中任一项所述的激光加工设备，其中所述多个强度最大值包括至少10个强度最大值，特别是至少50个强度最大值或至少200个强度最大值。
8.根据前述实施例中任一项所述的激光加工设备，还包括：配置为将输出辐射引导到表面上的光束路径；其中相对运动是直线运动；并且衍射装置和/或光束路径被设置为使得在每种情况下多个沟槽中的两个沟槽之间形成肋。
9.根据前述实施例中任一项所述的激光加工设备，其中所述激光辐射是CO 2激光辐射。
10.根据前述实施例中任一项的激光加工设备，其中激光辐射的平均功率为至少500W，特别是至少1kW。
11.根据前述实施例中任一项所述的激光加工设备，还包括用于产生激光辐射的激光源。
12.根据前述实施例中任一项所述的激光加工设备，还包括用于冷却所述光学衍射装置的冷却剂流动路径，特别是用于液体冷却剂的冷却剂流动路径。
13.一种在表面上形成多个沟槽的方法，该方法包括：将激光辐射引导到光学衍射装置上以产生输出辐射，该输出辐射具有多个强度最大值；将输出辐射引导到表面上；以及在输出辐射和表面之间产生相对运动，每个强度最大值产生多个凹槽中的一个。
14.根据实施例13的方法，其中产生输出辐射包括在光学衍射装置上反射激光辐射。
15.根据实施例13或14中任一项所述的方法，其中所述多个强度最大值包括至少10个强度最大值。
16.根据权利要求1至12中的一项所述的激光加工设备或根据权利要求13至15中的一项所述的方法，用于在表面上生产多个平行的肋，特别是肋条。
本公开的主题的实施例允许自由选择沟槽或者沟槽之间的肋条的几何形状(在单元格内，例如肋条具有较尖的尖端，较平坦的沟槽底部)。相比之下，经典的干涉加工仅允许至少部分为类似正弦曲线的肋条和沟槽。
此外，本公开的主题的实施例允许更精确地界定在表面上产生输出辐射的光斑，特别是横向于加工方向。这可以使不同光斑的加工轨迹横向于加工方向更有效地串在一起。与此相反，在高斯射线的经典干涉的情况下存在高斯包络。根据一个实施例，该包络可以成形为具有衍射布置的矩形函数(或近似矩形函数)。
与传统的干涉结构(尤其是光束分裂和随后的部分光束合并)相比，由光学衍射装置(根据一个实施例，通过单个光学元件，特别是单个衍射光学元件)生成输出辐射中的多个强度最大值可以获得相当大的简化，因为根据本公开的主题的实施例，光束成形(光斑包络成形)和形成强度最大值被较少的光学元件(例如仅单个光学元件)影响。特别地，与常规干涉结构化相反，根据本公开的主题的实施例，多个强度最大值的形成不是基于由彼此相距限定距离定位的各个光学元件产生的光程差。这导致在工业环境中具有更大的稳定性，特别是因为较少的光学元件必须相对于彼此保持在限定位置。
详细说明
下面参考附图描述本公开的主题的示例性实施例。需要注意的是，在不同的图中，相似或相同的元件或部件在某些情况下具有相同的附图标记，或者具有仅第一位不同的附图标记。与另一图中的相应特征或部件相同或至少在功能上相同的特征或部件仅在本公开中首次出现时进行详细描述，并且当这些特征和部件(或相应的附图标记)不再重复。根据一个实施例，以上定义适用于其他实施例，反之亦然。此外，上文描述的特征和实施例可以与下文描述的特征和实施例组合。
图1示意性地示出了根据本公开的主题的实施例的激光加工设备100。
根据一个实施例，激光加工设备100具有光学衍射装置102，其被设置用于接收激光辐射104并由此产生输出辐射106。根据一个实施例，激光辐射104与衍射装置102的平均表面法线形成介于1度和70度之间的角度103，例如30度或45度的角度。根据一个实施例，表面法线的方向在衍射装置102的有源表面(例如结构化表面)上平均，特别是(例如，如果衍射装置102具有一个以上的有源表面)，经由被激光辐射104照射的衍射装置102的外部有源表面上平均。因此，表面法线在本文中也称为平均表面法线。根据一个实施例，输出辐射106与平均表面法线形成介于0度和70度之间的角度105，例如30度或45度的角度。
激光加工设备100还具有致动装置108，用于在输出辐射106和对象112的表面110之间产生相对运动。根据一个实施例，致动装置108以静止方式布置，并以114表示。根据另一实施例，加工组件116通过载体118与致动装置108联接。根据一个在实施例，致动装置108和/或载体118由机械臂形成。根据一个实施例，该致动装置108和/或载体118设置在用于粗略定位的可移动升降平台上(图1中未显示)。这在对象较大的情况下是尤其有利的，例如飞机部件。根据一个实施例，升降平台至少有一个致动器来移动升降平台。根据一个实施例，用于移动升降平台的至少一个致动器可以是致动装置108的一部分。借助于致动装置108，可以使加工组件116相对于对象112或对象112的表面110移动，以便相对于表面移动输出辐射106。根据另一个实施例，可以规定，对象112被布置为借助于除致动装置108之外的或作为致动装置108的替代物的致动装置是可移动的。
可以提供传感器装置119以用于将衍射装置102和表面110之间的距离保持在预定距离范围内和/或用于将衍射装置102和表面110之间的取向保持在预定取向范围内(枢转范围)。根据一个实施例，传感器装置具有一个或多个传感器，例如位置传感器、距离传感器等中的至少一个。
根据一个实施例，对象112是例如，飞行器的一部分，例如飞行器的机翼或机身。根据另一个实施例，对象112可以是例如风力涡轮机的转子叶片。根据一个实施例，对象112以固定方式(以114表示)布置在例如载体上(图1中未示出)。
根据一个实施例，激光加工设备100具有用于输出激光辐射104的激光输出装置120。根据一个实施例，用于产生激光辐射的激光源布置在激光输出装置120中。根据另一实施例，例如如图1所示，激光源布置在激光输出装置120的外部。特别地，在激光加工设备100或激光加工设备100的一部分通过致动装置108相对于表面110移动的实施例中，激光源布置在激光加工设备的外部是(例如，出于重量原因)很有用的。
根据一个实施例，激光加工设备还具有冷却装置124，用于向光学衍射装置102或冷却剂流动路径126提供冷却剂128。
此外，根据一个实施例，激光加工设备100具有控制装置122，用于控制激光加工设备的其他部件，例如激光输出装置120、冷却装置124和/或致动装置108。这些其他部件与控制装置122间的信号传输耦合130例如图1所示。根据一个实施例，控制装置122通过信号传输耦合(以130表示)到传感器装置119。根据另一实施例，控制装置122被设置为响应于来自传感器装置119的传感器信号123来控制激光加工设备100的一个或多个部件。根据一个实施例，激光加工设备的部件的控制(特别是其他部件的控制以及特别是致动装置的控制)可以被设置成：将衍射装置102和表面110之间的距离保持在预定距离范围内和/或将衍射装置102和表面110之间的取向保持在预定取向范围内。根据一个实施例，该激光传输装置只是一个无源元件。在这种情况下，不需要与控制装置进行信号传输耦合。
根据一个实施例，加工组件116包括以下组件中的一个或多个：激光输出装置120、控制装置122、冷却装置124、光学衍射装置102和传感器装置119。例如，加工组件116包括所有这些部件，例如，如图1中虚线116所示。
根据一个实施例，输出辐射具有多个强度最大值(图1中未示出)，其中输出辐射106的横截面132，特别是强度最大值的整个横截面小于入射到光学衍射装置102上的激光辐射104的横截面134。例如，根据一个实施例，光学衍射装置102具有聚焦效应，并且因此将激光辐射104的横截面从衍射装置102处的激光辐射104的横截面134减小到输出辐射106在表面110上的截面132以作为输出辐射106的指定光斑尺寸。根据一个实施例，在输出辐射106中存在干涉，结果形成了多个强度最大值。
应当注意，除了具有多个强度最大值的输出辐射106之外，衍射装置102还可以产生不用于加工表面110的另一辐射。未使用的辐射(图1中未示出)可以被屏蔽掉，例如，通过合适的隔膜，使其不会从激光加工设备100或加工组件116离开。
图2示出了从图1中的线II-II观察的图1中的对象112的表面110。
根据一个实施例，输出辐射106具有多个强度最大值，其中一些在图2中用136表示。由于图2中以138表示的表面和输出辐射106的相对运动，强度最大值136在表面中产生多个平行沟槽，其中一些沟槽在图2中用140表示。指示方向138是输出辐射106在表面110上的移动方向。
根据一个实施例，强度最大值的形状不同于圆形。特别地，根据一个实施例，强度最大值沿着第一方向142(根据一个实施例，强度最大值并排布置的方向)的第一延伸143小于第二方向146上的第二延伸144，其中第二方向146被布置为垂直于第一方向142。根据一个在实施例中，沿第二方向146产生输出辐射106和表面110之间的相对运动138，例如如图2所示。
根据一个实施例，多个强度最大值形成输出辐射的光斑或由输出辐射的光斑形成。根据一个实施例，该光斑具有沿第二方向146(即沿沟槽140的纵向)最小延伸并且具有与第二方向垂直的最大延伸(沿第一方向142)。光斑在第一方向(垂直于沟槽140的纵向方向)的最大延伸越大，光斑可以产生越多的给定的沟槽宽度的沟槽。光斑产生的沟槽越多，激光加工设备100的表面加工速度就可以越高。
图3示出了沿图2中III-III线的剖视图的图2中的多个沟槽140的一部分。
根据一个实施例，沟槽140的尺寸和间距被设计为使得肋150保留在沟槽140之间。因此，肋150由材料148构成，该材料148形成表面110并且通过输出辐射106的照射从沟槽140的区域中被去除。根据一个实施例，例如如图3所示，材料148是布置在对象112的基部152上的涂层(例如漆)。
图4示出了根据本公开的主题的实施例的激光加工设备200。
根据一个实施例，激光加工设备200具有用于冷却衍射装置102的冷却装置124。根据一个实施例，冷却装置124被布置在加工组件116的外部，例如如图4所示。根据进一步的实施例，激光加工设备具有冷却剂管线127，冷却剂128可通过该管线127输送到衍射装置102。根据一个实施例，激光加工设备200具有包括冷却剂流动路径126的热交换器160(例如散热器)，冷却剂128流经该冷却剂流动路径并且与衍射装置102热接触(例如，如图4所示)以便利用冷却剂128从衍射装置102中散发热量。根据一个实施例，被加热的冷却剂128被反馈到冷却装置124用于冷却并再次为衍射装置提供冷却剂。
根据一个实施例，激光加工设备200具有激光源162，其产生激光辐射104并通过合适的光导路径164将其传送到激光输出装置120，激光辐射104从激光输出装置120输送到达衍射装置102，例如如图4所示。根据一个实施例，光导路径164具有用于将激光辐射104传送到激光输出装置120的光导和/或合适的镜面装置。例如，在高功率激光辐射104和/或维持辐射相干性的高要求的情况下，镜面装置优先于光导。根据一个实施例，激光源162被布置在加工组件116的外部，例如如图4所示。
根据一个实施例，例如在图4中虚线所示的位置处，激光加工设备200具有一个或多个其他的光学元件166，例如聚焦光学元件166，其将输出辐射106聚焦在表面上(图4中未示出)，和/或具有一个或多个光束扩散光学元件167，其将激光辐射104扩散到所期望的横截面134(见图1)。
图4中的光学元件166是衍射装置102与其上产生沟槽的表面之间的光束路径169中的光学元件的示例。例如，光学元件166可以有助于这样一个事实，即光束路径169被设置以便将输出辐射106引导到表面上。
例如，所述至少一个光学元件166(这里也称为另一光学元件)可以是扫描仪的反射镜，其在表面上移动输出辐射。在这种情况下，致动装置将包括扫描仪的至少一个致动器。根据另一个实施例，输出辐射106通过衍射装置102被排他性地引导到表面上。换句话说，根据一个实施例，光束路径169没有光学元件，例如反射镜、透镜等。
根据一个实施例，激光加工设备200还具有控制装置122，该控制装置122通过信号传输耦合(在图4中对于一些部件在130处以示例的方式指示)而连接到激光加工设备200的部件。
根据一个实施例，激光加工设备200具有致动装置108和载体118。根据一个实施例，致动装置108和载体118形成机械臂的至少一部分。根据一个实施例，激光加工设备200的外部组件(例如冷却装置124、激光源162和控制装置122)和激光加工设备的可移动组件(例如激光输出装置120，衍射装置102和其它的光学元件166、167，尤其是加工组件116的部件)之间的连接路径被引导到载体118和/或致动装置108(例如引导到机械臂的至少一部分)，例如如图4中示意性所示。
通过提供外部部件，例如外部部件122、124、162，可以减少移动质量(即必须由致动装置108移动的质量)。根据一个实施例，外部部件是相对于加工组件116布置在外部的部件。外部部件例如可以布置(附接)到机械臂的基部或者以固定的方式布置到机械臂处，特别是布置(附接)到机械臂的基部附近的机械臂的一部分(例如机械臂的“下部”部分)。
一般而言，应当强调的是，虽然对于某些应用可能优选放置在此描述的激光加工设备的一些部件，但是在本公开的范围内，激光加工设备的部件可以放置在任何合适的位置。例如，根据一个实施例，衍射装置102以远离加工组件116的方式被定位在例如机械臂处或作为外部组件。
图5根据本公开的主题的实施例示出了衍射装置102的俯视图。
根据一个实施例，衍射装置102具有衍射光学元件168(以下也简称为光学元件)。根据一个实施例，衍射光学元件168具有第一表面172，其具有非结构化部分174和结构化部分176。根据一个实施例中，非结构化部分174围绕着结构化部分176延伸，例如如图5所示(并且因此在一个实施例中形成非结构化边缘)。根据一个实施例，除了产生多个(相对)强度最大值之外，衍射光学元件还具有光束功能，例如聚焦功能、光束导向功能等中的至少一种。
图6以剖视图示出了图5中的衍射装置102的光学元件168。
根据一个实施例，至少第一表面172的结构化部分176由金属形成，例如涂层178。根据一个实施例，光学元件168具有本体170和本体170上的涂层178。根据一个实施例，本体170是结构化的硅晶片，其中根据一个实施例的光学元件168的表面结构180由硅晶片的结构限定。需要指出的是，图6中的表面结构180应当仅示例性和示意性地示出了光学元件168的结构化表面176，然而不必示出本公开主题的实施例的衍射装置102的光学元件168的真实结构。根据一个实施例，背离的表面182由平坦表面形成，例如由本体170的平坦表面形成，例如如图6所示。背离的平坦表面182可以改善与热交换器例如散热器的热接触。根据一个实施例，结构化表面176和背离表面182之间的距离限定了光学元件168的厚度。根据一个实施例，光学元件168的厚度在结构化表面176上取平均值(光学元件的平均厚度)。根据一个实施例，涂层178的层厚度小于本体170的厚度的10％。因此，根据一个实施例，本体170基本上限定了光学元件168的厚度。
根据一个实施例，形成表面结构180的面可以是弯曲的，或者根据另一个实施例，可以是平坦的。换句话说，在产生表面结构180之前，初始表面可以是弯曲的，或者根据另一实施例，可以是平坦的。例如，可以通过弯曲的初始表面来实现光学元件168的光束光学功能。
根据一个实施例，衍射装置102由单个衍射光学元件168组成，例如参考图5和图6所示的衍射光学元件。
应当注意的是，本文公开的元件(诸如，控制装置、激光加工设备、激光输出装置、冷却装置、致动装置、对象等)不限于如一些实施例中描述的专用实体。更确切地说，本公开的主题可以以各种方式实现，同时仍然提供所公开的特定功能。
应当注意，本公开的每个实体(例如设备、元件、特征和方法步骤)不限于如一些实施例中描述的专用实体。相反，本公开描述的主题可以在设备级别或方法级别以各种粒度级别以各种方式提供，同时仍然提供指定的功能。还应当注意的是，根据实施例，本公开中的每一个的单独实体可以提供所公开的功能。根据其他实施例，实体可以被配置为提供如本公开所述的两个或更多个功能。根据其他实施例，两个或更多个实体可以被配置为一起提供如本文所述的功能。
需要指出的是，本公开在附图中描述的实施方式只是表示本公开主题的实施例的可能的有限选择。因此可以以合适的方式将各个实施例的特征彼此组合，从而对于本领域技术人员而言，本公开包括具有在此明确的实施例变体，因此，大量不同的实施例被认为是公开的。还应注意，诸如“一个”之类的术语不排除复数。诸如“包含”或“具有”之类的术语不排除进一步的特征或方法步骤。术语“包括”或“包含”均包含“包括”和“由……组成”两种含义。
还应该指出的是，虽然附图中的示范性的激光加工设备和示范性的表面示出了在此公开的主题的若干实施例的特定组合，实施例的任何其他组合也是可能的并且应被认为是与本申请一起公开的。
本公开的主题的实施例的有利组合可概括如下：一种用于在表面上产生多个沟槽的激光加工设备具有光学衍射装置，该光学衍射装置被设置为接收激光辐射并由此产生输出辐射，其中该输出辐射具有多个强度最大值。提供致动装置用于在输出辐射和表面之间产生相对运动，其中每个强度最大值产生多个沟槽中的一个。

Claims (15)

1.一种用于在表面(110)上产生多个沟槽(140)的激光加工设备(100、200)，所述激光加工设备(100、200)具有：
光学衍射装置(102)，其被设置为接收激光辐射(104)并由此产生输出辐射(106)，其中所述输出辐射(106)具有多个强度最大值(136)；
致动装置(108)，用于在所述输出辐射(106)和所述表面(110)之间产生相对运动，其中每个强度最大值(136)产生多个沟槽(140)中的一个沟槽。
2.根据权利要求1所述的激光加工设备(100、200)，其中所述衍射装置(102)具有至少一个光学元件(168)，尤其是，其中所述至少一个光学元件(168)被设置为产生所述输出辐射(106)的多个部分之间的相位差。
3.根据权利要求2所述的激光加工设备(100、200)，其中所述至少一个光学元件被设置为用于反射。
4.根据权利要求2或3所述的激光加工设备(100、200)，其中所述至少一个光学元件具有由金属或半导体材料制成的本体(170)。
5.根据权利要求4所述的激光加工设备(100、200)，其中所述本体(170)至少部分地涂敷有金属(178)，特别是耐腐蚀金属，诸如耐腐蚀合金或贵金属。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工设备(100、200)，其中所述光学元件(168)是衍射光学元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工设备(100、200)，其中所述多个强度最大值包括至少10个强度最大值(136)，特别是至少50个强度最大值(136)或至少200个强度最大值(136)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工设备(100、200)，进一步包括：
光束路径(169)，其被设置为将所述输出辐射(106)引导到所述表面(110)上；
其中所述相对运动是直线运动；以及
所述衍射装置(102)和/或所述光束路径(169)被设置成使得所述多个沟槽(140)中的每两个沟槽(140)之间形成肋(150)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工设备(100、200)，其中所述激光辐射是CO 2激光辐射。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工设备(100、200)，其中所述激光辐射(104)的平均功率为至少500W，特别是至少1kW。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工设备(100、200)还包括用于产生所述激光辐射(104)的激光源。
12.根据前述权利要求中任一项所述的激光加工设备(100、200)，还包括用于冷却所述光学衍射装置(102)的冷却剂流动路径(126)，特别是用于液体冷却剂(128)的冷却剂流动路径。
13.一种在表面(110)上产生多个沟槽(140)的方法，所述方法包括：
将激光辐射(104)引导到光学衍射装置(102)上以产生输出辐射(106)，其中所述输出辐射(106)具有多个强度最大值(136)；
将所述输出辐射(106)引导到所述表面(110)上；以及
在所述输出辐射(106)和所述表面(110)之间产生相对运动，其中每个强度最大值(136)产生多个沟槽(140)中的一个沟槽。
14.根据权利要求13所述的方法，其中产生所述输出辐射(106)包括所述激光辐射(104)在所述光学衍射装置(102)上的反射。
15.根据权利要求1至12任一项的激光加工设备或根据权利要求13至14任一项的方法的一种应用，所述应用用于在所述表面(110)上制造多个平行的肋，特别是肋条。
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