CN114514086A - 双波长激光系统和使用这种系统的材料处理 - Google Patents

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B·查恩
M·莫达斯基
B·洛克曼
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Abstract

在各种实施例中，顺序地和/或同时地使用两种不同波长的激光束以在诸如熔化、冲孔、切割和焊接等的各种处理阶段中处理工件。

Description

双波长激光系统和使用这种系统的材料处理
相关申请
本申请要求2019年8月6日提交的美国临时专利申请No.62/883,189的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及利用以多个波长发射的高功率激光装置处理(例如，焊接或切割)材料。
背景技术
高功率激光用于许多切割、蚀刻、退火、熔接、钻孔和焊料焊接应用。与任何材料处理操作一样，在费用和时间方面，效率可能是一个关键的限制因素；效率越低，成本就越高和/或用于处理给定材料的激光的运行就越慢。激光束的特性会影响效率，且不同的材料(如铜、铝、钢等)在进行处理时对光束特性的反应也不同。此外，这些材料的厚度会影响它们的响应。即，切割或焊接的性质可能随着光束的特性而变化，至少取决于材料及其厚度。
此外，即使对于相同的材料和厚度，材料的光学响应(以及从而最佳光束)也可能根据处理的几何形状而变化。例如，与具有例如尖角或其他特征的复杂形状相比，材料在长直线切割期间的光学响应可能不同。
此外，高功率激光系统通常包括激光发射器和光学系统，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，所述光学系统将来自光纤的激光聚焦到待处理的工件上。所述光学系统通常设计成能产生最高质量的激光束或者相当于具有最小光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)处的半径的乘积。BPP量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度，通常以毫米毫弧度(mm-mrad)为单位表示。(除非另有说明，本申请公开的BPP值以mm-mrad为单位。)高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP在相同波长情况下的比用M2表示，其是与波长无关的光束质量的度量。
波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管条、二极管条堆叠或以一维或二维阵列布置的其他激光的输出功率和亮度的技术。已经开发出沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束的WBC方法。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其利用色散元件组合起来，形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定的反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利申请8,559,107中，每个的全部公开8,559,107中有详细说明，每个申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
虽然诸如WBC等技术已经成功地为各种应用产生了基于激光的系统，但材料处理方面的挑战仍然存在。具体地，以各种不同的波长发射的激光可以以不同的方式与不同的材料和/或具有不同厚度的材料相互作用。例如，不同的材料不同地吸收激光，且因此对用于多种操作和/或多种不同的材料的激光系统的优化是相当困难的。因此，需要针对不同的材料处理操作进行优化的激光系统，可用于有效地处理大量不同的材料、执行各种类型的处理以及沿各种不同的处理路径处理工件。
发明内容
根据本发明的实施例，激光系统发射具有两个或更多个波长或两个或更多个波长范围的光束，以便利用每个波长的优点来优化材料处理。(在此，不同的“波长”应理解为包含不同的“波长范围”，并且激光的波长对应于其主波长。)例如，在各种实施例中，激光系统的特征在于以相对较长的波长(例如，红外或近红外)发射的主激光，用于切割材料(例如，金属材料)，以及以相对较短的波长(例如，紫外或可见光)发射的次级激光，至少用于切割开始时的初始冲孔操作。一般来说，各种金属对较短波长的激光表现出较大的吸收，至少在固态下是这样。因此，较短波长的激光可以有效地用于在例如激光切割开始时执行的冲孔操作。即，利用较短波长的激光，冲孔操作可以更快地执行，并且具有更高的质量(例如，边缘粗糙度)。不幸的是，许多短波长激光器(例如，在绿色或蓝色波长范围内发射的激光)效率较低、寿命较短、更昂贵，并且比各种较长波长的激光(例如近红外激光)更慢和/或更不容易达到全功率。此外，一旦金属熔化，它们对激光的吸收就与激光波长不那么相关，甚至不相关。因此，一旦金属被冲孔和熔化，实际的切割操作可以通过较长波长的激光器更快和更有效地执行，这些激光器通常具有更长的寿命并表现出更高的效率。这种较长波长的激光器可能不适合用于初始冲孔操作，这是由于(1)材料对较长波长的较低吸收和/或(2)材料对较长波长的高反射性，这不仅会阻止激光切割的开始，还会因杂散反射导致激光系统(或其各种部件)的损坏。
在示例性切割操作中，向材料表面发射激光，由此吸收至少一部分激光能量，从而加热材料。在充分吸收能量后，材料表面熔化并变成熔化的。此后，次表面材料也熔化，在材料中产生孔。一旦形成这样的孔，就可以使激光能量平移穿过材料，以期望的模式切割材料。根据本发明的各种实施例，使用较小波长的次级激光器来启动切割操作。在各种实施例中，次级激光器将光发射到待处理材料的表面上，至少直到材料表面的一部分熔化。(也就是说，次级激光器不需要使用，直到实际产生穿过材料的孔，只要有至少一些材料是熔化的并且因此更能吸收较长波长的激光；然而，在各种实施例中，至少直到穿过材料形成孔才使用次级激光器。)在材料表面的至少一部分熔化后，主激光器将较长波长的光发射至材料上基本相同的点处(即，主激光束和次级激光束可以是同轴的，或者它们的光轴可以彼此非常接近)，例如，在表面的熔化部分内和/或至少部分在由次级激光器形成的任何孔内，然后平移穿过材料以产生切口。因此，在各种实施例中，可以以较低功率和/或较短时间使用次级激光器，从而延长其寿命。此外，使用次级激光器能够有效地处理诸如铜等对较长激光波长(例如，红外或近红外)具有高度反射性的材料。
在各种实施例中，次级激光器不仅可以用于(即，可以向材料发射激光能量)对材料冲孔(例如，当开始切割操作时)，而且还可以用于切割操作期间，如果材料的一种或多种性质改变时或者如果需要改变切割本身的一种或多种性质时。例如，如果材料的厚度在一个或多个点处改变(例如，增大)，则可以在这些点处使用次级激光以有效地继续切割操作。此外，可以在希望改变(例如，增大)切口的尺寸(例如，宽度)的点处和/或在切割方向改变的点处使用次级激光器(和主激光器一起使用或不使用主激光器)。
如上详述，在冲孔/切割操作(或其他处理操作)的不同部分期间可以彼此独立地使用主激光器和次级激光器。即，可以利用次级激光器启动切割，然后关闭，然后可以将主激光器通电以完成操作，并且两个激光器不会同时向材料发射光。然而，在各种实施例中，对于处理操作的至少一部分，两个激光器同时向材料发射光。即，在冲孔操作的至少一部分期间和/或在后续切割操作的至少一部分期间，两个激光器都可以向表面发射光。同时使用两个激光器可以提供额外的激光功率，从而实现更快的切割和/或切割更厚的材料。此外，通过同时使用两个激光器提供的扩展带宽可以通过增大激光相干性和散斑的加扰(scrambling)来提高处理的/切割的材料的表面质量。在各种实施例中，两个激光器同时向材料发射光，但是在过程的一个或多个部分期间对一个或另一个的功率进行调制。例如，在冲孔过程中，主激光器可以发射光，但其功率低于在随后的切割操作过程中的功率。类似地，次级激光器可以在切割期间发射光，但比在初始冲孔操作期间的功率低。
在另一个示例性实施例中，次级激光器可以用于初始软化或熔化，而主激光器用于沿处理路径焊接工件或焊接多个工件。主激光器和次级激光器针对示例切割操作可以如上文详述那样进行操作。
在各种实施例中，主激光器和次级激光器的操作由基于计算机的控制器进行控制。在使用(或主要使用)次级激光器用于冲孔之后使用(或主要使用)主激光器用于切割的实施例中，控制器可以在该过程中期望的点处(例如，当材料表面的至少一部分熔化但在材料中形成孔之前，或者甚至在材料中形成孔之后)开启主激光器(或提高其功率水平)。此时，控制器可以关闭次级激光器(或降低其功率水平)。控制器可以响应于材料表面的状态(例如，当它变成熔化的时)直接启动主激光器的这种使用。例如，激光系统可以包括一个或多个传感器，其监测材料表面并通过例如表面的反射率和/或温度的变化来检测材料表面何时熔化。(如本领域技术人员所知，当表面熔化时，这种相变可能伴随着反射率的突然变化(例如，变到诸如红外或近红外波长等更长的波长)。材料表面的温度升高也可能减慢，至少直到材料开始蒸发。)在其他实施例中，控制器可以在定时的延迟之后简单地启动主激光器的使用(和/或关闭次级激光器或掉电)。
因此，在各种实施例中，次级较短波长的激光器用于(或主要用于)对材料进行熔化、冲孔或部分冲孔，然后较长波长的主激光器用于(或主要用于)切割材料(例如，通过使主激光光斑平移穿过材料)。一般而言，次级激光器可用于启动特定的过程，而主激光器可用于在启动后完成该过程。尽管这种实施例可能特别地适用于金属材料，但在各种实施例中，较长波长的激光用于(或主要用于)对材料进行熔化、冲孔或部分冲孔，然后较短波长的激光用于(或主要用于)切割材料(例如，通过主激光光斑在材料上平移)。例如，诸如玻璃和塑料等许多非金属材料在可见光和近红外波长下是透明的，但在紫外波长(例如，小于约350nm)和/或红外波长(例如，从约2μm至约11μm的范围)可以表现出高吸收性。因此，尽管可以如上文和此处详述的那样对这些材料进行处理，即，使用较短波长激光用于冲孔和/或熔化，以及较长波长激光用于切割，但是可以对激光波长进行选择使得可以对这些材料进行处理，较长波长的激光用于冲孔和/或熔化，较短波长的激光用于切割。因此，对于这样的材料，如本申请所述的“次级激光”可以具有比各种实施例中的“主激光”更长的波长。(例如，主激光可以具有近红外波长，而次级激光可以具有大约5μm(例如，CO激光)或大约10.6μm(例如，CO2激光)的波长)。
与仅仅用光探测表面(例如，反射率测量)的光学技术相比，本发明的实施例通常用于处理工件，使得工件的表面被物理地改变和/或使得在表面上或表面内形成特征。根据本发明实施例的示例性处理包括切割、熔接、钻孔和焊料焊接。本发明的各种实施例还在一个或多个点处或沿着一维处理路径处理工件，而不是用来自激光束的辐射同时充满全部或基本上全部工件表面。通常，处理路径可以是曲线的或线性的，且“线性”处理路径可以具有一个或多个方向上变化的特征，即，线性处理路径可以由两个或多个彼此不一定平行的基本上直的段组成。
在本申请中，除非另外指出，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等的任何一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射。在本申请中，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁束产生装置，例如半导体元件，其产生电磁束，但可以是或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括后反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该增益不限于电磁光谱的任何特定部分，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括多个光束发射器，诸如配置为发射多个光束的二极管条等，或基本上由其组成。在本申请的实施例中使用的激光束可以是使用本领域中已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。此外，这里对“激光器”、“激光发射器”或“光束发射器”的引用不仅包括单二极管激光器，还包括二极管条、激光器阵列、二极管条阵列以及单个或阵列的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
本发明的实施例可以与波长光束组合(WBC)系统一起使用，所述系统包括多个发射器，例如使用色散元件组合以形成多波长光束的一个或多个二极管条。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定的反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利号6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利号6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利号8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利号8,559,107中有详细说明，每个申请的全部公开内容在此通过引用并入本申请。WBC系统的多波长输出光束在本发明的实施例中可以用作处理光束，用于例如工件的冲孔和/或切割和/或焊接。
根据本发明的各种实施例的激光系统还可以包括一传输机构，将激光输出引导至工件上，同时引起输出和工件之间的相对运动。例如，传输机构可以包括用于将输出朝向工件引导和/或聚焦的激光头，基本上由其组成，或由其组成。激光头本身可以为相对于工件可移动的/可旋转的，和/或传输机构可以包括用于工件的可移动台架或其他平台，以实现工件相对于输出端的移动，其中输出端可以固定在适当位置。
本发明的实施例可以利用激光头和/或相关的系统部件，如果需要的话，这些部件能够在工件处理期间将不对称激光束传输到工件和/或旋转光束，如在2019年12月27日提交的美国临时专利申请号62/954,033中所描述的，其全部公开内容通过引用在此并入本申请。例如，主光束、次级光束或两者都可以在本申请详述的各种处理阶段的全部或部分期间由激光头旋转(例如，连续地旋转到特定的方向，或以期望的角度旋转到(例如，平行于、垂直于等)处理路径，处理路径的方向可以在工件上改变一次或多次)。例如，在一个或多个处理阶段期间的光束旋转可以加快处理速度或产生更锋利的处理工件边缘。
在本发明的各种实施例中，用于处理各种工件的主激光束和次级激光束可以通过一根或多根光纤(或“传输光纤”)传输到工件。本发明的实施例可以包含具有许多不同内部配置和几何形状的光纤。这种光纤可以具有一个或多个纤芯区域和一个或多个包层区域。例如，光纤可以包括中心纤芯区域和由内包层分隔的环形纤芯区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。一个或多个外包层可以围绕环形纤芯区域设置。本发明的实施例可以与具有在2017年4月5日提交的美国专利申请序列号15/479,745以及2019年11月6日提交的美国专利申请序列号15/675,655中描述的配置的光学纤维一起使用或包括其，每个申请的全部公开内容通过引用在此并入本申请。
在结构上，根据本发明实施例的光纤，在不改变本发明的原理的情况下，可以包括一个或多个高和/或低折射率的层，其超出外部包层(即在外部包层外部)。这些另外的层中的各种层也可以称为包层或涂层，并且可以不导光。除了特别提到的那些，光纤还可以包括一个或多个纤芯。这样的变型落入本发明的范围内。本发明的各种实施例不包括在光纤结构中或光纤结构上的模消除器(mode stripper)。类似地，根据本发明实施例的光纤的各种层沿光纤的整个长度是连续的，并且其中不包含孔、光子晶体结构、断裂、间隙或其他不连续性。
根据本发明的光纤可以为多模光纤并且因此支持其中的多个模式(例如，多于三个、多于十个、多于20个、多于50个或多于100个模式)。此外，根据本发明的光纤通常为无源光纤，即没有像通常用于泵浦光纤激光器和放大器那样掺杂有源掺杂剂(例如，铒、镱、铥、钕、镝、镨、钬或其他稀土金属)。更确切地说，根据本发明用于在不同的光纤层中选择所需折射率的掺杂剂通常为不被激光激发的无源掺杂剂，例如氟、钛、锗和/或硼。因此，根据本发明各种实施例的光纤以及其各种纤芯和包层可以包括玻璃，例如基本上纯的熔融石英和/或熔融石英，并且可以掺杂有氟、钛、锗和/或硼，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。获得根据本发明实施例的光纤的特定层或区域的期望的折射率可以由本领域技术人员完成(通过诸如掺杂等技术)而无需过度试验。相关地，根据本发明实施例的光纤可以不在其中或其上包含反射器或部分反射器(例如，诸如布拉格光栅等的光栅)。根据本发明实施例的光纤通常不是由配置为产生不同波长的激光的泵浦光泵浦。而是，根据本发明实施例的光纤仅沿其长度传播光而不改变其波长。在本发明的各种实施例中使用的光纤的特征可以在于可选的外部聚合物保护涂层或护套，围绕更易碎的玻璃或熔融石英纤维本身设置。
此外，根据本发明实施例的系统和技术通常用于材料处理(例如，切割、钻孔等)，而不是用于诸如光通信或光数据传输之类的应用。因此，可以根据本发明的实施例耦合到光纤中的激光束可以具有不同于用于光通信的1.3μm或1.5μm的波长。实际上，根据本发明的实施例使用的光纤可以在用于光通信的大约1260nm至大约1675nm的范围内的一个或多个(或甚至所有)波长处表现出色散。
一方面，本发明的实施例的特征在于一种利用激光系统处理工件的方法。激光系统包括配置为发射主激光束的主激光器和配置为发射次级激光束的次级激光器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。主激光束的波长不同于次级激光束的波长。在第一阶段，至少次级激光束被引导至工件的表面，由此次级激光束的能量被工件吸收。在工件表面的至少一部分对在第一阶段期间对吸收次级激光束的能量反应之后，在第二阶段期间，(i)至少主激光束被引导至工件表面，以及(ii)在此期间，在至少主激光束和工件之间引起相对运动，由此沿至少部分地由相对运动确定的处理路径对工件进行切割或焊接。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。在第一阶段期间，主激光束可以不被引导至工件的表面。在第二阶段期间，次级激光束可以不被引导至工件的表面。在第一阶段期间，主激光束可以被引导至工件的表面。在第一阶段期间主激光束的输出功率可以低于在第二阶段期间主激光束的输出功率。在第二阶段期间，次级激光束可以被引导至工件的表面。在第二阶段期间次级激光束的输出功率可以低于在第一阶段期间次级激光束的输出功率。
主激光束的波长范围可以从大约870nm至大约11μm。主激光束的波长范围可以从大约870nm至大约1064nm。主激光束的波长范围可以从大约870nm至大约1000nm。次级激光束的波长范围可以从大约300nm至大约810nm。次级激光束的波长范围可以从大约400nm至大约810nm。次级激光束的波长范围可以从大约530nm至大约810nm。
主激光束的波长可以大于次级激光束的波长。工件(或至少其一部分，或至少其表面的一部分)可以包括金属材料、基本上由金属材料组成或由金属材料组成。工件(或至少其一部分，或至少其表面的一部分)可以包括铝、铜、铁、钢、金、银和/或钼，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。主激光束的波长可以小于次级激光束的波长。工件(或至少其一部分，或至少其表面的一部分)可以包括非金属材料、基本上由非金属材料组成或由非金属材料组成。工件(或其至少一部分，或其表面的至少一部分)可以包括玻璃和/或塑料和/或纸和/或聚合材料，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。固态工件对主激光束波长的吸收可以小于50％、小于40％、小于30％、小于20％、小于10％、小于5％，小于2％，或小于1％。
主激光束可以为多波长光束。主激光束可以由波长光束组合光束发射器发射。波长光束组合光束发射器可以包括一个或多个光束源、聚焦光学器件、色散元件以及部分反射输出耦合器，所述一个或多个光束源发射多个离散光束，所述聚焦光学器件用于将多个光束聚焦到色散元件上，所述色散元件用于接收和分散接收的聚焦光束，所述部分反射输出耦合器定位成接收分散光束、通过其传输分散光束的第一部分作为主激光束以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，基本上由以上所述组成，或者由以上所述组成。色散元件可以包括衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)，基本上由其组成，或由其组成。主激光束可以为多波长光束。次级激光束可以由波长光束组合光束发射器发射。波长光束组合光束发射器可以包括一个或多个光束源、聚焦光学器件、色散元件以及部分反射输出耦合器，所述一个或多个光束源发射多个离散光束，所述聚焦光学器件用于将多个光束聚焦到色散元件上，所述色散元件用于接收和分散接收的聚焦光束，所述部分反射输出耦合器定位成接收分散光束、通过其传输分散光束的第一部分作为次级激光束以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，基本上由以上所述组成，或者由以上所述组成。色散元件可以包括衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)，基本上由其组成，或由其组成。
主激光束可以由光纤激光器、直接二极管激光器或固态激光器发射。次级激光束可以由气体激光器、直接二极管激光器或固态激光器发射。主激光束和次级激光束可以由不同类型的激光器发射。主激光束和次级激光束可以由相同类型的激光器发射。在开始第二阶段之前，可以基于工件表面的反射率和/或温度确定工件表面的至少一部分为熔化的。在第二阶段期间或之后，至少次级激光束可以在沿着处理路径的一个或多个点处被引导至工件表面，在所述点处(i)工件的厚度改变，(ii)处理路径的方向改变，和/或(iii)工件的成分改变。在这些点处，主激光束可以被引导至工件表面或不被引导至工件表面。在一个或多个这样的点处，第二阶段可以结束并且第一阶段可以再次开始。在第一阶段期间和第二阶段之前，可以穿过工件的厚度的至少一部分(或甚至全部)形成孔。在开始第二阶段之前，可能不会穿过工件的厚度的至少一部分(或甚至全部)形成孔。
另一方面，本发明的实施例的特征在于一种用于处理工件的激光系统。所述激光系统包括主激光发射器、次级激光发射器、激光头和基于计算机的控制器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。主激光发射器配置为发射主激光束。次级激光发射器配置为发射次级激光束。主激光束的波长不同于次级激光束的波长。激光头将主激光束和/或次级激光束引导至工件上。控制器配置为(i)在第一阶段期间，将至少次级激光束引导至工件的表面，由此次级激光束的能量被工件吸收，以及(ii)在第二阶段期间，在工件表面的至少一部分对吸收次级激光束的能量起反应之后，在它们之间的相对运动期间将至少主激光束引导至工件表面，由此沿至少部分地由相对运动确定的处理路径对工件进行切割或焊接。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。所述系统可以包括用于组合主激光束和次级激光束的光束组合器。光束组合器可以设置在激光头内或设置在激光头的光学上游。光束组合器可以包括波长组合器、偏振组合器、空间组合器或光纤组合器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述系统可以包括传输光纤，光束组合器将主激光束和次级激光束组合到该传输光纤中。传输光纤可以将主激光束和次级激光束传输至激光头。激光头可以包括一个或多个光学元件，用于将主激光束和/或次级激光束和/或组合光束聚焦至工件上，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
控制器可以配置为在第一阶段期间不将主激光束引导至工件表面。控制器可以配置为在第二阶段期间不将次级激光束引导至工件表面。控制器可以配置为在第一阶段期间将主激光束引导至工件表面。控制器可以配置为将主激光束引导至工件表面，方式为(i)在第一阶段期间以第一输出功率以及(ii)在第二阶段期间以高于第一输出功率的第二输出功率。控制器可以配置为在第二阶段期间将次级激光束引导至工件表面。控制器可以配置为将次级激光束引导至工件表面，方式为(i)在第一阶段期间以第一输出功率以及(ii)在第二阶段期间以低于第一输出功率的第二输出功率。
主激光束的波长范围可以从大约870nm至大约11μm。主激光束的波长范围可以从大约870nm至大约1064nm。主激光束的波长范围可以从大约870nm至大约1000nm。次级激光束的波长范围可以从大约300nm至大约810nm。次级激光束的波长范围可以从大约400nm至大约810nm。次级激光束的波长范围可以从大约530nm至大约810nm。
所述系统可以包括工件。所述工件可以包括金属材料，基本上由金属材料组成，或由金属材料组成。所述工件可以包括铝、铜、铁、钢、金、银和/或钼，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制器可以配置为处理工件，所述工件包括金属材料、基本上由金属材料组成或由金属材料组成。所述工件可以包括非金属材料，基本上由非金属材料组成，或由非金属材料组成。工件可以包括玻璃和/或塑料和/或纸和/或聚合材料，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制器可以配置为处理工件，所述工件包括非金属材料、基本上由非金属材料组成或由非金属材料组成。固态工件对主激光束波长的吸收可以小于50％、小于40％、小于30％、小于20％、小于10％、小于5％，小于2％，或小于1％。主激光束的波长可以大于次级激光束的波长。主激光束的波长可以小于次级激光束的波长。
主激光束可以为多波长光束。主激光束可以由波长光束组合光束发射器发射。波长光束组合光束发射器可以包括一个或多个光束源、聚焦光学器件、色散元件以及部分反射输出耦合器，所述一个或多个光束源发射多个离散光束，所述聚焦光学器件用于将多个光束聚焦到色散元件上，所述色散元件用于接收和分散接收的聚焦光束，所述部分反射输出耦合器定位成接收分散光束、通过其传输分散光束的第一部分作为主激光束以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，基本上由以上所述组成，或者由以上所述组成。色散元件可以包括衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)，基本上由其组成，或由其组成。主激光束可以为多波长光束。次级激光束可以由波长光束组合光束发射器发射。波长光束组合光束发射器可以包括一个或多个光束源、聚焦光学器件、色散元件以及部分反射输出耦合器，所述一个或多个光束源发射多个离散光束，所述聚焦光学器件用于将多个光束聚焦到色散元件上，所述色散元件用于接收和分散接收的聚焦光束，所述部分反射输出耦合器定位成接收分散光束、通过其传输分散光束的第一部分作为次级激光束以及将分散光束的第二部分反射回色散元件，基本上由以上所述组成，或者由以上所述组成。色散元件可以包括衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)，基本上由其组成，或由其组成。
所述系统可以包括配置为发射主激光束的主光束发射器。主光束发射器可以包括光纤激光器、直接二极管激光器或固态激光器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述系统可以包括配置为发射次级激光束的次级光束发射器。次级光束发射器可以包括气体激光器、直接二极管激光器或固态激光器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述系统可以包括一个或多个传感器。控制器可以配置为至少部分地基于从所述一个或多个传感器接收到的信号来确定工件表面的至少一部分是熔化的。所述一个或多个传感器可以包括一个或多个光学传感器和/或一个或多个温度传感器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制器可以配置为在第二阶段期间将至少次级激光束在沿着处理路径的一个或多个点处引导至工件表面，在所述点处(i)工件的厚度改变，(ii)处理路径的方向改变，和/或(iii)工件的成分改变。在这些点处，控制器可以配置为将主激光束引导或不引导至工件表面。在一个或多个这样的点处，控制器可以配置为结束第二阶段并再次启动第一阶段。控制器可以配置为仅在第一阶段期间穿过工件的一部分或整个厚度形成孔之后才开始第二阶段。控制器可以配置为在第一阶段期间穿过工件的一部分或整个厚度形成孔之前开始第二阶段。
在又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种利用激光系统处理工件的方法。所述激光系统可以包括激光头，基本上由激光头组成，或由激光头组成。至少来自激光头的次级激光束被引导至工件的表面以在第一位置处熔化工件或至少部分地对工件冲孔。不同于次级激光束的至少主激光束被从激光头引导至工件，同时引起它们之间的相对运动以沿着从第一位置延伸的处理路径对工件进行切割或焊接。主激光束的波长不同于次级激光束的波长。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。主激光束的波长可以大于次级激光束的波长。工件，或工件表面的至少一部分，或工件的至少一部分，可以包括金属材料，基本上由金属材料组成，或由金属材料组成。工件，或工件表面的至少一部分，或工件的至少一部分，可以包括铝、铜、铁、钢、金、银和/或钼，或基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。主激光束的波长可以小于次级激光束的波长。工件，或工件表面的至少一部分，或工件的至少一部分，可以包括非金属材料，基本上由非金属材料组成，或由非金属材料组成。工件，或工件表面的至少一部分，或工件的至少一部分，可以包括玻璃、塑料、纸和/或聚合物材料，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
通过参考以下描述、附图和权利要求，本申请公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加显而易见。此外，应当理解，本申请描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换的形式存在。如本申请所使用，术语“基本上”表示±10％，在一些实施例中，表示±5％。除非本申请另有定义，术语“基本上由......组成”意指排除有助于功能的其他材料。尽管如此，这些其他材料可以以痕量共同或单独存在。在本申请中，除非另有说明，术语“辐射”和“光”可互换使用。在本申请中，“下游”或“光学下游”用于指示光束在遇到第一元件之后所撞击的第二元件的相对位置，该第一元件是第二元件的“上游”或“光学上游”。在本申请中，两个部件之间的“光学距离”是两个部件之间光束实际行进的距离；由于例如来自镜子的反射或者光从一个部件行进到另一个部件所经历的传播方向上的其他变化，光学距离可以等于但不一定等于两个部件之间的物理距离。除非另有说明，否则本申请中使用的“距离”可以被认为是“光学距离”。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的附图标记通常代表相同的部件。而且，附图并不是一定按照比例，而是重点在于说明本发明的原理。在下文描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1为根据本发明的实施例可处理的各种金属材料的吸收光谱作为激光处理光的波长的函数的图线；
图2为针对两种不同波长1060nm和10.6μm的激光钢表面的吸收谱作为温度的函数的图线；
图3为根据本发明实施例的激光系统的各种部件的示意图；
图4A-4C为根据本发明的各种实施例的光束组合器的不同配置的示意图；
图5为根据本发明的各种实施例的组合激光头的示意图；
图6为根据本发明实施例的波长光束组合(WBC)谐振器的示意图。
具体实施方式
图1为根据本发明的实施例可处理的各种金属材料的吸收光谱作为激光处理光的波长的函数的图线。图1改编自W.M.Steen和J.Mazumder的“Laser Material Processing”第4版，Springer，London，2010.doi:10.1007/978-1-84996-062-5，其全部公开内容在此通过引用并入本申请。如图所示，至少在固态下，大多数金属的吸收谱随着激光波长的减小而增大。值得注意的是，铝在大约810nm处具有吸收峰，而诸如铜、金和银等金属反射性很强，并且在近红外波长及以上(例如，在大约800nm或1000nm和更高的波长)表现出很低的吸收性。图1还示出各种类型的激光器的近似发射波长，例如，以约350nm发射的UV激光器、以约500nm发射的绿色激光器、以1060nm发射的Nb:YAG激光器和以10.6μm发射的CO2激光器。
图2为针对两种不同波长1060nm和10.6μm的激光典型金属表面(此处为钢)的吸收谱作为温度的函数的图线。图2取自CRC出版社(2006)的Steel Heat Treatment Handbook，第2版，第462页，图6.23，其全部公开内容通过引用在此并入本申请。如图所示，在材料的熔点以下，对较短波长的光的吸收明显更高。然而，当达到熔点并且表面开始熔化时，吸收显著增加并且与波长的相关性变小，甚至基本上与波长无关。如图所示，焊接处理可以在这种相对温度范围内进行。随着温度增大至汽化温度(例如，可以进行切割的范围)，吸收继续增大，于是吸收在显著水平上趋于平稳。因此，本发明的实施例在材料处于固态时利用较短波长的次级激光来启动切割或焊接操作(例如，冲孔和/或至少部分地熔化)，且一旦材料熔化，较长波长的主激光用于对材料进行诸如切割或焊接等处理。
尽管上述实施例可能特别地适用于金属材料，但在各种实施例中，较长波长的激光用于(或主要用于)对材料进行熔化、冲孔或部分冲孔，然后较短波长的激光用于(或主要用于)切割材料(例如，通过主激光光斑在材料上平移)。例如，诸如玻璃和塑料等许多非金属材料在可见光和近红外波长下是透明的，但在紫外波长(例如，小于约350nm)和/或红外波长(例如，从约2μm至约11μm的范围)可以表现出高吸收性。因此，尽管可以如上文和此处详述的那样对这些材料进行处理，即，使用较短波长激光用于冲孔和/或熔化，以及较长波长激光用于切割，但是可以对激光波长进行选择使得可以对各种材料(例如，玻璃、塑料、纸)进行处理，较长波长的激光用于冲孔和/或熔化，较短波长的激光用于切割。因此，对于这样的材料，如本申请所述的“次级激光”可以具有比各种实施例中的“主激光”更长的波长。(例如，主激光可以具有近红外波长，而次级激光可以具有大约5μm(例如，CO激光)或大约10.6μm(例如，CO2激光)的波长)。
图3示意性地示出根据本发明实施例的激光系统300的各种部件。如图所示，在激光系统300中，来自主激光器310的光束305和来自次级激光器320的光束315在组合器(或“组合模块”)330处组合。组合器330经由光学连接345(例如，一根或多根光纤)耦合到激光头340。组合器330配置为接收光束305、315并且组合光束，使得它们可以同轴地或者彼此很靠近地发射。在各种实施例中，彼此很靠近的光束可以撞击表面使得它们的光束能量的至少一部分重叠，或者使得第二光束的光束能量的至少一部分撞击表面，在该表面上，第一光束的光束能量撞击表面，或者至少在表面上的一点处，所述表面通过第一光束至少部分地熔化。在各种实施例中，两个光束的中心可以同轴或间隔不超过1cm、0.5cm、0.1cm、0.5mm或0.1mm。
如下文进一步详述，在本发明的各种实施例中，组合器330可以在空间上组合光束、光纤组合光束、偏振组合光束或波长组合光束。在各种实施例中，激光头340包含一个或多个光学元件，用于将光束(和/或组合的光束)聚焦到工件上用于对其进行处理。例如，根据本发明实施例的激光头可以包括一个或多个准直器(即，准直透镜)和/或聚焦光学器件(例如，一个或多个聚焦透镜)。如果进入激光头的光束已经被准直，则激光头可以不包括准直器。根据各种实施例的激光头还可以包括一个或多个保护窗、聚焦调节机构(手动或自动，例如一个或多个拨盘和/或开关和/或选择按钮)。激光头还可以包括一个或多个监测系统，用于例如激光功率、目标材料温度和/或反射率、等离子体光谱等。激光头还可以包括用于光束整形和/或光束质量调节(例如，可变BPP)的光学元件并且还可以包括用于光束的偏振和/或聚焦点轨迹的控制系统。
在一些实施例中，组合器330的所有或其中一些部件包含在激光头340内。在各种实施例中，激光头340可以包括一个或多个光学元件(例如，透镜)和用于选择和/或对其定位的透镜操纵系统，用于例如改变输出光束的光束形状和/或BPP，如在2016年6月21日提交的美国专利申请序列号15/188,076中有详细说明，其全部公开内容通过引用在此并入本申请。
在光学连接345包括光纤、基本上由光纤组成或由光纤组成的实施例中，光纤可以具有许多不同的内部配置和几何形状。例如，光纤可以包括中心纤芯区域和由内包层分隔的环形纤芯区域，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。一个或多个外包层可以围绕环形纤芯区域设置。本发明的实施例可以包括具有在2017年4月5日提交的美国专利申请序列号15/479,745以及2018年11月12日提交的美国临时专利申请序列号62/758,731中描述的配置的光学纤维，每个申请的全部公开内容通过引用在此并入本申请。
在各种实施例中，主激光器310发射的激光束305具有比次级激光器320发射的激光束315更长的波长(或波长范围)。在各种实施例中，主激光器310更便宜、操作更便宜和/或更广泛地可用。主激光器310也可以配置为以比次级激光器320更高的最大功率工作。在各种实施例中，次级激光器320可能效率较低、寿命较短并且成本较高(例如，就每输出功率的成本而言)。
在各种实施例中，主激光器和次级激光器310、320可以为不同类型的激光器，尽管它们并不是必须这样。例如，主激光器310可以包括直接二极管激光器(例如，在自由空间中发射或耦合到光纤中)、光纤激光器或固态激光器(即，使用诸如掺有一种或多种稀土元素的玻璃或晶体的固体增益介质的激光器)，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。在各种实施例中，次级激光器320可以包括直接二极管激光器(例如，在自由空间中发射或耦合到光纤中)、气体激光器或固态激光器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。在各种实施例中，对于主激光器310和/或次级激光器320，直接二极管WBC激光器可能是优选的，因为它们能够处理具有更高质量的材料(例如，金属材料)。不希望受到理论的束缚，WBC激光器可以提供更好的质量，因为它们的宽波段特性是由数十个(甚至数百个)离散发射器的组合产生的，每个发射器具有不同的波长——这可能会扰乱激光相干性和光斑，同时在空间域和时域上平滑激光强度分布。
因此，如本申请详述的，主激光器310和次级激光器320中的一者或二者可以发射多波长光束。根据本发明的实施例，这种多波长光束的“波长”或“主波长”可以对应于由激光器发射的中心(即，中间)和/或最强波长。如本领域技术人员所知，几乎所有的激光输出都包括多个波长的波段，尽管激光波段往往很窄。例如，以1064nm发射的光纤激光器可以具有约2nm的非常窄的波段，而以970nm发射的WBC直接二极管激光器可以具有约40nm的波段。
尽管本申请详述的示例实施例利用并描述了用于发射激光束305、315的单独的主激光器和次级激光器310、320，但是在各种实施例中，激光束305、315可以使用相同的激光源产生。例如，配置为发射具有较长波长的激光束305的激光源还可以用于通过倍频(即，二次谐波发生(SHG))生成具有较短波长的激光束315。在各种实施例中，激光束305可以用于如本申请详述的处理，并且它也可以被引导通过非线性光学材料，该非线性光学材料生成波长约为激光束305的波长的一半的SHG辐射，由此生成激光束315。(尽管此类实施例具有仅需要单个激光源的优点，但由于它们使用SHG，因此此类实施例仅限于使一个激光束的波长约为另一激光束的波长的一半。)在各种实施例中，非线性光学材料可以根据需要移入和移出激光束305的光束路径以生成激光束315，和/或当前不需要用于处理的激光束(如果有的话)可以使用诸如分束器或分色镜等光学元件引导开。在各种实施例中，激光系统可以包括用于定向非线性光学晶体的机构(例如，可移动和/或可旋转的底座)和/或用于控制其温度的机构(例如，加热器或加热炉)以例如提高转换效率和/或防止吸收水分。
在各种实施例中，激光束305的未转换部分在生成激光束315的期间穿过非线性光学材料，并且激光束305、315可以直接来自非线性光学材料用于如本申请详述的处理。在非限制性示例中，激光源可以为以约1064nm发射激光束305的YAG或光纤激光器，其产生具有约532nm波长的SHG激光束315。
在各种实施例中，非线性光学材料可以包括一种或多种硼酸盐晶体，例如β-硼酸钡(β-BaB2O4或BBO)、三硼酸锂(LiB3O5或LBO)、硼酸铯锂(CLBO、CsLiB6O10)、三硼酸铋(BiB3O6或BIBO)或硼酸铯(CsB3O5或CBO)，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。其他示例性非线性光学晶体包括氟硼铍酸钾(KBe2BO3F2或KBBF)、四硼酸锂(Li2B4O7或LB4)、四硼酸锂铷(LiRbB4O7或LRB4)和氟化镁钡(MgBaF4)。合适的非线性光学材料是可商购的并且可以由本领域技术人员提供而无需过度试验。
在各种实施例中，主激光器310的激光束305具有范围从大约780nm至大约11μm、从大约780nm至大约1064nm、从大约780nm至大约1000nm、从大约870nm至大约11μm、从大约870nm至大约1064nm或从大约870nm至大约1000nm的波长(或波长范围)。在特定实施例中，激光束305的波长(或主波长或中心波长)可以为例如大约1064nm、大约10.6μm、大约970nm、大约780或850至大约1060nm、或大约950nm至大约1070纳米。在各种实施例中，次级激光器320的激光束315具有范围从大约300nm至大约740nm、从大约400nm至大约740nm、从大约530nm至大约740nm、从大约300nm至大约810nm、从大约400nm至大约810nm、或从大约530nm至大约810nm的波长(或波长范围)。在各种实施例中，激光束315的波长在UV或可见光范围内，尽管对于在该范围内具有吸收峰的材料(例如，铝)波长可以扩展至大约810nm。在特定实施例中，激光束315的波长(或主波长或中心波长)可以为例如大约810nm、大约400至大约460nm、或大约532nm。在各种实施例中，主激光器310和/或次级激光器320为发射宽波段、多波长激光束的WBC激光器。在各种实施例中，这样的激光器可以具有范围从例如大约10nm至大约60nm的带宽。
下表示出主激光器和次级激光器310、320的各种可能的非限制性组合的一些示例，以及针对每种组合的示例性目标材料(即，待处理的材料)。(表中，SHG为二次谐波发生。)
Figure BDA0003556166850000131
如图3所示，主激光器310、次级激光器320和/或激光头340可以响应于控制器350。例如，控制器350可以启动使用激光头340执行的处理并相应地打开/关闭主激光器310和次级激光器320(和/或调制主激光器310和次级激光器320的输出功率水平)。在各种实施例中，控制器350甚至可以通过控制例如一个或多个致动器来控制激光头340相对于工件的运动。控制器350还可以操作配置为引起输出激光束与正被处理的工件之间的相对运动的常规定位系统。例如，定位系统可以为任何能够控制的光学、机械或光机械系统，用于将光束引导通过沿二维或三维工件的处理路径。在处理期间，控制器350可以操作定位系统和激光系统300，使得激光束沿工件穿过处理路径。处理路径可以由用户提供并存储在机载或远程存储器中，所述机载或远程存储器还可以存储与处理类型(切割、焊接等)有关的参数和进行该处理所必需的光束波长(及其序列)。在该方面，本地或远程数据库可以维护系统将处理的材料和厚度的库，并且通过用户对材料参数(材料的类型、厚度等)的选择，控制器350查询数据库以获得相应的光束波长并确定将何时以及以何种功率水平利用主激光器310和次级激光器320。所存储的值可以包括适合于材料的各种处理(例如，冲孔、切割、焊接等)的光束波长、处理的类型和/或处理路径的几何形状。
如在绘图和扫描领域中能充分理解的，输出光束和工件之间的必要相对运动可以通过使用可移动反射镜使光束光学偏转来产生，使用机架、导螺杆或其他装置使激光器物理移动来产生，和/或通过用于移动工件而不是(或者另外还有)光束的机械装置来产生。在一些实施例中，控制器350可以从将连接到合适的监测传感器的反馈单元接收关于光束相对于工件的定位和/或处理功效的反馈。
在各种实施例中，控制器350基于与工件(例如，其表面)相关的感测信息来控制主激光器310和次级激光器320的开/关切换和/或输出功率水平。例如，激光系统300可以包含一个或多个光学和/或温度传感器，它们检测工件表面的至少一部分何时熔化(通过例如反射率变化和/或达到材料熔点的温度；这样的传感器为常规的并且可以在无需过度试验的情况下提供)。在各种实施例中，次级激光器320用于加热工件表面直到工件表面的至少一部分熔化，或者甚至用于冲孔穿过工件厚度的至少一部分，然后主激光器310用于沿着从至少部分熔化的区域开始的处理路径切割或焊接工件。在其他实施例中，控制器350仅在定时的延迟之后从次级激光器320切换到主激光器310，所述定时的延迟其持续时间可以基于诸如材料类型、材料厚度、次级激光器320的光斑尺寸等因素进行估计。
在各种实施例中，主激光器310和次级激光器320二者在整个过程中都被通电，但是，当其中一个光束没有被利用时(如本申请所述)，该光束被转向(例如，转向至光束捕集器，或至少阻止进入或离开激光头)而不是传送到工件表面。在这样的实施例中，被转向的光束的功率水平可以在被转向时降低并且在被引导至工件时增大。以这种方式，可以避免在一些实施例中可能有害地影响激光器寿命的各种激光器的功率循环。
在各种实施例中，主激光器310和次级激光器320都用于冲孔(或熔化)和切割(或焊接)，但是主激光器310的功率对于后者增大(并且因此对于前者相对地降低)且次级激光器320的功率对于前者增大(并且因此对于后者相对地减小)。由于组合的输出光束的更宽的光谱带，显著降低了激光相干性和散斑，这样的双光束实施例可以提供更高质量的切割和冲孔的优点。在一些实施例中，直到工件表面的至少一部分被次级激光器320熔化后才使用主激光器310，然后激光器310、320两者都用于随后的切割或焊接。这样的实施例将防止或显著减少来自工件表面的有害背向反射，背向反射可能损坏激光系统300的部件(例如，光学元件)。
本发明的实施例可以使用户能够沿着期望的处理路径来处理(例如，切割或焊接)工件，且输出光束的组成(例如，包括光束305、光束315或两者)、输出光束(和/或光束305和/或光束315)的功率水平和/或最大处理速度基于诸如但不限于以下所述的因素选择：工件的成分、工件的厚度、处理路径的几何形状等。例如，用户可以使用任何合适的输入设备或通过文件传输来选择或预先编程进入系统的工件所需的处理路径和/或类型(和/或诸如厚度等其他特性)。此后，控制器350可以根据沿处理路径的位置确定最佳输出光束组成(例如，在光束305和315之间切换，和/或它们的相对功率水平)。在操作中，控制器350可以操作激光系统和工件的定位以沿着预先编程的路径处理工件，利用合适的输出光束组成进行诸如冲孔、切割和焊接之类的处理。如果正被处理的材料的成分和/或厚度改变，则可以对改变的位置和性质进行编程，且控制器350可以相应地调整激光束组成和/或工件与光束之间的相对运动速率。
另外，激光系统可以包括用于检测工件厚度和/或其上特征的高度的一个或多个系统。例如，激光系统可以包括用于工件的干涉深度测量的系统(或其部件)，如2015年4月1日提交的美国专利申请序列号14/676,070中详细描述的，其全部公开内容通过引用并入本申请。控制器可以，例如根据数据库中对应于正被处理的材料类型的记录，利用这样的深度或厚度信息来控制输出光束组成，以优化工件的处理(例如，切割、冲孔或焊接)。
控制器350可以提供为软件、硬件或其某种组合。例如，该系统可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司制造的Pentium或Celeron系列处理器，由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列处理器，和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本申请所述方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电气可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)或只读存储器器件(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储设备)来提供程序。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel 80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
图4A-4C示意性地示出根据本发明的各种实施例的组合器330的或组合器330内的不同配置。例如，如图4A所示，组合器300可以包括具有分色镜400的粗波长组合器，该分色镜400接收光束305、315并将它们组合成由一个或多个聚焦透镜410聚焦至功率传输光纤420中的光束，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。在各种实施例中，分色镜400可以用偏振分束器代替或补充，该偏振分束器可以偏振组合光束305、315(例如，如果两个光束都是线性偏振的)。在另一实施例中，如图4B所示，组合器330可以为空间组合器，在所述空间组合器内，一个或多个反射镜430接收光束305、315，使它们基本上彼此平行，在空间上尽可能靠近地传播，并且将它们聚焦到功率传输光纤420中。在又一个实施例中，如图4C所示，组合器330可以为光纤组合器，光束305、315可以各自被接收到单独的光纤440、450中。光纤440、450可以被拼接(例如，熔接)至功率传输光纤420。在各种实施例中，图3的光学连接器345可以包括图4A-4C所示的光纤420，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，任何光纤420、440、450的一端或两端(例如，与空气、自由空间或周围环境交界的光纤端)可以包括在其上(例如，通过熔化而连接)的端盖(例如，玻璃块)。这种端盖可以有利地减小输入和/或输出功率密度。这样的端盖可以具有范围从例如大约5mm至大约50mm的长度。任何光纤420、440、450可以具有本申请所述的各种内部结构(例如，一个或多个芯和一个或多个包层)中的任一种。
在各种实施例中，例如如图4A-4C所示，主激光束和次级激光束可以沿着共同的光路径到达工件，对于激光器和工件之间的路径的至少一部分。在其他实施例中，主激光束和次级激光束在到达工件之前可以不被组合或沿着共同的光路径。例如，两个激光束可以沿着不同的光路径到达(例如，在不同的传输光纤内)并且由激光头340分别聚焦朝向工件表面上的相同点。在各种实施例中，两个激光束可以各自在其自己的专用传输光纤中传输到激光头，并且两个传输光纤的至少部分可以一起被限制在共用的保护护套(例如，聚合物套管或涂层)内。
在各种实施例中，组合器330(或其功能)被集成到激光头340中。图5示出组合激光头500，其中光束305、315分别由光纤510、520传输，并分别由准直器530、540准直。准直的光束可以通过例如分色镜550组合。一个或多个聚焦透镜(例如，一个或多个球面和/或柱面透镜)560然后可以将光束305、光束315和/或组合的光束聚焦到工件570上以对其进行处理。
根据本发明的实施例并在本申请中详细描述的激光系统和激光传输系统可以用在WBC激光系统中和/或与WBC激光系统一起使用。具体地，在本发明的各种实施例中，WBC激光系统的多波长输出光束可以用作用于处理的激光束传输系统的输入光束的一者或二者，如本申请所详述。图6示意性地示出可用于形成用在本发明实施例中的输入光束的WBC激光系统(或“谐振器”)600的各种部件。在所示实施例中，谐振器600组合由九个不同的二极管条(如本申请所使用，“二极管条”是指任何多光束发射器，即，如下所述发射器：来自其的多个光束从单个封装发射)发射的光束。本发明的实施例可以以少于或多于九个发射器来使用。根据本发明的实施例，每个发射器可以发射单个光束，或者发射器中的每个可以发射多个光束。图6的视图沿WBC维度，即，来自条的光束在该维度组合。示例性的谐振器600具有九个二极管条605，并且每个二极管条605包括沿WBC维度的发射器的阵列(例如，一维阵列)，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，二极管条605的每个发射器发射非对称光束，在一个方向(称为“快轴”，此处相对于WBC维度垂直定向)具有较大的发散，在垂直方向(称为“慢轴”，此处沿WBC维度)具有较小的发散。
在各种实施例中，二极管条605中的每个与快轴准直器(FAC)/光学扭曲微透镜组件相关联(例如，附接或以其他方式光学地耦合)，所述快轴准直器/光学扭曲微透镜组件在将光束的快轴和慢轴旋转90°时准直所发射的光束的快轴，以使每个发射的光束的慢轴垂直于微透镜组件下游的WBC维度。微透镜组件还使来自每个二极管条605的发射器的主光线朝向色散元件610会聚。合适的微透镜组件在2011年3月7日提交的美国专利号8,553,327和2015年6月8日提交的美国专利号9,746,679中进行了描述，每个的全部公开内容通过引用在此并入本申请。
在本发明的其中将FAC透镜和光学扭曲器(例如，作为微透镜组件)与光束发射器的中每一个和/或发射的光束相关联的实施例中，SAC透镜(如下详述)影响非WBC维度的光束。在其他实施例中，所发射的光束不旋转，并且FAC透镜可以用于改变非WBC维度的指向角。因此，应当理解，本申请中对SAC透镜的引用通常指的是在非WBC维度具有功率(power)的透镜，并且在各种实施例中，这种透镜可以包括FAC透镜。因此，在各种实施例中，例如其中发射的光束不旋转和/或光束的快轴处于非WBC维度的实施例中，如本申请中详述的那样，对于SAC透镜，可以利用FAC透镜。
如图6所示，谐振器600还具有一组SAC透镜615，一个SAC透镜615与其中一个二极管条605相关联并从其接收光束。每个SAC透镜615准直从单个二极管条605发射的光束的慢轴。在通过SAC透镜615在慢轴上准直之后，光束传播到一组交错反射镜620，将光束625朝向色散元件610重定向。交错反射镜620的布置使得能够减小或最小化二极管条605之间的自由空间。在色散元件610(其可以包括，例如，诸如图6所示的透射衍射光栅等的衍射光栅，或反射衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成)的上游，透镜630可以可选地用来准直来自二极管条605的子光束(即，除了主射线之外的其他发射射线)。在各种实施例中，透镜630布置成与二极管条605相距一光学距离，该光学距离基本上等于透镜630的焦距。注意，在典型的实施例中，主光线在色散元件610处的重叠主要是由于交错反射镜620的重定向，而不是由于透镜630的聚焦能力(focusing power)。
图6中还示出了透镜635、640，它们形成了光学望远镜，用于减轻光学串扰，如2013年3月15日提交的美国专利号9,256,073和2015年6月23日提交的美国专利号9,268,142所公开的，其全部公开内容通过引用在此并入本申请。谐振器600还可以包括一个或多个可选的折叠反射镜645，用于光束的重定向，使得谐振器600可以适配在较小的物理覆盖区内。色散元件610将来自二极管条605的光束合并为单个多波长光束650，其传播到部分反射的输出耦合器655。耦合器655将光束的一部分作为谐振器600的输出光束传输，同时将光束的另一部分反射回色散元件610，并因此反射到二极管条605作为反馈，以稳定每个光束的发射波长。
本申请使用的术语和表达用作描述性的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示出和所描述的特征或其一部分的任何等同体，而是承认可以在所要求保护的本发明的范围内进行各种修改。

Claims (70)

1.一种利用激光系统处理工件的方法，所述激光系统包括配置为发射主激光束的主激光器和配置为发射次级激光束的次级激光器，其中所述主激光束的波长不同于所述次级激光束的波长，所述方法包括：
在第一阶段期间，将至少所述次级激光束引导至工件的表面，由此所述次级激光束的能量被工件吸收；以及
在工件表面的至少一部分对吸收所述次级激光束的能量起反应之后的第二阶段期间，(i)将至少所述主激光束引导至工件表面，以及(ii)在此期间，在至少主激光束和工件之间引起相对运动，由此沿至少部分地由所述相对运动确定的处理路径对工件进行切割。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一阶段期间，主激光束不被引导至工件的表面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二阶段期间，次级激光束不被引导至工件的表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一阶段期间，主激光束被引导至工件的表面。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在第一阶段期间主激光束的输出功率低于在第二阶段期间主激光束的输出功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二阶段期间，次级激光束被引导至工件的表面。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，在第二阶段期间次级激光束的输出功率低于在第一阶段期间次级激光束的输出功率。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，主激光束的波长范围为从大约870nm至大约11μm。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，主激光束的波长范围为从大约870nm至大约1064nm。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，主激光束的波长范围为从大约870nm至大约1000nm。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，次级激光束的波长范围为从大约300nm至大约810nm。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，次级激光束的波长范围为从大约400nm至大约810nm。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，次级激光束的波长范围为从大约530nm至大约810nm。
14.根据权利要求1所述的方法，其中(i)主激光束的波长大于次级激光束的波长，且(ii)工件包括金属材料。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述工件包括铝、铜、铁、钢、金、银或钼中的至少一种。
16.根据权利要求1所述的方法，其中(i)主激光束的波长小于次级激光束的波长，且(ii)工件包括非金属材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述工件包括玻璃、纸或塑料中的至少一种。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件在固态下对主激光束的波长的吸收小于20％、小于10％或小于5％。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主激光束为多波长光束。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述主激光束由波长光束组合光束发射器发射，所述波长光束组合光束发射器包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束源；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散的光束，通过其传输分散的光束的第一部分作为主激光束以及将分散的光束的第二部分反射回色散元件。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主激光束由光纤激光器、直接二极管激光器或固态激光器发射。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述次级激光束为多波长光束。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述次级激光束由波长光束组合光束发射器发射，所述波长光束组合光束发射器包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束源；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散的光束，通过其传输分散的光束的第一部分作为次级激光束以及将分散的光束的第二部分反射回色散元件。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述次级激光束由气体激光器、直接二极管激光器或固态激光器发射。
25.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在开始第二阶段之前，基于工件表面的反射率或温度中的至少一个来确定工件表面的至少一部分是熔化的。
26.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在第二阶段期间将至少次级激光束在沿着处理路径的一个或多个点处引导至工件表面，在所述点处(i)工件的厚度改变，(ii)处理路径的方向改变，和/或(iii)工件的成分改变。
27.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一阶段期间和在第二阶段之前，穿过工件的厚度形成孔。
28.根据权利要求1所述的方法，其中，在第二阶段开始之前，没有穿过工件的厚度形成孔。
29.一种用于处理工件的激光系统，所述激光系统包括：
主激光发射器，配置为发射主激光束；
次级激光发射器，配置为发射次级激光束，其中主激光束的波长不同于次级激光束的波长；
激光头，用于将主激光束或次级激光束中的至少一个引导至工件上；以及
基于计算机的控制器，其配置为：
在第一阶段期间，将至少所述次级激光束引导至工件的表面，由此所述次级激光束的能量被工件吸收；以及
在工件表面的至少一部分对吸收所述次级激光束的能量起反应之后的第二阶段期间，在主激光束和工件表面间的相对运动期间将至少所述主激光束引导至工件表面，由此沿至少部分地由所述相对运动确定的处理路径对工件进行切割。
30.根据权利要求29所述的系统，进一步包括用于组合主激光束和次级激光束的光束组合器。
31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述光束组合器设置在所述激光头内。
32.根据权利要求30所述的系统，其中，所述光束组合器为波长组合器、偏振组合器、空间组合器或光纤组合器。
33.根据权利要求30所述的系统，进一步包括传输光纤，光束组合器将主激光束和次级激光束组合到所述传输光纤中。
34.根据权利要求29所述的系统，其中，所述激光头包括一个或多个光学元件，用于将所述主激光束或所述次级激光束中的至少一个聚焦到工件上。
35.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器配置为在第一阶段期间不将所述主激光束引导至工件的表面。
36.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器配置为在第二阶段期间不将所述次级激光束引导至工件的表面。
37.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器配置为在第一阶段期间将所述主激光束引导至工件的表面。
38.根据权利要求37所述的系统，其中，所述控制器配置为将所述主激光束引导至工件的表面，方式为(i)在第一阶段期间以第一输出功率以及(ii)在第二阶段期间以高于第一输出功率的第二输出功率。
39.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器配置为在第二阶段期间将所述次级激光束引导至工件的表面。
40.根据权利要求39所述的系统，其中，所述控制器配置为将所述次级激光束引导至工件的表面，方式为(i)在第一阶段期间以第一输出功率以及(ii)在第二阶段期间以低于第一输出功率的第二输出功率。
41.根据权利要求29所述的系统，其中，所述主激光束的波长范围为从大约870nm至大约11μm。
42.根据权利要求29所述的系统，其中，所述主激光束的波长范围为从大约870nm至大约1064nm。
43.根据权利要求29所述的系统，其中，所述主激光束的波长范围为从大约870nm至大约1000nm。
44.根据权利要求29所述的系统，其中，所述次级激光束的波长范围为从大约300nm至大约810nm。
45.根据权利要求29所述的系统，其中，所述次级激光束的波长范围为从大约400nm至大约810nm。
46.根据权利要求29所述的系统，其中，所述次级激光束的波长范围为从大约530nm至大约810nm。
47.根据权利要求29所述的系统，进一步包括工件，其中所述工件包括金属材料。
48.根据权利要求29所述的系统，进一步包括工件，其中所述工件包括铝、铜、铁、钢、金、银或钼中的至少一种。
49.根据权利要求29所述的系统，进一步包括工件，其中所述工件在固态下对主激光束的波长的吸收小于20％、小于10％或小于5％。
50.根据权利要求29所述的系统，其中，所述主激光束的波长大于所述次级激光束的波长。
51.根据权利要求29所述的系统，其中，所述主激光束的波长小于所述次级激光束的波长。
52.根据权利要求29所述的系统，其中，所述主激光束为多波长光束。
53.根据权利要求52所述的系统，进一步包括主光束发射器，配置为发射所述主激光束，所述主光束发射器包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束源；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散的光束，通过其传输分散的光束的第一部分作为主激光束以及将分散的光束的第二部分反射回色散元件。
54.根据权利要求29所述的系统，进一步包括配置为发射所述主激光束的主光束发射器，所述主光束发射器包括光纤激光器、直接二极管激光器或固态激光器。
55.根据权利要求29所述的系统，其中，所述次级激光束为多波长光束。
56.根据权利要求55所述的系统，进一步包括次级光束发射器，配置为发射所述次级激光束，所述次级光束发射器包括：
发射多个离散光束的一个或多个光束源；
聚焦光学器件，用于将多个光束朝向色散元件聚焦；
色散元件，用于接收和分散所接收的聚焦光束；以及
部分反射输出耦合器，其定位成接收分散的光束，通过其传输分散的光束的第一部分作为次级激光束以及将分散的光束的第二部分反射回色散元件。
57.根据权利要求29所述的系统，进一步包括配置为发射所述次级激光束的次级光束发射器，所述次级光束发射器包括气体激光器、直接二极管激光器或固态激光器。
58.根据权利要求29所述的系统，进一步包括一个或多个传感器，所述控制器配置为至少部分地基于从所述一个或多个传感器接收到的信号来确定工件表面的至少一部分是熔化的。
59.根据权利要求58所述的系统，其中，所述一个或多个传感器包括一个或多个光学传感器和/或一个或多个温度传感器。
60.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器配置为，在第二阶段期间将至少所述次级激光束在沿着处理路径的一个或多个点处引导至工件表面，在所述点处(i)工件的厚度改变，(ii)处理路径的方向改变，和/或(iii)工件的成分改变。
61.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器配置为仅在第一阶段期间穿过工件的厚度形成孔之后才启动第二阶段。
62.根据权利要求29所述的系统，其中，所述控制器配置为在第一阶段期间在穿过工件的厚度形成孔之前启动第二阶段。
63.一种利用包括激光头的激光系统处理工件的方法，所述方法包括：
将至少来自激光头的次级激光束引导至工件的表面以在第一位置处熔化工件或至少部分地对工件冲孔；以及
将至少主激光束从激光头引导至工件，同时引起它们之间的相对运动以沿着从第一位置延伸的处理路径对工件进行切割或焊接，
其中，主激光束的波长不同于次级激光束的波长。
64.根据权利要求63所述的方法，其中，所述主激光束的波长大于所述次级激光束的波长。
65.根据权利要求64所述的方法，其中，工件包括金属材料。
66.根据权利要求65所述的方法，其中，所述工件包括铝、铜、铁、钢、金、银或钼中的至少一种。
67.根据权利要求63所述的方法，其中，所述主激光束的波长小于所述次级激光束的波长。
68.根据权利要求67所述的方法，其中，工件包括非金属材料。
69.根据权利要求68所述的方法，其中，工件包括玻璃。
70.根据权利要求68所述的方法，其中，工件包括塑料。
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