CN114631047A - 用于产生激光辐射的激光装置和包含这种激光装置的3d打印设备 - Google Patents

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Abstract

用于产生激光辐射的激光装置，该激光辐射在工作平面(11)上具有多个强度最大值的强度分布，包括一个激光光源(1)，该激光光源在激光装置工作期间发射激光辐射(2)，该激光辐射在第一平面(5)上形成具有多个强度最大值(7)的线状或区域状强度分布(6)，这些强度最大值(7)在至少一个横向方向上至少部分地彼此相隔第一距离(d1)。该方向与激光辐射(2)的传播方向垂直，至少部分地彼此相距第一距离(d1)，并进一步包括一个投影模块(8)，该装置将第一平面(5)成像于工作平面(11)，以便在工作平面(11)中形成具有多个强度最大值(7)的线性或平面强度分布(6′)。

Description

用于产生激光辐射的激光装置和包含这种激光装置的3D打印 设备
技术领域
本申请涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种用于产生激光辐射的激光装置，其强度分布在一个工作平面内有多个强度最大值，并涉及包含这种激光装置的3D打印设备。
背景技术
在激光辐射的传播方向是指激光辐射的平均传播方向，特别是当它不是平面波或至少是部分发散的时候。所谓激光束、光束、部分光束或光束，除非另有明确说明，否则不是指几何光学的理想化光束，而是指真实的光束，例如具有高斯轮廓或修正的高斯轮廓的激光束，它没有无限小的但却有扩展的光束截面。所谓M-profile是指激光辐射的强度曲线，其横截面在中心的强度低于一个或多个偏离中心的区域。顶帽分布或顶帽强度分布或顶帽轮廓是指一种强度分布，至少就一个方向而言，基本上可以用矩形函数(rect(x))来描述。在这种情况下，分别在百分比范围或倾斜边缘显示偏离矩形函数的真实强度分布，也应称为顶帽分布或顶帽轮廓。
上述类型的激光装置，以及上述类型的3D打印设备是已知的，例如，来自WO2015/134075A2。在其中所述的3D打印设备中，使用了多个半导体激光器，其光被耦合到多个光纤中。从光纤中出现的激光辐射被用来选择性地冲击用于3D打印的起始材料，该材料被安排在3D打印设备的工作区。
现有技术中已知的激光装置和带有光纤的3D打印设备(3D打印所需的激光辐射就是从这些光纤中产生的)的一个缺点是，通常只能达到一个很小的工作距离。这可能会导致所使用的光学器件的损坏或污染。此外，用于3D打印的单个像素之间会产生距离，因为光纤芯之间的距离相对较大，而且相邻光纤的包层布置在纤芯之间。此外，像素的尺寸往往过大，因此无法实现良好的分辨率。
发明内容
本申请所涉及的问题是创造一种上述类型的激光装置，以及一种上述类型的3D打印设备，使工作面的像素尺寸更小和/或工作距离更大。
本申请是通过上述具有权利要求1特征的激光设备以及上述具有权利要求28特征的3D打印设备来实现的。分项权利要求涉及本申请的优选实施例。
本申请根据权利要求1所述，所述激光装置包括一个激光光源，该激光光源在所述激光装置的操作期间发射激光辐射，该激光辐射在第一平面内形成具有多个强度最大值的线性或平面强度分布，该强度最大值在至少一个横向方向上至少部分地彼此相隔第一距离。其中垂直于激光辐射的平均传播方向，至少部分相互之间有第一距离，所述激光装置还包括一个投影模块，所述投影模块将第一平面成像到工作平面，从而在所述工作平面中形成具有多个强度最大值的线状或区域状强度分布。特别是，第一平面内的强度分布的强度最大值可以至少部分地在至少一个横向方向上彼此相距第一距离，该横向方向垂直于激光辐射的传播方向。其中，投影模块可以将第一平面以缩小的形式成像到工作平面内，使得工作平面中的强度分布的强度最大值至少部分地在垂直于激光辐射传播方向的至少一个横向方向上彼此相距第二距离，该第二距离比第一距离小。因此，在至少一个横向方向上的工作平面中的强度最大值都可以彼此具有第二距离。此外，投影模块实现的缩小量可以在1到20之间。
这种减少可以显著减少强度最大值的大小或工作平面中的像素大小。各个强度最大值之间的距离也可以因此而减少。特别是，强度最大值之间的空隙可以被相应地填补。例如，像素大小可以明显小于100微米，甚至小于光纤纤芯的直径。可以规定，投影模块和工作平面之间的工作距离大于50毫米，特别是大于100毫米，最好是等于或大于200毫米。特别是，缩小投影模块相应地增加了工作距离，因此，例如可以实现超过200毫米的距离。因此，可以避免所用光学器件的损坏或污染。此外，这也导致工作面的景深增加。
或者，可以规定第一平面内至少一个横向方向上的强度分布的强度最大值，即垂直于激光辐射的传播方向，至少部分地相互之间有一个第一距离。其中，投影模块可以将第一平面成像到工作平面，使工作平面内至少一个横向方向上的强度分布的最大值(垂直于激光辐射的传播方向)至少部分处于相互之间的第二距离，该距离大于第一距离或等于第一距离。在这方面，投影模块可以，例如，实现1至5的放大率或1的放大率。
可以提供，投影模块是一个远心投影模块，特别是一个双边远心投影模块。通过远心投影模块，可以实现激光辐射在工作面上的均匀角度分布。均匀的角度分布导致3D打印过程中被加热的起始材料的均匀温度分布。
投影模块的至少一个部件有可能是圆柱形的。可选的或者另外，投射装置的至少一个部件可以是圆柱形或球形或非球形的形状。还可以进一步规定，投影模块的至少一个部件是一个微透镜阵列。
可以规定，至少一个微透镜阵列是一个折射、反射或全息光学元件，或者是一个连续表面光学元件，或者是一个二元光学元件，或者是一个多级衍射光学元件。
激光光源可以包括至少一个光纤激光器。或者，也可以提供其他的激光光源，如激光二极管棒或类似物。
可以规定，激光光源包括多根光纤，从每根光纤的两端射出部分激光束，光纤尤其是单模光纤或大模面积光纤或少模光纤。此类光源的衍射指数M2可小于2，最好是小于1.5，特别是用于转换器。
激光光源可以具有带有多个凹槽的支架，特别是V形凹槽，其中每根光纤被安排在其中一个凹槽中。通过被固定在V形凹槽中，光纤可以被精确地定位在彼此之间。因此，可以实现单个强度最大值的非常恒定的重叠，例如，在工作平面上只有1微米。为了提高定位的准确性，具有V形槽的支架部分可以一体成型。
或者，可以规定，通过将光纤或其端部直接连接，例如通过粘合和/或拼接，与光学元件或窗口连接，形成一维或二维的光纤阵列，尤其是其中光纤到光学组件或窗口的连接创建了优选为一体的光学组件。该光学元件可以是在激光辐射传播方向上排列在激光光源下游的第一光学元件。例如，窗口可以是光纤支架或光纤载体的一部分。
在第一平面中产生的强度最大值可能是由其中一根光纤发出的部分辐射形成的。可提供合适的光学装置以将部分辐射聚焦在第一平面中。
可以规定，各光纤中的部分辐射具有对应于贝塞尔轮廓或高斯轮廓或M轮廓或顶帽轮廓的模式轮廓。此外，工作平面内的强度最大值可以分别具有高斯轮廓或超高斯轮廓或顶帽轮廓或M-轮廓或工艺优化的轮廓。特别是，可以在工作面上产生任何与上述轮廓不同的轮廓。优选的，强度分布的轮廓可以根据要处理的材料而改变。
激光装置可能包括至少一个转换器，该转换器能够改变激光辐射或一个或多个部分光束的强度分布，例如，该转换器能够将高斯分布转换为顶帽分布。
可以规定，至少一个转换器被形成为二维高斯-艾里函数转换器，特别是形成为一个轴向对称的二元相位板，或者至少一个转换器被形成为一维高斯-辛函数转换器，特别是形成为两个相互垂直排列的圆柱形二元相位板。
特别是，可以提供多个转换器，它们以一维阵列或二维阵列的形式排列。这样的转换器阵列可以布置在激光光源和投影模块之间。
可以设想的是，至少一个转换器被集成到投影模块中。在这种情况下，可以使用一个转换器而不是一组转换器。
工作平面内的强度最大值有可能各自有一个圆形的轮廓或方形的轮廓或六角形的轮廓。例如，方形轮廓是有利的，因为可以避免它们之间的差距。也可以通过改变工作平面内像素的形状来调整要加工的材料。
可以规定，激光装置包括至少一个准直元件，特别是多个准直元件，用于准直来自激光光源的激光辐射。因此，多个准直元件可以布置成一维阵列或二维阵列，具体为透镜阵列。准直元件可以减少激光辐射的发散。如果准直元件被设计成一个交叉的圆柱形透镜，则可以减少各个部分光束之间的间隙。
工作面上的多个强度最大值有可能被单独或成组打开或关闭，特别是通过相应地控制激光光源。这导致工作面上的像素可以单独寻址，用于3D打印。特别是，工作面上的单个像素或强度最大值，每个像素可以有高达100W的功率。
根据本申请的激光装置，可以在工作平面内产生线状或区域状的强度分布。
可以规定，激光装置包括将从激光光源发出的单个部分光束叠加到第一平面的单个像素的装置，和/或激光装置包括将从激光光源发出的单个或所有部分光束分割到第一平面的多个像素的装置。
叠加可以以几何或光学的方式实现。另外，叠加也可以通过偏振耦合器或波长耦合器实现。几个部分光束的叠加形成一个像素是有利的，例如，可以实现功率扩展或减少关键光学元件的负载，或在个别通道发生故障时有一个或多个备用通道。
将部分光束分割成多个像素是有利的，例如，在并行处理中。
激光装置有可能包括至少一个傅里叶透镜和/或至少一个傅里叶透镜阵列，这些透镜特别是布置在激光光源和第一平面之间。例如，至少一个傅里叶透镜和/或至少一个傅里叶透镜阵列可以作为将从激光光源发出的单个部分光束叠加到第一平面的单个像素的方法。
根据权利要求28，所述激光装置是根据本发明的激光装置。根据本申请的激光装置代表了一种在工业上非常有吸引力的解决方案，特别是可以用金属起始材料进行3D打印。
在这种情况下，激光装置的工作面可以对应于3D打印设备的工作区域。扫描装置可以被设计成激光辐射相对于工作区移动，或者工作区相对于激光辐射移动。
特别是，由激光装置产生的激光辐射可以由此被扫描设备整体偏转，其中扫描设备被配置为例如电镜。这是可能的，特别是因为根据本申请的激光装置可以产生良好的光束质量，工作距离大，工作平面中的景深大。
因此，没有必要用例如一个单一的镜子来偏转每个单独的部分光束。
附图说明
本发明的进一步特点和优点将从以下参考附图的优选实施方案的描述中变得明显。其中显示。
图1是根据本申请的激光装置的第一实施例的示意性侧视图。
图2a是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光辐射的第一强度分布。
图2b是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光辐射的第二强度分布。
图3a是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光辐射的第三强度分布。
图3b是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光辐射的第四强度分布。
图4是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光辐射的第五强度分布。
图5是根据本申请的激光装置的第二实施例的示意性侧视图。
图6是根据本申请的激光装置的第三个实施例的示意性侧视图。
图7a是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光束的第六强度分布图。
图7b是说明根据图7a的第六强度分布的示意图。
图7c是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光辐射的第七强度分布。
图7d是说明根据图7c的第七强度分布的图。
图8是根据本申请的激光装置的第四实施例的示意性侧视图。
图9是根据本申请的激光装置的第五实施例的示意性侧视图。
图10是根据本申请的激光装置的第六实施例的示意性侧视图。
图11是根据本申请的激光装置的第七实施例的示意性侧视图。
图12是根据本申请的激光装置的第八实施例的示意侧视图。
图13是根据本申请的激光装置的第九实施例的示意侧视图。
图14是根据本申请的激光装置的第十实施例的示意侧视图。
图15是根据本申请的激光装置的第十一实施例的示意侧视图。
图16是根据本申请的激光装置在工作平面上产生的激光束的第八强度分布图。
图17是根据本申请的激光装置的第十二实施例的示意性侧视图。
图18是根据本申请的3D打印设备的第一实施例的细节示意侧视图。
图19是根据本申请的3D打印设备的第二实施例的细节示意侧视图。
图20是根据本申请的3D打印设备的第三实施例的细节示意侧视图。
图21a是根据本申请的激光装置的投影模块的第一实施例的示意性侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射的一些示例性的光束。
图21b是根据图21a的投影模块的示意侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射。
图21c是根据图21a的投影模块旋转90°后的示意性侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射。
图22a是根据本申请的激光装置的投影模块的第二实施例的示意侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射的一些示例性光束。
图22b是根据图22a的投影模块的示意性侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射。
图22c是根据图22a的投影模块旋转90°后的示意性侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射。
图23a是根据本申请的激光装置的投影模块的第三实施例的示意侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射的一些示例性光束。
图23b是根据图23a的投影模块的示意性侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射。
图23c是根据图23a的投影模块旋转90°后的示意性侧视图，其中画出了移动通过投影模块的激光辐射。
图24是根据本申请的激光装置的第十三实施例的细节示意图侧视图。
在图中，相同的或功能相同的部分被赋予相同的参考符号。在一些图中画出了笛卡尔坐标系。
具体实施方式
图1所示的根据本申请的激光装置的第一个实施例包括一个激光光源1，用于产生激光辐射2，仅在图1中示意性地表示。激光光源1被设计成一个激光器阵列，最好是一个带有多根光纤3的光纤激光器阵列，从每根光纤中都有部分激光辐射2出现。激光光源1的连续波输出功率例如可以在1W到1000W之间。激光光源1发射的激光辐射2的波长例如可以是1080nm。
另外，也可以规定，不提供多个光纤激光器，而是提供多个其他激光器，如具有多个发射器的激光二极管棒，每个发射器的光都被耦合到光纤中。
在图示的实施例中，光纤3在对应于图1中垂直方向的方向上并排排列。这导致了光纤3的一维阵列，在每种情况下都有一个部分光束从其末端出现。光纤维的中心到中心的间距可以在20微米到几毫米之间。
另外，光纤3可以不在一个方向上互相排列，而是在两个方向上排列，特别是互相垂直的方向。在这种情况下，结果是一个二维的光纤3阵列，其中一个部分光束从每个末端出现。这里，光纤的中心到中心的间距也可以在20微米到几毫米之间。
特别是，激光光源1包括一个未显示的支架，该支架上有多个V形槽，相互之间等距离排列。因此，每根光纤3被安排在其中一个凹槽中。该支架可以由硅胶或玻璃制成，特别是。
在V型槽中的这种固定方式使光纤3能够相对于彼此精确地定位。为了提高定位的准确性，支架上有V型槽的部分可以一体成型。
另外，也可以通过将光纤或其端部直接连接到一个光学元件上，例如通过粘合和/或拼接，形成一维或二维的光纤阵列，尤其是其中光纤到光学组件或窗口的连接创建了优选为一体的光学组件。该光学元件可以是在激光辐射传播方向上排列在激光光源下游的第一光学元件。例如，窗口可以是光纤支架或光纤载体的一部分。例如。特别是，通过将光纤连接到光学元件或窗口，可以创建一个光学元件，优选地是一体式的。
图1中所示的光纤3的纤芯4的直径可以在几微米到100微米或更大。每根光纤3中的激光辐射的模式轮廓可以是贝塞尔轮廓或高斯轮廓或准高斯轮廓或M轮廓。
从光纤末端出现的激光辐射2在第一平面5中形成强度分布6，示意性地在图1中表示，它有多个间隔的强度最大值7。例如，强度最大值7可以有一个高斯曲线。这些强度最大值7中的每一个都是由从光纤3的一个末端出现的部分光束之一形成的。各个强度最大值7的半宽(FWHM)可以在10微米和1毫米以上。这些强度最大值7相互之间的第一距离d1在图1中表示。
该激光装置还包括一个投影模块8，在图1中只用一个矩形表示。投影模块8尤其是远心的，最好是双边远心的投影模块。投影模块8的数字孔径可以在0.001和0.1之间或更大。
投影模块8可以包括至少一个折射部件和/或至少一个衍射部件和/或至少一个反射部件。有可能的是，投影模块的至少一个部件是圆柱形或球形或非球面的形状。可以规定，投影模块8的至少一个部件是微透镜阵列。
至少一个微透镜阵列可以是折射性、反射性或全息性光学元件，或者可以是具有连续表面的光学元件，或者可以是二元光学元件或多级衍射光学元件。
投影模块8可以包括至少一个用于校正色差的部件。投影模块8可以包括一个变焦功能，以调整工作面的像素大小或线条大小。投影模块8可以包括至少一个用于折叠光束路径的部件，如镜子，以减少投影模块的长度。为了投射功率例如超过10千瓦的激光束，投影模块8可以包括至少一个具有冷却功能的部件。
结构复杂的投影模块的例子可以在DE19818444A1和US6560031B1中找到。
图1中所示的投影模块8的第一个实施例将第一平面5成像为工作平面11。在这样做的时候，投影模块8进行了还原成像。与第一平面5的强度分布6相比，激光辐射2在工作平面11中的强度分布6'因此被压缩。工作平面11中强度最大值7'彼此之间的第二距离d2小于第一平面5中强度最大值7的第一距离d1。投影模块8的尺寸减少可以是，例如，在1到20之间。
投影模块8进一步增加工作平面11与激光装置的工作距离。工作平面11中强度最大值7'的大小也可以通过选择一个与工作平面11相隔的工作平面来影响，与第一平面相邻的平面被成像到其中。在图1中，为了这个目的，画出了与第一平面5相邻的两个平面5'、5”和与工作平面11相邻的两个平面11”、11'作为例子。
在工作平面11中产生的激光辐射的强度最大值7'可以被视为用于生成空间扩展产品的3D打印设备的激光辐射的像素。为此，工作平面11可以安排在3D打印设备的工作区域内，据此，工作区域可以提供起始材料，以暴露在3D打印的激光辐射下。
用于3D打印的激光辐射2的单个强度最大值7'或像素可以以有针对性的方式打开和关闭。这种像素的开启或关闭尤其可以通过对激光光源1的适当控制来实现。例如，个别的光纤激光器可以为此目的被打开或关闭。
根据图1的实施例，强度最大值7'或像素的横截面是圆形的。该截面在图1中由相邻的圆圈12表示。
图2a显示了在所有像素或强度最大值7'都存在的状态下，激光辐射2在工作平面11的线状强度分布6'。与此相反，图2b显示了在每二个像素都关闭的状态下的强度分布6'。
图3a和图3b显示了在工作面11中产生平面强度分布6'的激光装置的类似比较。这里，各个像素或强度最大值7'在两个相互垂直的方向上并排排列，位于绘图平面内。图3a显示了在所有像素或强度最大值7'都存在的状态下，激光辐射2在工作平面11的强度分布6'。与此相反，图3b显示了在每二个像素都关闭的状态下的强度分布6'。
图4显示了工作平面11中的区域状强度分布6'，其中像素或强度最大值7'是六边形密集的。
图5中说明的实施例基本上对应于图1中的实施例。相反，根据图5的实施例，在激光光源1和投影模块8之间包括一个示意性的额外的光学元件阵列13 14。光学元件14可以是准直透镜，用于准直从激光光源1出来的激光辐射2。另外或补充，光学元件14可以是成像元件或望远镜元件，以增加在第一平面5中产生的焦平面的景深。例如，光学元件14可以将光纤末端成像到第一平面5。光学元件14的形状可以是圆柱形或球形。
可以提供两个或两个以上的光学元件14的阵列13，而不是一个光学元件14的阵列13。当使用两个阵列13时，两个阵列13的光学元件14可以，例如，是相互交叉的圆柱形透镜。
图6中所示的实施例与图5中所示的实施例基本相同。相反，图6所示的实施例包括一个额外的转换器16的阵列15和一个额外的傅里叶透镜18的阵列17。转换器16与傅里叶透镜18一起，可以改变激光辐射2或一个或多个子辐射的强度曲线，其中任何一个转换器16可以，例如，将高斯曲线转换成顶帽曲线。或者，每个转换器16可以将例如高斯轮廓转换为M型轮廓。
可以提供一个转换器，它被配置为二维高斯-艾里函数转换器。这里，一个艾里函数对应于～J1(r)/r，其中J1是第一种贝塞尔函数。例如，在US9285593B1中描述了这种艾里函数。二维高斯到艾里函数转换器的一个例子是轴对称二元相位板。这种相位板在US5300756中有所描述。
还可以提供一种转换器，它被设计成一维高斯-辛氏函数转换器。这里，Sinc-Funktions函数对应于sin(πx)/πx。一个一维高斯-辛函数转换器的例子是两个相互垂直的圆柱形二进制相位板。
作为二维转换器或两个垂直排列的一维板的这样一个转换器与一个傅里叶透镜一起被用作高斯到托法特转换器或高斯到M形转换器。
很有可能提供一个以上的光学元件14的阵列13和/或一个以上的转换器16的阵列15和/或一个以上的傅里叶透镜18的阵列17。
图6示意性地表明，第一平面5中的强度最大值7和工作平面11中的强度最大值7'有一个顶帽形状。
图7a和图7b显示了在所有像素和强度最大值7'分别存在的状态下，激光辐射2在工作平面11的线状强度分布6'。与此相反，图7c和图7d显示了在每个第二像素被关闭的状态下的强度分布6'。这表明，图7d中的强度最大值7'有一个顶帽的轮廓。
图8中说明的实施例基本上对应于图6中的实施例。相比之下，根据图8的实施例只包括一个光学元件14的阵列13，它可以被设计成例如准直透镜，以及另外一个转换器16的阵列15，傅里叶透镜被集成到这个阵列15中。
图9中说明的实施例基本上与图8中的实施例相对应。相比之下，根据图9的实施例只包括光学元件14的阵列13，这些光学元件可以被设计成例如准直透镜，转换器和傅里叶透镜被整合到这个阵列15里。
图10中所示的实施例基本上与图6中的实施例相对应。相反，在根据图10的实施例中，强度最大值7'或像素的横截面是方形的。横截面在图10中由彼此相邻的方块19表示。强度最大值7'的方形截面可以通过使用交叉的圆柱形透镜而不是球形或非球形圆形透镜来实现。这些可以是阵列13、17的透镜。
图11中说明的实施例基本上与图8中的实施例相一致。相反，在根据图11的实施例中，强度最大值7'或像素的横截面是方形的。该横截面在图11中由彼此相邻的方块19表示。
图12中说明的实施例基本上与图9中的实施例对应。相反，在根据图12的实施例中，强度最大值7'或像素的横截面是方形的。该截面在图12中由彼此相邻的方块19表示。
当然也可以为强度分布7'提供一个六边形的横截面，而不是一个圆形或方形的横截面。
在根据图13的实施例中，在投影模块8内设有一个转换器20，它可以改变激光辐射2的所有部分光束的强度分布6。例如，转换器20可以将高斯轮廓转换成顶帽轮廓，或者将高斯轮廓转换成M轮廓。在具体实施中，第一平面5的强度最大值7具有高斯轮廓，工作平面11的强度最大值7'具有顶帽轮廓。
转换器20可以是一个二维高斯-艾里函数转换器。二维高斯-艾里函数转换器的一个例子是一个轴对称的二进制相位板。转换器20也可以形成为一维高斯到辛克函数转换器。一维高斯到辛氏函数转换器的一个例子是两个圆柱形的二进制相位板，方向相互垂直。在任何一种情况下，位于转换器20后面的投射透镜8的第二部分可以作为一个傅里叶透镜。然而，也可以选择提供另一个傅里叶透镜。
转换器20被安排在投影模块8中，位于通常提供光圈挡板的位置。
图14中说明的实施例基本上与图13中的实施例相一致。相比之下，根据图14的实施例包括在激光光源1和投影模块8之间有一个示意性的附加光学元件阵列13。光学元件14可以是准直透镜，用于准直从激光光源1出来的激光辐射2。另外或补充，光学元件14可以是成像元件或望远镜元件，以增加在第一平面5中产生的焦平面的景深。例如，光学元件14可以将光纤末端成像到第一平面5。光学元件14的形状可以是圆柱形或球形。
可以提供两个光学元件14的阵列13，而不是一个光学元件14的阵列13。
图15中所示的实施例基本上与图13中的实施例相吻合。相反，在根据图15的实施例中，强度最大值7'或像素的横截面为方形。横截面在图15中由彼此相邻的方块19表示。
图16显示了工作平面11中激光辐射2的区域状或矩形强度分布6'，它可以由根据图15的激光装置产生。例如，可以提供5乘150的像素，具有顶帽轮廓，直径超过100微米。在图16所示的状态下，每隔一个像素或强度最大值7'被关闭。
图17中所示的实施例与图14中所示的实施例基本相同。相反，在图17所示的实施例中，强度最大值7'或像素的横截面是方形的。该截面在图17中由彼此相邻排列的方块19表示。
在图18所示的3D打印设备的实施例中，除了激光装置外，还提供了一个扫描装置21，该装置只是示意性地表示，用于在工作平面11中移动激光辐射2。扫描装置21可以设计成例如多边形扫描仪或振镜扫描仪。在图18所示的实施例中，扫描装置21被安排在投影模块8和工作平面11之间。
激光装置的工作平面11可以对应于3D打印设备的工作区域，要暴露于激光辐射2的起始材料可以被送入其中进行3D打印。
在根据图18的激光装置中，图1、图5、图6、图8至图15和图17中所示的所有备选方案都被指出。因此，投影模块8前面的阵列13、15、17和投影模块8中均设置了公共转换器20。此外，在工作平面11中，圆形12和方形19都被表示为像素的可能横截面形状。此外，在工作平面上还指出了具有高斯轮廓的强度最大值7'和具有顶帽轮廓的强度最大值7'。
应该指出的是，这些是替代方案，不能或不应该同时或在一个设置中实现。相反，参照图1、图5、图6、图8至图15和图17讨论的实施例旨在能够被整合到图18所示的3D打印设备中。
图19中所示的实施例与图18中所示的实施例基本相同。相反，在根据图19的实施例中，扫描设备21被安排在投影模块8中，特别是在投影模块8的第一部分9和第二部分10之间，公共转换器20被设置在扫描设备21和第二部分10之间。这两个部分9、10可以形成一个傅里叶变换装置。因此，第一部分9可以具有例如变焦功能。此外，第二部分10可以作为，例如，平场聚焦透镜或平场透镜。
图20中说明的实施例基本上与图19中的实施例对应。相反，在根据图20的实施例中，投影模块8被安排在扫描设备21的前面，由此，扫描设备21可以特别安排在两个示意性的部件9、10之间，并安排在公共转换器20的前面。同样在这种情况下，这两个部分9、10可以形成一个傅里叶变换装置。在这种情况下，第一部分9可以有，例如，变焦功能。此外，第二部分10可以例如作为一个平场聚焦透镜或作为一个平场透镜。
这里应该指出的是，至少应该使用部件9、10、20中的一个，而其他部件是可选的。
在图18至图20所示的3D打印设备的实施例中，由激光装置产生的激光辐射2可以由扫描装置21整体偏转。
图21a至图21c说明了投影模块8的一个优选实施例，当从第一平面5到工作平面11成像时，会使尺寸缩小5倍。在投影模块8中提供了三组22、23、24，每组至少有一个透镜。这里，第一组22具有正的折射率，第二组23具有负的折射率，而第三组24又具有正的折射率。
图21b和图21c显示了激光辐射2在横跨传播方向z的两个相互垂直的方向x、y通过投影模块8的情况。
图22a至图22c显示了一个同样优选的投影模块8的实施例，该装置实现了从第一平面5到工作平面11的1：1映射。在投影模块8中，同样提供了三组22、23、24，每组至少有一个透镜。这里，第一组22具有正的折射率，第二组23具有负的折射率，而第三组24同样具有正的折射率。
图22b和图22c显示了激光辐射2在横跨传播方向z的两个相互垂直的方向x、y通过投影模块8的情况。
图23a至图23c所示的投影模块8与图22a至图22c所示的投影模块相对应，除了一个额外的转换器20，它被安排在投影模块8中通常提供孔径光阑的位置。在图示的实施例中，转换器20由两个串联排列并相互交叉的高斯到顶帽的转换器组成。
图23b和图23c显示了激光辐射2在横跨传播方向z的两个相互垂直的方向x、y上通过投影模块8的情况。
图23a至图23c所示的实施例一方面可以看作是一个带有附加转换器的投影模块或成像装置。另外，该实施例也可以理解为将转换器20安排在第一傅里叶变换部分25和第二傅里叶变换部分26之间。
此时应该注意到，投影模块8确实已经在图1、5、6和8至12以及图13至18和20中分别以相同的方式显示。尽管如此，图中个别的投影模块8可能具有与其他图中个别的或所有的投影模块8不同的部件或结构或特征。此外，投影模块8的不同环境，例如增加了一个阵列13(见图1和5或图13和14)，可能会改变投影模块8的成像特性，例如从第一平面5到工作平面11的距离，即使该距离在各图中被简化为画得相同。
应该进一步指出，通过从第一平面5到工作平面11的成像，并列的强度最大值7、7'和像素的顺序可以保持或改变。因此，例如，在第一平面5中彼此相邻排列的三个像素a-b-c也可以在工作平面11中按a'-b'-c'的顺序排列，或者，例如，按c'-b'-a'的顺序，或者，按b'-a'-c'的顺序。
在图24所示的实施例中，提供了一个由例如9x150根光纤组成的二维阵列，这些光纤没有显示出来，图24所示的激光辐射2就是从这里发出的。该实施例包括两个光学元件14的阵列13，它们被形成为圆柱形透镜，用于准直作用。两个阵列13上的圆柱形透镜的圆柱轴相互垂直排列，或形成为相互交叉的圆柱形透镜。
根据图24的实施例进一步包括两个相互交叉的转换器16的阵列15。此外，该实施例还包括一个傅里叶透镜27和一个与之相连的傅里叶透镜18的阵列17。转换器16与傅里叶透镜18一起可以改变激光辐射2或一个或多个部分光束的强度曲线，例如，其中每个转换器16可以将高斯曲线转换成顶帽曲线。或者，例如，每个转换器16可以将高斯曲线转换为M曲线。
图24中在垂直方向上并排运行的九束激光辐射2在第一平面5上被傅里叶透镜27相互结合，因此在那里产生了一个1乘150像素的线状强度分布。该强度分布通过未显示的投影模块从第一平面5成像到工作平面11。

Claims (28)

1.一种用于产生激光辐射的激光装置，其特征在于，其强度分布在一个工作平面(11)上有多个强度最大值，包括
一激光光源(1)，在激光装置运行期间，发射激光辐射(2)，在第一平面(5)内形成具有多个强度最大值(7)的线性或平面强度分布(6)；
一投影模块(8)将第一平面(5)成像到工作平面(11)，以便在工作平面(11)中形成具有多个强度最大值(7)的线状或区域状强度分布(6')。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，在第一平面(5)中强度分布(6)的强度最大值(7)至少部分地在至少一个横向方向上彼此相距第一距离(d1)，该横向方向垂直于激光辐射(2)的传播方向，其中，投影模块(8)将第一平面(5)以缩小的形式成像到工作平面(11)中，使工作平面(11)中的强度分布(6')在至少一个垂直于激光辐射(2)传播方向的横向方向上的强度最大值(7')至少部分处于彼此之间的第二距离(d2)，该距离小于第一距离(d1)。
3.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，第一平面(5)中强度分布(6)的强度最大值(7)在至少一个横向方向上，即垂直于激光辐射(2)的传播方向，至少部分地相互之间有一个第一距离(d1)，投影模块(8)将第一平面(5)成像到工作平面(11)，工作平面(11)中至少一个横向的强度分布(6')的强度最大值(7')，即垂直于激光辐射(2)的传播方向，至少部分地相互之间有一个第二距离(d2)，该距离大于第一距离(d1)或等于第一距离(d1)。
4.根据权利要求2或3所述的激光装置，其特征在于，工作平面(11)中至少一个横向方向上的强度最大值(7')都具有相互之间的第二距离(d2)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的激光装置，其特征在于，投影模块(8)实现的缩小率在1至20之间，或投影模块(8)实现的放大率在1至5之间或放大率为1。
6.根据权利要求1至5任一项所述的激光装置，其特征在于，投影模块(8)是一个远心投影模块，特别是一个双侧远心投影模块。
7.根据权利要求1至6任一项所述的激光装置，其特征在于，投影模块(8)的至少一个部件是圆柱形的。
8.根据权利要求1至7任一项所述的激光装置，其特征在于，投影模块(8)的至少一个部件是微透镜阵列。
9.根据权利要求8所述的激光装置，其特征在于，该至少一个微透镜阵列是一个折射、反射或全息光学元件，或者是一个具有连续表面的光学元件，或者是一个二元或多层次衍射光学元件。
10.根据权利要求1至9任一项所述的激光装置，其特征在于，投影模块(8)和工作平面(11)之间的工作距离大于50毫米，特别是大于100毫米，最好是等于或大于200毫米。
11.根据权利要求1至10任一项所述的激光装置，其特征在于，激光光源(1)包括至少一个光纤激光器。
12.根据权利要求1至11任一项所述的激光装置，其特征在于，激光光源(1)包括多根光纤(3)，在每种情况下，激光辐射(2)的部分辐射从其两端出现，光纤(3)尤其是单模光纤或大模面积光纤或少模光纤。
13.根据权利要求12所述的激光装置，其特征在于，激光光源(1)包括一个具有多个凹槽的支架，特别是V形凹槽，其中每根光纤(3)被安排在其中一个凹槽中。
14.根据权利要求13所述的激光装置，其特征在于，通过将光纤(3)或其末端直接连接，通过粘合和/或拼接，与光学元件或窗口连接，形成一维或二维的光纤阵列，其中光纤(3)与光学元件或窗口的连接形成一个一体式的光学元件。
15.根据权利要求12至14任一项所述的激光装置，其特征在于，在第一平面(5)中产生的强度最大值(7)分别由从其中一根光纤(3)中出现的部分辐射形成。
16.根据权利要求12至15任一项所述的激光装置，其特征在于，各个光纤(3)中的部分辐射有一个模式剖面，它相当于贝塞尔剖面或高斯剖面或M剖面或顶帽剖面。
17.根据权利要求1至16任一项所述的激光装置，其特征在于，工作平面(11)中的强度最大值(7')各自具有高斯轮廓或超高斯轮廓或顶帽轮廓或M轮廓或工艺优化的轮廓。
18.根据权利要求1至17任一项所述的激光装置，其特征在于，该激光装置包括至少一个转换器(16，20)，能够改变激光辐射(2)或一个或多个部分光束的强度轮廓(6)，该转换器(16，20)能够将高斯轮廓转换成顶帽轮廓。
19.根据权利要求18所述的激光装置，其特征在于，至少一个转换器(16，20)被设计成二维高斯到圆盘函数转换器，而且设计成轴向对称的二进制相位板，或者至少一个转换器(16，20)被设计成一维高斯到辛格函数转换器，而且设计成两个圆柱形的二进制相位板相互垂直排列。
20.根据权利要求18或19所述的激光装置，其特征在于，提供多个转换器(16)，以一维或二维阵列(15)排列。
21.根据权利要求18至20任一项所述的激光装置，其特征在于，至少一个转换器(20)被集成到投影模块(8)中。
22.根据权利要求1至21任一项所述的激光装置，其特征在于，工作平面(11)中的强度最大值(7')各自具有圆形或方形或六角形的轮廓。
23.根据权利要求1至22任一项所述的激光装置，其特征在于，该激光装置包括至少一个准直元件(14)，用于准直来自激光光源的激光辐射。
24.根据权利要求23所述的激光装置，其特征在于，多个准直元件(14)被排列成一维或二维阵列(13)，该阵列尤其是透镜阵列。
25.根据权利要求1至24任一项所述的激光装置，其特征在于，工作平面(11)中的多个强度最大值(7')可以通过对激光光源(1)的相应控制单独或成组地开启或关闭。
26.根据权利要求1至25任一项所述的激光装置，其特征在于，该激光装置包括用于将从激光光源(1)发出的单个局部光束叠加成第一平面(5)中的单个像素的装置，和/或该激光装置包括用于将从激光光源(1)发出的单个或所有局部光束分割成第一平面(5)中多个像素的装置。
27.根据权利要求1至26任一项所述的激光装置，其特征在于，该激光装置包括至少一个傅里叶透镜(27)和/或至少一个傅里叶透镜阵列(17)，其布置在激光光源(1)和第一平面(5)之间。
28.用于生成空间扩展产品的3D打印设备，包括：
一个用于产生激光辐射(2)的激光装置，该激光辐射在工作平面(11)上具有强度分布(6')，有多个强度最大值(7')；
一个工作区，将被激光辐射(2)作用的3D打印起始材料被提供或可以被提供，该工作区在3D打印设备中的布置方式是激光辐射(2)撞击在工作区上，以及；
一个扫描装置(21)，它可以有选择地将激光辐射(2)供应到工作区的不同位置；
其特征在于，该激光装置是根据权利要求1至27任一项所述的激光装置。
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