CN114799491A - 具有用于增大激光束的扫描场的光圈的激光加工头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光加工头(1)。激光加工头包括用于引入激光束(9)的激光进入模块(40)；用于准直激光束的准直模块(44)；用于偏转激光束的扫描模块(46)；用于聚焦激光束的聚焦模块(50)；至少一个光圈(100)，其用于限制穿过光圈的激光束的直径或截面区域以增大激光束的扫描场。光圈包括光圈本体(104)和开口(102)，并配置为通过光圈本体限制激光束的截面区域。至少一个光圈位于激光进入模块的光学下游并且位于聚焦模块的光学上游。本发明还提供了一种包括该激光加工头的激光加工系统(2)。此外，还提供了一种用于增大激光束的扫描场的方法。

Description

具有用于增大激光束的扫描场的光圈的激光加工头
技术领域
本发明总体上涉及一种激光加工头、特别是涉及一种激光加工头中用于增大激光束的扫描场的技术。
背景技术
近年来，激光加工设备、即使用激光束的设备越来越多地应用于不同行业、例如使用激光束的各种制造设备广泛用于制造业。这种激光加工设备使用由激光源产生并指向目标或工件的激光束来执行各种技术、例如切割、机加工、雕刻等。在从激光源传输到工件或目标的同时，激光束一般需要通过使用不同的光学元件进行光学改变、例如通过聚焦透镜聚焦到工件。
这样的激光加工设备通常具有称为头的构件，以下也称为激光加工头、例如激光切割头或激光焊接头，其在施加激光束期间面向工件。在使用激光加工头进行激光加工期间，可能需要将激光束从被引导或聚焦到的一个位置重新定位到被引导或聚焦到的另一位置。这种重新定位通常由基于扫描仪的系统、例如激光扫描模块实现，通过该模块可以偏转和定位激光束，该模块例如是可旋转的镜子的布置结构。然而，当激光束发生偏转时，其不再沿光轴传播，而是以一定角度入射到聚焦光学器件。因此，可能需要特殊的激光聚焦模块、例如F-Theta透镜或远心F-Theta透镜。与其他光学器件相比，激光聚焦模块的光学元件或透镜必须大，以允许激光束的大偏转以实现大的扫描场。通常，有两个因素限制了具有激光聚焦模块的系统、例如具有F-Theta透镜的系统中的最大可能或允许的扫描场。首先，随着偏转角的增大，获得在整个扫描场中尺寸几乎保持相同的焦点变得更加困难，使得加工平面中激光束的功率密度分布不能保持不变。其次，大偏转角会导致激光束在光学元件边缘或透镜边缘、特别是在扫描场的“角落”出现渐晕。这在高激光功率下尤其是问题，因为不仅加工平面中的功率损失，而且丢失的能量也可能沉积在透镜中，这会导致加热。透镜的加热常常导致热焦点偏移，从而焦点位置产生轴向改变。在最坏的情况下，透镜可能会被损坏。出于这个原因，通常必须限制最大可用扫描场、特别是在kW范围内的高激光功率下必须限制最大可用扫描场，以将渐晕及功率损耗保持得较小。
用于光束偏转的典型扫描仪或激光扫描模块可能会导致激光束撞击光学元件的边缘、例如聚焦透镜的边缘和毗邻结构、例如透镜架。例如，一些激光扫描模块具有两个检流计电机，其中，一个镜子用于调节激光束的x方向，另一个镜子用于调节激光束的y方向。两个镜子与聚焦模块、例如F-theta透镜的距离不同。这样，如果两个镜子的偏转角相同，则由较远的镜子限定的方向上的光束将撞击F-Theta透镜的边缘，从而更早地撞击透镜边缘。出于这个原因，通常可以使用椭圆形式的限制扫描场。短半轴由较远的镜子限定，长半轴由靠近扫描模块的镜子限定。当使用具有可围绕两个垂直轴旋转的一个镜子的二维电流扫描仪时，允许的扫描场具有圆形形状。为了简化用户的操作，扫描场通常是被限制为矩形或正方形、例如通过软件或控制单元限制。特别是对于方形，可以独立于系统的取向进行操作。然而，这进一步限制了可用的扫描场。激光束撞击激光束穿过的光学元件的边缘和毗邻结构的问题也可能发生在使用除了基于扫描镜的两个检流计电机之外的激光扫描模块的激光加工头中，或者发生在使用除了包含F-theta透镜的模块之外的聚焦模块的激光加工头中。为避免激光束撞击边缘，允许或可用的扫描场受到限制。此外，为了使用户更容易使用，通常会显示为矩形和/或正方形的扫描场，从而使可用的扫描场被进一步限制。
发明内容
因此，需要一种具有用于增大激光束的扫描场的技术或机构的激光加工头，其至少部分地消除了上述缺点中的一个或多个。特别地，本公开的一个目的是提供一种激光加工头，以及一种包括该激光加工头的激光加工系统，其允许增大激光束的扫描场。此外，本发明的目的在于提供一种能够增大激光加工头的激光束的扫描场的方法。
上述目的中的一个或多个通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中提供了有利的实施例。
本发明基于这样的思想，即通过减小激光束的直径、特别是通过使用光圈切割激光束的外周部分或边缘，可以增大扫描场。由于典型的激光束具有近似高斯分布的强度分布，因此光束边缘的强度通常太小，无法对激光加工做出贡献，但仍具有足够高的强度以限制可允许或可用的扫描场。
在本技术的第一方面，提供了一种激光加工头。激光加工头包括用于引入激光束的激光进入模块；用于准直激光束的准直模块；用于偏转激光束的扫描模块；用于聚焦激光束的聚焦模块；至少一个光圈，其用于限制穿过光圈的激光束的直径或截面区域以增大激光束的扫描场。光圈包括光圈本体和开口。因此，光圈可以配置为通过光圈本体限制激光束的截面区域，换句话说，通过允许激光束的截面区域的第一部分通过开口同时由光圈本体阻挡激光束的截面区域的第二部分。至少一个光圈位于激光进入模块与聚焦模块之间。换句话说，至少一个光圈位于激光进入模块的光学下游并且位于聚焦模块的光学上游。激光进入模块可以表示用于将激光束耦合到激光加工头中的处于激光加工头处的位置或结构、例如光纤耦合器等。
短语“光学上游”、“上游”、“上游方向”、“光学下游”、“下游”、“下游方向”等短语可以参考激光束从激光进入模块射向聚焦模块的传播方向或行进路径来理解。
聚焦模块可以包括至少一个聚焦光学元件、例如一个或多个聚焦透镜。
准直模块可以包括至少一个准直光学元件、例如一个或多个准直透镜。
扫描模块可以包括至少一个扫描光学元件、例如一个或多个扫描镜。扫描模块可以是配置为动态改变激光束的焦点位置的1D或2D扫描模块，或者也可以是3D扫描模块、例如包括一个或多个可移动透镜的模块。
聚焦光学元件和/或准直光学元件和/或扫描光学元件通常可以称为光学元件。
至少一个光圈可以例如相对于聚焦模块或准直模块或扫描模块定位，使得穿过光圈开口的激光束的整个截面区域、或激光束的整个截面区域的边界或边缘或外周或周边入射、即透射或反射到光学元件的光学表面。
换句话说，光圈可以配置为、例如尺寸设计为和/或定位在激光加工头内，使得穿过光圈的开口的激光束具有由光圈本体限制的截面，并且如此限制的激光束的截面具有完全入射到光学元件的光学表面的边界或边缘或外周或周边。简而言之，可以防止激光束的穿过光圈的部分落到光学元件的光学表面之外、例如落到可以安置光学元件的保持器、例如透镜架或镜框。
光圈本体可以阻挡激光束的整个边缘、例如整个周长或整个外周或整个周边或整个边界。例如，激光束的被光圈本体阻挡的部分可以具有连续的或完整的或规则的或对称的环形。为此，光圈、特别是光圈的开口，可以与激光加工头的光轴和/或与光学元件的光轴或与光束传播方向同轴地布置。
光圈本体可能仅阻挡激光束的整个边缘的一部分。例如，激光束的被光圈本体阻挡的部分可以具有开放的或不完整的或不规则的或不对称的环形或镰刀形状，或者可以成形为激光束的截面形状或区域的一段、例如圆弧段。
光圈可以配置为使得激光束的第二部分可以完全或部分地围绕激光束的第一部分。光圈可以配置为使得第二部分可以沿着激光束的整个外周或边缘或周边连续延伸，或者仅可以沿着激光束的整个外周或边缘或周边的一部分延伸。
光圈的开口可以小于光学表面或光学元件的孔径、例如小于聚焦透镜或准直透镜的孔径。术语“孔径”可以理解为光或激光束穿过的光学元件的开口。特别地，光圈的开口的直径可以小于光学表面的直径或光学元件的孔径。
至少一个光圈可以包括第一光圈，第一光圈布置在第一位置、即在激光进入模块与准直模块之间。第一光圈可以限制从激光进入模块传播到准直模块的激光束的截面区域。
至少一个光圈可以包括第二光圈，第二光圈布置在第二位置、即在准直模块与扫描模块之间。第二光圈可以限制从准直模块传播到扫描模块的激光束的截面区域。
至少一个光圈可以包括第三光圈，第三光圈布置在第三位置、即在扫描模块与聚焦模块之间。第三光圈可以限制从扫描模块传播到聚焦模块的激光束的截面区域。
第一光圈的开口和/或第二光圈的开口可以具有圆形形状。
第三光圈的开口可以具有圆形、椭圆形和矩形中的一种形状。第三光圈的开口的形状可以模拟或对应于可允许或可用的扫描场的形状。
第三光圈的开口的截面区域或直径可以配置为小于第二光圈和/或第一光圈的开口的截面区域或直径。
第二光圈的开口的截面区域或直径可以小于第一光圈的开口的截面区域或直径。
至少一个光圈可以包括多个光圈。多个光圈中的光圈可以布置为使得光圈的开口的截面区域或直径从光学上游到光学下游的方向减小。多个光圈中的光圈可以布置在第一位置、第二位置和第三位置中的一个或多个位置。换句话说，第一位置可以具有多个光圈，和/或第二位置可以具有多个光圈，和/或第三位置可以具有多个光圈，和/或第一位置、第二位置第三位置可以一起具有多个光圈，每个位置具有一个或多个光圈。
一个光圈的开口的截面区域或直径可以小于另一个光圈的开口的截面区域或直径，该另一光圈位于该一个光圈的光学上游。
至少一个光圈可以配置为使得穿过光圈的激光束的宽度小于在该至少一个光圈处接收的激光束的宽度、例如对应于入射到光圈的激光束的宽度的1/e2，或者换句话说，穿过光圈的激光束的半径可以小于入射到光圈处的激光束的半径、例如为入射到光圈处的激光束的半径的1/e2。激光束可以是高斯分布光束或者可以是具有基本为高斯分布形状的强度分布的激光束。替代地，激光束可以具有顶帽或环形强度分布。
至少一个光圈可以配置为使得从其光学下游出射的激光束的强度小于在至少一个光圈处接收的激光束的总强度、例如为在至少一个光圈处接收的激光束的总强度的75％至90％之间、优选地在85％至87％之间、更优选地大约86.5％。
第一光圈、第二光圈和第三光圈的开口的截面区域或直径可以使得从位于最下游的光圈出射的激光束的强度小于在至少一个光圈处接收的激光束的总强度、例如为在位于最上游的光圈处接收的激光束的总强度的75％至90％之间、优选地在85％至87％之间、更优选地约为86.5％。
多个光圈的开口的截面区域或直径可以配置为使得从位于最下游的光圈出射的激光束的强度小于在至少一个光圈处接收的激光束的总强度、例如为在位于最上游的光圈处接收的激光束的总强度的75％至90％之间、优选地在85％至87％之间、更优选地约为86.5％。
至少一个光圈可以配置为可调节地或可变地限制穿过光圈的激光束的截面区域、例如激光束的第一部分的截面区域。这可以手动或自动执行。通过这些方式，激光束的截面区域的限制可以是可变的或可切换的、例如根据激光加工的应用而改变。至少一个光圈可以在限制激光束的截面区域的配置和不限制激光束的截面区域的配置之间切换。因此，激光束的截面区域也可以保持不变。
至少一个光圈可以配置为改变或调节所述至少一个光圈的开口的截面区域，以可变地或可调节地限制激光束的截面区域。因此，光圈可以配置有虹膜状孔径或开口。
至少一个光圈可以配置为沿着光圈的光轴和/或在垂直于光圈的光轴的平面中移动，以便可变地或可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域。为此，激光加工头可以包括用于移动光圈的致动器、例如电机。
至少一个光圈可以配置为相对于激光束的轴和/或相对于光学元件的光轴和/或相对于光圈的光轴、例如相对于激光束的传播方向在轴向和/或径向上移动或滑动或平移，以可变地或可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域。为此，激光加工头可以包括用于移动光圈的致动器、例如电机。此外，光圈可以配置为通过围绕平行于其光轴的轴旋转或围绕垂直于其光轴的轴枢转而被从激光加工头的光束路径移除。
光圈本体可以包括基于冷却剂的冷却机构、例如基于水的冷却机构以将热量从光圈本体移除。
光圈本体可以包括表面涂层，该表面涂层配置为在激光束的一部分入射到光圈本体时增加对其的吸收。
光圈本体可以包括光束阱，该光束阱配置为通过重复的全内反射来捕获激光束的入射到光圈本体的那部分。光束阱可以限定在光圈本体内。
光圈本体可以包括反射器和吸收单元，其中反射器可以配置为将激光束的入射到光圈本体的部分、例如激光束的第二部分中的至少一部分反射朝向吸收单元，该吸收单元又可以配置为吸收激光束的所述反射部分。
扫描模块可以配置为在一维或二维中偏转激光束。扫描模块可以是检流计扫描仪。扫描模块可以包括一个或多个镜子。
聚焦模块可以包括F-Theta透镜、例如聚焦模块的光学元件可以是F-Theta透镜。
激光加工头可以包括传感器模块，该传感器模块包括一个或多个传感器，该传感器配置为感测激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率和/或感测被光圈本体吸收的激光功率和/或感测进入激光加工头的激光束的激光功率。
传感器模块的一个或多个传感器、例如被配置为感测激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率的传感器，可以被放置或定位在开口处、例如喷嘴的开口，通过该开口，激光束离开激光加工头。传感器模块的一个或多个传感器、例如被配置为感测进入激光加工头的激光束的激光功率的传感器，可以被放置或定位在激光进入模块处。
如前所述，光圈本体可具有基于冷却剂的冷却机构、例如水冷光圈。传感器模块可以包括温度传感器，以用于测量或确定冷却剂或水的温度，以便确定一个或两个激光功率、即激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率和被光圈本体吸收的激光功率。
激光加工头可以包括安全开关，其用于基于激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率和/或基于被光圈本体吸收的激光功率和/或基于由温度传感器感测的光圈本体的温度来关闭激光束，例如当激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率、被光圈本体吸收的激光功率和感测的温度中的至少一个被确定为高于预定值或临界值时关闭激光束。
在本技术的第二方面，提供了一种激光加工系统。激光加工系统可以包括根据本技术的第一方面及其在此描述的实施例的激光加工头，以及被配置为产生激光束的激光源模块和用于控制激光加工头的处理器中的至少一个。
激光源模块可以包括或者是光纤激光器或光纤盘式激光器。光纤激光器通常具有较大的边界区域。激光源模块可以包括单模激光源或环模激光器、例如可调环模(ARM)激光器或多模激光源。激光源模块可以配置为产生200瓦或更大的激光功率、特别是多kW(多千瓦)的激光功率、例如具有等于或大于200W、或等于或大于6kW、优选等于或大于8kW、特别是大于10kW的功率的激光束。因此，激光源模块可以包括或者是下述中的至少一种：盘式激光器、光纤激光器、光纤盘式激光器、环模光纤激光器、环模盘式激光器、二极管激光器、单模光纤激光器或多模光纤激光器。
激光加工系统还可以包括用于控制激光加工头、特别是其构件中的至少一个、例如光圈和/或扫描模块，和/或激光源模块和/或在准直模块和聚焦模块中的至少一个以调节激光束的焦点位置的处理器。
处理器可以配置为控制激光源模块来调节激光束的激光功率、例如根据感测的或确定的激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率，和/或根据感测的被光圈本体吸收的激光功率，和/或根据感测的光圈(或光圈的冷却剂)的温度，和/或根据被扫描模块偏转的激光束的扫描位置来调节激光束的激光功率。
处理器可以配置为控制光圈、例如控制光圈的位置和/或其开口的直径。处理器可以配置为控制光圈以调节或改变穿过光圈的激光束的截面区域、例如根据感测的或确定的激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率，和/或根据感测的被光圈本体吸收的激光功率，和/或根据感测的光圈(或光圈的冷却剂)的温度，和/或根据被扫描模块偏转的激光束的扫描位置来调节或改变穿过光圈的激光束的截面区域。处理器可以配置为例如根据感测的或确定的激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率，和/或根据感测的被光圈本体吸收的激光功率，和/或根据感测的光圈(或光圈的冷却剂)的温度，和/或根据被扫描模块偏转的激光束的扫描位置来控制光圈的位置和/或其开口的直径。处理器可以配置为仅当扫描模块在扫描场边缘处的预限定区域内偏转激光束和/或朝向光学元件的外周边缘偏转激光束时控制光圈来限制穿过光圈的激光束的直径或截面区域。
处理器可以配置为根据感测的或确定的激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率，和/或根据感测的被光圈本体吸收的激光功率，和/或根据感测的光圈(或光圈的冷却剂)的温度来控制安全开关。
在本技术的第三方面，提供了一种用于控制激光加工头以增大激光束的扫描场的方法。该方法可以用于根据本技术的第一方面的激光加工头或用于根据本技术的第二方面的激光加工系统。在该方法中，激光束被引入激光进入模块，然后激光束被准直模块准直，再后激光束被扫描模块偏转，最后激光束被聚焦模块聚焦在例如工件上。在激光束聚焦之前或在激光进入模块与聚焦模块之间的激光加工头的光束路径内，通过使激光束穿过光圈，激光束的截面区域受到光圈本体的限制。换句话说，激光束的截面区域的第一部分穿过开口，而激光束的截面区域的第二部分被光圈本体阻挡。
在该方法中，可以改变或调节被光圈本体限制的激光束的截面区域、例如可以增大或减小激光束的第一部分的截面区域。
在该方法中，可以控制光圈来改变或调节穿过光圈的激光束的截面区域。例如，可以控制光圈改变或调节、即增大或减小至少一个光圈的开口的截面区域或直径，以改变或调节穿过光圈的激光束的截面区域。替代地或附加地，至少一个光圈可以沿着或平行于光圈的光轴移动和/或在垂直于光圈的光轴的平面中移动，以改变或调节穿过光圈的激光束的截面区域。
在该方法中，可以控制光圈在当(或仅当)扫描模块在扫描场边缘处的预限定区域内偏转激光束和/或朝向光学元件的外周边缘偏转激光束时控制光圈来限制穿过光圈的激光束的直径或截面区域。
在该方法中，可以根据感测的或确定的激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率和/或根据感测的被光圈本体吸收的激光功率控制激光源模块来调节激光束的激光功率。此外，当激光束的直径或截面区域被光圈限制时和/或当扫描模块在扫描场边缘处的预限定区域内偏转激光束和/或朝向光学元件的外周边缘偏转激光束时，可以控制激光源模块以增大激光束的激光功率。
在该方法中，可以控制光圈来调节或改变穿过光圈的激光束的截面区域、例如根据感测的或确定的激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率和/或根据感测的被光圈本体吸收的激光功率调节或改变穿过光圈的激光束的截面区域。
在该方法中，激光束的穿过光圈的开口的部分的激光功率和被光圈本体吸收的激光功率中的一个或两个可以由传感器模块确定或感测。
在该方法中，可以控制安全开关来关闭激光源模块、特别是当感测到温度、例如光圈的温度超过阈值或临界值时关闭激光源模块。
附图说明
除非另有说明，否则对“径向”、“径向地”、“周向”、“周向地”和类似术语的任何引用均应参考所指构件的中心轴来理解。
通过参考本技术的实施例的以下描述并结合附图，本技术的上述属性和其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且本技术本身将得到更好的理解，其中：
图1示意性地示出了具有本技术的激光加工头的激光加工系统的简化示例性实施例，其中包含有本技术的至少一个光圈；
图2A和2B示意性地示出了至少一个光圈的示例性实施例的功能；
图3A、3B和3C示意性地示出了与没有至少一个光圈投射的激光束相比，由至少一个光圈所增大的激光束的扫描场；
图4示意性地示出了一个示例性实施例，其中光圈本体仅阻挡激光束的整个边缘的一部分；
图5示意性地示出了一个示例性实施例，其中至少一个光圈调节光圈开口的截面区域以可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域；
图6示意性地示出了一个示例性实施例，其中至少一个光圈可平行于光圈的光轴移动，以可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域；
图7示意性地示出了一个示例性实施例，其中至少一个光圈可在垂直于光圈的光轴的平面内移动，以可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域；
图8示意性地示出了至少一个光圈的一个示例性实施例，其中具有多个光圈以依次限制穿过光圈的激光束的截面区域；
图9示意性地示出了具有基于冷却剂的冷却机构的至少一个光圈的示例性实施例；
图10A示意性地示出了至少一个光圈的一个示例性实施例；
图10B示意性地示出了具有表面涂层的至少一个光圈的示例性实施例；
图11示意性地示出了具有光束阱的至少一个光圈的示例性实施例；以及
图12示意性地示出了根据本技术的方面具有反射器和吸收单元的至少一个光圈的示例性实施例。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本技术的上述和其他特征。参考附图描述了各种实施例，其中相同的附图标记自始至终用于指代相同或相似的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以注意到，所示实施例旨在解释而不是限制本发明。显然，可以在没有这些具体细节的情况下实施这样的实施例。
图1示出了具有激光加工头1的激光加工系统2，该激光加工头例如是激光切割头或激光焊接头，其中包含有根据本技术的至少一个光圈100。
激光加工系统2可以是用于将激光束传输或照射到目标表面或工件W的任何系统。激光加工系统2可以是但不限于激光切割系统、激光雕刻系统、激光烧蚀系统、激光钻孔系统、激光束加工系统、激光束焊接系统、激光混合焊接系统、激光焊接系统、使用激光的增材制造系统、例如激光打印系统、激光熔覆系统等中的一种系统。
激光加工系统2可以包括用于产生激光束9的激光束产生源或激光源模块42，以及激光加工头1。激光加工系统可以可选地包括处理器48。
激光源模块42可以包括单模激光源或多模激光源。激光源模块42可以配置为产生具有数百瓦或多数瓦功率、例如2kW或更大、例如6kW和更大或8kW和更大的激光束。
激光加工头1可以包括壳体，激光加工头1的构件、例如用于引导激光束9的光学元件可以布置在壳体内。
激光加工头1包括用于引入激光束9的激光进入模块40、用于准直激光束9的准直模块44、用于扫描或偏转激光束9的扫描模块46和用于将激光束9聚焦到工件W的聚焦模块50。
激光束9可以经由激光进入模块40馈送到激光加工头1。激光束9从激光进入模块40被引导向聚焦模块50，因此限定了激光束9的传输的整体或大体方向。可以相应地理解不同构件相对于彼此的位置或光学位置、例如激光进入模块40的位置或定位可以理解为光学上游位置或定位，而聚焦模块50的位置或定位可以理解为光学下游位置或定位。通常从激光进入模块40向聚焦模块50延伸的方向可以理解为光学下游，而通常从聚焦模块50向激光进入模块40延伸的方向可以理解为光学上游。所有方向可以理解为沿着激光束从激光进入模块40向聚焦模块50的传播或行进或传输的方向。可以注意到，在图1的实施例中，激光进入模块40、准直模块44、扫描模块46和聚焦模块50线性排列、即沿一条线排列。然而，图1所示实施例仅用于示例目的，并且本技术不限于模块40、44、46、50的线性布置。在其他实施例(未示出)中，模块40、44、46、50可以不同地布置、例如激光进入模块40和准直模块44可以与扫描模块46和聚焦模块50垂直或成角度地布置。
激光源模块42可以耦合到激光进入模块40、例如通过光纤耦合。由激光源模块42产生的激光束9可以在激光进入模块40处或经由激光进入模块40被馈送或引入或提供到激光加工头1。激光进入模块40可以例如是光纤的出口端(未显示)。
从激光进入模块40射出的激光束9被导向准直模块44。准直模块44可以包括至少一个准直光学元件、例如一个或多个准直透镜。激光束9由准直模块44准直。准直的激光束9然后可以被导向扫描模块46。
扫描模块46可以在一维或二维中偏转激光束9。扫描模块46可包括至少一个扫描光学元件、例如一个或多个扫描镜。
为了在二维中定位激光束9，可使用单镜布置，其中该镜子沿两个轴旋转、例如沿两个正交轴或X轴和Y轴旋转，或者使用具有紧密间距的两个镜子的双镜布置-每个镜子分别用于正交轴以沿相应的轴反射激光束。两个镜子中的每一个都可以由检流计或由诸如电动机的其他致动装置驱动。例如，扫描模块可以是检流计扫描仪、即扫描模块46可以具有两个检流计，每个检流计具有相应的反射器、例如镜子以偏转激光束9。
由扫描模块46偏转或定位或转向的激光束9被导向聚焦模块50。激光束9由聚焦模块聚焦到工件W。
聚焦模块50可以包括至少一个聚焦光学元件、例如一个或多个聚焦透镜。聚焦模块40可以包括F-Theta透镜。换句话说，聚焦光学元件可以是F-Theta透镜。
激光束9可穿过或经由出口或喷嘴58离开激光加工头1。喷嘴58可位于聚焦模块50的光学下游。
激光加工头1还包括至少一个光圈100，该光圈100配置为限制穿过光圈的激光束的直径或截面区域，以增大激光束9的扫描场。后面已经参照图2A和2B说明了光圈100的结构和功能，并且后面已经参照图3A、3B和3C说明了扫描场的增大。
如图1所示，至少一个光圈100可以包括位于激光进入模块40与准直模块44之间的第一光圈10。第一光圈10可以限制从激光进入模块40向准直模块44传输的激光束9的截面区域。激光进入模块40与准直模块44之间的位置或定位可以称为第一位置。
至少一个光圈100可以包括位于准直模块44与扫描模块46之间的第二光圈20。第二光圈20可以限制从准直模块44向扫描模块46传输的激光束9的截面区域。准直模块44和扫描模块46之间的位置或定位可以称为第二位置。一般来说，在这个位置，激光加工头中的所有光束都是同轴的。例如，同轴照明系统或距离测量系统、例如光学相干断层扫描(OCT)、锥光偏振仪、基于强度的测量系统等中的光束可以通过分束器与激光束组合。因此，第二光圈20可以防止这些入射到后面的光学元件的光束的强度过高并减少光的散射，从而提高信噪比或对比度。
至少一个光圈100可以包括位于扫描模块46与聚焦模块50之间的第三光圈30。第三光圈30可以限制从扫描模块46向聚焦模块50传输的激光束9的截面区域。扫描模块46与聚焦模块50之间的位置或定位可以称为第三位置。
至少一个光圈100可以包括第一光圈10、第二光圈20和第三光圈30中的仅一个、仅两个或全部。例如，至少一个光圈100可以只包括第一光圈或者只包括第二光圈20，或者只包括第三光圈30，或者只包括第一光圈10和第二光圈20，或者只包括第一光圈10和第三光圈30，或者只包括第二光圈20和第三光圈30，或者包括第一光圈10、第二光圈20和第三光圈30的全部。
通常，至少一个光圈100位于激光进入模块40的光学下游和聚焦模块50的光学上游。
在下文中，将参照图2A和2B、图3A至3C和图10A描述至少一个光圈100的示例性实施例的结构和功能。
如图10A所示，第一光圈10包括第一光圈本体14和第一光圈的开口12。第二光圈20包括第二光圈本体24和第二光圈的开口22。第三光圈30包括第三光圈本体34和第三光圈的开口32。第一、第二和/或第三光圈10、20、30在下文中被表示为光圈100。提供的关于光圈100的描述也适用于第一、第二和第三光圈10、20、30。光圈100包括光圈本体104和开口102。光圈100可以具有环形形状，其中光圈本体104限定开口102。光圈本体104可以具有平面形状、例如圆盘形状。通常，至少一个光圈100位于激光进入模块40的光学下游并且位于聚焦模块50的光学上游，换句话说，至少一个光圈100在光学上位于激光进入模块40和聚焦模块50之间。
如前所述，聚焦模块50可以包括至少一个聚焦光学元件、例如一个或多个聚焦透镜。类似地，准直模块44可以包括至少一个准直光学元件、例如一个或多个准直透镜。此外，扫描模块可以包括至少一个扫描光学元件、例如一个或多个扫描镜。聚焦光学元件和/或准直光学元件和/或扫描光学元件通常可以称为光学元件52。
图2A示出了光圈100的功能，光圈100例如可以是位于扫描模块46与聚焦模块50之间的第三光圈30。
通常，光圈100位于光学元件52的上游、例如在用作聚焦光学元件52的F-theta透镜的上游。箭头9x示出了激光束9的传播或行进方向。光圈100和光学元件52可以布置为彼此间隔开、即可能不会互相接触。
光圈100通过光圈本体104限制激光束9的截面区域9c。换句话说，光圈100的尺寸和定位为允许激光束9的第一部分91穿过开口102，同时通过光圈本体104阻挡激光束9的第二部分92。可以通过物理阻挡光束来执行阻挡，并且为此，光圈本体104的至少一部分可以是布置在激光束9的行进路径或传播路径中。换句话说，激光束9的截面区域9c被光圈100分成或分割或劈裂成限定了激光束9的第一部分91的激光束的截面区域和限定了激光束9的第二部分92的激光束的截面区域，该激光束9的第一部分91被允许穿过开口102朝向光圈100的下游侧行进，该激光束9的第二部分92在光圈100的上游侧被光圈本体104阻挡或停止。简言之，激光束9的一部分、即激光束9的第二部分92被光圈本体104阻止而不能传播或传输向光学元件52。
简单地说，如图2A所示，光圈100限制了激光束9的截面区域。进一步解释，穿过光圈100的激光束的截面区域、即激光束9的第一部分91的截面区域91c小于光圈100上游的激光束9、即在光圈100处接收的激光束9的截面区域9c。
换句话说，如图2A所示，光圈100限制了激光束9的直径。进一步解释，穿过光圈100的激光束的直径、即激光束9的第一部分91的直径91d小于光圈100上游的激光束9、即在光圈100处接收的激光束9的直径9d。
换句话说，如图2A所示，光圈100限制了激光束9的外周9p。进一步解释，穿过光圈100的激光束的外周或边缘、即激光束9的第一部分91的外周91p小于光圈100上游的激光束9、即在光圈100处接收的激光束9的外周9p。
可以注意到，尽管图2A和一些其他图示出了光圈100的光轴100x与光学元件52的光轴52x重合或同轴，但是光圈100可以布置为使得光圈100的光轴100x可以不与光学元件52的光轴52x重合、例如光圈100的光轴100x可以平行于光学元件52的光轴52x布置并且与光学元件52的光轴52x间隔开，例如如图3C所示。
光圈100可以布置在激光束9向光学元件52传播的路径中、例如在被扫描模块46偏转之后向聚焦模块50传播的路径中。
激光加工头1可以包括光圈定位机构(未示出)，该光圈定位机构配置为在朝向光学元件52传播的激光束9的路径中布置和移除、即可逆地布置和移除光圈100。通过在激光束9的路径中移除或布置光圈100，可以改变光束特性、例如功率密度分布和光束尺寸、即激光束9的宽度或截面区域。
激光加工头1可以包括光圈校准机构(未示出)，该光圈校准机构配置为校准、即移动光圈100以相对于激光束9校准或定向光圈100。换句话说，光圈100布置在光束路径中时，激光束9可以入射到光学元件52的光学表面54的第一位置，然后可以重新定位激光束9以入射到光学表面54的第二位置。当激光束9被重新定位时，光圈校准机构相应地或对应地校准或重新定位光圈100，使得光圈100被重新定位或继续保持布置在激光束9朝向光学元件52传播的光束路径中。可以在激光束9的扫描移动同时进行、即在激光束9被扫描模块46重新定位时同时进行用于重新定位光圈100的光圈100的移动。
光圈校准机构可以配置为使光圈平行于或沿着光圈100的光轴100x和/或平行于或沿着光学元件52的光轴52x和/或在垂直于光圈100的光轴100x的平面中和/或垂直于光学元件52的光轴52x的平面中移动以可变地或可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域。激光束9的截面区域9c的可变或可调节的限制已在下文参照图6和图7进行了解释。
图2B示出了激光束9和激光束9的一部分、即允许穿过开口102的第一部分91和被光圈本体104阻挡的第二部分92，以及它们对应的强度或功率分布，如曲线80所示。曲线80示出了激光束9的相对于距激光束9的中心轴的半径或径向距离的强度或功率分布。轴81示出径向距离或光束腰‘ω’，轴82示出强度‘I’。线I、II、III和IV被包括在内以示出曲线80的部分或曲线80下方的区域与激光束9的截面或部分、例如第一部分91和第二部分92的对应关系。
曲线80代表具有高斯形状强度分布或类似于高斯形状强度分布的强度分布的典型激光束9。I0、即在轴82上提供的最大值描述了强度以及相应的功率的最大值。径向距离ω0、即距激光束9的中心轴的距离示出了光束的强度下降到最大值的1/e2的距离或半径。从图2B可以看出，离光束9的中心轴较远的光束9的区域的强度进一步下降、即小于1/e2。
从图2B可以看出，至少一个光圈100允许光束9的具有较高强度或较高功率密度分布的部分、例如在线II和III之间的光束穿过，并阻挡光束9的一个或多个外周部分、例如线I和II之间的光束和线III和IV之间的光束，它们表示较低强度或较低功率密度分布的光束。简而言之，光束9的具有相对较低强度的部分、例如第二部分92，被光圈100阻挡，而光束9的具有相对较高强度的部分、例如第一部分91，被光圈100允许穿过。更准确地说，光束9的具有相对较低的光束9的强度与径向距离比的部分、例如第二部分92，被光圈100阻挡，而光束9的具有相对较高的强度与径向距离比的部分、例如第一部分91被光圈100允许穿过。简言之，与第二部分92的强度与截面区域比相比，激光束9的第一部分91具有更大的强度与截面区域比。简单地说，激光束9的第一部分91的功率密度分布大于或高于激光束9的第二部分92的功率密度分布。
如上所述，ω0是距激光束9的中心轴的径向距离，在该处强度已下降到1/e2、即约13.5％。超出半径ω0或其之外的能量、例如在线I和II之间以及线III和IV之间区域中的激光束9的能量可能高到足以加热和破坏结构，但用于加工可能又太低或太少。因此，光圈100使得激光束9的第一部分91从激光束9的中心轴延伸至径向距离ω0，并且激光束9的第二部分92延伸超出径向距离ω0或延伸到其径向之外。
换换句话说，光圈100可以配置为、即定位和/或定向和/或尺寸设计为使得穿过光圈100的激光束具有在光圈处接收的激光束9的宽度或半径的1/e2。换句话说，激光束9的第一部分91的直径91d或半径是光圈100上游的激光束9的直径9d或半径的1/e2。
至少一个光圈100可以配置为使得从其下游光学出射的激光束的强度为在至少一个光圈处接收到的激光束的总强度的75％至90％之间、优选地85％至87％之间、更优选地约86.5％。
当至少一个光圈100包括第一、第二和第三光圈10、20、30中的至少两个时，第一光圈10、第二光圈20和第三光圈20的开口的截面区域可以使得从位于最下游的光圈100出射的激光束的强度为在位于最上游的光圈100处接收的激光束9的总强度的75％至90％之间、优选地85％至87％之间、更优选地约为86.5％。
为了便于理解，图3A示出了具有中心轴99x的激光束9，其截面区域不受光圈100的限制。从图3A可以看出，激光束的外周9p的一部分激光束落在光学表面54的边缘处和之外，因此可能不希望地将能量沉积到边缘或毗邻的光学元件52的结构或构件、例如透镜架(未示出)中，这可能因此导致不利的诸如光学元件52和/或毗邻的结构或构件、例如透镜架的加热之类的影响。因此，如图3B所示，通常限定扫描场S，其为光束9的中心轴99x的最大推荐可通航区域，以避免激光束9的外周9p落到光学表面54的边缘之外，并避免光学元件和/或毗邻结构或构件的相关不利影响、例如加热。因此，在传统的激光加工头中，扫描场S的尺寸被限制。
然而，在如图3C所示的本技术的激光加工头1中，通过使用光圈100，激光束9的具有更大的强度或功率与截面区域的比的第一部分91被从激光加工头1射出以进行激光加工，而具有较低强度或功率与截面区域比的第二部分92被光圈100阻挡。简而言之，尽管经由光学元件52提供到工件的激光束9的光束直径或截面区域与图3A和3B中的相比较小，但其强度仍然足以用于激光加工。由于光束直径减小，光束9的扫描场S的尺寸或区域可以增大。简单地说，光束9的中心轴99x可以被扫描模块46定位为更靠近光学表面54的边缘，而激光束9的外周9p不会延伸超出光学表面54的边缘。
如图2A中所示，至少一个光圈100可以配置为、即例如相对于聚焦模块50或准直模块44或扫描模块46尺寸设计或定位和/或定向为使得穿过光圈100的开口102的激光束的整个截面区域，或激光束91的整个截面区域91c的外周91p入射或透过光学元件52的光学表面54。
如图2A所示，光圈100可以配置为、即尺寸设计或定位和/或定向为使得激光束9的整个边缘或外周9p被光圈本体104阻挡。替代地，如图4所示，光圈100可以配置为、即尺寸设计或定位和/或定向为使得激光束9的整个边缘或外周9p的仅一部分被光圈本体104阻挡。
可以注意到，光圈100的开口102可以小于光学元件52的孔径、例如小于F-theta透镜的孔径。然而，参照图2B解释的光圈100的功能也可以通过开口102不小于光学元件52的孔径的光圈100实现，其中，通过使光圈100定位为激光束9的至少一部分被光圈本体104阻挡来实现。
还需要注意的是，虽然光圈100描述为在一个位置具有一个光圈100，但至少一个光圈100可以包括多个光圈100a、100b，如图8所示，它们依次限制激光束9的截面区域9c，如图8所示。多个光圈100a、100b可以包括相对于光学元件52和方向9x的上游光圈100a和下游光圈100b。上游光圈100a的开口102a可以小于下游光圈100b的开口102b。多个光圈100a、100b可以在平行于或沿着光圈100的光轴100x和/或平行于或沿着光学元件52的光轴52x的方向上、和/或在垂直于光圈100的光轴100x和/或垂直于光学元件52的光轴52的平面中相对于彼此和/或相对于光学元件52移动，以可变地或可调节地限制穿过光圈100的激光束的截面区域。
第一、第二和第三光圈10、20、30中的每个光圈10、20、30中的一个或多个可包括上游光圈100a和下游光圈100b，如上文所解释的。
至少一个光圈100可以配置为可调节或可变地限制穿过光圈的激光束的截面区域、即改变激光束9的第一部分91的截面区域91c。图5示意性地示出了一个示例性实施例，其中至少一个光圈100调节或改变光圈100的开口102的截面区域102c并且因此改变或调节穿过其的激光束的截面区域。光圈本体104可以形成为机械光圈或机械快门，其可以在径向来回方向上移动以改变开口的截面区域102c或开口102的半径或直径。因此，截面区域可以改变激光束9的穿过开口的第一部分91的截面区域91c或直径91d。换句话说，激光束9的第一部分91和激光束9的第二部分92的比例可以通过径向地增大或减小光圈100的开口102来改变。更特别地，激光束9的第一部分91的截面区域91c与激光束9的第二部分92的截面区域92c的比例可以通过径向增大或减小光圈100的开口102而改变。光圈本体104可以通过使用诸如电机(未示出)之类的致动器移动以径向增大或减小光圈100的开口102。
图6示意性地示出了一个示例性实施例，其中，至少一个光圈100可平行于或沿着光圈100的光轴100x移动，以可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域。从图6中可以看出，光圈100和光学表面54之间的距离D1、D2可以增大或减小、例如是如上所述的光圈校准机构(未示出)。因此，如图6所示，至少一个光圈100可以配置为可调节或可变地限制穿过光圈的激光束的截面区域、即改变激光束的第一部分91的截面区域91c。光圈本体104可以沿轴向来回方向移动以改变激光束9的第一部分91的截面区域91c。因此，可以改变激光束9的穿过光圈的第一部分91的截面区域91c或直径91d。换句话说，激光束9的第一部分91和激光束9的第二部分92的比例可以通过轴向增大或减小光圈100距光学表面54或光学元件52或聚焦模块50或扫描模块46或准直模块44的距离D1、D2来改变。更特别地，激光束9的第一部分91的截面区域91c与激光束9的第二部分的截面区域92c的比例可以通过轴向增大或减小光圈100距光学表面54的距离D1、D2来改变。光圈本体104可以使用光圈校准机构轴向移动，该光圈校准机构可以使用诸如电机之类的致动器(未示出)。
图7示意性地示出了一个示例性实施例，其中，至少一个光圈100可在垂直于光圈100的光轴100x的平面中移动以可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域，通过比较图7中的(a)和(b)可从光圈100的光轴100x和光学元件52的光轴52x之间的距离看出。从图7可以看出，光圈100的光轴100x和光学表面54的光轴52x之间的侧向或水平距离或径向距离可以增大或减小、例如是光圈校准机构(未示出)。
可以注意到，光圈校准机构可以配置为同时沿着或平行于光圈100的光轴100x和/或沿着或平行于光学元件52的光轴52x移动光圈100和/或在垂直于光圈100的光轴100x的平面中和/或在垂直于光学元件52的光轴52x的平面中移动光圈100以可变地或可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域。
在下文中，参考图9-图12说明光圈100的各种示例性实施例。
图9示意性地示出了具有基于冷却剂的冷却机构70的至少一个光圈的示例性实施例。优选地，具有冷却机构的光圈可以是静止的、即不可移动的。在这种情况下，与用于移动元件的冷却机构相比，冷却机构可以设计得相当简单。基于冷却剂的冷却机构70包括冷却剂71，该冷却剂71流过冷却通道或冷却剂流动通道72或冷却剂流动路径72。冷却剂流动通道72可以与光圈本体104的表面的至少一部分表面接触。优选地，冷却剂流动通道72布置在光圈本体104的面向光学下游方向的表面处，换句话说，布置在与激光束9被阻挡的表面相反的表面处。冷却剂71经由冷却剂流动通道72的入口72a进入冷却剂流动通道72，流过冷却剂流动通道72，在流过冷却剂流动通道72的同时进行光圈本体104的热交换或冷却，并经由冷却剂流动通道72的出口72b从冷却剂流动通道72流出。冷却剂71可以是水。基于冷却剂的冷却机构70将热量从光圈本体104移除，该热量例如为光圈本体104从被光圈本体104阻挡的激光束的第二部分92获取的热量。
图10B示意性地示出了具有表面涂层73的至少一个光圈100的示例性实施例。表面涂层73可以施加到光圈本体104的至少一个表面。优选地，可以将表面涂层73布置在光圈主体104的面向光学上游方向的表面处，换句话说，在激光束9被阻挡或入射的表面处。表面涂层73用于吸收入射的激光束、即激光束9的第二部分92，从而避免激光功率在入射到光圈本体104后发生不希望的反射或散射。
图11示意性地示出了具有光束阱74的至少一个光圈100的示例性实施例。光束阱74可以形成在光圈主体104内。优选地，光束阱74可以布置在光圈主体104的面向光学上游方向表面处，换句话说，在激光束9被阻挡的表面处。光束阱74通过使入射的激光束、即激光束9的第二部分92的至少一部分经受重复的全内反射而起到吸收入射的激光束9的作用，因此避免了不希望的反射或散射。可以注意到，为了便于理解全内反射，图11的描绘示出了光圈100的分解图。
图12示意性地示出了具有反射器76和吸收单元78的至少一个光圈100的示例性实施例。可以是镜子的反射器76可以形成在光圈主体104的表面上或表面处、例如以反射涂层的形式形成。因此，反射器76可以具有中心具有孔的圆形镜的形状。优选地，反射器76可以布置在光圈主体104的面朝光学上游方向的表面、即激光束9被阻挡或入射的表面。反射器76用于将入射的激光束、即激光束9的第二部分92的至少一部分朝向吸收单元78反射。吸收单元78可以布置为接收激光束的反射部分并用于吸收入射的激光束9，从而避免激光功率在入射到光圈本体104之后发生不希望的反射或散射。吸收单元78可以例如通过使用基于冷却剂的冷却机构来主动冷却，类似于如上所述的基于冷却剂的冷却机构70。因此，激光功率被吸收的位置可以远离阻挡表面、即远离反射器。
如图1所示，激光加工头1可以包括传感器模块60，该传感器模块60包括一个或多个传感器61，传感器配置为感测激光束9的穿过光圈100的开口102的一部分、例如第一部分91的激光功率和/或感测被光圈本体104吸收的激光功率。激光传感器模块60可以包括一个或多个传感器62，该传感器配置为感测在光圈100上游的激光束9的激光功率。被配置为感测激光束9的穿过光圈100的开口102的部分、即第一部分91的激光功率的传感器，可以是定位或位于激光加工头1的喷嘴58处、特别是在喷嘴58的开口处、更特别地在激光加工头1的喷嘴58的开口之外或下游。
如前文参考图9所述，光圈本体104可具有基于冷却剂的冷却机构70。传感器模块60可包括温度传感器63、例如第一温度传感器63，该第一温度传感器布置在冷却剂流动通道72的入口72a处以测量或确定进入冷却剂流动通道72的冷却剂71的温度。传感器模块60可以包括温度传感器64、例如第二温度传感器64，该第二温度传感器布置在冷却剂流动通道72的出口72b处以测量或确定离开冷却剂流动通道72的冷却剂71的温度。
传感器模块60的一个或多个传感器61、62可以与激光加工头1或系统2的处理器48通信。
传感器模块60的一个或多个传感器63、64可以与激光加工头1的处理器48通信。根据温度传感器63、64感测的温度差异，处理器48可以确定激光束9的穿过光圈100的开口102的一部分、例如第一部分91的激光功率和/或感测被光圈主体104吸收的激光功率。
处理器48可以配置为，控制激光源模块42来调节由激光源模块42产生的激光束9的激光功率。
处理器48可以配置为例如根据感测的或确定的激光束9的穿过光圈100的开口102的一部分、例如第一部分91的激光功率和/或根据感测的被光圈主体104吸收的激光功率和/或根据被扫描模块偏转的激光束的扫描位置，控制光圈100来调节或改变穿过光圈100的激光束的截面区域。
处理器48可以控制光圈本体104或相应的致动器以改变或调节至少一个光圈100的开口102的截面区域102c以可变地或可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域，如参考图5所解释的。
处理器48可以例如根据扫描模块偏转的激光束的扫描位置，控制光圈本体104或相应的校准机构或致动器以沿着或平行于光圈100的光轴100x和/或沿着或平行于光圈100的光轴52x和/或在垂直于光圈100的光轴100x的平面中和/或在垂直于光学元件52的光轴52x的平面中移动光圈100，以可变地或可调节地限制穿过光圈的激光束的截面区域，如参考图6和图7所解释的。
在本技术的第三方面，提供了一种用于增大激光束9的扫描场S的方法。该方法可以用于激光加工头1或激光加工系统2，如上文参考图1至图12所解释的。在该方法中，激光束9被引入激光进入模块40，然后激光束9被准直模块44准直，再后激光束9被扫描模块46偏转，最后激光束9被聚焦模块50聚焦在例如工件W上。在该方法中，激光束9的截面区域9c通过使激光束9穿过光圈100而由光圈主体104限制，如上文参照图1至图12所解释的。
在本技术中，当使用多模激光器时，通过在准直模块44与激光进入模块40之间插入光圈100，可以通过光圈本体104切断一些或所有更高的横向模式。剩余的激光束可以聚焦到较小的焦点直径，因为光束参数乘积保持不变。插入的光圈100可以像具有较小纤维直径的光纤一样起作用。
因此，可以通过在准直模块与激光进入模块之间沿光轴插入或移动光圈100来调节激光的光束质量。因此，单个激光加工头或系统可用于执行需要高激光功率但对接头的侧向延伸要求不高的接合任务，以及需要非常小的焦点直径以执行最精确的加工的任务。可以在加工期间切换或改变光束质量，从而改变焦点大小。此外，具有相对较低空间光束质量的激光束源、例如二极管激光器或多模光纤激光器可以与小型紧凑的扫描模块一起使用，同时保持良好的加工质量。
在本技术中，光圈100也可以理解为壳口或隔板。
虽然已经参考某些实施例详细描述了本技术，但是应当理解，本技术不限于那些精确的实施例。相反，考虑到描述了用于实践本发明的示例性模式的本公开，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，对本领域技术人员而言，许多修改和变化将显而易见。因此，本发明的范围由所附权利要求表明而不是由前述描述表明。
附图标记列表
1 激光加工头 70 基于冷却剂的冷却机构
2 激光加工系统 71 冷却剂
9 激光束 72 冷却剂的流动路径
9d 激光束的直径 72a 冷却剂的流动路径的入口
9c 激光束的截面区域 72b 冷却剂的流动路径的出口
9p 激光束的外周 73 表面涂层
9x 激光束的行进方向 74 光束阱
10 第一光圈 76 反射器
12 第一光圈的开口 78 吸收单元
14 第一光圈本体 91 激光束的第一部分
20 第二光圈 91d 第一部分的直径
22 第二光圈的开口 91c 第一部分的截面区域
24 第二光圈本体 91p 第一部分的外周
30 第三光圈 92 激光束的第二部分
32 第三光圈的开口 92c 第二部分的截面区域
34 第三光圈本体 99x 激光束的中心轴
40 激光进入模块 100 光圈
42 激光源模块 100a 上游光圈
44 准直模块 100b 下游光圈
46 扫描模块 100x 光圈的光轴
48 处理器 102 开口
50 聚焦模块 102a 上游光圈的开口
52 光学元件 102b 下游光圈的开口
52x 光学元件的轴 102c 开口的截面区域
54 光学元件的光学表面 104 光圈本体
54p 光学表面的外周 S 激光束的扫描区域
58 喷嘴 D1、D2 距离
60 传感器模块
61、62 传感器
63、64 温度传感器

Claims (17)

1.一种激光加工头(1)，包括：
-用于引入激光束(9)的激光进入模块(40)；
-配置为能够准直所述激光束(9)的准直模块(44)；
-配置为能够偏转所述激光束(9)的扫描模块(46)；以及
-配置为能够聚焦所述激光束(9)的聚焦模块(50)，
其特征在于，所述激光加工头具有
-用于增大所述激光束(9)的扫描场(S)的至少一个光圈(100)，
其中，所述光圈(100)包括光圈本体(104)和开口(102)，所述光圈配置为能够通过所述光圈本体(104)限制所述激光束(9)的截面区域；以及
所述至少一个光圈(100)位于所述激光进入模块(40)与所述聚焦模块(50)之间。
2.根据权利要求1所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述至少一个光圈(100)定位为使得穿过所述光圈(100)的开口(102)的激光束的整个截面区域入射到光学元件(52)的光学表面(54)，其中，所述光学元件(52)被包括在所述准直模块(44)、扫描模块(46)和聚焦模块(50)中的至少一个模块中。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述光圈本体(104)布置为阻挡所述激光束(9)的整个边缘(9p)或者仅阻挡所述激光束(9)的整个边缘(9p)的一部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述光圈(100)的开口(102)小于所述聚焦模块(50)的孔径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述至少一个光圈(100)包括下述光圈中的至少一个：
-第一光圈(10)，其位于所述激光进入模块(40)与所述准直模块(44)之间，并配置为能够限制从所述激光进入模块(40)传播到所述准直模块(44)的激光束(9)的截面区域；
-第二光圈(20)，其位于所述准直模块(44)与所述扫描模块(46)之间，并配置为能够限制从所述准直模块(44)传播到所述扫描模块(46)的激光束(9)的截面区域；以及
-第三光圈(30)，其位于所述扫描模块(46)与所述聚焦模块(50)之间，并配置为能够限制从所述扫描模块(46)传播到所述聚焦模块(50)的激光束(9)的截面区域。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述至少一个光圈(100)配置为使得穿过所述光圈(100)的激光束的宽度小于在所述光圈(100)处接收的激光束(9)的宽度的95％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述至少一个光圈(100)配置为能够可调节地限制穿过所述光圈的激光束的截面区域。
8.根据权利要求7所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述至少一个光圈(100)配置为能够调节所述开口(102)的截面区域，以可调节地限制穿过所述光圈的激光束的截面区域。
9.根据权利要求7或8所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述至少一个光圈(100)配置为能够沿着所述光圈(100)的光轴(100x)移动和/或在垂直于所述光圈(100)的光轴(100x)的平面中移动，以可调节地限制穿过所述光圈的激光束的截面区域。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的激光加工头(1)，其特征在于，
所述光圈本体(104)包括基于冷却剂的冷却机构(70)以将热量从所述光圈本体(104)移除；和/或
所述光圈本体(104)包括表面涂层(73)，所述表面涂层(73)配置为能够增加对所述激光束的入射到所述光圈本体(104)的第二部分(92)的吸收；和/或
所述光圈本体(104)包括光束阱(74)，所述光束阱(74)配置为能够通过重复的全内反射来捕获所述激光束的入射到所述光圈本体(104)的第二部分(92)；和/或
所述光圈本体(104)包括反射器(76)和吸收单元(78)，所述反射器(76)布置为能够将所述激光束的入射到所述光圈本体(104)的第二部分(92)反射朝向用于吸收所述激光束的第二部分的反射部分的所述吸收单元(78)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光加工头(1)，其特征在于，所述激光加工头还具有包括一个或多个传感器(61、62、63、64)的传感器模块(60)，所述传感器配置为能够感测所述激光束的穿过所述光圈(100)的开口(102)的第一部分的激光功率和/或感测被所述光圈本体(104)吸收的激光功率。
12.一种激光加工系统(2)，其特征在于，所述激光加工系统包括根据前述权利要求中任一项所述的激光加工头(1)，以及配置为能够产生激光束(9)的激光源模块(42)。
13.根据权利要求12所述的激光加工系统(2)，其特征在于，所述激光源模块(42)包括单模激光源、多模激光源或环模激光源中的至少一种激光源。
14.根据权利要求12或13所述的激光加工系统(2)，其特征在于，所述激光源模块(42)包括盘式激光器、光纤激光器、光纤盘式激光器、环模光纤激光器、环模盘式激光器、二极管激光器、单模光纤激光器或多模光纤激光器中的至少一种激光器。
15.根据权利要求12或13所述的激光加工系统(2)，其特征在于，所述激光源模块(42)配置为能够产生功率至少为200W、或至少为6kW、或至少为8kW、或至少为10kW的激光束。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的激光加工系统(2)，其特征在于，所述激光加工系统还包括处理器，所述处理器配置为：
-根据感测的所述激光束的穿过光圈(100)的开口(102)的第一部分(91)的激光功率和/或根据感测的被光圈本体(104)吸收的激光功率和/或根据被扫描模块偏转的激光束的扫描位置，控制所述激光源模块(42)来调节所述激光束(9)的激光功率；和/或
-根据被扫描模块偏转的激光束的扫描位置，控制所述光圈(100)来调节穿过所述光圈(100)的激光束的截面区域。
17.一种用于控制激光加工头的方法，所述方法包括：
-在所述激光加工头(1)的激光进入模块(40)处引入激光束(9)；
-通过所述激光加工头(1)的准直模块(44)准直所述激光束(9)；
-通过所述激光加工头(1)的扫描模块(46)偏转所述激光束(9)；以及
-通过所述激光加工头(1)的聚焦模块(50)聚焦所述激光束(9)，
其特征在于，所述方法包括：
-使所述激光束(9)穿过所述激光加工头(1)的光圈(100)，使得通过以所述光圈(100)限制所述激光束(9)的截面区域来增大所述激光束(9)的扫描场(S)。
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