CN115835934A - 加工光学器件、激光加工设备及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于工件加工的加工光学器件(16)，该加工光学器件包括：偏振器装置(7)和聚焦光学器件(17)，该偏振器装置包括用于将尤其是脉冲式的至少一个输入激光束(3)分离为至少两个部分射束(5a，5b)的双折射偏振器元件(1a，1c)，这些部分射束分别具有两个不同偏振状态之一，该聚焦光学器件在射束路径中布置在该偏振器装置(7)后方，并且用于将部分射束(5a，5b)聚焦到至少两个聚焦区上，其中偏振器装置(7)具有至少一个另外的光学元件(8，13)，该至少一个另外的光学元件在射束路径中布置在该双折射偏振器元件(1a，1c)后方，并且用于改变部分射束(5a，5b)中的至少一个部分射束相对于加工光学器件(16)的光轴(6)的角度和/或间距。本发明还涉及一种包括这种加工光学器件(16)和用于产生激光束的激光源的激光加工设备，以及一种通过加工光学器件(16)对工件进行激光加工的方法。

Description

加工光学器件、激光加工设备及激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种用于尤其借助超短脉冲激光源进行工件加工的加工光学器件，该加工光学器件包括：偏振器装置，该偏振器装置包括双折射偏振器元件，该双折射偏振器元件用于将尤其是脉冲式的至少一个输入激光束分离为至少两个部分射束，这些部分射束分别具有两个不同偏振状态之一；以及聚焦光学器件，该聚焦光学器件在射束路径中布置在该偏振器装置后方，并且用于将这些部分射束聚焦到至少两个聚焦区上。本发明还涉及一种包括这种加工光学器件的激光加工设备，以及一种借助加工光学器件对工件进行激光加工的方法，该方法包括：在偏振器装置的双折射偏振器元件处将尤其是脉冲式的至少一个输入激光束分离为至少两个部分射束，这些部分射束分别具有两个不同偏振状态之一；以及通过该加工光学器件的聚焦装置将这些部分射束聚焦到该工件的区域中的聚焦区上。

背景技术

在本申请的含义内，具有不同偏振状态的部分射束应理解为意指偏振方向彼此成90°角定向的线性偏振部分射束。然而，具有不同偏振状态的部分射束也应理解为意指具有相反旋转方向的圆偏振部分射束，即，两个分别左旋和右旋的圆偏振部分射束。偏振方向彼此垂直定向的线性偏振部分射束到具有相反旋转方向的圆偏振部分射束的转换可以例如借助于适当定向的延迟板(λ/4板)来实现。

在工件的激光加工期间，尤其是在激光烧蚀、激光切割、表面结构化、激光焊接、激光钻孔等期间，有利的是将输入激光束分离为多个部分射束，这些部分射束照射或聚焦在工件上的不同位置处。可以在偏振器元件处实现这种分离，其中通常由一个输入激光束形成两个部分射束作为输出激光束，这两个部分射束分别具有两个不同偏振状态之一，例如两个部分射束彼此垂直地偏振。有可能是空间偏移的或具有角度偏移的多个输入激光束照射在偏振器元件上。在这种情况下，这些输入激光束中的每个输入激光束可以被分离为一对分别具有两个不同偏振状态之一的部分射束。这两个部分射束是否形成或以何种功率比例形成取决于输入激光束的偏振。

WO 2015/128833 A1描述了一种激光切割头，该激光切割头具有用于产生两个线性偏振部分射束的偏振射束偏移元件，所述射束偏移元件布置在激光束的射束路径中。该偏振射束偏移元件布置在激光束的发散或会聚射束路径节段中。射束偏移元件可以由双折射材料形成。通过在射束路径中使用聚焦放大光学器件和布置在该聚焦光学器件后方的射束偏移元件，这两个部分射束可以在焦平面中部分地叠加。

WO 2015/5114032 A1披露了一种用于工件加工的激光加工设备，该激光加工设备包括加工光学器件，其中输入激光束在偏振器处被分离为两个垂直偏振的部分射束。加工光学器件针对第二部分射束具有比针对第一部分射束更长的路径长度，由此第二部分射束具有比第一部分射束更长的传播时间。第二部分射束相对于第一部分射束在至少一个几何射束特性上改变。经改变的第二部分射束如此叠加在第一部分射束上，使得这两个部分射束形成共同的输出激光束。

WO 2018/020145 A1描述了一种借助脉冲激光器来切割电介质或半导体材料的方法，其中激光束被分离为两个部分射束，这两个部分射束照射在材料上的、相对于彼此偏移某间距的两个空间上分开的区中。这个间距被调设为低于阈值的值，以便在材料中产生在这两个相互偏移的区之间、在预给定的方向上延伸的直线微裂缝。可以对这两个部分射束进行射束整形，以便在材料上产生贝塞尔射束形式的空间分布。

WO 2016/089799 A1描述了一种用于借助脉冲激光组件来激光切割至少一个玻璃制品的系统，该脉冲激光组件包括用于将输入射束转换为准非衍射射束(例如，贝塞尔射束)的射束整形光学元件。该激光组件还包括用于将准非衍射射束转换为彼此间隔1μm至500μm之间的多个部分射束的射束变换元件。准非衍射部分射束中的至少一个的相位可以在大约π/4至大约2π之间改变。

DE 10 2019 205 394.7描述了一种用于工件加工的加工光学器件，该加工光学器件包括用于将至少一个输入激光束分离为彼此垂直地偏振的一对部分射束的双折射偏振器元件、以及在射束路径中布置在该偏振器元件后方并且用于将部分射束聚焦到聚焦区上的聚焦光学器件，其中该加工光学器件可以构造用于产生彼此垂直地偏振的部分射束的至少部分重叠的聚焦区。加工光学器件可以构造用于在焦平面中沿着预给定的轮廓产生多对至少部分重叠的聚焦区，其中直接相邻的多对的彼此垂直地偏振的两个部分射束相应的聚焦区分别至少部分地彼此重叠。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加工光学器件、一种具有加工光学器件的激光加工设备以及一种用于激光加工的方法，其使得能够将部分射束相对于加工光学器件的光轴以所定义的角度和/或位置定向在聚焦区中。

根据本发明，通过开篇提及的类型的加工光学器件来实现该目的，其中偏振器装置具有至少一个另外的光学元件，该至少一个另外的光学元件布置在射束路径中的双折射偏振器元件后方，并且用于改变部分射束中的至少一个部分射束相对于加工光学器件的光轴的角度和/或间距。

当输入激光束在该双折射偏振器元件处或在单一双折射偏振器元件处被分离为至少两个部分射束时，可能无法产生部分射束相对于加工光学器件的光轴的该间距和/或该定向，该间距和/或该定向是部分射束被聚焦到聚焦区上时预期应产生的。这归因于以下事实：通常不能借助同一个偏振器元件同时产生两个部分射束相对于彼此的预给定的位置偏移和/或角度偏移以及相对于加工光学器件的光轴的期望角度和/或期望位置。为了实现这两者，建议在射束路径中的双折射偏振器元件后方布置至少一个另外的光学元件。

输入激光束通常平行于光轴、尤其是沿着加工光学器件的光轴照射在双折射偏振器元件上。然而，原则上，也可以通过布置在射束路径中的偏振器元件前方的一个或多个光学元件来调设或预给定输入激光束相对于光轴的定向和/或位置。

尽管在以下描述中仅描述了具有用于分离为两个部分射束的一个双折射偏振器元件的一个偏振器装置，但原则上也可以在加工光学器件中设置两个或更多个双折射偏振器元件。例如，在这种情况下，由激光源产生并进入加工光学器件的激光束可以分离为两个或多个部分射束，这些部分射束分别构成用于相关联的双折射偏振器元件的输入激光束，或者多个激光源的激光束可以用作输入激光束。

在一个实施方式中，偏振器元件构造用于在具有不同偏振状态的部分射束之间产生位置偏移和/或角度偏移。通常，当输入射束在双折射偏振器元件处被分离为至少两个部分射束时，会产生两个部分射束之间的横向偏移(位置偏移)和/或角度偏移。双折射偏振器元件可以构造用于，在具有不同偏振状态的两个部分射束之间产生横向(位置)偏移、或产生角度偏移、或产生角度偏移与位置偏移的组合。

借助于典型地呈双折射晶体的形式的双折射偏振器元件，在输入激光束的适当偏振的情况下，例如，在未偏振输入激光束的情况下、或在具有未定义的椭圆偏振或圆偏振输入激光束的情况下，能够实现输入激光束到其偏振成分的目标空间分离。输入激光束的功率在两个部分射束之间的分离取决于输入激光束的偏振，或者可以通过选择输入激光束的偏振来定义：如果输入激光束的偏振是线性的或具有某种其他优选方向，例如在椭圆偏振的情况下，输入激光束的功率典型地不会在两个部分射束之间均匀地分离。

借助例如呈延迟板形式的合适的偏振影响光学元件来影响输入激光束的偏振可能是有利的，以便以有针对性的方式影响在将输入激光束分离为两个部分射束时的分离比，以及可选地开启或关断将输入激光束分离为两个部分射束。如果输入激光束是圆偏振的，则可以以相当的功率比例在两个部分射束之间实现输入激光束的功率分配，而与加工期间可能存在的优选方向的角度无关(见下文)。

取决于双折射偏振器元件的构型，可以在具有不同偏振状态的两个部分射束之间产生明确定义的纯位置偏移、明确定义的纯角度偏移、或者所定义的位置偏移与所定义的角度偏移的组合。

为了产生位置偏移(没有角度偏移)，双折射偏振器元件可以具有例如平行定向的大致平坦的射束入射表面和射束出射表面。在这种情况下，双折射晶体的光轴典型地相对于射束入射表面以一个角度定向。如果输入激光束垂直照射在射束入射表面上，那么在射束出射表面处产生纯位置偏移。

为了产生角度偏移(没有位置偏移)，双折射偏振器元件可以具有相对于射束入射表面以一个角度倾斜的射束出射表面。在这种情况下，双折射晶体的光轴典型地平行于射束入射表面定向。在这种情况下，在射束出射表面处，两个部分射束在相同位置处并且以所定义的角度偏移从双折射晶体射出。

为了产生位置偏移和角度偏移，双折射偏振器元件可以具有相对于射束入射表面以一个角度倾斜的射束出射表面。在这种情况下，双折射晶体的光轴典型地相对于射束入射表面和射束出射表面以一个角度定向。产生纯位置偏移的双折射偏振器元件和产生纯角度偏移的双折射偏振器元件构成这里描述的、产生不仅角度偏移而且位置偏移的双折射偏振器元件的特殊情况。

在一种扩展方案中，偏振器元件构造用于在具有不同偏振状态的部分射束之间产生角度偏移，并且另外的光学元件构造用于改变两个部分射束中的至少一个部分射束相对于光轴的角度，以便使该至少一个部分射束平行于光轴定向。部分射束中的(至少)一个部分射束平行于光轴的定向是有利的，尤其是如果偏振器元件或偏振器装置围绕光轴旋转以便在工件的加工期间改变优选方向的情况下。这种定向使得能够避免与偏振器元件围绕旋转轴的旋转角度相关的、所述部分射束的不期望偏移，或者能够在部分射束的旋转时产生围绕光轴的恒定偏移。

在一种扩展方案中，该另外的光学元件以光学各向同性方式构造，其中偏振器元件优选地构造用于产生角度偏移而不产生位置偏移。在这种情况下，该另外的光学元件优选地构造为楔形光学各向同性元件。在这种情况下，楔形的另外的光学元件的楔角典型地匹配于偏振器元件的出射表面的楔角，以便补偿两个部分射束之一的角度偏移或者以便形成两个部分射束相对于光轴的角度偏移的平均值。通常，通过楔形的另外的光学元件的楔角和双折射偏振器元件的楔角的适当协调，可以预给定平行定向的部分射束与光轴之间的期望的间距或偏移，该间距或偏移在围绕旋转轴的旋转时被维持。

通过使用具有位于彼此垂直的平面中的两个楔角的楔形光学元件，在穿过聚焦光学器件之后产生的两个聚焦区可以附加地在垂直于入射平面、或垂直于双折射偏振器元件的光轴布置在其上的平面的方向上施加角度(该角度对于两个部分射束是相同的)。在通过聚焦光学器件进行傅里叶变换之后，施加的角度被转换为焦平面中的位置偏移。在偏振器装置与聚焦光学器件之间的合适间距的情况下，两个部分射束可以平行于光轴延伸进入焦平面并且定位在距光轴相同的间距处。

在一种扩展方案中，偏振器装置具有射束偏移光学器件，该射束偏移光学器件包括另外的双折射光学元件，以便将两个部分射束彼此平行地定向。构造为例如楔形光学元件并且在射束路径中布置在该另外的双折射光学元件后方的附加的光学元件可以改变两个平行定向的部分射束的射束方向，使得两个部分射束平行于光轴定向。通过调设射束偏移光学器件的另外的双折射元件和附加的光学元件在光轴的方向上的间距，可以定义两个部分射束与光轴之间的间距。

在一种扩展方案中，偏振器装置构造用于将部分射束之一定位在光轴上或将两个部分射束定位在距光轴相同的间距处。尤其是当偏振器元件围绕加工光学器件的光轴(Z方向)旋转时，已被证明有利的是，两个部分射束之一定位在加工光学器件的光轴上以使得所述部分射束的位置在旋转时不改变。也可能的是，使两个部分射束相对于光轴对称地布置(其中两个部分射束布置在距光轴相同的间距处)。将部分射束定位在光轴上或使两个部分射束相对于光轴对称地定位有许多可能性：

在上文描述的射束偏移光学器件的情况下，一种可能性在于如此预给定该另外的双折射光学元件与附加光学元件之间沿着光轴的间距，或者可选地借助合适的移位装置来如此调设该间距：使得两个部分射束之一沿着加工光学器件的光轴延伸，而另一个部分射束以相对于光轴偏移的方式延伸，或者两个部分射束以相对于光轴的相同间距延伸。

在进一步的扩展方案中，双折射偏振器元件构造用于除了产生角度偏移之外还产生位置偏移，并且该另外的光学元件以双折射方式构造，以便将部分射束定位在光轴上。在这种情况下，偏振器元件的双折射材料的光轴以及它的射束入射表面和它的射束出射表面如此定向并且相对于该另外的双折射元件以这种间距布置，使得两个部分射束之一平行于光轴定向并且定位在加工光学器件的光轴上。

在进一步的扩展方案中，偏振器装置构造用于改变两个部分射束之间的角度偏移和/或位置偏移。如由偏振器元件产生的两个部分射束之间的角度偏移和/或位置偏移在预给定的边界条件下典型地是恒定的。为了改变由偏振器装置产生的角度偏移和/或位置偏移，该另外的或至少一个另外的通常为双折射的光学元件被设置在偏振器装置中并且使得能够改变或调设两个部分射束之间的角度偏移和/或位置偏移。为此目的，该另外的通常为双折射的光学元件典型地相对于偏振器装置的光轴可移动。

在该实施方式的一种扩展方案中，该另外的光学元件以双折射方式构造，并且为了改变两个部分射束之间的角度偏移和/或位置偏移沿着加工光学器件的光轴可移位和/或围绕加工光学器件的光轴可旋转。为了使该另外的双折射光学元件沿着光轴移位，可以使用平移驱动器，该平移驱动器可以例如以线性驱动器等的方式构造。为了使该另外的光学元件围绕偏振器装置的光轴旋转，偏振器装置典型地具有旋转驱动器。为了操控该平移驱动器和/或旋转驱动器，可以使用加工光学器件的控制装置或在信号传递意义上与其有连接的装置(例如控制计算机)。在使用这种偏振器装置的情况下，可以将两个部分射束在工件区域中的聚焦区之间的间距调设成期望值。

在进一步的实施方式中，该另外的光学元件以双折射方式构造，并且偏振影响光学元件、尤其是λ/4延迟板或λ/2延迟板布置在另外的光学元件前方。通过产生λ/4的延迟的偏振影响光学元件，例如，从双折射偏振器元件射出之后线性地偏振的两个部分射束可以被转换为圆偏振部分射束。

在该另外的双折射光学元件旋转的情况下，应考虑到，对于两个双折射元件的光轴不位于共同平面中(或射束轴展开的平面不彼此垂直)的情况，在一般情况下，由输入激光束形成四个部分射束或四个输出激光束，即，发生级联射束分离。如果级联射束分离不是期望的，则进入该另外的双折射光学元件的两个部分射束该需要分别垂直或平行于另外的双折射光学元件的光轴定向。这可以例如借助λ/2延迟板来确保，该延迟板与这两个双折射光学元件适当定向并且在该另外的双折射光学元件的旋转时相应地伴随地旋转(但以一半的旋转角度)，以便防止分离为四个部分射束。

然而，例如呈λ/4延迟板形式的偏振影响光学元件也可以用于由两个部分射束产生四个部分射束。在这种情况下，偏振影响光学元件可以用于使输入激光束的功率均匀地分布在所有四个部分射束中。对于双折射偏振器元件和另外的双折射光学元件相对于彼此旋转的情况，不需要伴随地旋转呈λ/4延迟板形式的偏振影响光学元件来维持均匀分离的效果。取决于两个双折射光学元件相对于加工光学器件的光轴的角度或取决于双折射光学元件的光轴相对于加工光学器件的光轴的定向，四个部分射束可以再次共线叠加。可能有利的是，例如四个或更多个部分射束应布置在共同的线上或沿着优选方向布置。此外，可以通过适当地选择两个双折射光学元件相对于彼此的相对旋转角度来调设部分射束或聚焦区(见下文)之间的间距。

可以对由另外的双折射光学元件和布置在该另外的双折射光学元件前方的尤其呈λ/4延迟板形式的偏振影响光学元件组成的装置进行级联，即，该装置可以重复N次，以便从一个输入激光束产生M＝2^N+1的M个部分射束。如果所有部分射束应共线布置并沿着共同优选方向延伸，则典型地需要将所有另外的双折射光学元件的光轴布置在共同平面中。如果借助相应的λ/4延迟板产生圆偏振部分射束，则在这种情况下可以在所有部分射束之间实现均匀的功率分配。

不言而喻，代替λ/4延迟板，也可以将其他偏振影响光学元件引入各两个相继的双折射光学元件之间的、部分射束的射束路径中，以便适当地调设偏振并以这种方式影响功率分配。此外，为了改变功率分配或者为了开启或关断分离，偏振影响光学元件可以相对于相应的双折射光学元件旋转。

在进一步的实施方式中，加工光学器件包括射束整形光学器件，该射束整形光学器件用于将具有高斯形射束剖面的入射激光束转换为具有准非衍射射束剖面、尤其是具有类贝塞尔射束剖面的射出激光束。

非衍射射束构成亥姆霍兹方程的解，该解可以分为纵向部分和横向部分。这种非衍射射束具有传播不变的横向射束剖面，即该横向射束剖面在非衍射射束传播时不改变。取决于所使用的坐标系，会出现非衍射射束的不同解分类别，例如椭圆柱坐标中的马蒂厄射束(Mathieu-Strahlen)或圆柱坐标中的贝塞尔射束。

非衍射射束构成了理论架构，该理论架构可以实现成所谓的准非衍射射束的形式的良好近似。准非衍射射束仅在有限长度(特征长度)L上具有传播不变性。在以下情况下准确地存在准非衍射射束：在相似或相同的聚焦直径的情况下，特征长度L显著超过相关联的高斯聚焦(Gauβfokus)的瑞利长度时，尤其是如果它满足：L>z_R，其中z_R表示高斯射束的瑞利长度。特征长度L可以在1mm或更大的数量级。

准非衍射射束的一个子集由类贝塞尔射束构成，其中靠近光轴的横向射束剖面对应于第一类型n阶贝塞尔函数的良好近似。类贝塞尔射束的一个子集由贝塞尔-高斯射束构成，其中靠近光轴的横向射束剖面对应于被高斯分布包围的第一类型0阶贝塞尔函数的良好近似。

准非衍射射束剖面的使用已被证明是有利的，尤其是当在用于玻璃切割应用(Glastrenn-Anwendung)或选择性激光蚀刻应用的工件材料中引入修改时，因为在这种射束剖面的情况下，基本上均匀的射束剖面可以在纵向方向上的相对较长间距上维持，由此产生具有优选方向的修改体积。

在这种情况下，类贝塞尔射束已被证明是尤其有利的，但可选地也可以通过射束整形光学器件产生其他准非衍射射束剖面，例如艾里射束剖面(Airy-Strahlprofil)、韦伯射束剖面(Weber-Strahlprofil)或马蒂厄射束剖面。射束整形光学器件尤其可以构造用于产生如下的准非衍射射束剖面，该准非衍射射束剖面具有关于传播方向旋转对称的射束横截面，例如，贝塞尔-高斯射束就是这种情况。

在一种扩展方案中，射束整形光学器件构造用于产生如下的准非衍射射束剖面，该准非衍射射束剖面具有非旋转对称的射束横截面、尤其是具有优选方向。已证明有利的是，在这种情况下将射束整形光学器件构造为衍射光学器件。非衍射射束剖面的优选方向通常与以下(优选)方向或平面一致：偏振器装置的偏振器元件在其中产生两个部分射束。例如，准非衍射射束剖面可以具有沿着优选方向彼此间隔开的多个(次要)最大值，使得射束整形光学器件以分束器光学器件的方式起作用并产生所谓的多个贝塞尔射束剖面。具有优选方向的射束剖面也可以借助偏振器装置的双折射光学元件与插入的偏振影响光学元件的级联(上文进一步描述)产生。

在一种扩展方案中，加工光学器件构造用于将部分射束尤其是沿着优选方向聚焦到连续的相互作用区域的至少部分重叠的聚焦区中，其中优选地，分别具有不同偏振状态的部分射束被聚焦到连续的相互作用区域的相邻聚焦区中。

如果例如由单模激光器产生并且具有高斯形射束剖面的激光束被分离为两个或更多个部分射束并且这些部分射束至少部分地叠加，则如果部分射束具有相同或相似的偏振，这可能会导致不期望的干涉效应。虽然在部分射束聚焦时聚焦区或聚焦横截面因此可以任意地靠近，但在这种情况下，所得的强度轮廓中会出现不期望的干涉效应。因此，这些部分射束通常聚焦在工件上彼此间隔开的聚焦区中。

通过使用分别具有尤其呈相互垂直的偏振状态的形式的两个不同偏振状态之一的部分射束，强度轮廓中的(部分)叠加不会引起来自不同位置或角度范围的激光辐射的干涉效应，只要相应部分射束的偏振状态在整个相关射束横截面或相应聚焦区上是均匀的。相应部分射束的偏振因此应在射束横截面上或在聚焦区上以位置相关的方式尽可能小地变化。在这种情况下，聚焦区可以任意地彼此靠近，部分地或者可能完全地重叠，并且甚至构造均匀的聚焦区，即，不仅横向地(即，垂直于部分射束的传播方向)、而且纵向地(即，在部分射束的传播方向上)。

沿着预给定的、不一定是直线的相互作用区域，形成通常具有连续过渡的(在优选方向的情况下为线性的)射束形状或强度分布，即，在部分射束之间或聚焦区之间的强度分布中没有零点。在此，在相应的对中分别彼此垂直偏振的部分射束彼此重叠，但仅如此远，使得这些部分射束不与相应的对的分别不同偏振的部分射束重叠，使得相同偏振的部分射束不发生叠加。

作为使用具有相互垂直的偏振状态的全部或部分重叠的部分射束的替代方案，也可以使用具有时间偏移的、全部或部分重叠的部分射束，所述时间偏移如此大，使得实际上不发生干涉效应。典型地，如果时间偏移至少对应于脉冲持续时间的数量级或相干长度的数量级，就是这种情况。最小地，在此通常选择这两个值(脉冲持续时间和相干长度)中的相应较小值的50％作为时间偏移。

为了将这些部分射束或多个部分射束(所述多个部分射束分别具有——尤其是成对的——两个不同偏振状态之一)聚焦到部分重叠的聚焦区上，尤其可以使用上文进一步描述的射束整形光学器件或上文进一步描述的级联。在这种情况下，准非衍射射束剖面的最大值之间的间隙可以通过在偏振器元件处将输入激光束分离为相应的两个部分射束来填充。以这种方式，可以沿着预给定的轮廓、通常沿着优选方向产生两个或更多个至少部分重叠的聚焦区。

射束整形光学器件可以包括轴棱镜和/或衍射光学元件。例如呈贝塞尔射束的形式的(准)非衍射射束剖面可以有利地借助轴棱镜产生，该轴棱镜典型地包括至少一个基本上锥形的表面。如果以经准直的高斯射束照射这种具有旋转对称的锥形表面的轴棱镜，则典型地会产生贝塞尔-高斯射束。可以适当地修改轴棱镜以产生射束剖面的优选方向(例如，通过使用非旋转对称的锥形表面)，以便产生射束剖面的均匀化等。替代地或附加地，可以使用衍射光学元件来产生(准)非衍射射束剖面。借助这种衍射光学元件可以模拟和扩展轴棱镜的特性。必要时，替代地或附加地，射束整形光学器件可以构造用于由具有高斯形射束剖面的入射激光束产生具有平顶射束剖面(Flat-Top-Strahlprofil)的射出激光束等。

对于部分射束具有准非衍射射束剖面(例如类贝塞尔射束剖面)的情况，在借助聚焦光学器件进行聚焦期间，这些部分射束被聚焦到与聚焦区的直径(例如微米的数量级)相比相对较长的聚焦体积(例如毫米的数量级)上。然而，在下文中，为了简化，在这种类型的射束剖面的情况下，也指聚焦到焦平面中。焦平面和相应地在下文进一步描述的平面由相应光学器件的特性预给定(与射束剖面的类型无关)。

除了取决于激光加工的类型之外，加工光学器件的偏振器装置或双折射偏振器元件在射束路径中的布置还取决于：应产生纯位置偏移、纯角度偏移还是位置偏移与角度偏移的组合。

偏振器装置的双折射偏振器元件可以构造用于产生角度偏移并且可以布置在相对于焦平面光学共轭的平面中。相对于焦平面光学共轭的平面应理解为通过傅里叶变换、即角度到位置变换(Winkel-zu-Orts-Transformation)而与焦平面相关的平面。如果假设聚焦光学器件具有(有效)像侧焦距f₂，则构造用于产生角度偏移的偏振器元件与共轭平面典型地布置在聚焦光学器件的物侧焦距f₁的间距处。对于满足f₁＝f₂＝f的特殊情况，双折射偏振器元件布置在距焦平面为间距2f(或通常2f+N x 4f，其中N大于等于0，N为整数)处。在下文中，为了简化，即使不满足条件f₁＝f₂＝f，也指2f-设置。

替代地，偏振器装置的双折射偏振器元件可以构造用于产生位置偏移，并且可以在射束路径中布置在该另外的优选准直光学器件前方，其中加工光学器件构造用于，将在偏振器元件处彼此垂直偏振的部分射束之间的位置偏移映射到焦平面中。在这种情况下，双折射偏振器元件可以布置在另外的光学器件前方的、与焦平面相对应的平面中。例如，这样的平面通过两次角度到位置变换而与焦平面相关。如果假设聚焦光学器件具有(有效)焦距f，则在使用相同焦距进行准直和聚焦的特殊情况下，与焦平面相对应的平面与双折射偏振器元件可以布置在距焦平面为4f(或通常4f+N x 4f，其中N大于或等于零，并且N是整数)的间距处。在下文中，为了简化，即使使用的光学元件不一定具有均匀的焦距f，也指4f设置。对于双折射偏振器元件布置在(基本上)准直的射束路径中的情况，偏振器元件精确布置在距焦平面的预给定间距处通常并不重要；至关重要的是(广泛的)位置到位置变换(Orts-zu-Orts-Transformation)，即，具有偏振器元件的平面与焦平面之间的映射。

然而，双折射偏振器元件应在射束路径中布置在该另外的光学器件前方，该另外的光学器件可以例如构造为用于产生角度到位置变换(Winkel-zu-Orts-Transformation)的准直光学器件。与由聚焦光学器件产生的角度到位置变换(或等效地位置到角度变换)一起，在偏振器元件处产生的部分射束的位置偏移被转换或映射为焦平面中的位置偏移。该另外的光学器件、例如准直光学器件与聚焦光学器件一起可以使具有双折射偏振器元件的平面以预给定的(例如减小的)映射比例尺映射到焦平面上，即，映射到与聚焦区有关的平面上。

偏振器装置通常在加工光学器件的射束路径中明显布置在该聚焦光学器件的后焦平面的前方。这提供了两个重要的优势：首先，后焦平面中的能量密度非常高，因为在准贝塞尔情况下在那里形成了聚焦环。与处于高脉冲能量的短脉冲结合，该平面附近的光学器件可能会被激光辐射损坏。此外，后焦平面不具有良好的机械可达性，尤其是在聚焦光学器件的短焦距的情况下。

在此处描述的加工光学器件的情况下，由偏振器装置产生的部分射束的射束路径的空间分离典型地是不必要的。在加工光学器件的紧凑且稳健的实现的意义上，部分射束典型地基本上在穿过的远至要加工的工件的整个光学路径长度上至少部分地重叠。此外，一般来说，由偏振器装置产生的所有部分射束都穿过相同的光学部件。

加工光学器件可以具有用于产生多对彼此垂直地偏振的部分射束的、优选衍射的分束器光学器件。该分束器光学器件可以例如构造成衍射光学元件的形式，但是也可以涉及某种其他类型的分束器光学器件，例如几何分束器光学器件。分束器光学器件可以在射入加工光学器件的激光束的射束路径中布置该偏振器元件前方或偏振器装置前方，并且可以产生多个输入激光束，这些输入激光束在偏振器元件处分别被分离为彼此垂直地偏振的一对部分射束。相反的情况也是可能的，即，分束器光学器件可以在射束路径中布置在该双折射偏振器元件后方。在这种情况下，由从偏振器元件产生的一对部分射束借助分束器光学器件产生多对部分射束，这多对部分射束的聚焦区可以沿着优选方向彼此部分地重叠，尤其是如上文进一步描述的。

分束器光学器件可以布置在相对于焦平面光学共轭的平面中。可以在相对于焦平面共轭的平面中产生成对部分射束之间的角度偏移，所述角度偏移被聚焦光学器件变换为焦平面中的位置偏移。在这种情况下，分束器光学器件可以例如布置在上文进一步描述的另外的成像光学器件与该聚焦光学器件之间的、相对于焦平面光学共轭的平面中，以便由由偏振器元件产生的一对部分射束产生多对部分射束。

优选地衍射的分束器光学器件也可以构造为用于将具有高斯形射束剖面的入射激光束转换为具有平顶射束剖面的射出激光束的射束整形光学器件。具有平顶射束剖面(即具有以下射束剖面，该射束剖面具有带有陡峭下降边缘的基本上均匀的强度分布)的激光束的整形使得能够控制基本上垂直于传播方向定向的面上的强度分布。对于关于平顶射束剖面的整形的细节，应参考开篇引证的DE 10 2019 205 394.7，其内容通过援引以其全文整体并入本申请的内容中。

在进一步的实施方式中，加工光学器件包括用于使偏振器装置和/或射束整形光学器件围绕(可选地共同的)旋转轴旋转的旋转驱动器。旋转驱动器的旋转轴典型地与加工光学器件的光轴一致。如果应沿着预给定的相互作用区域、尤其是沿着优选方向产生部分重叠的聚焦区，则旋转是尤其有意义的。

在旋转时，具有有利的效果的是双折射偏振器元件或偏振器装置整体仅包含对于调整不关键的部件，这尤其促进了在自适应光学系统中的使用。然而，由偏振器元件产生的位置偏移或角度偏移通常相对于输入射束的传播方向、即相对于光轴或相对于旋转轴不对称。因此在偏振器元件围绕旋转轴(该旋转轴通常沿着纵向方向、即沿着输入射束的传播方向或加工光学器件的光轴延伸)旋转时，发生部分射束的可能不期望的、取决于旋转角度的角度偏移和/或位置偏移。为了补偿所述偏移，可以在偏振器装置中使用适当配置的另外的光学元件，例如上文进一步描述的楔形光学元件。

在呈用于沿着加工路径切割玻璃的激光切割过程的形式的工件加工时，根据在相对于工件的移动时可取决于位置而变化的前进方向来改变聚焦区的优选方向可能是必要的或有利的，以便促进玻璃中沿着前进方向的裂纹扩展。玻璃切割时的裂纹的针对性定向使得能够以能够显著简化玻璃分离的工艺体系进行工作。在这种玻璃切割应用中，通常具有例如呈类贝塞尔射束的形式、尤其是贝塞尔-高斯射束的形式的相对较长的聚焦体积的两个或更多个准非衍射射束的聚焦区在空间上至少部分地叠加，如上文已经更详细地描述的。为了改变优选方向，在这种情况下，不需要同样旋转对于定向而言关键的光学元件(比如透镜元件)，即使这种旋转原则上同样是可能的。

本发明还涉及一种激光加工设备，该激光加工设备包括：如上文进一步所述地配置的加工光学器件，还以及激光源、尤其是超短脉冲激光源，该激光源用于产生激光束、尤其是具有高斯形射束剖面的激光束。激光源优选构造用于产生具有高斯形射束剖面的单模激光束，但是这不是绝对必需的。加工光学器件例如可以安置在激光加工头中或激光加工头的壳体中，其尤其呈模块的形式或呈模块化构造的激光加工头的模块的形式，该激光加工头可相对于工件移动。替代地或附加地，激光加工设备可以包括扫描仪装置，以便将部分射束定向至工件或工件上的不同位置。除了上文进一步描述的光学器件之外，加工光学器件还可以包括另外的光学器件，这些另外的光学器件例如能够对输入激光束进行空间滤波或空间重新排列，以便促进射束整形，例如类贝塞尔射束剖面的均匀化、掩模成像等。

对于玻璃切割应用或对于其他应用，激光源可以构造用于产生具有单脉冲或具有突发脉冲(Burst-Pulse)(例如一个突发2至6个脉冲，突发脉冲间隔为2ns至150ns，优选13ns至40ns)的激光束。单脉冲或突发脉冲有利地具有200fs和20ps之间、尤其是300fs至20ps之间的脉冲持续时间。脉冲能量(总突发或单脉冲中的)优选地在10μJ至10mJ之间、尤其是在30μJ至1mJ之间。在玻璃切割应用的情况下，由激光加工设备产生的相互作用区域的相邻聚焦区之间的空间的脉冲间距或修改间距优选地在大约0.8μm至大约30μm之间。

本发明还涉及一种开篇提及的类型的方法，该方法进一步包括：在偏振器装置的在射束路径中布置在该双折射偏振器元件后方的至少一个另外的光学元件处改变部分射束中的至少一个部分射束相对于加工光学器件的光轴的角度和/或间距。该方法提供了上文进一步描述的与加工光学器件相关联的优点。激光加工或工件加工可以是激光烧蚀、激光切割、表面结构化、激光焊接、激光钻孔......

本发明的其他优点从描述和附图中显现。同样，上述特征和还将进一步呈现的特征可以分别独立使用或以任何期望的组合作为多个来使用。所示出和描述的实施方式不应理解为穷举，而是具有用于概述本发明的示例性特性。

附图说明

图1a至图1c示出了用于在具有不同偏振状态的两个部分射束之间产生角度偏移而没有位置偏移、产生位置偏移而没有角度偏移、产生位置偏移和角度偏移的三个双折射偏振器元件的示意图，

图2a、图2b示出了偏振器装置的示意图，该偏振器装置包括双折射偏振器元件和用于将两个部分射束之一平行于光轴定向的各向同性光学元件，

图3a至图3c示出了偏振器装置的示意图，该偏振器装置包括双折射偏振器元件并且包括用于将两个部分射束之一定位在光轴上或用于将两个部分射束定位在距光轴相同的间距处的另外的光学元件，

图4示出了偏振器装置的示意图，该偏振器装置包括双折射偏振器元件并且包括用于形成在距该偏振器装置预给定间距处相交的两个部分射束的另外的双折射光学元件，

图5a至图5c示出了包括双折射偏振器元件并且包括另外的双折射光学元件的偏振器装置的示意图，该另外的双折射光学元件可围绕光轴旋转和/或可沿着光轴移位，以便改变两个部分射束之间的位置偏移和/或角度偏移，

图6a、图6b示出了由图5a中的偏振器装置产生的位置偏移的示意图，以及由图5b中的偏振器装置产生的角度偏移取决于该另外的双折射光学元件的旋转角度的变化的示意图，

图7a、图7b示出了加工光学器件的示意图，该加工光学器件包括用于形成具有贝塞尔形射束剖面的两个部分重叠的部分射束的射束整形光学器件，并且还分别包括根据图2a的用于产生角度偏移的偏振器装置以及根据图1b的用于在两个部分射束之间产生位置偏移的偏振器元件，

图8a至图8c分别示出了包括射束整形光学器件并且还包括两个部分重叠的、具有位置偏移的部分射束的相互作用区域的加工光学器件的示意图，和具有分别根据图2a和相应地根据图3c的偏振器装置的加工光学器件的示意图。

具体实施方式

在以下对附图的描述中，相同的附图标记用于相同的或功能相同的部件。

图1a至图1c分别示意性地示出了双折射晶体形式的双折射偏振器元件1a、1b、1c。不同双折射材料可以用作偏振器元件1a、1b、1c的晶体材料，例如：α-BBO(α-硼酸钡)、YVO4(钒酸钇)、结晶石英等。

图1a中的双折射偏振器元件1a以楔形方式构造，即，用于输入激光束3入射的平坦的射束入射表面2a和偏振器元件1a的平坦的射束出射表面2b相对于彼此以某(楔)角定向。光轴或晶体材料的光轴4平行于射束入射表面2a定向。

垂直于射束入射表面2a进入图1a所示的双折射偏振器元件1a的非偏振、椭圆偏振或圆偏振输入激光束3在相对于射束入射表面2a以一个角度倾斜的射束出射表面2b处被分离为两个部分射束5a、5b，这两个部分射束彼此垂直(分别被s偏振和p偏振)。在图1a中，通常的惯例，第一p偏振部分射束5a用双头箭头标识，而第二p偏振部分射束5b用点标识。在从双折射偏振器元件1a射出时，第一p偏振部分射束5a的比第二s偏振部分射束5b更强烈地折射，结果在第一部分射束5a与第二部分射束5b之间出现角度偏移Δα。在这种情况下，第一部分射束5a和第二部分射束5b在射束出射表面2b处的相同位置处从双折射偏振器元件1a射出，也就是说，通过双折射偏振器元件1a在两个部分射束5a、5b之间产生角度偏移Δα，但没有位置偏移。

如图1a中同样可以看出，形成寻常射束的第一部分射束5a以相对于形成入射激光束3的传播方向的延伸的光轴6(不与双折射晶体的光轴4混淆)的第一角度α_o折射。形成非寻常射束的第二部分射束5b以相对于光轴6的第二较小角度α_eo折射。

入射激光束3被分离为寻常射束形式的第一部分射束5a和非寻常射束形式的第二部分射束5b时的功率比例取决于入射激光束3的偏振：如果入射激光束3是椭圆偏振的，那么寻常射束形式的部分射束5a与非寻常射束形式的部分射束5b的功率比率可以分别通过入射激光束3在X方向上和Y方向上的半轴之比来调设。在非偏振、线性偏振或圆偏振入射激光束3的情况下，功率比例可以可选地通过相对于XZ平面的不同定向来调设。使用非偏振或圆偏振输入激光束3是有利的，尤其是如果在加工期间应旋转优选方向的情况下(见下文)。

在图1b所示的偏振器元件1b的情况下，射束入射表面2a和射束出射表面2b彼此平行地定向，并且双折射晶体材料的光轴4相对于射束入射表面2a以45°角定向。在这种情况下，垂直照射到射束入射表面2a的输入射束3在射束入射表面2a处被分离为寻常射束形式的第一部分射束5a和非寻常射束形式的第二部分射束5b。两个部分射束5a、5b平行射出，即没有角度偏移，但是在射束出射表面2b处具有位置偏移Δx。

在图1c所示的偏振器元件1c的情况下，射束入射表面2a相对于光轴6以一个角度定向，而射束出射表面2b垂直于光轴6定向。在所示示例中，晶体材料的光轴4相对于射束出射表面2b以45°角定向，但也可以以不同角度定向。在这种情况下，垂直于射束出射表面2b照射的输入射束3在射束入射表面2a被分离为寻常射束形式的第一部分射束5a和非寻常射束形式的第二部分射束5b。两个部分射束5a、5b在射束出射表面2b处以角度偏移Δα和位置偏移Δx射出。

因此，图1a至图1c所示的双折射偏振器元件1a、1b、1c的根本性不同在于：图1a所示的偏振器元件1a产生角度偏移Δα(没有位置偏移)，图1b所示的偏振器元件1b产生位置偏移Δx(没有角度偏移)，而图1c所示的偏振器元件1c产生位置偏移Δx和角度偏移Δα。

例如，图1a至图1c所示的偏振器元件1a至1c可以分别形成偏振器装置7(比如图2a、图2b所示)的部件。图2a、图2b中的偏振器装置7分别具有附加的光学元件8，该附加的光学元件是非双折射的、光学各向同性的光学元件。在图2a所示的偏振器装置7的情况下，偏振器元件1a如图1a所示配置并且用于产生角度偏移Δα而不产生位置偏移。如在图2a并且尤其是在图1a中可以看出，两个部分射束5a、5b被双折射光学元件1a沿着相同方向折射不同程度，即，两个部分射束5a、5b在从双折射偏振器元件1a射出时都不平行于光轴6延伸。

如果整个偏振器装置7借助旋转驱动器9围绕光轴6旋转，如图2a所示，这被证明是不利的，因为这可能导致两个部分射束5a、5b围绕光轴6的不想要的射束摆动(Strahltaumeln)。为了避免这种情况，在图2a所示的偏振器装置7的情况下，另外的楔形光学元件8与偏振器元件1a彼此协调，使得两个部分射束5a、5b之一(在所示示例中为非寻常射束形式的第二部分射束5b)平行于光轴6定向，例如，该另外的楔形光学元件的光学各向同性材料可以是合成石英玻璃(“熔融石英”)。

为了实现这一点，楔形光学各向同性元件8的楔角γ_K——考虑到所用材料的相应折射率——匹配于双折射偏振器元件1a的射束出射表面2b的楔角γ_p，使得第二部分射束5b在进入光学各向同性元件8时如此被折射，使得它平行于光轴6定向，即α_eo＝0°。由于双折射偏振器元件1a与光学各向同性元件8之间的间距小，第二部分射束5b几乎完全沿着光轴6延伸，即，所述部分射束距光轴6仅有很小的间距；另参见图2a中右侧的图示，其示出了两个部分射束5a、5b在垂直于光轴6的XY平面内的俯视图。两个部分射束5a、5b之间的角度偏移Δα在穿过光学各向同性元件8时得到维持。如果光学各向同性元件8围绕Y轴旋转或倾斜，则第二部分射束5b可以恰好定位在光轴6上。以类似于倾斜平面-平行光学元件的情况的方式，在这种情况下，两个部分射束5a、5b出现了附加平行偏移，该附加平行偏移可以如此选择，使得第一部分射束5a沿着光轴6延伸。

通常，与光轴6重合的(XYZ坐标系的)旋转轴Z是固定预给定的，并且通过选择楔形光学各向同性元件8的位于XZ平面内的楔角γ_K(图2a所示)且还通过选择双折射偏振器元件1a的楔角γ_p，两个部分射束5a、5b可以定位在X方向上在相对于旋转轴Z的任意间距处。非寻常射束形式的第二部分射束5b与光轴6之间的间距X_eo取决于楔形光学各向同性元件8的楔角γ_K，并且在所示示例中不取决于在Z方向上的位置，因为第二部分射束5b平行于光轴6定向。两个部分射束5a、5b之间的位置偏移ΔX取决于双折射偏振器元件1a的楔角γ_p并且还取决于在Z方向上的位置。

除了两个部分射束5a、5b在X方向上的定位之外，在图2a所示的其中光学各向同性元件8在ZY平面中具有附加的楔角γ_K‘(参见图2a的底部)的示例的情况下，两个部分射束5a、5b也可以在YZ平面中共同偏转。如在图2a中的右下方处可以看出，以这种方式可以预给定两个部分射束5a、5b与光轴6之间在Y方向上的(相同的)间距Y_o、Y_eo，该间距取决于在Z方向上的位置。

图2a所示的使用仅产生角度偏移Δα但不产生位置偏移的双折射偏振器元件1a的偏振器装置7可以以紧凑的设计实现，并且已被证明在需要偏振器装置7围绕旋转轴Z旋转的应用中尤其有利。例如，偏振器装置7可以以尤其简单的方式集成到机械支架中。此外，由于其他原因，在此类应用中，与使用图1b所示的偏振器元件1b相比，使用偏振器元件1a已被证明是有利的。

图2b示出了具有如图1c所示产生不仅位置偏移Δx而且角度偏移Δα的双折射偏振器元件1c的偏振器装置7。在图2b所示的偏振器元件1c的情况下，双折射晶体的光轴4相对于射束入射表面2a以45°定向。射束出射表面2b处的位置偏移Δx取决于双折射晶体的光轴4的定向，并且在如图所示的以45°定向的情况下最大。在图2b所示的偏振器装置7的情况下同样地，两个部分射束5a、5b之一也在光学各向同性楔形元件8处平行于光轴6定向。然而，与图2a所示的示例相比，此处涉及的部分射束是寻常射束形式的第一部分射束5a。如在图2b中同样可以看出，两个部分射束5a、5b均在光学各向同性元件8处朝向光轴6折射。寻常射束形式的第一部分射束5a在光学各向同性元件8后方平行于光轴6延伸，而非寻常射束形式的第二部分射束5b在穿过光学各向同性元件8之后，朝向光轴6延伸并与光轴以α_eo角相交。

图3a、图3b分别示出了构造用于使两个部分射束5a、5b彼此平行地定向的偏振器装置7。为此目的，图3a、图3b所示的偏振器装置7具有图2a所示的、由双折射偏振器元件1a和光学各向同性元件8组成的装置、以及在射束路径10中设置在后方的射束偏移光学器件9，所述射束偏移光学器件具有另外的双折射光学元件11以及在射束路径10中设置在后方的另外的光学各向同性元件12。射束偏移光学器件9的另外的双折射光学元件11用于使两个部分射束5a、5b在从另外的双折射光学元件11射出时彼此平行地定向。彼此平行地定向的两个部分射束5a、5b在另外的光学各向同性元件12的射束入射表面处被折射，并且在此平行于光轴6定向，使得两个部分射束5a、5b相对于光轴6分别具有0°的角α_o和α_eo。

在图3a所示示例的情况下，另外的双折射光学元件11与另外的光学各向同性元件12之间沿着光轴6的间距如此选择，使得第二部分射束5b恰好定位在光轴6上。此外，借助图3a所示的偏振器装置7，两个部分射束5a、5b可以彼此平行地定向，使得在从偏振器装置7射出时，它们相对于彼此具有射束偏移Δx‘但没有角度偏移，而无需为此目的而必须使用产生位置偏移Δx而没有角度偏移Δα的双折射偏振器元件1b。

通过改变光学各向同性元件8与射束偏移光学器件11之间沿着光轴6(在Z方向上)的间距，可以调设在从偏振器装置7射出时的射束偏移Δx‘。如果以适当的方式附加地匹配射束偏移光学器件11的另外的双折射光学元件11与另外的光学各向同性元件12之间在Z方向上的间距，则第二部分射束5b可以总是定位在光轴6上。

作为如图3a所示的将第二部分射束5b定位在光轴6上的替代方案，两个部分射束5a、5b均可以定位在距光轴6相同的间距X_o、X_eo处，如图3b所示。为此目的，需要适当地选择或匹配另外的双折射光学元件11与另外的光学各向同性元件12之间在Z方向上的间距。在这种情况下，如上文已经进一步描述的，可以通过改变光学各向同性元件8与射束偏移光学器件11之间沿着光轴6(即在Z方向上)的间距来调设两个部分射束5a、5b在从偏振器装置7射出时的射束偏移Δx‘并且因此调设它们距光轴6的间距。

图3c示出了具有构造用于除了产生角度偏移Δα之外还产生位置偏移Δx的双折射偏振器元件1c的偏振器装置7。偏振器装置7包括另外的光学元件13，该另外的光学元件以双折射方式构造，以便使第一部分射束5a平行于光轴6(α_o＝0°)定向并且将其定位在光轴6上。在另外的双折射光学元件13处，非寻常射束形式的第二部分射束5b朝向光轴6折射并与其形成角α_eo。

图4所示的偏振器装置7具有如图1b中那样构造并且产生位置偏移Δx而没有角度偏移Δα的双折射偏振器元件1b。另外的双折射光学元件13在射束路径10中布置在双折射偏振器元件1b后方，相对于光轴6分别以0°的角α_o和α_eo定向的两个部分射束5a、5b被所述光学元件折射不同程度，使得它们分别在穿过另外的双折射光学元件13之后相对于光轴6分别成角度α_o和α_eo。此处，角度α_eo小于角度α_o，非寻常射束形式的第二部分射束5b相对于光轴6以该角度α_eo延伸，第一部分射束5a相对于光轴6以该角度α_o延伸。由于两个部分射束5a、5b之间的位置偏移Δx，它们在偏振器装置7后方的预给定间距处相交，如同样可以在图4中看出。图4所示的偏振器装置7具有类似于图3c所示的偏振器装置7的特性。然而，在图4所示的偏振器装置7的情况下，双折射偏振器元件1b与另外的双折射光学元件13之间在Z方向上的间距可以自由地选择，结果是该偏振器装置7对公差不太敏感。

与图3c和图4所示相比，两个部分射束5a、5b相对于光轴6定向的平均角度1/2(α_o+α_eo)也可以为0°(α_o＝-α_eo)。在这种情况下，两个部分射束5a、5b关于ZY平面镜像对称地延伸。

图5a至图5c分别示出了构造用于改变由相应的双折射偏振器元件1a、1b预给定的恒定的角度偏移Δα和/或恒定的位置偏移Δx的偏振器装置7。为此目的，图5a至图5c中的偏振器装置7分别具有另外的双折射光学元件13。

在图5a所示的偏振器装置7的情况下，双折射偏振器元件1b构造用于在两个部分射束5a、5b之间产生恒定的位置偏移Δx(没有角度偏移)，并且另外的双折射光学元件13也构造用于产生位置偏移(没有角度偏移)。该偏振器装置具有旋转驱动器14a，该旋转驱动器构造用于使另外的光学元件13围绕对应于光轴6的旋转轴Z旋转。通过使另外的双折射光学元件13围绕旋转轴Z以相应的可调节的旋转角度

旋转，可以调设两个部分射束5a、5b之间的由偏振器装置7产生的位置偏移Δx‘，如可以在图6a中看出。

在图5a所示示例的情况下，例如呈适当定向的λ/2延迟板的形式的偏振影响光学元件15布置在另外的双折射光学元件13前方。这是有利的，因为对于双折射偏振器元件1b和另外的双折射光学元件13的光轴4不位于一个平面内的情况，在一般情况下形成四个部分射束5a至5d，而不是两个部分射束，如图5a中的虚线所示。如果在另外的双折射光学元件13的旋转时，λ/2延迟板15相应地伴随地旋转(以一半的旋转角度)，则可以实现的是，在另外的双折射光学元件13的旋转时，输入激光束的功率也仅在两个部分射束5a、5b之间分配。

对于偏振影响光学元件15构造为λ/4延迟板的情况，从双折射偏振器元件1b射出之后被线性偏振的两个部分射束5a、5b可以被转换为圆偏振部分射束。借助λ/4延迟板15或借助其他偏振影响光学元件，输入激光束的功率可以以有针对性的方式在两个部分射束5a、5b之间分配。

还可以借助λ/4延迟板15以有针对性的方式执行级联射束分离，以便产生四个部分射束5a至5d，例如，如图5a所示。在λ/4延迟板15相对于另外的双折射光学元件13适当定向的情况下，在这种情况下，输入激光束的功率也可以在四个部分射束5a至5d之间均匀分配。对于发生这种分离时偏振影响光学元件13借助旋转驱动器14a旋转，以便调设部分射束5a至5d之间在X方向上的间距或射束偏移ΔX的情况，典型地不需要λ/4延迟板15相应地伴随地旋转来维持均匀分离的效果。

由另外的双折射光学元件13和布置在其前方的例如呈λ/4延迟板形式的偏振影响光学元件15组成的装置可以进行级联，即，图5a中由虚线框包围的装置可以在射束路径中重复布置N次，以便从一个输入激光束产生M＝2^N+1的M个部分射束。

取决于两个双折射光学元件7、13相对于彼此的旋转角度

或取决于双折射光学元件7、13的光轴4相对于彼此的定向，四个部分射束5a至5d可以再次共线叠加，如图5a所示。如果所有四个或更多个部分射束5a至5d应共线布置并沿着共同的优选方向(例如X方向)延伸，则典型地需要在级联时将所有另外的双折射光学元件13的光轴4布置在共同平面中。如果借助相应的λ/4延迟板15产生圆偏振部分射束，则在这种级联的情况下，也可以在所有M＝2^N+1个部分射束之间实现均匀的功率分配。

在图5b所示的偏振器装置7的情况下，另外的双折射光学元件13同样可借助旋转驱动器14相对于双折射偏振器元件1a围绕光轴6旋转，以便调设或改变由偏振器装置7产生的角度偏移Δα‘。在图5b所示的偏振器装置7的情况下，双折射偏振器元件1a构造用于产生恒定的角度偏移Δα，并且由偏振器装置7产生的角度偏移Δα‘可以根据另外的双折射光学元件13的旋转角度

来调设，如图6b所示。为了避免在旋转时在四个部分射束5a至5d之间的分离，在图5b所示的示例的情况下，也可以在另外的双折射光学元件13前方布置偏振影响光学元件15。

在图5c所示的偏振器装置7的情况下，另外的双折射光学元件13可借助平移驱动器14b沿着光轴6移位。如图5b所示，双折射偏振器元件1a构造用于产生恒定的角度偏移Δα(没有位置偏移)。借助另外的楔形双折射光学元件13，(恒定的)角度偏移Δα被转换为位置偏移Δx‘，该位置偏移的量值取决于双折射偏振器元件1a与另外的双折射光学元件13之间的间距，该间距借助平移驱动器15来改变。

在图5a至图5c所示的示例中，在最简单的情况下，相应的双折射偏振器元件1a、1b和另外的双折射光学元件13可以在结构上相同地构造。

上面进一步展示的所有偏振器装置7可以形成加工光学器件16的部件，该加工光学器件可以例如如图7a、图7b所示构造。图7a、图7b所示的加工光学器件16包括聚焦光学器件17，该聚焦光学器件用于将两个部分射束5a、5b聚焦在焦平面18的区域中，该焦平面位于图2a、图2b中要加工的工件19的上侧。与图7a、图7b中的图示相反，焦平面18在加工光学器件16的射束路径10中也可以位于正好工件19前方、在工件19内的平面中或正好在工件19后方。照射在偏振器装置7的双折射偏振器元件1a至1c上的输入激光束3对应于由激光源20产生的并进入加工光学器件16的激光束21。图7a、图7b所示的加工光学器件16构造用于将两个部分射束5a、5b聚焦到焦平面18中的或其附近的两个聚焦区22a、22b上，这两个聚焦区彼此部分重叠并且在图7a、图7b中用黑色圆圈和白色圆圈表示。图7a所示的加工光学器件16与激光源11一起形成了用于加工工件19的、例如呈烧蚀激光加工的形式的激光加工设备23。为此目的，加工光学器件16可以相对于工件19移动和/或包括用于将部分射束5a、5b定向至焦平面18的区域中的不同位置上的扫描仪装置。

在图7a所示的加工光学器件6的情况下，来自图2a的具有双折射偏振器元件1a和另外的光学各向同性元件8的偏振器装置7布置在相对于焦平面18光学共轭的平面24中或附近。光学共轭平面24通过由聚焦光学器件17产生的角度到位置变换(傅里叶变换)与焦平面18相关。光学共轭平面24中的角度对应于焦平面18中的位置，并且反之亦然。从偏振器元件1a射出的具有角度偏移Δα的两个部分射束5a、5b因此以焦平面18中聚焦区22a、22b的两个中心的位置偏移ΔX“进行聚焦，该位置偏移小于聚焦区22a、22b的直径，使得两个聚焦区22a、22b彼此重叠。由于从偏振器元件1a射出的两个部分射束5a、5b不存在位置偏移，因此两个部分射束5a、5b在穿过聚焦光学器件17之后平行于和垂直于焦平面18定向。在图7a所示的示例中，焦平面18与光学共轭平面24之间的间距为2f，其中f表示聚焦光学器件17的焦距。

图7b所示的加工光学器件16包括另外的成像光学器件25，该另外的成像光学器件在射束路径10中布置在该聚焦光学器件17前方。另外的成像光学器件25与聚焦光学器件17一起将两个部分射束5a、5b映射到焦平面18中，所述部分射束是以可变的位置偏移Δx‘在图5a中的偏振器装置7的双折射偏振器元件1b处产生的，所述偏振器元件在射束路径10中布置在该另外的成像或准直光学器件25前方。映射到焦平面18中时的映射比例尺在此如此选择，使得两个部分射束5a、5b的直径和在焦平面8中两个部分射束5a、5b之间的间距Δx“减小。在图7b所示的示例中，为简化起见，偏振器元件1b布置在与焦平面18相对应的另外的平面24中、距焦平面18 4f的间距处。通常，另外的光学器件25和聚焦光学器件17具有不同的焦距f₁、f₂，即另外的平面24布置在间距2(f₁+f₂)处。通过选择合适的不同焦距f₁、f₂，可以调设映射比例尺，例如以便实现上文进一步描述的减小。

另外的平面24中的空间分布对应于焦平面18中的空间分布(借助比例尺的匹配)。由于偏振器元件1b布置在进入加工光学器件16的激光束21的经准直射束路径10中，因此所述偏振器元件不是绝对需要定位在另外的平面24中；而是，所述偏振器元件在射束路径10中也可以布置在该另外的平面24前方或后方。

图7a、图7b中的加工光学器件16还包括射束整形光学器件26，该射束整形光学器件用于将进入加工光学器件16的激光束(该激光束在所示示例中与由激光源20产生的具有高斯形射束剖面的激光束21相协调)转换为照射到偏振器装置7上的、具有准非衍射射束剖面、更准确地说具有类贝塞尔射束剖面的输入激光束3。

类贝塞尔射束剖面可以相对于传播方向旋转对称，但是射束整形光学器件26也可以产生具有优选方向的非旋转对称的射束剖面，即，射束整形光学器件26以分束器光学器件的方式起作用。还可以借助射束整形光学器件26产生其他或更复杂的射束剖面，例如非衍射射束剖面，比如艾里射束剖面、马蒂厄射束剖面、射束均匀化、涡流的产生、瓶(Bottle)的产生......射束整形光学器件26可以构造为衍射光学元件、轴棱镜、......或这些元件的组合。射束整形光学器件26也可以构造为具有轴棱镜功能的衍射光学元件。

在本示例中，在射束整形光学器件26后方存在一种射束剖面，该射束剖面对应于基本上旋转对称的贝塞尔射束，即对应于在横向方向上呈贝塞尔函数形式的径向强度轮廓。

图7a所示的加工光学器件16另外包括成像或准直光学器件25，该成像或准直光学器件在射束路径10中布置在射束整形光学器件26与偏振器装置7的偏振器元件1a之间并且用于获得减小的成像。在图7a中，在偏振器元件1a的位置处存在类贝塞尔射束剖面的远场。产生呈类贝塞尔射束形式的射束剖面已被证明对于切割由透明材料例如由玻璃生产的工件19是有利的，并且其中，沿着预给定方向的切割和(如果必要时)裂纹引导是有利的，该预给定方向可以对应于图7a、图7b所示的优选方向X，但也可以相对于优选方向X以预给定角度定向，或者必要时形成偏离于线的预给定轮廓。穿透到工件19中的部分射束5a、5b的纵向射束剖面在相对长的长度上几乎均匀地延伸的事实也有助于切割(如果必要时带有裂纹形成)，并且因此有助于玻璃材料的切割加工。

借助加工光学器件16的分束器光学器件(所述分束器光学器件未在图7a、图7b中图示)，可以在焦平面18的区域中产生沿着优选方向X彼此紧挨着布置的多对聚焦区22a、22b，相邻部分射束5a、5b的聚焦区22a、22b彼此部分重叠并形成连续的相互作用区域27，该相互作用区域在所示示例中沿着优选方向X延伸。如上文进一步描述的，相互作用区域27也可以沿着非直线轮廓延伸，该非直线轮廓尤其也可以在Z方向上延伸到工件19的体积中。对于借助分束器光学器件进行射束分离的细节以及对于借助射束整形光学器件26产生的横向射束剖面和纵向射束剖面的细节，应参考开篇引证的DE 10 2019 205 394.7。

图7a、图7b中示意性展示的加工光学器件16的射束路径10在图8a至图8c中以更写实的方式展示。在此，图8a示出了没有偏振器装置7的射束路径10，即，仅有射束整形光学器件26，该射束整形光学器件由进入加工光学器件16的激光束12产生类贝塞尔射束剖面。为此目的，射束整形光学器件26可以具有轴棱镜形式的折射光学元件，但是代替轴棱镜，也可以使用衍射光学元件作为射束整形光学器件26。尤其是在使用衍射光学元件的情况下，还可以产生具有优选方向(X方向)的类贝塞尔射束剖面，其中多个部分射束5a、5b成对地彼此重叠(参见图7a、图7b)，即，射束整形光学器件26以分束器光学器件的方式起作用。

图8b示出了图7a中的加工光学器件16，该加工光学器件另外包括图2a中的具有偏振器元件1a和另外的光学各向同性元件8的偏振器装置7，该偏振器装置在射束路径10中布置在射束整形光学器件26后方，并且将输入激光束3分离为彼此垂直地偏振的两个部分射束5a、5b，以便产生在纵向方向Z上延伸的相互作用区域27，如图8a所示。如在图8a中可以看出，相互作用区域27具有优选方向X，这两个部分射束5a、5b或两个聚焦区22a、22b沿着该优选方向具有相对于彼此的位置偏移Δx“。

图8c所示的加工光学器件16与图8b所示的加工光学器件16的不同之处在于偏振器装置7，其如图3c中所示地构造。偏振器装置7包括产生不仅位置偏移Δx而且角度偏移Δα两者的双折射偏振器元件1c、以及另外的双折射光学元件13。

在图8b、图8c中，聚焦光学器件17仅以举例方式被展示为透镜元件，并且通常包括一起形成物镜的多个光学元件。除了面向工件19的前焦平面18之外，聚焦光学器件17还具有面向偏振器装置7的后焦平面18a。

图8b、图8c所示的加工光学器件16的相应偏振器装置7使得能够将两个部分射束5a、5b之一定位在光轴6上，但这不是绝对必要的。如上文已经进一步描述的，如果偏振器装置7——典型地与射束整形光学器件26一起——借助旋转驱动器9围绕加工光学器件16的光轴6旋转以便在工件19的加工期间改变(旋转)在XY平面中优选方向的位置，则这对于防止射束摆动是有利的。

尤其是，通常需要高能量密度的玻璃切割或玻璃切割应用可以尤其有利地借助图8a至图8c所示的加工光学器件16执行。在这种应用中，典型地使用具有单脉冲或具有突发脉冲(例如突发的2至6个脉冲，突发脉冲间隔为2ns至150ns，优选地13ns至40ns)的激光束21。单脉冲或突发脉冲有利地具有在200fs至20ps之间、尤其是在300fs至20ps之间的脉冲持续时间，即，激光源20构造为超短脉冲激光源。脉冲能量(总突发或单脉冲中的)优选地在10μJ至10mJ之间、尤其是在30μJ至1mJ之间。相互作用区域27的相邻聚焦区22a、22b之间的空间脉冲间距或修正间距典型地在大约0.8μm至大约30μm之间。

图8a至图8c所示的加工光学器件16的一个主要优点是偏振器装置7可以布置得相对远离聚焦光学器件17的后焦平面18a。在聚焦光学器件17的后焦平面18a中，出现的能量密度(Fluenzen)非常高，尤其是在准贝塞尔情况下，因为在这种情况下在那里构造聚焦环。由于偏振器装置7、更准确地说是偏振器装置7的最后一个光学元件8、13与后焦平面18a之间的相对较大的间距(该间距典型地至少等于聚焦光学器件17的后焦距)，因此通常可以避免由于过高的能量密度而损坏偏振器装置7。此外，后焦平面18a不具有良好的机械可达性，尤其是在聚焦光学器件17的短焦距情况下。

取决于应用可能是有意义的是，在焦平面18中分别产生左旋和右旋圆偏振部分射束5a、5b代替线偏振部分射束5a、5b。为此目的，可以将例如呈λ/4板形式的延迟元件在射束路径10中布置在该偏振器装置7后方的合适位置处。

Claims (16)

1.一种用于工件加工的加工光学器件(16)，包括：

偏振器装置(7)，所述偏振器装置包括双折射偏振器元件(1a，1b，1c)，所述双折射偏振器元件用于将尤其是脉冲式的至少一个输入激光束(3)分离为至少两个部分射束(5a，5b)，所述部分射束分别具有两个不同偏振状态(s，p)中的一个偏振状态，以及

聚焦光学器件(17)，所述聚焦光学器件在所述射束路径(10)中布置在所述偏振器装置(7)后方，并且用于将所述部分射束(5a，5b)聚焦到至少两个聚焦区(22a，22b)上，

其特征在于，

所述偏振器装置(7)具有至少一个另外的光学元件(8，11至13)，所述至少一个另外的光学元件在所述射束路径(10)中布置在所述双折射偏振器元件(1a，1b，1c)后方，并且用于改变所述部分射束(5a，5b)中的至少一个部分射束相对于所述加工光学器件(16)的光轴(6)的角度(α_o，α_eo)和/或间距(x_o，x_eo)。

2.根据权利要求1所述的加工光学器件，其中，所述偏振器元件(1a-c)构造用于在具有不同偏振状态(s，p)的所述部分射束(5a，5b)之间产生位置偏移(Δx)和/或角度偏移(Δα)。

3.根据权利要求2所述的加工光学器件，其中，所述偏振器元件(1a，1c)构造用于在具有不同偏振状态(s，p)的所述部分射束(5a，5b)之间产生角度偏移(Δα)，其中，所述另外的光学元件(8，11至13)构造用于改变所述两个部分射束(5a，5b)中的一个部分射束相对于所述光轴(6)的角度(α_eo，α_o)，以便使所述部分射束(5a，5b)平行于所述光轴(6)定向。

4.根据权利要求3所述的加工光学器件，其中，所述另外的光学元件(8)以光学各向同性方式构造，其中，所述偏振器元件(1a)优选地构造用于产生角度偏移(Δα)而不产生位置偏移(Δx)。

5.根据权利要求3或4所述的加工光学器件，其中，所述偏振器装置(7)具有射束偏移光学器件(9)，所述射束偏移光学器件具有另外的双折射元件(11)，以便使所述两个部分射束(5a，5b)彼此平行地定向。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的加工光学器件，其中，所述偏振器装置(7)构造用于，将所述部分射束(5a，5b)中的一个部分射束定位在所述光轴(6)上，或者将所述两个部分射束(5a，5b)定位在距所述光轴(6)相同的间距(x_o，x_eo)处。

7.根据权利要求6所述的加工光学器件，其中，所述双折射偏振器元件(1c)构造用于，除了产生所述角度偏移(Δα)还附加地产生位置偏移(Δx)，其中，所述另外的光学元件(13)以双折射方式构造，以便将所述部分射束(5a)定位在所述光轴(6)上。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的加工光学器件，其中，所述偏振器装置(7)构造用于改变所述两个部分射束(5a，5b)之间的角度偏移(Δα‘)和/或位置偏移(Δx‘)。

9.根据权利要求8所述的加工光学器件，其中，所述另外的光学元件(13)以双折射方式构造，并且为了改变所述两个部分射束(5a，5b)之间的角度偏移(Δα)和/或为了改变所述两个部分射束(5a，5b)之间的位置偏移(Δx)，能够沿着所述加工光学器件(16)的光轴(6)移位和/或能够围绕所述加工光学器件(16)的光轴(6)旋转。

10.根据前述权利要求中任一项所述的加工光学器件，其中，所述另外的光学元件(13)以双折射方式构造，其中，在所述另外的光学元件(13)前方布置偏振影响光学元件(15)、尤其是λ/4延迟板或λ/2延迟板。

11.根据前述权利要求中任一项所述的加工光学器件，进一步包括：射束整形光学器件(26)，所述射束整形光学器件用于将具有高斯形射束剖面的入射激光束(21)转换为具有准非衍射射束剖面、尤其是具有类贝塞尔射束剖面的射出激光束(3)。

12.根据权利要求11所述的加工光学器件，其中，所述射束整形光学器件(26)构造用于产生非旋转对称的准非衍射射束剖面，所述非旋转对称的准非衍射射束剖面优选地具有优选方向(X)。

13.根据前述权利要求中任一项所述的加工光学器件，所述加工光学器件构造用于将所述部分射束(5a，5b)聚焦到连续的相互作用区域(27)的至少部分重叠的聚焦区(22a，22b)中，其中，优选地，分别具有不同偏振状态的部分射束(5a，5b)尤其沿着所述优选方向(X)被聚焦到所述连续的相互作用区域(27)的相邻聚焦区(22a，22b)中。

14.根据前述权利要求中任一项所述的加工光学器件，进一步包括：旋转驱动器(9)，所述旋转驱动器用于使所述偏振器装置(7)和/或所述射束整形光学器件(26)围绕旋转轴(Z)旋转。

15.一种激光加工设备(23)，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的加工光学器件(16)，

以及激光源(20)、尤其是超短脉冲激光源(20)，所述激光源用于产生激光束(21)、尤其是具有高斯形射束剖面的激光束(21)。

16.一种用于借助加工光学器件(16)对工件(19)进行激光加工的方法，包括：

在偏振器装置(7)的双折射偏振器元件(1a，1b，1c)处将尤其是脉冲式的至少一个输入激光束(21)分离为至少两个部分射束(5a，5b)，所述部分射束分别具有两个不同偏振状态(s，p)中的一个偏振状态，以及

借助所述加工光学器件(16)的聚焦装置(17)将所述部分射束(5a，5b)聚焦到所述工件(9)的区域中的聚焦区(22a，22b)上，

其特征在于，

在所述偏振器装置(7)的、在所述射束路径(10)中布置在所述双折射偏振器元件(1a，1b，1c)后方的至少一个另外的光学元件(8，11至13)处，改变所述部分射束(5a，5b)中的至少一个部分射束相对于所述加工光学器件(16)的光轴(6)的角度(α_o，α_eo)和/或间距(x_o，x_eo)。

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