CN116997433A - 用于激光材料加工的组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于激光材料加工的组件具有至少激光束源(5)、分束装置(6)、带有多个声光调制器(4)的调制装置以及动态光束偏转装置(9)。通过分束装置(6)将准直激光束(10)二维地分成多个子光束(1)，所述子光束至少在第一维度上彼此不平行地延伸。在分束装置(6)和调制装置之间布置用于使子光束(1)在所述第一维度上平行的光学组件。所述光学组件具有多个棱镜(12)的组件，该组件设计并且布置为使得所述子光束(1)在穿过所述棱镜(12)时分别通过两次折射在所述第一维度上彼此平行地定向。由此子光束(1)的准直在声光调制器(4)中保持不变，从而使在声光调制器(4)中的调制能够以最大效率进行。这种组件由此也能够以紧凑的结构形式实现。

Description

用于激光材料加工的组件
技术领域
本发明涉及一种用于激光材料加工的组件，其至少具有：激光束源，所述激光束源发射准直激光束；分束装置，所述分束装置将准直激光束二维地分成多个子光束；调制装置，所述调制装置用于彼此无关地调制各个子光束；以及动态光束偏转装置，借助所述动态光束偏转装置能够将子光束在两个彼此垂直的方向上动态地偏转并且可以引导到加工平面上。
激光被使用在材料加工的多个技术领域中，例如用于表面结构化、用于接合或切割或者也被使用在增材制造的领域中。可供激光材料加工使用的激光束源，特别是用于超短脉冲的激光辐射的激光束源被提供越来越高的功率。然而由材料决定地限制了用于工件上的激光光斑的最大功率。为了高效地利用高的激光功率，总功率因此通常被分配给多个子光束。通过呈由多个行和列构成的矩阵形式的、激光光斑的二维布置还可以进行快速的材料加工。这为了获得加工过程的灵活性而要求单独地接通和阻断每个单个的子光束的可能性。为此通常使用声光调制器(AOM)。光束偏转的切换速度和衍射效率在声光调制器中强烈地与光束直径、光束到声光调制器的晶体上的入射角以及光束发散度相关。因此使光束直径保持为尽可能小的。光束直径的下限由声光调制器的损坏极限确定。
背景技术
由S.Bruening等，“Ultra-fast multi-spotparallel processing offunctionalmicro-and nano scale structures on embossing dies with ultrafastlasers”，Lasersin Manufacturing Conference 2017例如公知了一种用于激光材料加工的激光组件，其中，来自激光束源的准直激光束借助分束装置被分成多个子光束，所述子光束然后通过傅里叶透镜彼此平行地定向并且被引导通过多通道的声光调制器。分束在此仅仅在一个平面中进行，从而一维的光斑矩阵在加工平面中被产生。声光调制器在此位于设计有傅里叶透镜的中继光学器件的中间焦点中。借助所述布置可以通过相应地设计的分束装置和多个多通道的声光调制器在所述加工平面中产生二维光斑矩阵。多通道的声光调制器可以使在一个平面中传播的多个子光束彼此无关地偏转。因此在二维的光束矩阵中需要多个多通道的调制器。然而由设计方式决定地在调制器之前的光学器件由此是非常宽的，因此需要大的、通常非常成本高的透镜用于光束成形。此外，子光束在上述解决方案中在声光调制器中由于中间焦点而具有发散度，在所述发散度下，在调制器的中心中的光束直径小于在晶体的入射平面和射出平面处的光束直径。这减小了衍射效率并且声光调制器的切换时间变长。
发明内容
本发明的任务在于，给出一种用于借助二维的光束矩阵来激光材料加工的组件，所述组件实现高效地调制各个光束并且可以更紧凑地实现。
该任务借助根据权利要求1所述的用于激光材料加工的组件来解决。所述组件的有利的设计方案是从属权利要求的内容或者可以由下述说明书以及实施例获知。
所提出的用于激光材料加工的组件至少具有发射准直激光束的激光束源、分束装置、第一光学组件、调制装置和动态光束偏转装置。激光束源可以例如由激光器构成，所述激光器具有布置在其前面的准直光学器件。当然也可以使用已经发射准直激光束的激光器。分束装置设计为使得其将准直激光束二维地、即在两个彼此垂直的方向(在下文中也称为x和y方向)上分成多个子光束，所述子光束在至少一个第一维度上彼此不平行地延伸。优选地，在此在所述第一维度上产生至少4个不平行延伸的子光束、即至少一个4xN光束矩阵(具有N≥2)。第一光学组件设计并且布置为使得其在不影响各个子光束的准直的情况下将子光束在所述第一维度上彼此平行地定向。与第一光学组件衔接的调制装置具有多个声光调制器，所述声光调制器在所述第一维度上多通道地设计，并且借助所述声光调制器可以彼此无关地调制各个子光束。借助动态光束偏转装置、例如2D检流计式扫描器然后将子光束在两个彼此垂直的方向上动态地偏转并且引导到加工平面上。在动态光束偏转装置和加工平面之间通常布置用于将子光束聚焦到加工平面上的聚焦光学器件、例如平场聚焦透镜。通过在声光调制器中调制子光束可以将各个激光光斑在所述加工平面中彼此无关地接通和阻断。所提出的组件的特征在于，第一光学组件具有多个第一棱镜，所述第一棱镜设计并且布置为使得其将子光束在穿过棱镜时分别通过(在棱镜的入射面和射出面上)两次折射而在所述第一维度上彼此平行地定向。也就是说，子光束的所述定向不是通过在棱镜子上反射进行，而是单独地通过两次折射进行。其传播方向必须与平行的定向匹配的每个子光束在此被配置所述棱镜中的一个棱镜。优选地，相应地对于一个光束平面的所有子光束使用一个共同的棱镜，该光束平面相应地垂直于第一维度延伸。因此，例如在8x8光束矩阵的情况中每个棱镜使所述光束平面的所有8个子光束同时转向。也就是说，在这种情况中总共需要用于64个子光束的8个棱镜。
通过使用用于使光束在下文中相应于x方向的第一维度上平行的棱镜来获得各个子光束的准直，从而所述子光束在声光调制器中不再具有发散度。以所述方式可以实现声光调制器中的最大切换效率并且将每个子光束的可能的最大功率传输到加工平面中。此外与在使用中继光学器件的情况中相比，通过使用用于使光束平行的棱镜实现更紧凑的组件。棱镜在此优选地设计为使得其在没有附加的部件的情况下可以彼此粘接或接合成棱镜堆。棱镜特别是具有带有平行的上侧和下侧的梯形的基面，所述上侧和下侧又平行于光轴。
在一个有利的设计方案中，棱镜在形成棱镜堆的情况下刚性地彼此连接、例如粘接或接合。由此基于减少棱镜自由度而显著地简化组件的调整。优选地，第一光学组件附加地具有无焦望远镜，通过所述第一望远镜将子光束的光束直径调设、特别是减小到在声光调制器中所需要的(并且还可靠的)大小。无焦望远镜也被使用用于将在分束装置之后彼此发散的(然而所有还准直的)子光束更强地从彼此分离(发散角直接与望远镜的减小系数相关)。分束装置可以例如通过如同由现有技术公知的至少一个衍射光学元件(DOE)构成。
通过使子光束在所述第一维度(x方向)上平行使所述子光束彼此平行地射到相应的(在这个维度上)多通道的声光调制器，所述声光调制器的晶体入射面(通过围绕x轴旋转)在布拉格角下相对于射入的子光束布置。在垂直于所述第一维度的、在下文中相应于y方向的第二维度上不使子光束平行。对于具有在所述第一维度上平行的子光束的每个光束平面使用多通道的声光调制器。通过在分束装置和动态光束偏转装置之间使用多个光束转向元件、特别是镜子可以产生折叠的光路，所述折叠的光路实现所述组件的更加紧凑的实施方案。光束转向在此优选地在垂直于x方向的平面上进行。
动态光束偏转装置优选地具有围绕彼此垂直的轴线能摆动的两个镜子，其例如呈二维的检流计式扫描器的形式。
在一个有利的设计方案中，在调制装置和动态光束偏转装置之间布置第二光学组件，通过所述第二光学组件将从调制装置发出的子光束这样偏转，以使得子光束在所述加工平面中的彼此之间的间距与没有第二光学组件的设计方案相比变小或变大。以所述方式可以调设在所述加工平面中的期望的光斑间距。此外，通过所述第二光学组件也可以进行准直的子光束的光束直径的预聚焦或改变。优选地，在第二光学装置中为此使用具有输入光学器件和输出光学器件的望远镜，在所述输入光学器件和输出光学器件之间又布置多个棱镜，通过所述棱镜将子光束在所述加工平面中的彼此之间的间距相应地变小或变大。所述棱镜也优选地在形成棱镜堆的情况下刚性地彼此连接。棱镜特别是为此具有带有平行的上侧和下侧的梯形的基面，所述上侧和下侧又平行于光轴。各个子光束的偏转又如同在第一光学组件中那样通过在穿过相应的棱镜时的两次折射进行。由此可能的是，在所述加工平面中或在工件上的光斑间距和光斑大小与相应的多通道的声光调制器的通道间距无关地被选择。光斑大小通过望远镜的尺寸设计来调设，光斑间距通过棱镜的尺寸设计来调设。
所提出的用于激光材料加工的组件实现在同时减小需要的光学元件以及需要的结构空间的尺寸的情况下例如在超短脉冲范围内高效地利用大的激光功率(>1kW)。通过组件的可缩放性和灵活性使得工业应用可能性主要在于表面结构化方面。为此属于的是产生功能面用于减少例如飞机机翼的摩擦力或制造压辊。因为通过组件的可缩放性可以通过更大的光斑矩阵(更多数量的激光光斑)将更大的激光功率施加到工件上，所以明显地增大用于激光材料加工的应用的生产率。
附图说明
下面借助实施例结合附图又具体地阐述所提出的组件。在此示出：
图1示出在加工平面中的光斑矩阵的示意图(a)以及示例性地在加工工件时的光斑矩阵的示意图(b)；
图2示出发散的光束通过AOM的示意图(a)以及在AOM内部的光束的光束腰的视图(b)；
图3示出根据现有技术的用于激光材料加工的组件的侧视图(a)和该组件的俯视图(b)；
图4示出所提出的用于激光材料加工的组件的一个示例性的设计方案的侧视图(a)和该组件的俯视图(b)；
图5示出通过在根据图4的组件中的棱镜的光束走向的侧视图；
图6如同在图4b中那样以俯视图示出具有折叠的光路的所提出的组件的一个设计方案的实例；
图7示出所提出的组件的第二光学组件的一个示例性的设计方案的侧视图；和
图8示出一个示例性的设计方案，其中，示出通过所提出的组件的动态光束偏转装置的光束走向。
具体实施方式
为了高效地利用目前可供使用的激光束源的总功率，所发射的激光束通常被分成多个子光束1，通过所述子光束则获得激光光斑在工件2上的呈矩阵形式的二维布置。图la为此示例性地示出由在加工平面中的单个子光束1构成的二维光斑矩阵。每个阴影线分别表示借助多通道的声光调制器(AOM)可个别地切换的子光束。在图lb中示出工件2的示例性的加工，在所述加工中，矩阵的每行或每个线(每个阴影线)加工工件2的平面。整个矩阵在各个子光束之间的距离内在x和y上偏移。为了可以加工任意的结构，每个单个的子光束1必须能单独地被接通和阻断。在为此被使用的声光调制器中，然而光束偏转的切换速度和衍射效率强烈地与光束直径、光束和AOM之间的入射角以及光束发散度相关。
图2a为此示出发散的输入光束3，所述输入光束在布拉格角下射到声光调制器4上并且通过所述调制器可以在零阶和一阶之间被切换。在发散的输入光束中，边缘光束不同于布拉格角并且由此减小被偏转的功率的份额。在使用根据现有技术的中继光学器件的情况中，借助所述中继光学器件将子光束引导到声光调制器中，如同根据图2b的光束3示出的那样，在声光调制器4的中心处的光束直径小于边缘处的光束直径。在零阶和一阶之间的切换速度与光束直径相关。最小光束直径通过AOM-晶体的损坏极限确定。由于在声光调制器中发散的光束形成而在遵循损坏极限的情况下增大切换速度或者在保持不变的切换速度的情况下超过损坏极限。
图3示出根据现有技术的用于激光材料加工的激光组件的设计方案，其中，具有相应的透镜的中继光学器件7被使用用于使子光束1平行。通过分束装置6将从光束源5输出的激光束10二维地分成多个子光束(x和y方向)。在此借助第一中继光学器件7使子光束1平行并且将子光束引导通过多通道的声光调制器4。然后通过第二中继光学器件8将所述子光束1适合地聚集并且通过2D扫描器9定向到加工平面中并且引导经过加工平面。图3a为此示出具有在这个第一维度(x方向)上多通道的声光调制器4的组件的侧视图。图4b示出这个组件的俯视图，在所述俯视图中可以看到相应地多个声光调制器4。
与此不同地，在所提出的组件中在声光调制器4之前不使用用于使子光束1平行的中继光学器件。图4a为此示出侧视图，图4b示出所提出的组件的一个实例的俯视图。由设计方式决定地在图3的设计方案中中继光学器件7的透镜必须具有结构的总宽度的直径，而在所提出的组件中不再是这种情况。各个子光束通过分束装置6在两个维度上被分离，在所述两个维度(x和y方向)中的一个维度上的平行化在这个实例中通过使用如同在图4a中的组件的侧视图中示意性地示出的棱镜堆11进行。各一个棱镜12在此使相应地垂直于x-z平面延伸的光束平面的所有光束转向。如同这在图4a中示出的那样，所有棱镜12被组接成一个光学构件、即棱镜堆11。通过所述棱镜堆11在平行化中保持子光束在声光调制器4中的需要的准直。
从光束源5出发，准直的粗略光束10借助于分束装置6的分光元件被分成二维光束矩阵。为了减小光束直径而使用无焦望远镜13，所述无焦望远镜使所有光束同时变小。光束准直地、然而在矩阵延伸的两个方向上发散地、即彼此不平行地从第一望远镜13射出。为了完全的光束分离，光束矩阵自由地传播通过空间。得出光束矩阵的每个光束平面具有棱镜堆11的相应个别的棱镜12，该棱镜使该平面的光束这样偏转，以使得所述光束垂直于声光调制器4的入射平面射入到声光调制器中。这示意性地在图5中示出，该图示出具有棱镜堆11和多通道的声光调制器4的组件的侧视图。
棱镜堆11使所有子光束1在第一维度(x方向)上平行，而如同在图4b中示出的那样，子光束在第二维度(y方向)上此外朝向声光调制器4的方向发散。各个声光调制器4可以在这个第二维度上适合地定向并且布置，以便在这个维度上获得子光束1到声光调制器4的晶体上的最优入射角。
声光调制器4也可以旋转90°，垂直于传播轴(图6的点划线)布置，以便通过折叠光路减小组件的整个光学器件的长度。如同在图6中以所提出的组件的俯视图示例性地示出的那样，子光束1的光束转向则通过转向元件、例如转向镜子16的适合的布置进行。
在穿过声光调制器4之后，子光束1借助第二望远镜15又在所述子光束的光束直径上适合地调整、优选地变大，以便通过在2D扫描器9之后布置的聚焦光学器件实现在所述加工平面中尽可能小的焦点。聚焦光学器件在图4中未示出。此外也使用第二棱镜堆14，以便可以与第二望远镜15无关地调设各个激光光斑在所述加工平面中的间距。
由第二望远镜15和第二棱镜堆14构成的所述组合能够使得对立条件“工件上或加工平面中的光斑直径和光斑间距”与声光调制器中的光束直径和光束间距相协调。棱镜堆14可以在此有利地集成到第二望远镜15中。所述望远镜15以公知的方式具有输入光学器件17和输出光学器件18，其中，第二棱镜堆14集成在输入光学器件和输出光学器件之间。为此，第二棱镜堆14和第二望远镜15必须适合地彼此协调。通过所述第二棱镜堆14的集成产生附加的自由度，可以与光束直径无关地调设所述加工平面中的光斑间距。图7示出所述组件的相应的侧视图。子光束1准直地和平行地从声光调制器射出。通过将棱镜堆14集成在所述第二望远镜15内部，可以使光斑直径通过输入光学器件和输出光学器件17，18(及其间距)的尺寸设计以及使光斑间距通过棱镜堆14的尺寸设计彼此无关地被调设。
如同已经在图4中示意性地示出的那样，在所述第二望远镜15之后，二维扫描器9使整个光束矩阵偏转。图8示出所述2D检流计式扫描器9的细节图，所述2D检流计式扫描器以公知的方式由围绕彼此垂直的轴线能摆动的两个镜子、在下文中称为X'扫描器20和Y'扫描器21构成。在图8中在此示意性地示出所述扫描器20的侧视图(图8a)、俯视图(图8b)和前视图(图8c)。在扫描器9和加工平面之间，镜头(聚焦光学器件19)将子光束1聚焦到加工平面中或聚焦到工件上。在这个设计方案中，第二望远镜15的尺寸被设计为使得所有子光束1的相交点22处于两个偏转镜子之间，即处于X'扫描器20和Y'扫描器21之间。所述相交点22在图8中示出。通过所述设计方案避免通过光束偏转产生的在所述加工平面中的成像误差。
附图标记列表
1子光束
2工件
3发散的输入光束
4声光调制器(AOM)
5光束源
6分束装置
7在AOM之前的中继光学器件
8在AOM之后的中继光学器件
9 2D扫描器
10准直激光束
11第一棱镜堆
12棱镜
13第一望远镜
14第二棱镜堆
15第二望远镜
16转向镜子
17输入光学器件
18输出光学器件
19聚焦光学器件
20X'扫描器
21Y'扫描器
22光束相交点。

Claims (11)

1.一种用于激光材料加工的组件，所述组件至少具有：
-激光束源(5)，所述激光束源发射准直激光束(10)；
-分束装置(6)，所述分束装置将所述准直激光束(10)二维地分成多个子光束(1)，所述子光束至少在第一维度上彼此不平行地延伸；
-第一光学组件，所述第一光学组件将所述子光束(1)在所述第一维度上彼此平行地定向；
-调制装置，所述调制装置具有多个声光调制器(4)，所述声光调制器在所述第一维度上多通道地设计，并且借助所述声光调制器可以彼此无关地调制各个子光束(1)；和
-动态光束偏转装置(9)，借助所述动态光束偏转装置能够将所述子光束(1)在两个彼此垂直的方向上动态地偏转并且引导到加工平面上，
-其中，所述第一光学组件具有多个第一棱镜(12)，所述第一棱镜设计并且布置为使得所述子光束(1)在穿过所述第一棱镜(12)时分别通过两次折射而在所述第一维度上彼此平行地定向。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述第一棱镜(12)在形成第一棱镜堆(11)的情况下刚性地彼此连接。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述第一光学组件也具有优选地无焦的第一望远镜(13)，通过所述第一望远镜减小所述子光束(1)的光束直径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组件，其特征在于，所述动态光束偏转装置(9)具有围绕彼此垂直的轴线能摆动的两个镜子(20，21)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的组件，其特征在于，在所述调制装置和所述动态光束偏转装置(9)之间布置第二光学组件，通过所述第二光学组件将从所述调制装置发出的子光束(1)偏转，以使得所述子光束(1)在所述加工平面中的彼此之间的间距变小或变大。
6.根据权利要求5结合权利要求4所述的组件，其特征在于，所述第二光学组件设计为使得所述子光束(1)在动态光束偏转装置(9)的能摆动的两个镜子(20，21)之间相交。
7.根据权利要求5或6所述的组件，其特征在于，所述第二光学组件具有第二望远镜(15)，所述第二望远镜具有输入光学器件(17)和输出光学器件(18)，其中，所述第二望远镜(15)在所述输入光学器件和所述输出光学器件(17，18)之间具有多个第二棱镜(12)的组件，通过该组件使所述子光束(1)在所述加工平面中的彼此之间的间距变小或变大。
8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述第二棱镜(12)在形成第二棱镜堆(14)的情况下刚性地彼此连接。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的组件，其特征在于，所述分束装置(6)通过至少一个衍射光学元件构成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的组件，其特征在于，所述声光调制器(4)定向为使得每个光束平面的子光束(1)垂直地射到所述声光调制器(4)上，所述子光束(1)在所述光束平面中彼此平行地定向。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的组件，其特征在于，子光束(1)在所述分束装置(6)和所述动态光束偏转装置(9)之间通过多个转向元件(16)来引导，以便通过折叠的光路使用于所述组件的结构空间变小。
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