DE102015121988B4

DE102015121988B4 - Laser processing system with selectable wavelength of the processing beam

Info

Publication number: DE102015121988B4
Application number: DE102015121988.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Popp
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: DE102015121988A1

Abstract

Strahlführungssystem (3) für eine Laserbearbeitungsanlage (1) zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks (8) mit einem primären Laserbearbeitungsstrahl (6) und/oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl (44), miteinem Strahleingang (3') zum Aufnehmen eines zu einem Werkstück (8) zu führenden Laserstrahls (34),einem Polarisationszustand-einstellenden Element (38) zum Bereitstellen eines ersten Polarisationszustands (36A) oder eines zweiten Polarisationszustands (36B) oder einer Überlagerung des ersten Polarisationszustands (36A) und des zweiten Polarisationszustands (36B) des zu führenden Laserstrahls (34),einer Frequenzkonversionseinheit (30, 30A, 30B) mit einer Metamaterialstruktur (42), die den Laserstrahl (34) im ersten Polarisationszustand (36A) nicht frequenzkonvertiert und als den primären Laserbearbeitungsstrahl (6) weiterführt und die für den Laserstrahl (34) im zweiten Polarisationszustand (36B) eine auf der Metamaterialstruktur (42) basierende Frequenzkonversion zur Erzeugung des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls (44) bewirkt, undeiner Fokussiereinheit (46) zum Fokussieren des primären Laserbearbeitungsstrahls (6) und/oder des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls (44) auf das zu bearbeitende Werkstück (8).Beam guidance system (3) for a laser processing system (1) for the optional processing of a workpiece (8) with a primary laser processing beam (6) and / or a frequency-converted processing beam (44) based on the laser processing beam, with a beam input (3 ') for receiving one to one Workpiece (8) to be guided laser beam (34), a polarization state adjusting element (38) for providing a first polarization state (36A) or a second polarization state (36B) or a superposition of the first polarization state (36A) and the second polarization state (36B) of the laser beam (34) to be guided, a frequency conversion unit (30, 30A, 30B) with a metamaterial structure (42) which does not frequency-convert the laser beam (34) in the first polarization state (36A) and continues as the primary laser processing beam (6) and which for the laser beam (34) in the second polarization state (36B) on the metamaterial structure ture (42) -based frequency conversion for generating the frequency-converted machining beam (44), and a focusing unit (46) for focusing the primary laser machining beam (6) and / or the frequency-converted machining beam (44) on the workpiece (8) to be machined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserbearbeitungsstrahl oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen eines Laserbearbeitungsstrahls und/oder eines auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks.The present invention relates to a laser processing system for processing a workpiece with a processing beam, in particular for selectively processing a workpiece with a laser processing beam or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam. The invention also relates to a method for providing a laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam for processing a workpiece.

Es ist bekannt, dass eine Materialbearbeitung eines Werkstücks von Parametern eines Bearbeitungsstrahls abhängt. Beispielhafte Parameter sind insbesondere für einen Laserschneidvorgang die Wellenlänge, die Strahlqualität und die Möglichkeit zur räumlich-zeitlichen Variation derartiger Parameter. Beispielsweise offenbart US 2001/0030176 A1 ein Lasersystem zum Bearbeiten von Leiterplatten, wobei eine bereits frequenzverdoppelte Laserstrahlung eines Festkörperlasers mit einer Pockels-Zelle und einem nichtlinearen Kristall einstellbar weiter frequenzkonvertiert werden kann. Dadurch wird eine Bearbeitung mit zwei verschiedenen Harmonischen der Laserstrahlung des Lasersystems möglich. US 5,361,268 offenbart eine entsprechende Anordnung zur einstellbaren Frequenzkonversion, die in einen Laserresonator integriert ist.It is known that material processing of a workpiece depends on parameters of a processing beam. Exemplary parameters are, in particular for a laser cutting process, the wavelength, the beam quality and the possibility of spatially-temporal variation of such parameters. For example disclosed US 2001/0030176 A1 a laser system for processing printed circuit boards, whereby an already frequency-doubled laser radiation of a solid-state laser with a Pockels cell and a non-linear crystal can be frequency-converted in an adjustable manner. This enables processing with two different harmonics of the laser radiation from the laser system. U.S. 5,361,268 discloses a corresponding arrangement for adjustable frequency conversion which is integrated in a laser resonator.

DE 10 2012 212 672 A1 offenbart einen Laseroszillator zum Erzeugen zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen. Die unterschiedlichen Wellenlängen werden mit einem Laserresonator erzeugt, der einen laseraktiven Festkörper zum Erzeugen einer fundamentalen Laserstrahlung, einen nichtlinearen Festkörper zum Erzeugen einer frequenzkonvertierten Laserstrahlung aus der fundamentalen Laserstrahlung und mindestens einen Auskoppelspiegel zum Auskoppeln der fundamentalen und der frequenzkonvertierten Laserstrahlung aus dem Laserresonator aufweist. Ferner offenbart CN 103 862 171 A ein Verfahren zum Erzeugen einer zweidimensionalen Struktur von Metallpartikeln mit einem zweifarbigen Femtosekundenlaser. DE 10 2012 212 672 A1 discloses a laser oscillator for generating two laser beams of different wavelengths. The different wavelengths are generated with a laser resonator, which has a laser-active solid body to generate a fundamental laser radiation, a non-linear solid body to generate a frequency-converted laser radiation from the fundamental laser radiation and at least one coupling mirror for coupling out the fundamental and frequency-converted laser radiation from the laser resonator. Also disclosed CN 103 862 171 A a method for generating a two-dimensional structure of metal particles with a two-color femtosecond laser.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen (Laser-) Bearbeitungsstrahl ausgehend von einem Laserstrahl eines Lasersystems bei verschiedenen Wellenlängen, insbesondere bei harmonischen Frequenzen eines primären Laserstrahls für die Laserbearbeitung beispielsweise in einer Laserbearbeitungsanlage bereitzustellen.The present invention is based on the object of providing a (laser) processing beam starting from a laser beam of a laser system at different wavelengths, in particular at harmonic frequencies of a primary laser beam for laser processing, for example in a laser processing system.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strahlführungssystem nach Anspruch 1, eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 13 und durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 16. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a beam guidance system according to claim 1, a laser processing system according to claim 13 and by a method for processing a workpiece according to claim 16. Further developments are specified in the subclaims.

In einem Aspekt ist ein Strahlführungssystem für eine Laserbearbeitungsanlage zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks mit einem primären Laserbearbeitungsstrahl und/oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl offenbart. Das Strahlführungssystem weist einen Strahleingang zum Aufnehmen eines zu einem Werkstück zu führenden Laserstrahls und ein Polarisationszustand-einstellendes Element zum Bereitstellen eines ersten Polarisationszustands und/oder eines zweiten Polarisationszustands des zu führenden Laserstrahls auf. Ferner weist das Strahlführungssystem eine Frequenzkonversionseinheit mit einer Metamaterialstruktur auf, die den Laserstrahl im ersten Polarisationszustand nicht frequenzkonvertiert und als den primären Laserbearbeitungsstrahl weiterführt und die für den Laserstrahl im zweiten Polarisationszustand eine auf der Metamaterialstruktur basierende Frequenzkonversion zur Erzeugung des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls bewirkt. Ferner weist das Strahlführungssystem eine Fokussiereinheit zum Fokussieren des primären Laserbearbeitungsstrahls und/oder des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück auf.In one aspect, a beam guidance system for a laser processing system for the selectable processing of a workpiece with a primary laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam is disclosed. The beam guidance system has a beam input for receiving a laser beam to be guided to a workpiece and a polarization state-adjusting element for providing a first polarization state and / or a second polarization state of the laser beam to be guided. The beam guidance system also has a frequency conversion unit with a metamaterial structure which does not convert the frequency of the laser beam in the first polarization state and continues it as the primary laser processing beam and which effects a frequency conversion based on the metamaterial structure for generating the frequency-converted processing beam for the laser beam in the second polarization state. Furthermore, the beam guidance system has a focusing unit for focusing the primary laser processing beam and / or the frequency-converted processing beam on the workpiece to be processed.

In einem weiteren Aspekt ist eine Laserbearbeitungsanlage zum wählbaren Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserbearbeitungsstrahl und/oder einem auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl offenbart. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst eine einen primären Laserstrahl bereitstellende Laserstrahlquelle, ein wie oben zusammengefasstes Strahlführungssystem und insbesondere eine Werkstücklagerungseinheit.In a further aspect, a laser processing system for the selectable processing of a workpiece with a laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam is disclosed. The laser processing system comprises a laser beam source providing a primary laser beam, a beam guidance system as summarized above, and in particular a workpiece storage unit.

In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen eines Laserbearbeitungsstrahls und/oder eines auf dem Laserbearbeitungsstrahl basierenden frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks die folgenden Schritte: Bereitstellen einer wie oben skizzierten Laserbearbeitungsanlage mit einer Steuerungseinheit, Veranlassen der Steuerungseinheit, das Polarisationszustand-einstellende Element im Strahlführungssystem der Laserbearbeitungsanlage in Abhängigkeit von einem Bearbeitungsmode derart anzusteuern, dass in einem Schneidmodus für hohe Qualität der primäre Laserstrahl als Laserbearbeitungsstrahl und in einem Schneidmodus mit hoher Vorschubgeschwindigkeit der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl für die Werkstückbearbeitung bereitgestellt wird, und Durchführen der Werkstückbearbeitung.In a further aspect, a method for providing a laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam based on the laser processing beam for processing a workpiece comprises the following steps: providing a laser processing system as outlined above with a control unit, initiating the control unit, the element that adjusts the polarization state in the beam guidance system to control the laser processing system as a function of a processing mode in such a way that the primary laser beam is provided as a laser processing beam in a cutting mode for high quality and the frequency-converted processing beam for workpiece processing is provided in a cutting mode with high feed rate, and the workpiece processing is carried out.

Als frequenzkonvertierende Metamaterialien werden hierin Leiter-Nichtleiter-Verbundmaterialien bezeichnet. Metamaterialien weisen metallische Nanostrukturen auf, die Ausmaße und Formgebungen aufweisen können, die kleiner als die relevante Wellenlänge sind. Die optischen Eigenschaften ergeben sich aus der Ausbildung von kollektiven Elektronenoszillationen bzw. sogenannten Plasmonen. Dabei kann jede einzelne Nanostruktur als ein Meta-Atom betrachtet werden, dessen optischen Resonanzeigenschaften insbesondere von der Form der Nanostruktur, den dielektrischen Eigenschaften der verwendeten Materialien und der Umgebung abhängen. Üblicherweise handelt es sich um metallische Metamaterialien, die auch als „magnetic metamaterials“ bekannt sind. Insbesondere erlauben es Metamaterialien, die beispielsweise als Metaoberflächen auf einer Oberfläche oder als eine Oberflächen ausgebildet sind, bei Laserlichteinfall frequenzkonvertiertes Licht bei einer Harmonischen der Frequenz des einfallenden Laserstrahls, insbesondere im Bereich der zweiten oder dritten Harmonischen, zu erzeugen. Insbesondere erfolgt die Abstrahlung aufgrund von frei beweglichen Elektronen in leitenden Strukturen der Metamaterialstruktur, die eine speziell ausgelegte Elektronenbewegung in Reaktion auf den einfallenden Laserstrahl ermöglichen. Die Elektronenbewegung führt dann zu einer Abstrahlung von Licht mit Wellenlänge einer oder mehrerer höheren Harmonischen des einfallenden Laserstrahls. Dieses Licht kann derart erzeugt werden, dass es sich strahlähnlich entlang einer Richtung ausbreitet, und wird entsprechend hierin als frequenzkonvertierter Bearbeitungsstrahl bezeichnet. Da die Elementarstruktur des Metamaterials kleiner ist als die zu konvertierende Laserwellenlänge, weist eine Metamaterialstruktur für eine Wellenlänge von 10 µm größere Elementarstrukturen auf als eine Metamaterialstruktur für kürzere Wellenlängen. Metamaterialstruktur für eine Wellenlänge von 10 µm können somit in einigen Ausführungsformen einfacher zu realisieren sein als Ausführungsformen, die beispielsweise auf eine Wellenlänge von 1 µm ausgerichtet sind. Die hierin offenbarten Konzepte beschränken sich nicht auf die Konversion von einer Grundwellenlänge von diesen z.B. 10 µm in die zweite Harmonische bei z.B. 5 µm, sondern sind allgemeine auf durch Laser erzeugbare Wellenlängen übertragbar.Conductor-non-conductor composite materials are referred to herein as frequency-converting metamaterials. Metamaterials have metallic nanostructures that can have dimensions and shapes that are smaller than the relevant wavelength. The optical properties result from the formation of collective electron oscillations or so-called plasmons. Each individual nanostructure can be viewed as a meta-atom, the optical resonance properties of which depend in particular on the shape of the nanostructure, the dielectric properties of the materials used and the environment. Usually these are metallic metamaterials, which are also known as "magnetic metamaterials". In particular, metamaterials, which are designed, for example, as metasurfaces on a surface or as a surface, allow frequency-converted light to be generated when laser light is incident at a harmonic of the frequency of the incident laser beam, in particular in the range of the second or third harmonic. In particular, the emission takes place due to freely movable electrons in conductive structures of the metamaterial structure, which enable a specially designed electron movement in response to the incident laser beam. The electron movement then leads to the emission of light with a wavelength of one or more higher harmonics of the incident laser beam. This light can be generated in such a way that it propagates in a ray-like manner along a direction and is accordingly referred to herein as a frequency-converted processing beam. Since the elementary structure of the metamaterial is smaller than the laser wavelength to be converted, a metamaterial structure for a wavelength of 10 µm has larger elementary structures than a metamaterial structure for shorter wavelengths. In some embodiments, metamaterial structures for a wavelength of 10 μm can thus be easier to implement than embodiments which, for example, are oriented to a wavelength of 1 μm. The concepts disclosed herein are not limited to the conversion of a fundamental wavelength of this, for example, 10 μm into the second harmonic at, for example, 5 μm, but can generally be transferred to wavelengths that can be generated by lasers.

Als Polarisationszustand wird hierin insbesondere die Polarisationsart (linear, zirkular, elliptisch, radial, azimutal) und deren räumliche Orientierung bezüglich der Nanostruktur des Metamaterials - allgemein die Orientierung beispielsweise des E-Feldvektors relativ zum Metamaterial - verstanden. In einigen Ausführungsbeispielen betrifft der Wechsel eines Polarisationszustands die Orientierung der linearen Polarisationsrichtung oder der „Polarisations“-Ellipse bezüglich der Nanostruktur des Metamaterials. So erlaubt es das Polarisationszustand-einstellende Element zum Bereitstellen eines ersten Polarisationszustands und/oder eines zweiten Polarisationszustands eine Orientierung beispielsweise einer linearen Polarisation im Raum, d.h. eine Orientierung des E-Feldvektors relativ zum Metamaterial, insbesondere zu dessen Elementarstrukturen, einzustellen. In einigen Ausführungsformen betrifft der Wechsel eines Polarisationszustands einen Wechsel von einer Polarisation in eine andere Polarisation, beispielsweise einen Wechsel zwischen radialer und azimutaler Polarisation. Überdies können Überlagerungen von Polarisationszuständen dazu genutzt werden, ein Verhältnis zwischen frequenzkonvertiertem Bearbeitungsstrahl und Laserbearbeitungsstrahl einzustellen.The polarization state is understood here in particular as the type of polarization (linear, circular, elliptical, radial, azimuthal) and its spatial orientation with respect to the nanostructure of the metamaterial - generally the orientation, for example, of the E-field vector relative to the metamaterial. In some exemplary embodiments, the change in a polarization state relates to the orientation of the linear polarization direction or the “polarization” ellipse with respect to the nanostructure of the metamaterial. Thus, the polarization state setting element for providing a first polarization state and / or a second polarization state allows an orientation, for example, a linear polarization in space, i.e. an orientation of the E-field vector relative to the metamaterial, in particular to its elementary structures, to be set. In some embodiments, the change in a polarization state relates to a change from one polarization to another polarization, for example a change between radial and azimuthal polarization. In addition, superimpositions of polarization states can be used to set a ratio between the frequency-converted processing beam and the laser processing beam.

Beispielhafte dünne Leiter-Nichtleiter-Verbundmaterialien werden in „Giant nonlinear response from plasmonic metasurfaces coupled to intersubband transitions“, J. Lee et al., 3 Juli 2014, Vol. 511, S. 65-69 , NATURE diskutiert, wobei diese insbesondere eine hohe nichtlineare Antwort bereitstellen können. Weitere bespielhafte Metamaterialstrukturen mit erhöhter Nichtlinearität sind in US 2013/0155492 A1 und US 7,515,330 B2 offenbart. Untersuchungen zur optischen Erzeugung von Harmonischen sind in „Experiments on second- and third-harmonic generation from magnetic metamaterials“, M.W. Klein et al., 16 April 2007, Vol. 15, No. 8, S. 5238-5247 , OPTICS EXPRESS beschrieben. Eine Zusammenfassung mit Ausblick hinsichtlich Metamaterialien wird in „METAMATERIAL WORLD“, L. Billings, 8 August 2013, Vol. 500, S. 138-140 gegeben.Exemplary thin conductor-non-conductor composite materials are presented in "Giant nonlinear response from plasmonic metasurfaces coupled to intersubband transitions", J. Lee et al., Jul 3, 2014, Vol. 511, pp. 65-69 , NATURE, whereby these can in particular provide a high non-linear response. Further exemplary metamaterial structures with increased non-linearity are in US 2013/0155492 A1 and US 7,515,330 B2 disclosed. Investigations on the optical generation of harmonics are in "Experiments on second- and third-harmonic generation from magnetic metamaterials", MW Klein et al., April 16, 2007, Vol. 15, No. 8, pp. 5238-5247 , OPTICS EXPRESS. A summary with an outlook on metamaterials is given in "METAMATERIAL WORLD", L. Billings, August 8, 2013, Vol. 500, pp. 138-140 given.

Die hierein beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere das Schneiden von Werkstücken, wobei die Laserwellenlänge zwischen einer Grundwellenlänge des einfallenden Laserstrahls und einer harmonischen Wellenlänge derselben schaltbar ist und für die Frequenzkonversion ein resonatorextern (d.h. außerhalb einer primären Laserstrahlquelle) angeordnetes, eine spezielle Metamaterialstruktur ausbildendes Metamaterial verwendet wird.The concepts described here relate in particular to the cutting of workpieces, the laser wavelength being switchable between a fundamental wavelength of the incident laser beam and a harmonic wavelength of the same, and a metamaterial that is arranged outside the resonator (i.e. outside a primary laser beam source) and forming a special metamaterial structure is used for the frequency conversion.

Die hierein beschriebenen Konzepte erlauben es ferner, die Laserwellenlänge auf das gewünschte Schneidergebnis anzupassen, insbesondere über das Schalten der Laserwellenlänge auf einer Werkzeugmaschine mit Metamaterialien durch die Polarisationsabhängigkeit der F requenzkonversi on.The concepts described here also make it possible to adapt the laser wavelength to the desired cutting result, in particular by switching the laser wavelength on a machine tool with metamaterials due to the polarization dependence of the frequency conversion.

Allgemein werden hierin Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische räumliche Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage beispielsweise zum Schneiden eines Werkstücks,
2 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines auf einem oder mehreren Lichtleitkabel(n) basierenden Strahlführungssystems für eine Laserbearbeitungsmaschine,
3A eine schematische Darstellung einer Elementarstruktur einer Metamaterialstruktur,
3B eine schematische Darstellung einer Metamaterialstruktur für insbesondere lineare Polarisation,
3C eine schematische Darstellung einer Metamaterialstruktur für insbesondere radiale/azimutale Polarisation,
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konversionseinheit eines Strahlführungssystems basierend auf reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen,
5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konversionseinheit eines Strahlführungssystems basierend auf transmittierenden frequenzkonvertierenden Elementen,
6 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform Konversionseinheit mit reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen,
7 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform Konversionseinheit mit reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen, und
8 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Konversionseinheit mit einem Fokussierelement zwischen zwei reflektierenden frequenzkonvertierenden Elementen.

In general, concepts are disclosed herein that allow aspects of the prior art to be improved at least in part. In particular, further features and their usefulness emerge from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:

1 a schematic spatial representation of a laser processing system, for example for cutting a workpiece,
2 a schematic view of an exemplary embodiment of a beam guidance system based on one or more fiber optic cable (s) for a laser processing machine,
3A a schematic representation of an elementary structure of a metamaterial structure,
3B a schematic representation of a metamaterial structure for, in particular, linear polarization,
3C a schematic representation of a metamaterial structure for in particular radial / azimuthal polarization,
4th a schematic representation of an exemplary conversion unit of a beam guidance system based on reflective frequency-converting elements,
5 a schematic representation of an exemplary conversion unit of a beam guidance system based on transmitting frequency-converting elements,
6th a schematic representation of a further exemplary embodiment conversion unit with reflective frequency-converting elements,
7th a schematic representation of a further exemplary embodiment conversion unit with reflective frequency-converting elements, and
8th a schematic representation of an exemplary conversion unit with a focusing element between two reflective frequency-converting elements.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass optische Elemente einer Werkzeugmaschine derart ausgebildet und angeordnet werden können, dass ein Schalten der Wellenlänge beim Laserschneiden vorgenommen werden kann. Es wurde ferner erkannt, dass somit die Wellenlänge optimal (bzw. möglichst gut) auf die Anforderungen des jeweiligen Schneidmodus abgestimmt werden kann. Z.B. wurde erkannt, dass kurze Wellenlängen für einen hoher Vorschub bei dünnen Werkstücken und lange Wellenlängen für eine hohe Qualität bei dicken Werkstücken vorteilhaft eingesetzt werden können.Aspects described herein are based in part on the knowledge that optical elements of a machine tool can be designed and arranged in such a way that the wavelength can be switched during laser cutting. It was also recognized that the wavelength can thus be optimally (or as well as possible) matched to the requirements of the respective cutting mode. For example, it was recognized that short wavelengths can be used advantageously for high feed rates for thin workpieces and long wavelengths for high quality for thick workpieces.

Zur Umsetzung der hierin beschriebenen Konzepte kann z.B. ein linear polarisierter primärer Laserstrahl verwendet werden. Der E-Feldvektor des Laserstrahls kann durch Drehung einer λ/2-Platte im Raum senkrecht zur Propagationsrichtung bezüglich einer strahlabwärtsangeordneten Frequenzkonversionseinheit gedreht werden. Die Frequenzkonversionseinheit sieht im Strahlengang ein Metamaterial vor, das in Transmission und/oder in Reflexion betrieben werden kann. Das Verhalten eines Metamaterials ist zur Verdeutlichung der Funktionsweise vergleichbar mit dem einer Antenne. Der Laserstrahl fällt auf das Metamaterial, und je nach Orientierung des E-Feldvektors zur Elementarstruktur des Metamaterials strahlt das Metamaterial beispielsweise in der halben Wellenlänge (d.h. second harmonic generation SHG) ab. Um ein Schalten der Frequenzkonversion zu ermöglichen, benötigt das Metamaterial einen Symmetriebruch, z.B. in Form eines Split-Rings. Wird die λ/2-Platte gedreht, kann somit die Wellenlänge im Strahl strahlabwärts der Frequenzkonversionseinheit zwischen der Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls und der Wellenlänge des frequenzkonvertierten Strahls (oder einer Überlagerung der beiden) geschaltet werden.For example, a linearly polarized primary laser beam can be used to implement the concepts described herein. The E-field vector of the laser beam can be rotated by rotating a λ / 2 plate in space perpendicular to the direction of propagation with respect to a frequency conversion unit arranged downstream. The frequency conversion unit provides a metamaterial in the beam path that can be operated in transmission and / or in reflection. To illustrate how it works, the behavior of a metamaterial is comparable to that of an antenna. The laser beam falls on the metamaterial, and depending on the orientation of the E-field vector to the elementary structure of the metamaterial, the metamaterial emits, for example, at half the wavelength (i.e. second harmonic generation SHG). To enable the frequency conversion to be switched, the metamaterial needs a symmetry break, e.g. in the form of a split ring. If the λ / 2 plate is rotated, the wavelength in the beam downstream of the frequency conversion unit can be switched between the wavelength of the incident laser beam and the wavelength of the frequency-converted beam (or a superposition of the two).

Im Folgenden wird zuerst ein Beispiel eine Laserbearbeitungsanlage allgemein beschrieben, in der ein Einsatz von neuartigen optischen Elementen, den sogenannten Metamaterialien, beispielsweise in Kombination mit einer drehbaren λ/2-Platte ein Schalten zwischen verschiedenen Wellenlängen bei der Werkstückbearbeitung erlaubt. Im Anschluss werden Umsetzungsbeispiele der Frequenzkonversionseinheit für reflektierende und transmittierende frequenzkonvertierende Elemente erläutert.In the following, an example of a laser processing system is described in general, in which the use of novel optical elements, the so-called metamaterials, for example in combination with a rotatable λ / 2 plate, allows switching between different wavelengths during workpiece processing. Implementation examples of the frequency conversion unit for reflecting and transmitting frequency converting elements are then explained.

1 zeigt eine Laserbearbeitungsanlage 1 beispielhaft in Form einer Laserschneidmaschine. Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ein Lasersystem auf, das eine Strahlquelle 2 zur Erzeugung eines primären Laserstrahls und ein Strahlführungssystem 3 aufweist. Das Strahlführungssystem 3 umfasst einen Laserstrahlführungsabschnitt 3a und einen Konversionsabschnitt 3b, der eine Frequenzkonversionseinheit und Laserbearbeitungsoptik (nicht explizit in 1 gezeigt) beispielsweise in einem Bearbeitungskopf 4 bereitstellt. 1 shows a laser processing system 1 for example in the form of a laser cutting machine. The laser processing system 1 has a laser system that has a beam source 2 for generating a primary laser beam and a beam guidance system 3 having. The beam delivery system 3 includes a laser beam guide section 3a and a conversion section 3b , which includes a frequency conversion unit and laser processing optics (not explicitly in 1 shown) for example in a machining head 4th provides.

Zum Anpassen des Strahlengangs an unterschiedliche Positionen des Bearbeitungskopfs 4 umfasst der Laserstrahlführungsabschnitt 3a z.B. eine mit Faltenbälgen umgebene Freistrahlführung mit optischen Elementen wie z.B. Umlenkspiegeln oder - beispielsweise bei Einsatz eines Festkörperlasers als Strahlquelle 2 - ein oder mehrere Lichtleitkabel. Ein auf Lichtleitkabeln beruhendes Lasersystem 18 ist beispielhaft in 2 gezeigt. Das Lasersystem 18 weist eine auf einem oder mehreren Festkörperlasern 16 basierende Strahl quelle 2 auf. Primäre Laserstrahlung der Festkörperlaser 16 wird über Lichtleitkabel 20 zum Bearbeitungskopf 4 geführt. Ferner sind in 2 schematisch das Strahlführungssystem 3 mit dem Strahlführungsabschnitt 3a und dem Konversionsabschnitt 3b angedeutet. Der Konversionsabschnitt 3b umfasst unter anderem eine schematisch als Linse verdeutlichte Laserbearbeitungsoptik sowie eine Frequenzkonversionseinheit 30.For adapting the beam path to different positions of the processing head 4th comprises the laser beam guiding section 3a For example, a free beam guide surrounded by bellows with optical elements such as deflecting mirrors or - for example when using a solid-state laser as the beam source 2 - one or more fiber optic cables. A laser system based on fiber optic cables 18th is exemplary in 2 shown. The laser system 18th has one on one or more solid state lasers 16 based beam source 2. Primary laser radiation from solid-state lasers 16 is via fiber optic cable 20th to the processing head 4th guided. Furthermore, in 2 schematically the beam delivery system 3 with the beam guiding section 3a and the conversion section 3b indicated. The Conversion section 3b includes, among other things, laser processing optics, schematically illustrated as a lens, and a frequency conversion unit 30th .

In obigen beispielhaften Ausführungsformen kann somit der erste Strahlführungsabschnitt 3a auf eine Wellenlänge, und zwar die Wellenlänge des primären Lasterstrahls, angepasst werden. Dagegen sind die optischen Komponenten im Konversionsabschnitt 3b zumindest teilweise sowohl an die Wellenlänge des primären Laserstrahls als auch an andere aufgrund der Frequenzkonversion erzeugte Wellenlängen anzupassen. Im Gegensatz zu den eingangs genannten Konzepten, bei denen resonatorintern Licht mit mehreren Wellenlängen für die Materialbearbeitung erzeugt wird, sind somit die Maßnahmen hinsichtlich der Anpassung des optischen Systems an mehrere Wellenlängen vereinfacht (z.B. unkomplizierte Propagation bei einer Wellenlänge von 10 µm in Atmosphäre im Strahlführungsabschnitt, d.h. im Wesentlichen ohne Absorption; Vermeidung/Reduzierung von thermischem „Blooming“ durch eine kompakte Konfiguration des Konversionsabschnitts für eine Propagation bei einer Wellenlänge um 5 µm, d.h. geringerer Verlust von Strahlqualität und Leistung durch die Nähe der Frequenzkonversion zum Werkstück). In einigen Ausführungsformen können als Lichtleitkabel 20 beispielsweise konventionelle Stufenindexfaser, PCF-Fasern, hollow-core-Fasern oder Kagome-Fiber verwendet werden. Insbesondere können die Festkörperlaser 16 und Lichtleitkabel 20 durch linear polarisierte single-mode-Faserlaser ersetzt werden.In the above exemplary embodiments, the first beam guiding section can thus 3a to one wavelength, namely the wavelength of the primary laser beam. In contrast, the optical components are in the conversion section 3b at least partially to adapt both to the wavelength of the primary laser beam and to other wavelengths generated due to the frequency conversion. In contrast to the concepts mentioned at the beginning, in which light with several wavelengths is generated inside the cavity for material processing, the measures for adapting the optical system to several wavelengths are simplified (e.g. uncomplicated propagation at a wavelength of 10 µm in the atmosphere in the beam guiding section, ie essentially without absorption; avoidance / reduction of thermal "blooming" through a compact configuration of the conversion section for propagation at a wavelength of around 5 µm, ie less loss of beam quality and power due to the proximity of the frequency conversion to the workpiece). In some embodiments, the fiber optic cable 20th For example, conventional step index fibers, PCF fibers, hollow-core fibers or Kagome fibers can be used. In particular, the solid-state lasers 16 and fiber optic cables 20th be replaced by linearly polarized single-mode fiber lasers.

Wie beispielhaft in 1 gezeigt ist, weist die Laserbearbeitungsanlage 1 ferner eine Werkstücklagerungseinheit 5 mit einer Werkstückauflage 5a zum Lagern eines zu bearbeitenden Werkstücks 8 auf. Werkstück 8 ist beispielsweise ein Blech. In 1 definiert die Werkstückauflage 5a eine Bearbeitungsebene (beispielhaft die XY-Ebene des in 1 eingezeichneten Koordinatensystems). Allgemein ist der Bearbeitungskopf 4 parallel zur Bearbeitungsebene mit einer üblicherweise einstellbaren Vorschubgeschwindigkeit verfahrbar.As exemplified in 1 is shown, has the laser processing system 1 furthermore a workpiece storage unit 5 with a workpiece support 5a for storing a workpiece to be machined 8th on. workpiece 8th is a sheet metal, for example. In 1 defines the workpiece support 5a a machining plane (for example the XY plane of the in 1 drawn coordinate system). General is the machining head 4th Can be moved parallel to the working plane with a feed rate that is usually adjustable.

Ohne Vornahme einer Frequenzkonversion kann der primäre Laserstrahl mittels einer im Bearbeitungskopf 4 angeordneten Laserbearbeitungsoptik kollimiert und auf die Werkstückoberfläche 8a des Werkstücks 8 fokussiert werden. Die Strahlachse (optische Achse) eines aus dem Laserbearbeitungskopf 4 austretenden Laserbearbeitungsstrahls 6 verläuft in 1 in Z-Richtung beispielhaft senkrecht zum Werkstück 8.Without performing a frequency conversion, the primary laser beam can be in the processing head by means of a 4th arranged laser processing optics and collimated onto the workpiece surface 8a of the workpiece 8th be focused. The beam axis (optical axis) one from the laser processing head 4th exiting laser processing beam 6th runs in 1 in the Z direction, for example, perpendicular to the workpiece 8th .

Zur Differenzierung vom auf der Frequenzkonvertierung basierenden Bearbeitungsstrahl wird hierin der nicht durch ein Metamaterial frequenzkonvertierte, direkt auf die Strahlquelle zurückgehende Strahl als Laserbearbeitungsstrahl 6 bezeichnet. Beispielsweise beim Laserschneiden wird mit dem Laserbearbeitungsstrahl 6 zunächst in das Werkstück 8 eingestochen, d.h. das Werkstück 8 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen (Schmelzschnitt) oder aufgeschmolzen und oxidiert (Brennschnitt) und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend werden der Laserbearbeitungsstrahl 6 und das Werkstück 8 relativ zueinander bewegt, sodass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn einen durchgängigen Schnittspalt 9 bewirkt, entlang dessen der Laserbearbeitungsstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt hat. Die Laserbearbeitung kann z.B. analog mit dem frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl erfolgen.In order to differentiate it from the processing beam based on frequency conversion, the beam which is not frequency-converted by a metamaterial and which goes back directly to the beam source is used as a laser processing beam 6th designated. For example, in laser cutting, the laser processing beam is used 6th first in the workpiece 8th pierced, ie the workpiece 8th is melted at one point (fusion cut) or melted and oxidized (flame cut) and the resulting melt is blown out. Below are the laser processing beam 6th and the workpiece 8th moved relative to each other, so that a two-dimensional machining path has a continuous cutting gap 9 causes along which the laser processing beam 6th the workpiece 8th has severed. The laser processing can, for example, take place analogously with the frequency-converted processing beam.

Sowohl für die die Bearbeitung unterstützenden Gase als auch für die Spülgase des Lasersystems weist die Laserbearbeitungsanlage 1 ein Trockengassystem 10 auf, in dem getrocknete Gase 10a bereitgestellt werden. Beispielsweise erfolgt üblicherweise das Einstechen unter Gaszufuhr. Auch das Laserschneiden kann durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien mit welcher Wellenlänge bearbeitet und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück 8 gestellt werden. Entstehende Partikel können mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 11 abgesaugt werden, welche mit einer Absaugkammer verbunden ist, die sich z.B. unter der Werkstückauflage 5a befindet.The laser processing system has 1 a dry gas system 10 on in which dried gases 10a to be provided. For example, the piercing is usually carried out with a gas supply. Laser cutting can also be supported by adding a gas. Oxygen, nitrogen, compressed air and / or application-specific gases can be used as cutting gases. Which gas is ultimately used depends on which materials are processed with which wavelength and which quality requirements are placed on the workpiece 8th be asked. Any particles that arise can be removed with the aid of a suction device 11 which is connected to a suction chamber, which is located, for example, under the workpiece support 5a is located.

Auch der Laserstrahlführungsabschnitt 3a kann mit einem Gassystem (nicht explizit gezeigt) zum Bereitstellen eines spezifisch gespülten Strahlengangs verbunden sein. Ferner kann der Konversionsabschnitt 3b, insbesondere die Laserbearbeitungsoptik und die Konversionseinheit im Bearbeitungskopf 4, mit einem Gas, üblicherweise Stickstoff, gespült oder geflutet werden.Also the laser beam guiding section 3a can be connected to a gas system (not explicitly shown) for providing a specifically flushed beam path. Furthermore, the conversion section 3b , in particular the laser processing optics and the conversion unit in the processing head 4th , flushed or flooded with a gas, usually nitrogen.

1 zeigt ferner Antriebseinheiten 7a, 7b, die es erlauben, eine Relativbewegung des Bearbeitungskopfs 4 bezüglich des Werkstücks 8 in der Bearbeitungsebene durchzuführen. Z.B. kann der Laserbearbeitungskopf 4 an einem sich in Y-Richtung erstreckenden Portal 12 mittels der Antriebseinheit 7b linear verschoben werden, wobei das Portal 12 selbst mittels der Antriebseinheit 7a, z.B. einem Linearantrieb, in X-Richtung verschiebbar ist. Der Bearbeitungskopf 4 ist im Beispiel der 1 zusätzlich mit der Antriebseinheit 7c für eine vertikale Verschiebung in Z-Richtung, d.h. senkrecht zum Werkstück 8, verschiebbar. Somit kann eine Fokusposition des Laserbearbeitungsstrahls 6 entlang der Dicke des Werkstücks 8 eingestellt werden. 1 also shows drive units 7a , 7b that allow a relative movement of the machining head 4th with respect to the workpiece 8th to be carried out in the machining plane. For example, the laser processing head 4th on a portal extending in the Y direction 12th by means of the drive unit 7b be moved linearly, with the portal 12th even by means of the drive unit 7a , for example a linear drive, is displaceable in the X direction. The processing head 4th is in the example 1 additionally with the drive unit 7c for a vertical shift in the Z direction, ie perpendicular to the workpiece 8th , movable. Thus, a focus position of the laser processing beam 6th along the thickness of the workpiece 8th can be set.

Eine Steuerungseinheit 14 kontrolliert die Laserbearbeitungsanlage 1 und insbesondere den Strahlerzeuger 2, die Antriebseinheiten 7a, 7b, 7c sowie optische Elemente zur Steuerung der in Zusammenhang mit den 3 bis 8 näher beschriebenen Frequenzkonversionseinheit.A control unit 14th controls the laser processing system 1 and especially the jet generator 2 , the drive units 7a , 7b , 7c as well as optical elements for controlling the in connection with the 3 to 8th frequency conversion unit described in more detail.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform der Laserbearbeitungsanlage 1 kann die Strahlquelle 2 beispielsweise ein CO2-Gaslaser sein. Üblicherweise ist der erzeugte Laserstrahl dann linear polarisiert, kann aber durch ein doppelbrechendes Element für die Laserbearbeitung zirkulär polarisiert werden. Bei der Verwendung von Metamaterialstrukturen, deren Frequenzkonversionseigenschaften auf lineare Polarisation ausgerichtet sind, kann ein derartiges doppelbrechendes Element vor der Frequenzkonversionseinheit wegfallen, da die lineare Polarisation des aus dem CO2-Gaslaser austretenden primären Laserstrahls genutzt und insbesondere durch ein Polarisationszustand-einstellendes Element ausgerichtet wird. So kann bei einer richtigen Orientierung des E-Feldvektors des primären Laserstrahls zu den Elementarstrukturen des Metamaterials die Laserwellenlänge von z.B. 10,5 µm nach 5,3 µm konvertiert werden.In the in 1 Shown embodiment of the laser processing system 1 can the beam source 2 for example a CO2 gas laser. The generated laser beam is then usually linearly polarized, but can be circularly polarized for laser processing by a birefringent element. When using metamaterial structures whose frequency conversion properties are geared towards linear polarization, such a birefringent element in front of the frequency conversion unit can be omitted, since the linear polarization of the primary laser beam emerging from the CO2 gas laser is used and, in particular, is aligned by an element that adjusts the polarization state. With a correct orientation of the E-field vector of the primary laser beam to the elementary structures of the metamaterial, the laser wavelength can be converted from, for example, 10.5 µm to 5.3 µm.

In 3A ist als Beispiel einer Elementarstruktur 22 einer Metamaterialstruktur schematisch ein Split-Ring-Resonator gezeigt, der von leitendem, beispielsweise metallischem, Material in einem nichtleitenden Material ausgebildet wird (siehe bzgl. Elementarstrukturen auch die eingangs erwähnten Veröffentlichungen). Für eine Frequenzkonversion sind die Ausmaße (eine Länge a ist beispielhaft in 3A angegeben) einer Elementarstruktur des Metamaterials üblicherweise kleiner als die Wellenlänge λp des primären Laserstrahls. Man erkennt die nichtrotationssymmetrische Grundform, die ein Schalten der Frequenzkonversion durch Drehung der Orientierung beispielsweise einer linearen Polarisationsrichtung im Raum, d.h. der Orientierung des E-Feldvektors relativ zum Metamaterial, ermöglicht.In 3A is an example of an elementary structure 22nd a metamaterial structure schematically shows a split-ring resonator which is formed from conductive, for example metallic, material in a non-conductive material (see also the publications mentioned above for elementary structures). For a frequency conversion, the dimensions (a length a is exemplified in 3A specified) an elementary structure of the metamaterial usually smaller than the wavelength λp of the primary laser beam. One recognizes the non-rotationally symmetrical basic shape, which enables the frequency conversion to be switched by rotating the orientation, for example, a linear polarization direction in space, ie the orientation of the E-field vector relative to the metamaterial.

3B zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Metamaterialstruktur 42 mit einer beispielhaften Anordnung von Elementarstrukturen 22. Die Anordnung kann beispielsweise mit einer mit einer λ/2-Platte ausrichtbaren linearen Polarisation eines Laserstrahls verwendet werden. Beispielhaft sind zwei E-Feldvektor 36A, 36B in orthogonalen Ausrichtungen in 3B gezeigt. Der einfallende Laserstrahl ist in diesem Beispiel einheitlich polarisiert, d.h. die Ausrichtung des E-Feldvektors 36A, 36B ändert sich im Wesentlichen nicht über den Strahlquerschnitt des Laserstrahls hinweg. Je nach der schaltbaren Orientierung des E-Feldvektors 36A, 36B bezüglich den einzelnen Elementarstrukturen 22 wird eine Frequenzkonversion hervorgerufen oder nicht. 3B shows a schematic plan view of a metamaterial structure 42 with an exemplary arrangement of elementary structures 22nd . The arrangement can be used, for example, with a linear polarization of a laser beam that can be aligned with a λ / 2 plate. Two E-field vectors are exemplary 36A , 36B in orthogonal orientations in 3B shown. In this example, the incident laser beam is uniformly polarized, ie the alignment of the E-field vector 36A , 36B does not essentially change across the beam cross-section of the laser beam. Depending on the switchable orientation of the E-field vector 36A , 36B regarding the individual elementary structures 22nd a frequency conversion is caused or not.

3C zeigt eine schematische Aufsicht auf eine weitere Metamaterialstruktur 42' mit einer beispielhaften Anordnung von Elementarstrukturen 22, die in diesem Beispiel zur Verwendung mit radialer/azimutaler Polarisation vorgesehen ist. Radiale und/oder azimutale Polarisationen stellen eine Superposition der linearen Polarisation dar, wobei sich „lokal“ über den Strahlquerschnitt hinweg die Orientierung des E-Feldvektors ändert. In einem Fall liegt eine Orientierung des E-Feldvektors in radialer Richtung und im anderen Fall in azimutaler Richtung vor. In 3C sind zur Verdeutlichung einer radialen Polarisation radial nach außen gerichtete E-Feldvektoren 36A' angedeutet. 3C shows a schematic plan view of a further metamaterial structure 42 ' with an exemplary arrangement of elementary structures 22nd , which in this example is intended for use with radial / azimuthal polarization. Radial and / or azimuthal polarizations represent a superposition of the linear polarization, with the orientation of the E-field vector changing “locally” across the beam cross-section. In one case there is an orientation of the E-field vector in the radial direction and in the other case in the azimuthal direction. In 3C E-field vectors 36A 'directed radially outward are indicated to illustrate a radial polarization.

Für derartige Strahlen können Metamaterialien eingesetzt werden, bei denen die Ausrichtung der Elementarstrukturen 22 „lokal“ über den Strahlquerschnitt hinweg an die Variation der z.B. radialen Orientierung des E-Feldvektors angepasst ist. In der Ausführungsform gemäß 3C sind die Elementarstrukturen 22 - im Wesentlichen rotationssymmetrisch - in einem Kreisring angeordnet. Beispielsweise erkennt man innerhalb von Segmenten des Kreisrings gleichmäßig ausgerichtete Elementarstrukturen 22. Zur Verdeutlichung der Polarisation ist jeweils der E-Feldvektor 36A' für ein zugehöriges Segmenten gezeigt. Aufgrund der geringen Größe der Elementarstrukturen 22 wird eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Anordnung, beispielsweise mit einer großen Anzahl von Segmenten, möglich.For such rays, metamaterials can be used, in which the alignment of the elementary structures 22nd Is adapted “locally” across the beam cross-section to the variation of the, for example, radial orientation of the E-field vector. In the embodiment according to 3C are the elementary structures 22nd - essentially rotationally symmetrical - arranged in a circular ring. For example, evenly aligned elementary structures can be seen within segments of the circular ring 22nd . To illustrate the polarization, the E-field vector 36A 'for an associated segment is shown in each case. Due to the small size of the elementary structures 22nd an essentially rotationally symmetrical arrangement, for example with a large number of segments, is possible.

Die Anordnung von Elementarstrukturen 22 gemäß 3C verdeutlicht die gezielte Schaltbarkeit der Wechselwirkung des Laserstrahls mit den Elementarstrukturen 22 durch einen Wechsel von radialer zu azimutaler Polarisation, wodurch eine Frequenzkonversion hervorgerufen oder vermieden werden kann.The arrangement of elementary structures 22nd according to 3C illustrates the targeted switchability of the interaction of the laser beam with the elementary structures 22nd by changing from radial to azimuthal polarization, whereby a frequency conversion can be caused or avoided.

Die 4 und 5 verdeutlichen beispielhaft Frequenzkonversionseinheiten 30A, 30B, die Metamaterialstrukturen in Reflektion (4) und Transmission (5) verwenden. Allgemein können auch Kombinationen von reflektiven und transmittiven Metamaterialstrukturen eingesetzt werden.The 4th and 5 illustrate frequency conversion units by way of example 30A , 30B , the metamaterial structures in reflection ( 4th ) and transmission ( 5 ) use. In general, combinations of reflective and transmissive metamaterial structures can also be used.

In den in den 4 und 5 dargestellten schematischen Strahlführungssystemen sind die Frequenzkonversionseinheiten 30A, 30B jeweils strahlabwärts eines schematisch angedeuteten Strahleingangs 3', der einen primären Laserstrahl 34 der Laserstrahlquelle 2 aufnimmt, angeordnet.In the in the 4th and 5 The schematic beam guidance systems shown are the frequency conversion units 30A , 30B in each case downstream of a schematically indicated beam entrance 3 ' holding a primary laser beam 34 the laser beam source 2 takes up, arranged.

In der Ausführungsform gemäß 4 umfasst die Frequenzkonversionseinheit 30A zwei frequenzkonvertierende Elemente 32A, 32B, die zur Frequenzkonvertierung des einfallenden primären Laserstrahls 34 der Laserstrahlquelle 2 ausgebildet sind, wobei die Frequenzkonversion abhängig vom Polarisationszustand des einfallenden primären Laserstrahls 34 ist. Beispielhaft ist in 4 der primäre Laserstrahl 34 linear polarisiert. Ein Pfeil verdeutlicht als ein erster Polarisationszustand eine Polarisationsrichtung 36A in der Zeichenebene. Mit Hilfe eines beispielsweise strahlabwärts des Strahleingangs 3' angeordneten Polarisationszustand-einstellenden Elements 38 kann eine um 90° gedrehte Polarisationsrichtung 36B, das heißt eine Polarisationsrichtung senkrecht zur Zeichenebene (zweiter Polarisationszustand), wahlweise eingestellt werden. Beispielsweise ist das Polarisationszustand-einstellende Element 38 eine um die Strahlachse drehbare λ/2-Platte. Am Ausgang der Frequenzkonversionseinheit 30A liegt entsprechend in Abhängigkeit vom eingestellten Polarisationszustand 36A, 36B entweder der primäre Laserbearbeitungsstrahl 6 oder der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl 44 vor.In the embodiment according to 4th includes the frequency conversion unit 30A two frequency converting elements 32A , 32B that are used to convert the frequency of the incident primary laser beam 34 the laser beam source 2 are formed, the frequency conversion depending on Polarization state of the incident primary laser beam 34 is. An example is in 4th the primary laser beam 34 linearly polarized. As a first polarization state, an arrow illustrates a direction of polarization 36A in the drawing plane. With the help of, for example, a beam downstream of the beam entrance 3 ' arranged polarization state adjusting element 38 can have a polarization direction rotated by 90 ° 36B , that is, a polarization direction perpendicular to the plane of the drawing (second polarization state), can be optionally set. For example, the polarization state adjusting element is 38 a λ / 2 plate rotatable around the beam axis. At the output of the frequency conversion unit 30A is correspondingly dependent on the set polarization state 36A , 36B either the primary laser processing beam 6th or the frequency-converted machining beam 44 in front.

In Ausführungsformen, bei denen z.B. eine Überlagerung von Strahlanteilen des primären Laserstrahls 34 und des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls 44 eingesetzt werden soll, kann ferner beispielsweise eine nicht vollständige Drehung der λ/2-Platte um 90° vorgenommen werden oder eine, insbesondere um die Strahlachse drehbar gelagerte oder in den Strahlengang strahl aufwärts der Frequenzkonversionseinheit einbringbare, beispielsweise λ/4-Verzögerungsplatte als Polarisationszustand-einstellendes Element 38 vorgesehen werden.In embodiments in which, for example, a superimposition of beam components of the primary laser beam 34 and the frequency-converted machining beam 44 is to be used, an incomplete rotation of the λ / 2 plate by 90 ° or a, in particular rotatably mounted about the beam axis or can be introduced into the beam path upstream of the frequency conversion unit, for example λ / 4 retardation plate as a polarization state. hiring element 38 are provided.

Die frequenzkonvertierenden Elemente 32A, 32B weisen ein Spiegelsubstrat 40 auf, wobei die Oberfläche des Spiegelsubstrats durch ein frequenzkonvertierendes, eine Metamaterialstruktur 42 bildendes Metamaterial geformt wird. Die Metamaterialstruktur 42 weist Elementarstrukturen 22' auf. Das Spiegelsubstrat 40 ist im Wellenlängenbereich des Laserstrahls 34 reflektierend ausgebildet.The frequency converting elements 32A , 32B exhibit a mirror substrate 40 on, the surface of the mirror substrate through a frequency-converting, a metamaterial structure 42 forming metamaterial is formed. The metamaterial structure 42 exhibits elementary structures 22 ' on. The mirror substrate 40 is in the wavelength range of the laser beam 34 reflective.

Aufgrund der Wechselwirkung des Laserstrahls 34 mit den Elementarstrukturen 22 der Metamaterialstruktur 42 am frequenzkonvertierenden Element 32A wird ein frequenzkonvertierter Bearbeitungsstrahl 44 (in den 5 und 6 gestrichelt dargestellt) in Richtung des reflektierten Laserstrahls 34 emittiert und trifft zusammen mit diesem auf das frequenzkonvertierende Element 32B. Dort wird der Anteil des frequenzkonvertierten Lichts weiter erhöht, so dass sich der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl 44 verstärkt. Die Frequenzkonversionseinheit 30A weist ferner ein Fokussierelement 46 auf, das dazu ausgebildet ist, sowohl den primären Laserstrahl 34 als auch den frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl 44 auf das Werkstück 8 zu fokussieren. Das Fokussierelement 46 ist entsprechend auf die Strahlformung in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen des Laserstrahls 34 als auch des Bearbeitungsstrahls 44 optimiert.Due to the interaction of the laser beam 34 with the elementary structures 22nd the metamaterial structure 42 on the frequency converting element 32A becomes a frequency-converted machining beam 44 (in the 5 and 6th shown in dashed lines) in the direction of the reflected laser beam 34 emits and meets with this on the frequency-converting element 32B . There, the proportion of the frequency-converted light is increased further, so that the frequency-converted processing beam is 44 reinforced. The frequency conversion unit 30A furthermore has a focusing element 46 on, which is designed to both the primary laser beam 34 as well as the frequency-converted machining beam 44 on the workpiece 8th to focus. The focusing element 46 is corresponding to the beam formation in the different wavelength ranges of the laser beam 34 as well as the machining beam 44 optimized.

Die Frequenzkonversionseinheit 30B der 5 unterscheidet sich in der Verwendung der frequenzkonvertierenden Elemente 48 in Transmission von der Ausführungsform gemäß 4. Entsprechend sind die Metamaterialstrukturen 42 auf transmittierenden optischen Elementen 49 angeordnet oder in diese integriert. Ferner sind entsprechend die Elementarstrukturen 22" der Transmissionselemente 48 auf eine Erzeugung von frequenzkonvertiertem Licht in Vorwärtsrichtung optimiert. Am Ausgang der Frequenzkonversionseinheit 30B liegt entsprechend in Abhängigkeit vom eingestellten Polarisationszustand 36A, 36B entweder der primäre Laserbearbeitungsstrahl 6 oder der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl 44 vor.The frequency conversion unit 30B the 5 differs in the use of the frequency-converting elements 48 in transmission from the embodiment according to 4th . The metamaterial structures are accordingly 42 on transmitting optical elements 49 arranged or integrated into them. Furthermore, the elementary structures are corresponding 22 " the transmission elements 48 optimized for the generation of frequency-converted light in the forward direction. At the output of the frequency conversion unit 30B is correspondingly dependent on the set polarization state 36A , 36B either the primary laser processing beam 6th or the frequency-converted machining beam 44 in front.

In 5 sind analog zu 4 die Möglichkeit der Polarisationsdrehung mit Hilfe eines Polarisationszustand-einstellenden Elements 38 und durch Pfeile dargestellte lineare Polarisationsrichtungen 36A, 36B angedeutet.In 5 are analogous to 4th the possibility of polarization rotation with the help of a polarization state-adjusting element 38 and linear polarization directions shown by arrows 36A , 36B indicated.

In den 6 und 7 sind beispielhafte Aufbauten für reflektierende frequenzkonvertierende Elemente dargestellt. Insbesondere frequenzkonvertierende Elemente, die sowohl der Wellenlänge des primären Laserstrahls 34 als auch der Wellenlänge der frequenzkonvertierten Strahlung 44 ausgesetzt sind, können in ihrem Aufbau entsprechend angepasst werden, so dass Konfigurationen entstehen, die eine effiziente Ausbildung des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls 44 sowie eine möglichst verlustfreie Führung des primären Laserstrahls 34 ermöglichen.In the 6th and 7th Exemplary structures for reflective frequency-converting elements are shown. In particular, frequency converting elements that match both the wavelength of the primary laser beam 34 as well as the wavelength of the frequency-converted radiation 44 are exposed, can be adapted accordingly in their structure, so that configurations arise that an efficient formation of the frequency-converted processing beam 44 and guidance of the primary laser beam with as little loss as possible 34 enable.

In 6 ist gezeigt, wie beispielhaft ein 10 µm Primärlaserstrahl 34' auf eine Anordnung von Elementarstrukturen 22 auf einem Spiegelsubstrat 40 trifft. Die vom frequenzkonvertierenden Element 32A ausgehende Strahlung umfasst somit bei entsprechender Polarisation frequenzkonvertiertes Licht 44A (gestrichelte Linie) und den verbleibenden Teil des reflektierten Primärlaserstrahls 34' (durchgezogene Linie). Das nachfolgende frequenzkonvertierende Element 32C umfasst eine im Wellenlängenbereich des Laserstrahls 34 transmittierende und im Wellenlängenbereich des frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahls reflektierende Oberflächenschicht 50. Rückseitig der Oberflächenschicht 50 befindet sich das frequenzkonvertierende und die Metamaterialstruktur 42 bildende Metamaterial in einem Substrat 52. Das Metamaterial führt für den verbleibenden Leistungsanteil wieder zu einer Frequenzkonversion, so dass sich ein entsprechend emittiertes frequenzkonvertiertes Licht 44B mit dem bereits von der Oberflächenschicht 50 reflektierten frequenzkonvertierten Licht 44A überlagert und zusammen mit diesem den frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl 44 ausbildet. Zur Verdeutlichung sind das Licht 44A und das Licht 44B getrennt voneinander in 6 angedeutet. Allgemein ist die Anordnung nicht auf zwei frequenzkonvertierende Elemente beschränkt.In 6th is shown as an example of a 10 µm primary laser beam 34 ' to an arrangement of elementary structures 22nd on a mirror substrate 40 meets. The one from the frequency converting element 32A Outgoing radiation thus includes frequency-converted light with the appropriate polarization 44A (dashed line) and the remaining part of the reflected primary laser beam 34 ' (solid line). The following frequency converting element 32C includes one in the wavelength range of the laser beam 34 Transmitting surface layer that is reflective in the wavelength range of the frequency-converted machining beam 50 . Back of the surface layer 50 is the frequency converting and the metamaterial structure 42 forming metamaterial in a substrate 52 . The metamaterial leads to a frequency conversion for the remaining power component, so that a correspondingly emitted frequency-converted light is produced 44B with that already from the surface layer 50 reflected frequency-converted light 44A superimposed and together with this the frequency-converted machining beam 44 trains. To clarify, the lights are 44A and the light 44B separated from each other in 6th indicated. In general, the arrangement is not limited to two frequency-converting elements.

Die Ausführungsform gemäß 7 umfasst wieder das (erste) frequenzkonvertierende Element 32A, das nur dem Primärlaserstrahl ausgesetzt ist. Das sekundäre frequenzkonvertierende Element 32D umfasst allerdings ein im Wellenlängenbereich des frequenzkonvertierten Lichts 44A transmittierendes Substrat 52' und eine im Wellenlängenbereich des frequenzkonvertierten Lichts 44A reflektierende Rückseitenschicht 54, die auf einer Rückseite des Substrats 52' angeordnet ist. Auf einer Vorderseite 56 des Substrats 52 ist das frequenzkonvertierende und die Metamaterialstruktur 42 bildende Metamaterial angeordnet. An der Rückseitenschicht 54 kann ferner der Primärlaserstrahl 34' zusätzlich zum frequenzkonvertierten Licht 44A reflektiert werden. Entsprechend erlaubt es die Ausführungsform gemäß 7, eine Frequenzkonversionseinheit mit einer Mehrzahl von frequenzkonvertierenden Elementen aufzubauen, da zum einen der erzeugte frequenzkonvertierte Anteil 44A umgelenkt und zum anderen der verbleibende Anteil des Primärlaserstrahls 34' weitergeleitet wird. Dies ermöglicht eine effiziente Umwandlung des Primärlaserstrahls 44' in einen frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl 44, da sich nach dem frequenzkonvertierenden Element 32D das reflektierte Licht 44A mit dem neu erzeugten Licht 44B wie in 6 überlagert.The embodiment according to 7th again comprises the (first) frequency-converting element 32A that is only exposed to the primary laser beam. The secondary frequency converting element 32D however, includes one in the wavelength range of frequency-converted light 44A transmitting substrate 52 ' and one in the wavelength range of the frequency-converted light 44A reflective backing layer 54 that are on a back side of the substrate 52 ' is arranged. On a front 56 of the substrate 52 is the frequency converting and the metamaterial structure 42 forming metamaterial arranged. On the back layer 54 can also use the primary laser beam 34 ' in addition to the frequency-converted light 44A be reflected. The embodiment according to FIG 7th to build a frequency conversion unit with a plurality of frequency-converting elements, since on the one hand the generated frequency-converted portion 44A deflected and on the other hand the remaining part of the primary laser beam 34 ' is forwarded. This enables efficient conversion of the primary laser beam 44 ' into a frequency-converted machining beam 44 because after the frequency converting element 32D the reflected light 44A with the newly generated light 44B as in 6th superimposed.

In einer alternativen oder zusätzlichen Modifikation kann gemäß der in 8 gezeigten Ausführungsform zwischen zwei frequenzkonvertierenden Elementen 32A, 32B ein Fokussierelement 58 vorgesehen werden. Das Fokussierelement 58 erlaubt es, die Intensität des Primärlaserstrahls 34" während der Ausbreitung innerhalb der Frequenzkonversionseinheit bei einer entsprechenden Größe zur Gewährleistung einer effizienten Frequenzkonversion zu halten. So kann beispielsweise die Abnahme der Leistung des primären Laserstrahls durch die Frequenzkonversion kompensiert werden. Das fokussierende Element 58 ist beispielsweise eine Fokussierlinse, wie in 8 gezeigt. Alternativ oder ergänzend kann eine Faltung des Strahlengangs in der Frequenzkonversionseinheit über einen fokussierenden Spiegel erfolgen, wobei beispielsweise eine großflächige auf einem reflektierenden Substrat ausgebildete Metamaterialstruktur mehrfach bestrahlt wird.In an alternative or additional modification, according to the in 8th embodiment shown between two frequency converting elements 32A , 32B a focusing element 58 are provided. The focusing element 58 allows the intensity of the primary laser beam 34 " to keep during the propagation within the frequency conversion unit at an appropriate size to ensure efficient frequency conversion. For example, the decrease in the power of the primary laser beam can be compensated for by the frequency conversion. The focusing element 58 is, for example, a focusing lens as in FIG 8th shown. Alternatively or additionally, the beam path can be folded in the frequency conversion unit via a focusing mirror, for example a large-area metamaterial structure formed on a reflective substrate being irradiated several times.

Neben der in Zusammenhang mit den 4 und 5 verdeutlichten Verwendung von orthogonalen linearen Polarisationsrichtungen für eine Schaltbarkeit zwischen einem Laserbearbeitungsstrahl und einem frequenzkonvertierten Bearbeitungsstrahl können ebenso andere Polarisationsarten und Kombinationen von Polarisationsarten und Wechsel zwischen Polarisationsarten bzw. Wechsel zwischen Ausrichtungen von Polarisationsarten zur Verwendung unterschiedlicher Wellenlänge für die Laserbearbeitungsanlage in Abhängigkeit von eingesetzten Elementarstrukturen umgesetzt werden. Ein diskretes Schalten ist beispielsweise mit linearer Polarisation oder radialer/azimutaler Polarisation möglich, wogegen ein Schalten zwischen zirkularer und elliptischer Polarisation nur zu einem Verschieben von Leistungsanteilen zwischen frequenzkonvertiertem Bearbeitungsstrahl und primären Laserbearbeitungsstrahl führt.In addition to the in connection with the 4th and 5 The illustrated use of orthogonal linear polarization directions for switchability between a laser processing beam and a frequency-converted processing beam, other types of polarization and combinations of types of polarization and change between types of polarization or change between types of polarization to use different wavelengths for the laser processing system depending on the elementary structures used. Discrete switching is possible, for example, with linear polarization or radial / azimuthal polarization, whereas switching between circular and elliptical polarization only leads to a shift in the power components between the frequency-converted processing beam and the primary laser processing beam.

Ferner kann, falls beispielsweise der bereitgestellte Laserbearbeitungsstrahl für die Werkstückbearbeitung in eine zirkuläre Polarisation übergeführt werden soll, ein weiteres Polarisationszustand-einstellendes Element beispielsweise am Ausgang der Fokussiereinheit 46 (siehe 4 und 5) vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine entsprechende Verzögerungsplatte 47, z.B. eine (beispielsweise Zero-Order-) λ/4-Platte, vorgesehen werden. Die Verzögerungsplatte 47 kann drehbar gelagert oder in den Strahlengang einbringbar sein und ist insbesondere strahlabwärts der Frequenzkonversionseinheit im Bereich der Fokussiereinheit 46 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen oder ergänzend kann beispielsweise ein von der Steuerungseinheit 14 angesteuerter und in dem Fokussierelement 46 vorgesehener Faraday-Rotator entsprechend der jeweiligen Wellenlänge zur Polarisationsanpassung geschaltet werden.Furthermore, if, for example, the laser machining beam provided for machining the workpiece is to be converted into a circular polarization, a further element which sets the polarization state can for example be at the output of the focusing unit 46 (please refer 4th and 5 ) are provided. For example, a corresponding retardation plate 47 , for example a (for example zero order) λ / 4 plate, can be provided. The retardation plate 47 can be rotatably mounted or can be introduced into the beam path and is in particular downstream of the frequency conversion unit in the area of the focusing unit 46 arranged. In alternative embodiments or in addition, one of the control unit 14th controlled and in the focusing element 46 provided Faraday rotator can be switched according to the respective wavelength for polarization adjustment.

Wie in 1 gezeigt weisen Laserbearbeitungsanlagen 1 üblicherweise Steuerungseinheiten zur Steuerung der verschiedenen Komponenten auf. Derartige Steuerungseinheiten können dazu ausgebildet werden, das Polarisationszustand-einstellende Element in Abhängigkeit von einem gewünschten Bearbeitungsmodus anzusteuern. Beispielsweise kann in einem Schneidmodus, in dem eine hohe Qualität der Schnittkante erzielt werden soll, der primäre Laserbearbeitungsstrahl und in einem Schneidmodus, in dem eine hohe Vorschubgeschwindigkeit eingesetzt werden soll, der frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl für die Werkstückbearbeitung bereitgestellt werden.As in 1 shown have laser processing systems 1 usually control units to control the various components. Such control units can be designed to control the element which adjusts the polarization state as a function of a desired processing mode. For example, in a cutting mode in which a high quality of the cutting edge is to be achieved, the primary laser processing beam and in a cutting mode in which a high feed rate is to be used, the frequency-converted processing beam can be provided for machining the workpiece.

Entsprechend kann in einem beispielhaften Verfahren zum Bereitstellen eines Laserbearbeitungsstrahls und/oder eines frequenzkonvertierte Bearbeitungsstrahl die Steuerungseinheit dazu genutzt werden, das Polarisationszustand-einstellende Element in Abhängigkeit von einem Bearbeitungsmode entsprechend anzusteuern.Correspondingly, in an exemplary method for providing a laser processing beam and / or a frequency-converted processing beam, the control unit can be used to control the element setting the polarization state as a function of a processing mode.

Das vorausgehend in Zusammenhang mit 1 beschriebene Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsanlage bezieht sich beispielhaft auf die Blechverarbeitung. Allerdings ist das hier beschriebene Konzept nicht auf die Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken beschränkt. Vielmehr kann es auch bei der Bearbeitung von rohrförmigen oder dreidimensionalen variablen geformten Werkstücken und bei an Robotern angebrachten Laserbearbeitungsköpfen Anwendung finden. Ferner versteht sich, dass das hier beschriebene Konzept nicht nur bei einer Laserschneidmaschine, wie sie beispielhaft in 1 gezeigt wurde, sondern auch bei anderen Laserbearbeitungsmaschinen z.B. zum Laserhärten, Laserschweißen und Laserauftragsschweißen von Materialien bzw. an Stanz-Laser-Kombinationsmaschinen eingesetzt werden kann. Insbesondere kann es auch an Maschinen mit feststehendem oder nur in einer Richtung bewegbarem Bearbeitungskopf eingesetzt werden.The preceding in connection with 1 The exemplary embodiment of a laser processing system described relates, for example, to sheet metal processing. However, the concept described here is not limited to the machining of plate-shaped workpieces. Rather, it can also be used in the processing of tubular or three-dimensional variable shaped workpieces and in laser processing heads attached to robots. Furthermore, it goes without saying that the concept described here is not only applicable to a laser cutting machine as exemplified in FIG 1 was shown, but can also be used with other laser processing machines, e.g. for laser hardening, laser welding and laser deposition welding of materials or on punch-laser combination machines. In particular, it can also be used on machines with a fixed machining head or a machining head that can only be moved in one direction.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and / or the claims are viewed as separate and independent of one another for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, regardless of the combinations of features in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range specifications or specifications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as a limit of a range specification.

Claims

Beam guidance system (3) for a laser processing system (1) for the optional processing of a workpiece (8) with a primary laser processing beam (6) and / or a frequency-converted processing beam (44) based on the laser processing beam a beam entrance (3 ') for receiving a laser beam (34) to be guided to a workpiece (8), a polarization state adjusting element (38) for providing a first polarization state (36A) or a second polarization state (36B) or a superposition of the first polarization state (36A) and the second polarization state (36B) of the laser beam (34) to be guided, a frequency conversion unit (30, 30A, 30B) with a metamaterial structure (42) which does not frequency-convert the laser beam (34) in the first polarization state (36A) and continues as the primary laser processing beam (6) and that for the laser beam (34) in the second polarization state (36B) brings about a frequency conversion based on the metamaterial structure (42) for generating the frequency-converted processing beam (44), and a focusing unit (46) for focusing the primary laser processing beam (6) and / or the frequency-converted processing beam (44) on the workpiece (8) to be processed.

Beam guidance system (3) according to Claim 1 , wherein the beam guidance system (3) has a processing head (4) which is arranged close to the workpiece and movable with respect to the workpiece (8) and comprises the frequency conversion unit (30, 30A, 30B) and the focusing unit (46), so that the beam path of the beam guidance system (3) has a first beam path section (3a) which guides the primary laser beam (6) from the beam entrance (3 ') to the processing head (4), and a second beam path section (3b) in the processing head (4), the first beam path section (3a ) is at least partially formed by a free beam guide and / or a fiber optic cable system.

Beam guidance system (3) according to Claim 2 wherein the polarization state adjusting element (38) is arranged in the machining head (4).

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the frequency conversion unit (30, 30A, 30B) has a frequency-converting element (32A, 32B) with a mirror substrate (40), the surface of the mirror substrate (40) being formed by a frequency-converting metamaterial forming the metamaterial structure (42), and the mirror substrate (40) is reflective in the wavelength range of the primary laser beam (34) and in the wavelength range of the frequency-converted machining beam (44).

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 4th , wherein the frequency conversion unit (30, 30A, 30B) has a frequency-converting element (32C) which has a surface layer (50) which is transmitted in the wavelength range of the laser beam (34) and which is reflective in the wavelength range of the frequency-converted processing beam (44) and a surface layer (50) on the back ) has arranged, frequency-converting metamaterial forming the metamaterial structure (42).

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the frequency conversion unit (30, 30A, 30B) has a frequency-converting element (32D) which has a substrate (52 ') which transmits in the wavelength range of the frequency-converted processing beam (44), a substrate (52') which is reflective in the wavelength range of the frequency-converted processing beam (44) and which is reflective in the wavelength range of the primary laser beam (34) reflecting back side layer (54) and a on a front side (56) of the substrate (52) arranged, frequency-converting and the metamaterial structure (42) forming metamaterial.

Beam guidance system (3) according to Claim 1 or 2 , wherein the frequency conversion unit (30, 30A, 30B) has a transmission element (48) which has a frequency-converting metamaterial which forms the metamaterial structure (42) and which is on or in one of the wavelength ranges of the primary laser beam (34) and / or the frequency-converted processing beam (44) transmitting optical element (49) is arranged.

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 7th wherein the frequency conversion unit (30, 30A, 30B) has at least two frequency converting elements (32A-32D, 48) and an optical focusing element (58) arranged in the beam path between the at least two frequency converting elements (32A-D, 48).

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 8th , wherein the metamaterial structure (42) is designed to generate the frequency-converted processing beam (44) at a harmonic of the frequency of the primary laser beam (34).

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 9 , wherein the metamaterial structure (42) comprises a conductive structure which is correspondingly formed via electron movement due to the incident primary laser beam (34) to emit one or more higher harmonics of the incident primary laser beam (34).

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 10 wherein the polarization state adjusting element (38) comprises a λ / 2 or λ / 4 element and / or a Faraday rotator.

Beam guidance system (3) according to one of the Claims 1 to 11 , furthermore with a λ / 4 element, which is rotatably mounted or can be introduced into the beam path, downstream of the frequency conversion unit (30, 30A, 30B) for generating a circular polarization for machining the workpiece (8).

Laser processing system (1) for the optional processing of a workpiece (8) with a laser processing beam (6) and / or a frequency-converted processing beam (44) based on a primary laser beam (34), with a laser beam source (2) providing the primary laser beam (34), a beam guidance system (3) according to one of the preceding claims and a workpiece storage unit (5).

Laser processing system (1) according to Claim 13 , wherein the laser beam source (2) is a CO2 laser system for generating the primary laser beam (34) with a wavelength in the range around 10 µm or a solid-state laser system (16) for generating the primary laser beam (34) with a wavelength in the range around 2 µm or 1 µm.

Laser processing system (1) according to Claim 13 or 14th and furthermore with a control unit (14) which is designed to control the element (38) which adjusts the polarization state as a function of a processing mode.

Method for processing a workpiece (8) with the following steps: providing a laser processing system (1) according to one of the Claims 13 to 15th , Causing the control unit (14) to control the polarization state-adjusting element (38) as a function of a processing mode in such a way that in a cutting mode for high quality the primary laser beam as the laser processing beam (6) and in a cutting mode with high feed rate the frequency-converted processing beam ( 44) is provided for the workpiece machining, and performing the workpiece machining.