DE102022101866A1

DE102022101866A1 - Dynamischer fokus für laserbearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102022101866A1
Application number: DE102022101866.0A
Authority: DE
Inventors: Danny Chan
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-09-08
Also published as: US20220283416A1; CN115026416A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, der einen Laserstrahl zu einer Bearbeitungszone überträgt. Eine fest im Laserbearbeitungskopf befestigte Eingangslinse bildet den Strahl von einem Eingang mit einer ersten (negativen) Brennweite entlang einer optischen Achse ab. Im Laserbearbeitungskopf ist eine Zwischenlinse in Verbindung mit einem Aktuator beweglich befestigt, der die Zwischenlinse entlang der Achse in einem variablen Linsenabstand relativ zur Eingangslinse bewegen kann. Die Zwischenlinse bildet den Strahl mit einer zweiten (positiven) Brennweite ab. Eine fest im Laserbearbeitungskopf befestigte Ausgangslinse bildet den Strahl mit einer dritten (positiven) Brennweite entlang der Achse auf einen Brennpunkt ab. Die dritte Brennweite ist größer als die zweite Brennweite und bietet einen großen Arbeitsabstand. Der Brennpunkt kann bei einer variablen Brennweite entlang der Achse in Bezug auf den variablen Linsenabstand, um den die Zwischenlinse bewegt wird, variiert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Hochleistungslaser-Bearbeitungskopf, der konfiguriert ist, um seine Fokusposition dynamisch anzupassen, und gleichzeitig gegenüber Kontaminationen der Linsen beständig ist und einen großen Arbeitsabstand bereitstellt.
Kurze Beschreibung des Stands der Technik
Ein Laserbearbeitungskopf, wie er zum Schneiden oder zur Materialbearbeitung eingesetzt wird, kann einen Hochleistungslaserstrahl von 10 kw und sogar bis zu 30 kW bereitstellen. Aufgrund der Arbeitsbedingungen ist der Hochleistungskopf vorzugsweise beständig gegenüber Kontaminationen, welche die Optik im Kopf beschädigen und die Leistung des Lasers beeinträchtigen können. Bei einigen Laserbearbeitungsköpfen kann die Fokusposition des Laserstrahls vom Kopf entlang der optischen Achse eingestellt werden.
Obwohl bestehende Anordnungen zum Anpassen der Fokusposition effektiv sein können, sind die Konfigurationen möglicherweise für raue Arbeitsbedingungen, Hochleistungslaserenergie, Exposition von Kontaminationen und andere Probleme, welche die Optik im Kopf beschädigen und die Leistung des Lasers beeinträchtigen können, nicht gut geeignet. Außerdem ist das Ändern der Fokusposition ein zeitkritischer Vorgang und sollte so schnell wie möglich durchgeführt werden. Dies kann die Implementierung einiger Anordnungen erschweren.
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden oder zumindest deren Auswirkungen zu reduzieren.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Ein Laserbearbeitungskopf wird verwendet, um einen Laserstrahl, der entlang einer optischen Achse des Kopfes eingegeben wird, zu einer Bearbeitungszone zu übertragen, wobei der Kopf ein erstes, zweites und drittes Linsenelement umfasst, die jeweils eine oder mehrere Linsen oder optische Elemente einschließen können. Das erste Linsenelement ist im Kopf angeordnet und bildet den Laserstrahl vom Eingang mit einer ersten Brennweite entlang der optischen Achse ab. Die erste Brennweite kann negativ oder für Vergrößerungen von etwa 6x oder mehr positiv sein. Das zweite Linsenelement ist im Kopf angeordnet und weist einen damit angeordneten Aktuator auf. Das zweite Linsenelement bildet den Laserstrahl der ersten Linse mit einer zweiten (positiven) Brennweite entlang der optischen Achse ab. Der Aktuator ist dazu konfiguriert, die zweite Linse im Kopf entlang der optischen Achse über einen variablen Linsenabstand relativ zur ersten Linse zu bewegen. Das dritte Linsenelement ist im Kopf angeordnet und bildet den Laserstrahl des zweiten Linsenelements mit einer dritten (positiven) Brennweite entlang der optischen Achse auf einen Brennpunkt ab. Die dritte Brennweite ist größer als die zweite Brennweite, und der Brennpunkt ist entlang der optischen Achse über eine variable Brennweite bezogen auf den variablen Linsenabstand variabel.
Der Kopf kann ein Gehäuse mit einem Eingang und einem Ausgang für den Laserstrahl entlang der optischen Achse umfassen. Das erste und das dritte Linsenelement sind fest im Gehäuse befestigt, während das zweite Linsenelement in Verbindung mit dem Aktuator im Gehäuse beweglich befestigt ist.
Die vorstehende Kurzdarstellung ist nicht dazu bestimmt, jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung zusammenzufassen.
Figurenliste

1A veranschaulicht ein Laserabgabesystem gemäß der vorliegenden Offenbarung.
1B-1C veranschaulichen schematisch einen Laserbearbeitungskopf gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2A veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs, der eine Linsenanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist.
2B veranschaulicht ein Detail der Linsenanordnung in 2A.
2C veranschaulicht schematisch eine Linse, eine feste Befestigungsstruktur und ein Kühlelement der vorliegenden Offenbarung und veranschaulicht schematisch eine Linse, eine bewegliche Befestigungsstruktur, ein Kühlelement und einen Aktuator der vorliegenden Offenbarung.
3A veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs, der eine Linsenanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist.
3B veranschaulicht ein Detail der Linsenanordnung in 3A.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das technische Problem der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
1A veranschaulicht ein Laserabgabesystem 80 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Eine Laserquelle 82 erzeugt Hochleistungslaserlicht, das sich entlang eines faseroptischen Kabels 84 zu einem Laserbearbeitungskopf 10 ausbreitet. Die Laserquelle 82 kann je nach erforderlicher Laserleistung ein geeigneter Multimode- oder ein Singlemode-Laser sein.
Der Laserbearbeitungskopf 10 kann relativ zu einem Werkstück WP bewegt werden und/oder kann das Werkstück WP relativ dazu bewegen. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf 10 durch ein Portalsystem, einen Roboterarm oder eine andere in der Technik verwendete Vorrichtung 86 bewegt werden. Intern schließt der Laserbearbeitungskopf 10 eine Optik ein, um die Laserenergie in einem Laserstrahl LB auf das Werkstück WP zu fokussieren, um Schneiden, Hartlöten, Schweißen, additive Fertigung oder einen anderen Laserprozess zu erreichen.
1B veranschaulicht schematisch den Laserbearbeitungskopf 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Laserbearbeitungskopf 10 schließt ein Gehäuse 12 für interne Optik einer Linsenanordnung 20 ein. Ein Empfänger 85 an einem Ende des Gehäuses 12 kann an das Laserkabel 84 gekoppelt sein, welches das Laserlicht in den Kopf 12 leitet. Ein Ausgang 16 am anderen Ende des Gehäuses 12 ermöglicht, dass ein fokussierter Laserstrahl LB aus dem Gehäuse 12 emittiert wird, um die Zwecke des Laservorgangs zu erreichen, wie zum Beispiel Schweißen, additive Fertigung, Schneiden usw. Zum Schutz der internen Optik im Inneren des Gehäuses 12 kann der Ausgang 16 einen Abdeckschieber einschließen, der als transparentes Druckfenster wirkt.
Während des Betriebs emittiert der Eingang 14 (z. B. eine Hochleistungslaserabgabefaser) im Kopf 10 einen Hochleistungslaserstrahl LB im Gehäuse 12. In einem allgemeinen Sinne bildet ein festes Eingangslinsenelement 30 den Laserstrahl LB auf ein zweites, bewegliches Linsenelement 40 ab. Das bewegliche Linsenelement 40 bildet den Laserstrahl LB wiederum auf ein festes Fokussierungslinsenelement 50 ab, das den Laserstrahl LB fokussiert, um durch den Schutzabdeckschieber des Ausgangs 16 hindurchzutreten. Der Strahl LB wird auf einen Brennpunkt oder -fleck 18 fokussiert, und der Laserstrahl LB trifft dann auf oder nahe dem Werkstück WP oder einer anderen gewünschten Prozesszone auf. (Je nach Laserprozess und Art des Kopfes 10 kann sich der Brennpunkt 18 an oder nahe dem Werkstück WP, innerhalb einer Düse 17, wie in 1C, die am Kopf angebracht ist, oder an einer anderen Stelle entlang der optischen Achse befinden, die dem jeweiligen Prozess entspricht.)
In einem technischeren Sinne erzeugt das erste Linsenelement 30 ein Bild (normalerweise ein virtuelles Bild), das verkleinert ist und als Objekt für das zweite Linsenelement 40 dient. Das zweite Linsenelement 40 wiederum bildet dieses verkleinerte Objekt nahe Unendlich ab. Wenn sich das zweite Linsenelement 40 in einer neutralen Position befindet, befindet sich das durch das zweite Linsenelement 40 erzeugte Bild daher im Unendlichen. Schließlich bildet das letzte Linsenelement 50 dieses neue Objekt von Unendlich auf die Brennebene des letzten Linsenelements 50 ab, wodurch der Brennpunkt 18 für den Materialbearbeitungsvorgang gebildet wird.
Eine Bewegung des zweiten Elements 40 bewegt das virtuelle Objekt für das letzte Linsenelement 50 von Unendlich weg und führt daher zu einer Bewegung des endgültigen Brennpunkts 18. Eine Verkleinerung des Zwischenobjekts nach dem ersten Linsenelement 30 bedeutet, dass bei einer gegebenen Gesamtvergrößerung des Kopfes 10 die restliche Optik bestehend aus dem zweiten und dritten Linsenelement 40, 50 eine größere Vergrößerung M2 aufweisen muss. Das Bewegen des zweiten Linsenelements 40 entspricht im Wesentlichen dem Bewegen des virtuellen Objekts. Die Optik erster Ordnung zeigt, dass diese Bewegung in eine Bewegung des Brennpunkts 18 um ungefähr M2*M2 übersetzt wird, was bedeutet, dass die Bewegung des zweiten Linsenelements 40 viel kleiner sein kann als die resultierende Bewegung des Flecks 18.
Der Laserbearbeitungskopf 10 kann in einem Laserprozess verwendet werden, bei dem der Brennpunkt 18 des Laserstrahls LB in der optischen Achse (d. h. Z-Achse) relativ zu einem Werkstück WP zum Laserschneiden, Schweißen, Löten, Oberflächenbehandlung, taktilen Hartlöten, additiven Fertigungsprozessen und dergleichen angepasst werden kann. Das bewegliche Linsenelement 40 ermöglicht die Anpassung des Brennpunkts 18 des Laserstrahls LB entlang der optischen Achse. Auf diese Weise kann der Brennpunkt 18 an die unterschiedlichen Konturen des Werkstücks WP oder an unterschiedliche, für den Laserprozess benötigte Prozesszonen angepasst werden. Diese Anpassung entlang der optischen Achse Z kann durchgeführt werden, während der Kopf 10 relativ zum Werkstück WP stationär bleibt, während sich der Kopf 10 in der X-Y-Ebene relativ zum Werkstück WP bewegt, während der Kopf 10 auch entlang der Z-Achse bewegt wird, oder wenn eine Kombination solcher Bewegungen ausgeführt wird.
2A veranschaulicht mehr Details eines Laserbearbeitungskopfs 10, der eine Linsenanordnung 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist. Wie angemerkt, fokussiert der Kopf 10 einen Laserstrahl LB auf den Brennpunkt 18. Der Brennpunkt 18 kann relativ zu einer Brennebene 51 angepasst werden, die je nach Laserprozess außerhalb oder innerhalb des Kopfes 10 (oder einer Komponente davon, wie einer Düse) liegen kann. Wie hier nur schematisch dargestellt, schließt der Kopf 10 das Gehäuse 12 mit dem Eingang 14 und dem Ausgang 16 für den Laserstrahl LB entlang der optischen Achse A ein. Das Gehäuse 10 schließt in einem Innenraum 15 die Linsenanordnung 20 mit im Innenraum 15 des Gehäuses 10 angeordneten Linsenelementen 30, 40, 50 ein. Im Allgemeinen kann jedes der Linsenelemente 30, 40, 50 eine Linse einschließen, sie können jedoch auch eine Gruppe von mehreren Linsen, zusammengesetzten Linsen oder optischen Elementen in Form einer Linsengruppe umfassen. (Die Bezugnahme auf eine Linse kann hier zum Zwecke der Beschreibung verwendet werden, aber es sollte beachtet werden, dass jedes der Linsenelemente 30, 40, 50 eine oder mehrere Linsen oder optische Elemente einschließen kann.) In einer Anordnung ist das erste Eingangslinsenelement 30 im Innenraum 15 des Gehäuses unter Verwendung einer festen Befestigungsstruktur 32 befestigt; das zweite Zwischenlinsenelement 40 ist im Innenraum 15 des Gehäuses unter Verwendung einer beweglichen Befestigungsstruktur 42 befestigt; und das dritte fokussierende Linsenelement 50 ist im Innenraum 15 des Gehäuses unter Verwendung einer festen Befestigungsstruktur 52 befestigt.
Die Eingangsbefestigungsstruktur 32 befindet sich in einer festen Position im Gehäuse 10, sodass das Eingangslinsenelement 30 auf einen ersten Abstand D1 von dem Eingang 14 eingestellt ist, der einen Lichtleitfasereingang einschließen kann, der für den Hochleistungslaser des Kopfes 10 geeignet ist. Die Zwischenbefestigungsstruktur 42 hingegen ist in Verbindung mit einem Aktuator 46 befestigt, der betreibbar ist, um die Position des Zwischenlinsenelements 40 in dem Gehäuse 10 entlang der optischen Achse A einzustellen. Auf diese Weise kann der zweite Abstand D2 des Zwischenlinsenelements 40 relativ zu dem Eingangslinsenelement 30 gesteuert und variiert werden. Schließlich befindet sich die Ausgangsbefestigungsstruktur 52 in einer festen Position im Gehäuse 10, sodass das Ausgangslinsenelement 50 auf einen Abstand (D2+D3) vom Eingangslinsenelement 30 eingestellt wird. Das Ausgangslinsenelement 50 fokussiert den Laserstrahl LB auf einen Brennpunkt 18, der um einen variablen Abstand dzfoc relativ zu einer Brennebene 51 des Ausgangslinsenelements 50 variiert werden kann. (In 2A ist der Brennpunkt 18 jenseits der Brennebene 51 des Ausgangslinsenelements 50 an der am weitesten entfernten Grenze (rechts in der Zeichnung) des Bereichs für den variablen Abstand dzfoc gezeigt. Dies bedeutet auch, dass das Zwischenlinsenelement 40 in 2A an seiner am weitesten entfernten Grenze (links in der Zeichnung) seines Bewegungsbereichs von dem Ausgangslinsenelement 50 gezeigt ist. Der Laserstrahl LB zwischen den Zwischen- und Ausgangslinsenelementen 40 und 50 divergiert. Obwohl dies nicht gezeigt ist, wenn das Zwischenlinsenelement 40 an seiner nächsten Grenze (rechts in der Zeichnung) seines Bewegungsbereichs in Richtung des Ausgangslinsenelements 50 positioniert ist, dann würde der Brennpunkt 18 innerhalb der Brennebene 51 des Ausgangslinsenelements 50 an der kürzesten Grenze (links in der Zeichnung) des Bereichs für den variablen Abstand dzfoc liegen. Der Laserstrahl LB zwischen den Zwischen- und Ausgangslinsenelementen 40 und 50 würde in diesem Fall konvergieren.)
Im Allgemeinen kann der Brennpunkt 18 außerhalb des Gehäuseausgangs 16 liegen, jedoch muss der Brennpunkt 18 nicht unbedingt außerhalb des Gehäuses „richtig“ liegen, je nach verwendetem Gehäusetyp und eventuell zusätzlich verwendeten Komponenten am Kopf 10. Beim zweidimensionalen Schneiden von flachen Blechen wird beispielsweise der Fokus des Laserstrahls LB in Bezug auf eine an einem Ende des Kopfes 10 befestigte Schneidgasdüse gesteuert. Im Gebrauch kann sich der Brennpunkt 18 sowohl innerhalb, an oder außerhalb dieser Düse befinden. Der Aktuator 46 am Zwischenlinsenelement 40 kann den dritten Abstand D3 des Zwischenlinsenelements 40 zum Ausgangslinsenelement 50 in direktem Versatz zur Anpassung an den zweiten Abstand D2 anpassen.
Wie auch im Detail von der Linsenanordnung 20 in 2B gezeigt ist, bildet die Eingangslinsenelement 30 den Laserstrahl LB vom Eingang 14 mit einer ersten Eingangsbrennweite f1 entlang der optischen Achse A ab. In einer Konfiguration ist die Eingangsbrennweite f1 negativ. Das Zwischenlinsenelement 40 bildet den Laserstrahl LB von dem Eingangslinsenelement 30 mit einer zweiten Zwischenbrennweite f2 entlang der optischen Achse A ab. Die Zwischenbrennweite f2 ist positiv. Wie angemerkt, ist der Aktuator 46 dazu konfiguriert, das Zwischenlinsenelement 40 im Kopf 10 entlang der optischen Achse A mit einem variablen Linsenabstand dz2 relativ zu den Eingangs- und Ausgangslinsenelementen 30, 50 zu bewegen.
Im Gegensatz zur vorherigen Konfiguration kann die Eingangsbrennweite f1 stattdessen positiv sein, wenn der Kopf 10 eine sehr große Vergrößerung aufweist, beispielsweise für Vergrößerungen von mehr als etwa 6x. Der hierin für den Kopf 10 offenbarte Parameterbereich kann diese großen Vergrößerungen einschließen, die für Schneidprozesse nützlich sein können.
Das Ausgangslinsenelement 50 bildet den Laserstrahl LB von dem Zwischenlinsenelement 40 mit einer dritten Ausgangsbrennweite f3 entlang der optischen Achse A zum Brennpunkt 18 ab. Die Ausgangsbrennweite f3 ist positiv. Der Brennpunkt 18 ist über eine variable Brennweite dzfoc entlang der optischen Achse A in Bezug auf die Erhöhung/Verringerung des variablen Linsenabstands dz2 des Zwischenlinsenelements 40 relativ zu den Eingangs- und Ausgangslinsenelementen 30, 50 variabel. Das Bewegen des Linsenelements 40 in Richtung des Ausgangslinsenelements 50 bewegt den Brennpunkt 18 in Richtung des Ausgangslinsenelements 50, und das Bewegen des Zwischenlinsenelements 40 weg vom Ausgangslinsenelement 50 bewegt den Brennpunkt 18 weg vom Ausgangslinsenelement 50.
Da der Laserkopf 10 für Hochleistungslasern verwendet wird, kann das Kühlen eines oder mehrerer der Linsenelemente 30, 40 und 50 die Abbildungsleistung des Kopfes erhöhen und kann dazu beitragen, nachteilige Effekte zu verhindern. Vorzugsweise schließt der Kopf 10 mindestens eine Kühlanordnung ein, die in dem Gehäuse 10 angeordnet ist. Die mindestens eine Kühlanordnung ist in thermischer Verbindung mit mindestens einer der Linsen 30, 40, 50 angeordnet und dazu konfiguriert, das zugehörige Linsenelement 30, 40, 50 zu kühlen.
Die äußeren stationären Linsenelemente 30 und 50 ermöglichen eine gute Abdichtung eines Optikraums 25 im Kopf 10 und können effizient gekühlt werden. Der Optikraum 25 für die Linsenelemente 30, 40, 50 ist vorzugsweise abgedichtet und ist vorzugsweise so klein wie möglich, was die Kühlung und Abdichtung erleichtert. Bei Verwendung von Linsenmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Saphir (A1203), Zinksulfid (ZnS), sind diese Linsenelemente 30 und 50 sehr widerstandsfähig gegen Verschmutzung. Aufgrund des aus den oben genannten Gründen ermöglichten kleinen Bewegungsbereichs der beweglichen Zwischenlinse 40 ist auch für diese eine aktive Kühlung mindestens einfacher. Zudem ermöglicht der kleine Bewegungsbereich eine sehr schnelle Verstellung des Brennpunkts 18.
Mindestens in einer Konfiguration schließt das Eingangslinsenelement 30 beispielsweise ein Kühlelement 34 ein, da dieses Eingangslinsenelement 30 einer konzentrierteren Abbildung des Laserstrahls LB vom Eingang 14 ausgesetzt ist und der stärksten Erwärmung pro Oberflächeneinheit ausgesetzt sein kann. In einer anderen Konfiguration schließen die erste und die dritte Linse 30, 50 Kühlelemente 34, 54 ein, die konfiguriert sind, um die zugehörigen Linsenelemente 30, 50 zu kühlen, da diese Linsenelemente 30, 50 in einer festen Position im Gehäuse 12 befestigt sind, wodurch die Kühlelemente 34, 54 leichter in die Befestigungsstruktur 32, 52 integriert werden können.
In noch einer anderen Konfiguration schließt jedes der Linsenelemente 30, 40, 50 ein Kühlelement 34, 44, 54 ein, das in thermischer Verbindung damit angeordnet und dazu konfiguriert ist, das zugehörige Linsenelement 30, 40, 50 aktiv zu kühlen. Im Allgemeinen können die Kühlelemente 34, 44, 54 thermoelektrische Kühlelemente an den Befestigungsstrukturen 32, 42, 52 einschließen.
Da die Eingangs- und Ausgangslinsenelemente 30, 50 im Kopf 10 mit Befestigungsstrukturen 32, 52 fixiert sind, können beliebige gewünschte Sensoren leichter zum Überwachen dieser stationären Linsenelemente 30, 50 verwendet werden. Solche Sensoren (nicht gezeigt) können einen Temperatursensor, einen Sichtsensor oder eine andere Form von Detektor einschließen, um den Zustand des Linsenelements 30, 50 zu überwachen. Ein solcher Sensor erfordert eine bestimmte Verdrahtung oder Verkabelung, die für diese festen Halterungen der Befestigungsstrukturen 32, 52 vereinfacht werden kann. Darüber hinaus vereinfacht eine Fixierung des Eingangs- und Ausgangslinsenelements 30, 50 im Kopf 10 mit den Befestigungsstrukturen 32, 52, wie das zugehörige Kühlelement 34, 54 in (auf) die Befestigungsstruktur 32, 52 und das angrenzende Gehäuse 12 integriert werden kann. Für die Linsenelemente 30, 40, 50 können mehrere Befestigungsstrukturen 32, 42, 52 verwendet werden. Beispielsweise können die Befestigungsstrukturen 32, 52 mit fester Position Komponenten wie Linsentuben, Schraubringe und Klemmhalterungen verwenden. Die Linsenelemente 30, 40, 50 können mit Dichtungen befestigt und in den Befestigungsstrukturen 32, 42 und 52 gehalten werden.
Kurz gesagt veranschaulicht 2C schematisch Details eines festen Linsenelements (z. B. 50), einer festen Befestigungsstruktur 52 und eines Kühlelements 54 der vorliegenden Offenbarung. Hier ist die Befestigungsstruktur 52 eine Klemmhalterung mit Klemmelementen 53a-b, die aneinander angebracht sind und das Linsenelement 50 darin halten. Die Dichtung bei 55 kann verwendet werden, um das Linsenelement 50 in den Klemmelementen 53a-b zu fixieren. Die Befestigungsstruktur 52 kann im Innenraum 15 des Gehäuses unter Verwendung herkömmlicher Merkmale (nicht gezeigt) angebracht oder befestigt werden. Beispielsweise kann im Innenraum 15 ein Modulelement 90 befestigt sein.
Das Kühlelement 54, wie ein oder mehrere thermoelektrische Kühlelemente, kann an (oder in) der Klemmhalterung 52 angeordnet sein. Wie anhand dieses Beispiels zu erkennen ist, kann eine Anzahl von Befestigungsstrukturen und -anordnungen verwendet werden, um die festen Linsen (30, 50) im Gehäuse des Kopfes zu befestigen.
Kurz gesagt veranschaulicht 2C auch schematisch Details der beweglichen Linse (z. B. des Zwischenlinsenelements 40), einer beweglichen Befestigungsstruktur 42, eines Kühlelements 44 und eines Aktuators 46 der vorliegenden Offenbarung. Hier ist die Befestigungsstruktur 42 eine Klemmhalterung mit Klemmelementen 43a-b, die aneinander angebracht sind und das Linsenelement 40 darin halten. Die Dichtung bei 44 kann verwendet werden, um das Linsenelement 40 in den Klemmelementen 43a-b zu fixieren. Die Befestigungsstruktur 42 kann unter Verwendung herkömmlicher Merkmale in oder an einer Schiene, Laufschiene oder einer anderen Führung im Innenraum 15 des Gehäuses befestigt werden. Zum Beispiel kann ein Modulelement 90' im Innenraum 15 befestigt sein und kann die Führung 92 einschließen. Dieses Modulelement 90' kann Teil desselben Moduls sein, das für die Ausgangslinse und/oder die Eingangslinse verwendet wird.
Das Kühlelement 44, wie ein oder mehrere thermoelektrische Kühlelemente, kann an (oder in) der Klemmhalterung 42 angeordnet sein. Der Aktuator 46, der ein oder mehrere Elemente einschließen kann, kann in Bezug auf den Innenraum 15 des Gehäuses in Verbindung mit der Halterung 42 an einer oder mehreren Stellen oder Seiten der Halterung 42 befestigt werden. Der Aktuator 46 kann die Halterung 42 entlang der Führung 92, der Laufschiene oder dergleichen bewegen, um die Position des Linsenelements 40 anzupassen. Wie anhand dieses Beispiels zu erkennen ist, kann eine Anzahl von Befestigungsstrukturen und -anordnungen verwendet werden, um die beweglichen Linsen (40) im Gehäuse des Kopfes zu befestigen.
Da das Zwischenlinsenelement 40, wie in 2A-2B gezeigt, in einem kleinen variablen Linsenabstand dz2 im Kopf 10 durch Betätigung des Aktuators 46 bewegbar ist, können beliebige Sensoren (nicht gezeigt) zur Überwachung dieses Linsenelements 40 auch bei seiner Bewegung verwendet werden. Solche Sensoren können einen Temperatursensor, einen Sichtsensor (d. h. Fotodioden) oder eine andere Form von Detektor einschließt, um den Zustand der Linse zu überwachen. Ein solcher Sensor erfordert eine bestimmte Verdrahtung oder Verkabelung, die für die Befestigungsstruktur 42 vereinfacht werden kann, die nur den kleinen variablen Linsenabstand dz2 bewegt. Darüber hinaus kann das Zwischenkühlelement 44 noch in die Befestigungsstruktur 42 integriert werden und das Kühlelement 44 und die Befestigungsstruktur 42 können vom Aktuator 46 bewegt werden.
Wie in 2A gezeigt, wird der Aktuator 46 für das Zwischenlinsenelement 40 von einer Steuerung 60 gesteuert. Vorzugsweise ermöglicht der Aktuator 46 eine hochdynamische Steuerung, um die kleine Bewegung dz2 des Zwischenlinsenelementes 40 entlang der optischen Achse A zu erreichen. Der Aktuator 46 kann eine oder mehr unidirektionale Bewegungsvorrichtungen, bidirektionale Bewegungsvorrichtung, Motor, Elektromagnet, piezoelektrisches Element, Linearmotor, Schwingspulenmotor oder eine andere Vorrichtung mit präzisen, gesteuerten Bewegungen über einen kurzen Abstand einschließen. Eine Bewegung über den kleinen Abstand dz2 kann mit einem Aktuator 46 erreicht werden, der zu einer bidirektionalen Bewegung fähig ist. Alternativ können gegenüberliegende unidirektionale Aktuatoren 46 an gegenüberliegenden Seiten der Befestigungsstruktur 42 angeordnet sein, um die bidirektionale Bewegung zu erreichen. Der Aktuator 46 kann mit Lagern, Gelenken, Führungen, Vorspannelementen, Federn und anderen notwendigen mechanischen Merkmalen kombiniert werden, um die Bewegung zu steuern. Insgesamt kann der Aktuator 46 jede Form von mechanischer oder elektromechanischer Betätigung verwenden, die eine hohe Präzision und Genauigkeit aufweist und die Kühlung aufnehmen kann. Jedes der Kühlelemente 34, 44, 54 im Kopf 10 kann auch von der Steuerung 60 gesteuert werden, die ein speziell dem Kopf 10 zugeordneter Mikrocontroller oder Teil eines größeren Steuersystems für ein Laserabgabesystem sein kann (z. B. 80: 1A).
Die Steuerung 60 betätigt den Aktuator 46, um die Position des Zwischenlinsenelements 40 entlang des kleinen variablen Linsenabstands dz2 anzupassen, was wiederum die Fokusposition 18 des Laserstrahls LB entlang des größeren variablen Brennabstands dzfoc anpasst. Wie bereits erwähnt, kann diese Fokusposition 18 relativ zu Oberflächen eines Werkstücks angepasst werden, während der Kopf 10 relativ zum Werkstück stationär ist, während er sich relativ zum Werkstück bewegt usw.
Das Anpassen der Fokusposition 18 kann auf verschiedene Weise während der Laserbearbeitung des Werkstücks verwendet werden. Während der Kopf 10 relativ zum Werkstück stationär ist, kann die Bewegung des Zwischenlinsenelements 40 entlang des kleinen variablen Linsenabstands dz2 die Fokusposition 18 in Bezug auf Oberflächen des Werkstücks anpassen. Während der Kopf 10 entlang einer Achse konsistent in Bezug auf das Werkstück bewegt wird oder umgekehrt, kann die Bewegung des Zwischenlinsenelements 40 entlang des kleinen variablen Linsenabstands dz2 die Fokusposition 18 in Bezug auf Oberflächen des Werkstücks anpassen. (Mit anderen Worten, der Brennpunkt 18 kann während des Betriebs relativ zum Kopf 10 bewegt werden. Falls der Kopf 10 stationär ist, kann der Brennpunkt 18 sowohl relativ zum Werkstück als auch zum Kopf 10 bewegt werden. Wenn der Kopf 10 relativ zum Werkstück bewegt wird und gleichzeitig der Brennpunkt 18 relativ zum Kopf 10 bewegt wird, kann der Brennpunkt 18 während der Bewegung des Kopfes 10 bezüglich des Werkstücks stationär gehalten werden. Diese und andere Bewegungskombinationen können verwendet werden.) Darüber hinaus kann das Zwischenlinsenelement 40 unter Verwendung des Aktuators 46, der für den kleinen Bewegungsbereich über den variablen Linsenabstand dz2 geeignet ist, weiter derart betrieben werden, dass es hochfrequente Schwingungen im Kopf 10 aufweist, was hochfrequente Schwingungen des Brennpunkts 18 entlang der optischen Achse A erzeugt. Diese und beliebige andere Kombinationen von Anpassungen können durch Betätigen des Zwischenlinsenelements 40 verwendet werden.
Zur optischen Steuerung und wie am besten in 2B gezeigt, ist die Eingangsbrennweite f1 negativ; die mittlere Brennweite f2 ist positiv und die Ausgangsbrennweite f3 ist positiv. Die optische Ausgangslänge f3 ist größer als die mittlere Brennweite f2. Typischerweise kann ein Bewegungsbereich des Zwischenlinsenelements 40 weniger als etwa 15 mm betragen, und die Fleckbewegung kann größer als 60 mm sein. Im Allgemeinen kann die dritte Brennweite f3 größer als die zweite Brennweite f2 sein, sodass ein Verhältnis von | f3 / f2 | mindestens zwei (2) sein kann.
Bei dieser optischen Anordnung ist der Laserstrahl LB nach den ersten beiden Linsen 30, 40 fast kollimiert. Das Eingangslinsenelement 30 erzeugt ein kleineres virtuelles Bild der Faserspitze des Eingangs 14 und dieses kleinere virtuelle Bild wird dann vom Zwischenlinsenelement 40 und vom Ausgangslinsenelement 50 in Richtung des Werkstücks abgebildet.
Aufgrund des reduzierten virtuellen Bildes vom Eingangslinsenelement 30 weist dieser Anfangsteil des Laserstrahls LB eine große Vergrößerung auf. Daher ist das Verhältnis der Ausgangsbrennweite f3 relativ zur Zwischenbrennweite f2 so groß, dass eine sehr kleine Bewegung des Zwischenlinsenelements 40 entlang des variablen Linsenabstands dz2 zu einer großen Bewegung der Fokusposition 18 entlang des variablen Fokusabstands dzfoc führt. Für eine typische Anpassung der Fokusposition, die beim 2D-Blechschneiden verwendet würde, kann der erforderliche Linsenbewegungsabstand dz2 in der Größenordnung von einigen Millimetern liegen, was hochdynamische Anpassungen des Brennpunkts 18 des Laserstrahls ermöglicht.
Im Allgemeinen kann das Eingangslinsenelement 30 aus Saphir (Al2O3), Zinksulfid (ZnS) oder einem anderen Material mit „hoher“ Wärmeleitfähigkeit (z. B. Glas mit einer mindestens so hohen Wärmeleitfähigkeit wie Saphir oder Zinksulfid) zusammengesetzt sein. Im Allgemeinen variiert die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid oder Saphir je nach Temperatur und Ausrichtung, kann jedoch etwa 24 W/(m*K) betragen. Im Allgemeinen variiert die Wärmeleitfähigkeit von Zinksulfid je nach Temperatur, kann jedoch etwa 16,7 W/(m*K) bei 20 °C betragen. Diese Werte sollen nur mögliche Beispiele für die für das Linsenmaterial gewünschte hohe Wärmeleitfähigkeit darstellen. Das Ausgangslinsenelement 50 kann auch aus Saphir, Zinksulfid oder einem anderen Material (z. B. Glas mit einer mindestens so hohen Wärmeleitfähigkeit wie Saphir oder Zinksulfid) zusammengesetzt sein.
Das Zwischenlinsenelement 40 kann seinerseits aus Saphir, Zinksulfid oder einem anderen Material (z. B. Glas mit einer mindestens so hohen Wärmeleitfähigkeit wie Saphir oder Zinksulfid) zusammengesetzt sein. Anstatt aus Saphir oder Zinksulfid zusammengesetzt zu sein, kann jedoch normales Quarzglas in einigen oder allen Linsen 30, 40, 50 verwendet werden, um die Kosten zu senken oder die Herstellbarkeit mit dem Kompromiss einer verringerten Kontaminationsbeständigkeit zu verbessern.
Mindestens eines der Linsenelemente 30, 40, 50 kann asphärisch sein. In einer Konfiguration ist das Eingangslinsenelement 30 eine sphärische Linse; das Zwischenlinsenelement 40 ist eine asphärische Linse; und das Ausgangslinsenelement 50 ist entweder sphärisch oder asphärisch. Beispielsweise können entweder das Zwischenlinsenelement 40, das Ausgangslinsenelement 50 oder beide asphärisch sein, um Abbildungsfehler zu reduzieren. Wenn Saphir oder Zinksulfid sowohl für das Eingangs- als auch das Ausgangslinsenelement 30, 50 verwendet wird, kann die Linsenanordnung 20 mit einer einzigen asphärischen Linse ausreichend sein.
Die Brennweiten, Abstände und optischen Durchmesser für die Linsenelemente 30, 40, 50 hängen von der Größe des Gehäuses 12, der optischen Leistung des Laserstrahls LB und anderen Betriebseigenschaften ab. Die Konfiguration kann allgemein durch eine Reihe von zusammenhängenden Beziehungen gekennzeichnet sein, die unten erläutert werden.
Wie erwähnt, weist das Eingangslinsenelement 30 eine erste Brennweite ƒ₁ auf; das Zwischenlinsenelement 40 weist eine zweite Brennweite von ƒ₂ auf, und das Ausgangslinsenelement 50 weist eine dritte Brennweite ƒ₃ auf. Der variable Abstand dz₂ der Linse stellt den Bewegungsbereich für das Zwischenlinsenelement 40 dar, und die Ausdehnung dz_ƒoc ist der Bewegungsbereich des Brennpunkts 18 um die Brennebene des Ausgangslinsenelements 50. Basierend auf diesen Variablen kann die Brennweite ƒ₂ des Zwischenlinsenelements 40 gekennzeichnet sein durch: $\sqrt{\frac{d z_{2}}{d z_{f o c}}}$
Die Brennweite ƒ₃ des Ausgangslinsenelements 50 entspricht etwa dem Arbeitsabstand des Kopfes 10. Die kollimierte Brennweite ƒ_col, die für das Eingangslinsenelement 30 relativ zum Zwischenlinsenelement 40 in der neutralen Position gruppiert ist, ist gekennzeichnet durch: $\sqrt{\frac{d z_{2}}{d z_{f o c}}}$
Die Variable M ist die betreffende Vergrößerung. Gegeben ist der Abstand D₂ zwischen dem Eingangslinsenelement 30 und dem Zwischenlinsenelement 40. Die Brennweite ƒ₁ des Eingangslinsenelements 30 ist gekennzeichnet durch: $f_{1} = \frac{1 - \frac{D_{2}}{f_{2}}}{\frac{1}{f_{c o l}} - \frac{1}{f_{2}}}$
Schließlich ist der Abstand D₁ vom Eingang 14 der Faserspitze zum Eingangslinsenelement 30 gekennzeichnet durch: $D_{1} = \frac{1 - \frac{D_{2}}{f_{2}}}{\frac{1}{f_{1}} + \frac{1}{f_{2}} - \frac{D_{2}}{f_{1} * f_{2}}}$
Tatsächliche Werte für diese Parameter des Kopfes 10 hängen von der jeweiligen Implementierung ab. Nachfolgend werden einige typische Parameterwerte kurz erläutert.
Im Allgemeinen kann der dritte Brennabstand ƒ₃ (d. h. der Arbeitsabstand) größer oder gleich 200 mm sein und kann etwa 200 mm bis 500 mm betragen, was zu einem großen Arbeitsabstand und großen Strahldurchmessern für einen großen Laserleistungsbetrieb des Kopfes 10 führt. Die variable Brennweite dz_ƒoc, die der Brennpunkt 18 entlang der optischen Achse variieren kann, kann abhängig von den Anforderungen für das Schneiden oder andere Laserprozesse von etwa 40 mm bis 90 mm betragen. Der variable Linsenabstand dz₂ des Zwischenlinsenelements 40 kann im Bereich von etwa 5 mm bis 15 mm liegen. Dies verleiht den Anpassungen einen hohen Dynamikbereich und ermöglicht, dass das Zwischenlinsenelement 40 leichter gekühlt wird. Insgesamt kann die variable Brennweite dz_ƒoc etwa 2 bis 18 mal größer sein als der variable Linsenabstand dz₂.
Fortfahrend mit den Beispielen, kann der Abstand D₂ zwischen dem Eingangslinsenelement 30 und dem Zwischenlinsenelement 40 bis 100 mm etwa 20 mm betragen, sodass die Optik im Kopf 10 kompakter sein kann. Der erste Abstand D1 von der Faserspitze 14 zum Eingangslinsenelement 30 kann größer als 50 mm sein, damit sich die Eingangslinse 20 nicht zu nahe an der Eingangsfaser 14 befindet. Diese oben erläuterten Werte werden nur als Beispiel vorgestellt und können je nach den Eigenschaften von einer Implementierung zur anderen variieren.
In einer besonderen Konfiguration kann die Linsenanordnung 20 für den Kopf 10 mit dem Gehäuse 12 mit einem Gesamtabstand des Laserstrahls LB von etwa 480 mm vom Eingang 14 zum Ausgang (z. B. Düse) des Kopfes 10 bemessen und verwendet werden. Der Eingangsabstand D1 kann etwa 100 mm betragen; der Abstand zwischen dem Eingangslinsenelement 30 und dem Ausgangslinsenelement 50 (d. h. Abstände D₂+D₃) kann etwa 80 mm betragen; der Abstand zwischen dem Eingangslinsenelement 30 und dem beweglichen Linsenelement 40 (Abstand D₂) kann etwa 30-mm betragen; und der Arbeitsabstand ƒ₃ kann 300 mm betragen. Wenn der Arbeitsabstand ƒ₃ etwa 300 mm beträgt, kann die Vergrößerung M an einer Z-Position -20 mm etwa 1,73x betragen, während die Vergrößerung M an einer Z-Position +40 mm etwa 2,14x betragen kann.
Bei diesen Abmessungen kann der Strahldurchmesser des Laserstrahls LB am Eingangslinsenelement 30 etwa 30-mm betragen, und der Strahldurchmesser am Zwischenlinsenelement 40 kann bei typischen Schneidlaserquellen mit einem Strahlparameterprodukt (BPP) von etwa 4 mm*mrad 40 mm betragen. Wie bereits erwähnt, wird der Laserstrahl LB praktisch zwischen dem Zwischenlinsenelement 40 und dem Ausgangsfokussierungslinsenelement 50 kollimiert.
Mit diesen Abmessungen kann das Zwischenlinsenelement 40 entlang eines variablen Linsenabstands dz₂ von etwa ±2 mm variiert werden. Wie bereits erwähnt, ermöglicht die kleine Bewegung, die für das Zwischenlinsenelement 40 erforderlich ist, dass der Optikraum 25 leichter von der Mechanik des Aktuators 46 abgedichtet, leichter gekühlt und leicht feinjustiert werden kann.
3A veranschaulicht einen Laserbearbeitungskopf 10 mit einer anderen Linsenanordnung 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung, und 3B zeigt ein Detail der Linsenanordnung 20 in 3A. Dieser Kopf 10 und diese Linsenanordnung 20 ist der vorherigen Konfiguration von 2A-2B ähnlich, sodass für vergleichbare Komponenten ähnliche Bezugszeichen verwendet werden. Die Beschreibung dieser vergleichbaren Komponenten wird hier wieder aufgenommen, kann aber im Folgenden nicht wiederholt werden.
Wie zuvor weist die Linsenanordnung 20 drei Linsenelemente 30, 40 und 50 auf, die jeweils eine Linse oder eine Gruppe von Linsen oder optischen Elemente einschließen können. Das erste Eingangslinsenelement 30 weist eine negative Brennweite f1 auf, wird aktiv gekühlt, ist in der optischen Achse A stationär und ist aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt. Beispielsweise kann das Eingangslinsenelement 30 aus Saphir oder Zinksulfid zusammengesetzt sein. (Wie bereits erwähnt, kann die erste Brennweite positiv sein, wenn der Kopf 10 in einigen Konfigurationen eine Vergrößerung von mehr als etwa 6x aufweist.) Das dritte Ausgangslinsenelement 50 weist eine positive Brennweite f3 auf, ist aktiv gekühlt, ist in der optischen Achse A stationär und ist aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt, wie hierin angegeben.
Das zweite Zwischenlinsenelement 40 weist wie zuvor eine positive Brennweite f2 auf und kann mit dem Aktuator 46 entlang der optischen Achse A bewegt werden. Das Zwischenlinsenelement 40 kann auch mit einem Kühlelement 44 gekühlt werden. Auch hier ist die Zwischenbefestigungsstruktur 42 in Verbindung mit dem Aktuator 44 befestigt, der betreibbar ist, um die Position des Zwischenlinsenelements 40 in dem Gehäuse 10 entlang des variablen Linsenabstands dz₂ der optischen Achse A anzupassen.
Das Zwischenlinsenelement 40 weist jedoch im Gegensatz zu den vorherigen Anordnungen eine Reihe von Unterschieden auf. Insbesondere ist das Zwischenlinsenelement 40 in der Befestigungsstruktur 42 als eine Linsengruppe befestigt, die ferner ein Paar Abdeckschieber 41a-b einschließt. Die Linse 41 für das Element 40 kann in dieser Konfiguration aus einem anderen Material als die anderen Konfigurationen zusammengesetzt sein und kann beispielsweise aus Quarzglas zusammengesetzt sein. Diese Zwischenlinse 41 des Elements 40 ist sandwichartig zwischen den Abdeckschiebern 41a-b angeordnet, die aus Saphir, Zinksulfid oder einem anderen hierin erwähnten Material mit „hoher“ Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt sein können. Diese Konfiguration kann Kompromisse hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistung im Vergleich zur vorherigen Konfiguration eingehen, die Linsenanordnung 20 kann hier immer noch sauberer vor Verschmutzung gehalten werden. Die Zwischenlinse 41 kann aus Quarzglas zusammengesetzt sein, das ein weniger teures Material ist, und kann asphärisch sein. Die asphärische Quarzglaslinse 41, die zwischen den beiden Saphir-Abdeckschiebern 41a-b angeordnet ist, sorgt daher für reduzierte Herstellungskosten, kann die Konfiguration jedoch frei von Kontaminationen halten. Die Abdeckschieber 41a-b dichten die asphärische Linse 41 in einem kleinen Volumen ab, um die Linse 41 sauber zu halten. Kontaminationen von außen werden vom kontaminationsbeständigen Saphir oder Zinksulfid der Abdeckschieber 41a-b gehandhabt.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter und anderer Ausführungsformen soll den Schutzumfang oder die Anwendbarkeit der von den Anmeldern erdachten erfinderischen Konzepte nicht begrenzen oder einschränken. Es versteht sich aus dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung, dass die oben beschriebenen Merkmale gemäß einer beliebigen Ausführungsform oder einem Aspekt des offenbarten Gegenstands entweder allein oder in Kombination mit jedem anderen beschriebenen Merkmal in jeder anderen Ausführungsform oder jedem anderen Aspekt des offenbarten Gegenstands genutzt werden können.

Claims

Ein Laserbearbeitungskopf zum Übertragen eines Laserstrahls, der entlang einer optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes eingegeben wird, zu einer Bearbeitungszone, wobei der Laserbearbeitungskopf folgendes umfasst: - ein erstes Linsenelement, das im Laserbearbeitungskopf angeordnet ist und den Laserstrahl von dem Eingang mit einer ersten Brennweite entlang der optischen Achse abbildet; - ein zweites Linsenelement, das im Laserbearbeitungskopf angeordnet ist und einen damit angeordneten Aktuator aufweist, wobei das zweite Linsenelement den Laserstrahl von der ersten Linse mit einer zweiten Brennweite entlang der optischen Achse abbildet, wobei die zweite Brennweite positiv ist, wobei der Aktuator konfiguriert ist, um die zweite Linse im Laserbearbeitungskopf entlang der optischen Achse über einen variablen Linsenabstand relativ zur ersten Linse zu bewegen; und - ein drittes Linsenelement, das im Laserbearbeitungskopf angeordnet ist und den Laserstrahl von dem zweiten Linsenelement mit einer dritten Brennweite entlang der optischen Achse auf einen Brennpunkt abbildet, wobei die dritte Brennweite positiv und größer als die zweite Brennweite ist, der Brennpunkt entlang der optischen Achse über eine variable Brennweite in Bezug auf den variablen Linsenabstand variabel ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das erste Linsenelement an einer festen Position im Kopf angeordnet ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das erste Linsenelement eine sphärische Linse ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei: die erste Brennweite negativ ist, das erste Linsenelement den Eingang als ein verkleinertes Objekt für das zweite Linsenelement abbildet, das zweite Linsenelement das verkleinerte Objekt in Richtung Unendlich als resultierendes Objekt abbildet, und das dritte Linsenelement das resultierende Objekt auf eine Brennebene des dritten Linsenelements abbildet.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei die erste Brennweite positiv ist und wobei der Kopf eine Vergrößerung von ungefähr 6x oder mehr aufweist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das erste Linsenelement eine Linse umfasst, die aus (i) Quarzglas, (ii) Saphir, (iii) Zinksulfid oder (iv) einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt ist, die mindestens so hoch wie diejenige von Saphir oder Zinksulfid ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das zweite Linsenelement eine Linse umfasst, die aus (i) Quarzglas, (ii) Saphir, (iii) Zinksulfid oder (iv) einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt ist, die mindestens so hoch wie diejenige von Saphir oder Zinksulfid ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das zweite Linsenelement eine Quarzglaslinse umfasst, die zwischen einem vorderen Abdeckschieber und einem hinteren Abdeckschieber angeordnet ist; wobei der vordere und der hintere Abdeckschieber aus (i) Saphir, (ii) Zinksulfid oder (iii) einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt sind, die mindestens so hoch wie diejenige von Saphir oder Zinksulfid ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch, wobei das dritte Linsenelement an einer festen Position im Laserbearbeitungskopf angeordnet ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das dritte Linsenelement eine Linse umfasst, die aus (i) Quarzglas, (ii) Saphir, (iii) Zinksulfid oder (iv) einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt ist, die mindestens so hoch wie diejenige von Saphir oder Zinksulfid ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das erste Linsenelement und das dritte Linsenelement jeweils an einer festen Position im Laserbearbeitungskopf angeordnet sind und wobei das erste und das dritte Linsenelement einen Optikraum im Laserbearbeitungskopf definieren, wobei der Optikraum abgedichtet ist und das zweite Linsenelement umschließt.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das zweite Linsenelement, das dritte Linsenelement oder beide eine asphärische Linse umfassen, die konfiguriert ist, um Abbildungsfehler zu reduzieren.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Kühlanordnung mit mindestens einem Kühlelement, das in thermischer Verbindung mit mindestens einem des ersten, zweiten und dritten Linsenelements angeordnet ist und konfiguriert ist, um das mindestens eine Linsenelement aktiv zu kühlen.
Der Laserbearbeitungskopf Kopf nach Anspruch 1, wobei der Aktuator einen oder mehrere unidirektionale Bewegungsvorrichtungen, bidirektionale Bewegungsvorrichtungen, Motoren, Linearmotoren, Solenoide, Schwingspulen oder piezoelektrische Elemente umfasst.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei die dritte Brennweite um einen Faktor von mindestens zwei größer ist als die zweite Brennweite.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei der variable Brennabstand etwa 2 bis 18 mal größer ist als der variable Linsenabstand.
Ein Laserbearbeitungskopf zum Übertragen eines Laserstrahls zu einer Bearbeitungszone, wobei der Laserbearbeitungskopf folgendes umfasst: - ein Gehäuse, das einen Eingang und einen Ausgang für den Laserstrahl entlang der optischen Achse aufweist; - ein erstes Linsenelement, das fest in dem Gehäuse befestigt ist und den Laserstrahl vom Eingang mit einer ersten Brennweite entlang der optischen Achse abbildet; - ein zweites Linsenelement, das in Verbindung mit einem Aktuator beweglich in dem Gehäuse befestigt ist, wobei das zweite Linsenelement den Laserstrahl vom ersten Linsenelement mit einer zweiten Brennweite entlang der optischen Achse abbildet, wobei die zweite Brennweite positiv ist, wobei der Aktuator konfiguriert ist, um das zweite Linsenelements im Laserbearbeitungskopf entlang der optischen Achse in einem variablen Linsenabstand relativ zum ersten Linsenelement zu bewegen; und - ein drittes Linsenelement, das in dem Gehäuse befestigt ist und den Laserstrahl vom zweiten Linsenelement mit einer dritten Brennweite entlang der optischen Achse auf einen Brennpunkt abbildet, wobei die dritte Brennweite positiv und größer als die zweite Brennweite ist, der Brennpunkt entlang der optischen Achse bei einer variablen Brennweite in Bezug auf den variablen Linsenabstand variabel ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, ferner umfassend eine Kühlanordnung, die in dem Gehäuse in thermischer Verbindung mit mindestens einem des ersten, zweiten und dritten Linsenelements angeordnet ist und konfiguriert ist, um das mindestens eine Linsenelement zu kühlen.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, wobei das erste Linsenelement eine sphärische Linse ist; und wobei das zweite und/oder das dritte Linsenelement eine asphärische Linse ist, die konfiguriert ist, um Abbildungsfehler zu reduzieren.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, wobei: - die erste Brennweite negativ ist; oder - die erste Brennweite positiv ist und der Kopf eine Vergrößerung von etwa 6x oder mehr aufweist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, wobei das zweite Linsenelement umfasst: - eine Linse, die aus (i) Saphir, (ii) Zinksulfid oder (iii) einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt ist, die mindestens so hoch wie diejenige von Saphir oder Zinksulfid ist; oder - eine Quarzglaslinse, die zwischen einem vorderen Abdeckschieber und einem hinteren Abdeckschieber angeordnet ist, wobei der vordere und der hintere Abdeckschieber aus (i) Saphir, (ii) Zinksulfid oder (iii) einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt sind, die mindestens so hoch wie diejenige von Saphir oder Zinksulfid ist.