DE112017003592T5 - Material processing using a laser with variable beam shape - Google Patents

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Parviz Tayebati
Francisco Villarreal-Saucedo
Wang-Long Zhou
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Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen werden Werkstücke bearbeitet, z. B. durch Schweißen oder Schneiden, während die Form und/oder ein oder mehrere andere Parameter des Laserbearbeitungsstrahls verändert werden. Die Form und/oder ein oder mehrere andere Parameter des Laserbearbeitungsstrahls können basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften des Werkstücks variiert werden.In various embodiments, workpieces are processed, for. By welding or cutting while changing the shape and / or one or more other parameters of the laser processing beam. The shape and / or one or more other parameters of the laser processing beam may be varied based on one or more properties of the workpiece.

Description

Verwandte AnwendungenRelated Applications

Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der am 15. Juli 2016 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/362,824 und der am 9. September 2016 eingereichten US- Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/261,096 , deren gesamte Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden.This application claims the benefit and the priority of the provisional filed on July 15, 2016 U.S. Patent Application No. 62 / 362,824 and submitted on September 9, 2016 U.S. Patent Application Serial No. 15 / 261,096 the entire disclosures of which are hereby incorporated by reference herein.

Technischer BereichTechnical part

In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Bearbeitung (z. B. Schweißen oder Schneiden) von Materialien unter Verwendung von Hochleistungslaservorrichtungen mit formbaren Strahlen und/oder variablen Strahlpolarisationen.In various embodiments, the present invention relates to the machining (eg, welding or cutting) of materials using high power laser devices having mouldable beams and / or variable beam polarizations.

Hintergrundbackground

Hochleistungslaser werden in vielen Anwendungen zum Schneiden, Ätzen, Glühen, Schweißen, Bohren und Löten eingesetzt. Wie bei jeder Materialbearbeitung kann die Effizienz ein kritischer limitierender Faktor in Bezug auf Aufwand und Zeit sein; je niedriger die Effizienz, desto höher sind die Kosten und/oder desto langsamer ist der Betrieb des Lasers, der zur Bearbeitung eines bestimmten Materials eingesetzt wird. Die Helligkeit und Polarisation des Laserstrahls kann die Effizienz beeinflussen, und verschiedene Materialien (wie Kupfer, Aluminium, Stahl usw.) reagieren während der Verarbeitung unterschiedlich auf die Strahlpolarisation. Darüber hinaus können die Dicken dieser Materialien ihre Polarisationsreaktion beeinflussen. Das heißt, die Art des Schneidens oder Schweißens kann je nach Material und Dicke mit der Strahlpolarisation variieren. So kann beispielsweise ein linear polarisierter Bearbeitungsstrahl je nach Ausrichtung der Polarisation des Strahls in Bezug auf die Schnittfläche unterschiedlich absorbiert werden. Aus diesem Grund nutzen Laserbearbeitungssysteme manchmal zirkular oder zufällig polarisierte Laserleistungen, um richtungsabhängige Polarisationsreaktionen zu vermeiden. Während dieser Ansatz die Effizienz-abbauenden Ergebnisse ungünstiger Polarisationsorientierungen vermeidet, schließt er gleichzeitig die Vorteile günstiger Orientierungen aus.High power lasers are used in many applications for cutting, etching, annealing, welding, drilling and soldering. As with any material processing, efficiency can be a critical limiting factor in terms of effort and time; the lower the efficiency, the higher the cost and / or the slower the operation of the laser used to process a particular material. The brightness and polarization of the laser beam can affect efficiency, and various materials (such as copper, aluminum, steel, etc.) react differently to beam polarization during processing. In addition, the thicknesses of these materials can affect their polarization reaction. That is, the type of cutting or welding can vary with the beam polarization, depending on the material and thickness. Thus, for example, a linearly polarized machining beam can be absorbed differently depending on the orientation of the polarization of the beam with respect to the cutting surface. For this reason, laser processing systems sometimes use circularly or randomly polarized laser powers to avoid directional polarization reactions. While this approach avoids the efficiency-degrading results of unfavorable polarization orientations, it also forecasts the benefits of favorable orientations.

Darüber hinaus beinhalten Hochleistungslasersysteme oft einen Laseremitter, dessen Laserlicht in eine Glasfaser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt ist, und ein optisches System, das das Laserlicht von der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Das optische System ist typischerweise so ausgelegt, dass es den hochwertigsten Laserstrahl oder, entsprechend, den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (BPP) erzeugt. Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d. h. der Strahltaille, der minimalen Spotgröße). Das BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird typischerweise in Einheiten von Millimeter-Milliradian (mm-mrad) angegeben. (Die hierin angegebenen BPP-Werte sind in Einheiten von mm-mrad, sofern nicht anders angegeben.) Ein Gaußstrahl hat das niedrigstmögliche BPP, angegeben durch die Wellenlänge des Laserlichts dividiert durch pi. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gaußschen Strahls bei gleicher Wellenlänge wird mit M2 bezeichnet, was ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität ist.In addition, high power laser systems often include a laser emitter whose laser light is coupled into a fiber (or simply a "fiber") and an optical system that focuses the laser light from the fiber to the workpiece to be machined. The optical system is typically designed to produce the highest quality laser beam or, correspondingly, the lowest beam parameter product (BPP) beam. The BPP is the product of the divergence angle (half angle) of the laser beam and the radius of the beam at its narrowest point (ie the beam waist, the minimum spot size). The BPP quantifies the quality of the laser beam and how well it can be focused on a small spot and is typically expressed in millimeter-milliradian (mm-mrad) units. (The BPP values given herein are in units of mm-mrad unless otherwise specified.) A Gaussian beam has the lowest possible BPP, indicated by the wavelength of the laser light divided by pi. The ratio of the BPP of an actual beam to that of an ideal Gaussian beam at the same wavelength is denoted M 2 , which is a wavelength-independent measure of the beam quality.

Während es Techniken wie WBC gelungen ist, laserbasierte Systeme für eine Vielzahl von Anwendungen herzustellen, bleiben die Herausforderungen der Materialbearbeitung bestehen. So sind beispielsweise Laser mit Strahlformen, die für das Schneiden eines bestimmten Materials in einer bestimmten Dicke optimiert sind, möglicherweise nicht für verschiedene Materialien, Materialien mit unterschiedlichen Dicken und Materialien mit unterschiedlichen Dicken geeignet. Schweißprozesse stellen ähnliche Herausforderungen dar. Darüber hinaus erfordern Schweißprozesse aufgrund der begrenzten räumlichen Ausdehnung herkömmlicher, hoch fokussierter Laserstrahlen typischerweise eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und den zu schweißenden Teilen, die komplexe und teure Robotik, bewegliche Portale und/oder andere Geräte erfordern kann. Es wurden Techniken entwickelt, die mehrere Lasersysteme mit beweglichen Strahlen verwenden (siehe z. B. das US-Patent Nr. 9,335,551 , dessen gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird), aber die Verwendung mehrerer Lasersysteme ist oft sehr teuer. Daher besteht Bedarf an individuellen Lasersystemen, die für eine größere Vielfalt von Materialprozessen geeignet sind.While techniques like WBC have succeeded in producing laser-based systems for a variety of applications, the challenges of material processing remain. For example, lasers with beam shapes optimized for cutting a particular material in a particular thickness may not be suitable for different materials, materials of different thickness, and materials of different thicknesses. Welding processes present similar challenges. In addition, because of the limited spatial extent of conventional, highly focused laser beams, welding processes typically require relative movement between the laser beam and the parts to be welded, which may require complex and expensive robotics, mobile portals, and / or other equipment. Techniques have been developed that use multiple movable-beam laser systems (see, for example, US Pat U.S. Patent No. 9,335,551 the entire disclosure of which is incorporated herein by reference), but the use of multiple laser systems is often very expensive. Therefore, there is a need for individual laser systems suitable for a wider variety of material processes.

In vielen Anwendungen der Laserbearbeitung können die gewünschte Strahlfleckgröße, Divergenz und Strahlqualität variieren, abhängig z. B. von der Art der Bearbeitung und/oder der Art des zu bearbeitenden Materials. Um solche Änderungen am BPP und/oder der Form des Laserstrahls vorzunehmen, muss häufig das Ausgangsoptiksystem oder die Glasfaser mit anderen Komponenten ausgetauscht und/oder neu ausgerichtet werden, ein zeitaufwendiger und teurer Prozess, der sogar zu einer unbeabsichtigten Beschädigung der empfindlichen optischen Komponenten des Lasersystems führen kann.In many applications of laser processing, the desired beam spot size, divergence and beam quality can vary depending on e.g. B. on the type of processing and / or the nature of the material to be processed. To make such changes to the BPP and / or the shape of the laser beam, must often Replacing and / or realigning the exit optics system or fiber with other components is a time-consuming and expensive process that may even result in unintentional damage to the sensitive optical components of the laser system.

Dementsprechend besteht auch Bedarf an verbesserten Systemen und Techniken zur Effizienzsteigerung von Laserbearbeitungsoperationen, die die unterschiedlichen Reaktionen auf die Strahlpolarisation und/oder andere Strahlcharakteristiken (z. B. BPP und/oder Strahlform), die unterschiedliche Materialien und Materialdicken charakterisieren, nutzen.Accordingly, there is also a need for improved systems and techniques for increasing the efficiency of laser processing operations that utilize the different responses to beam polarization and / or other beam characteristics (eg, BPP and / or beam shape) that characterize different materials and material thicknesses.

ZusammenfassungSummary

Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Lasersysteme mit formbaren Ausgangsstrahlen eingesetzt, um die Aufgaben der Materialbearbeitung wie das Schneiden und Schweißen metallischer Werkstoffe zu optimieren und zu vereinfachen. So wird beispielsweise gemäß den Ausführungsformen der Erfindung die Ausgangsstrahlform des Lasersystems verändert (z. B. von einem Gauß-ähnlichen, fokussierten Punktstrahl zu einem großflächigen Ringstrahl), da sich die Dicke eines Teils und/oder der Winkel des dem Laserstrahl vorgestellten Teils ändert. In weiteren exemplarischen Ausführungsformen wird der Ausgangsstrahl des Lasersystems während eines Schweißprozesses (z. B. Punktschweißen, Stumpfschweißen oder Überlappschweißen) so verändert, dass großflächige Schweißnähte ohne (oder mit minimaler) Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem/den zu bearbeitenden Werkstück(en) entstehen.According to the embodiments of the present invention, laser systems with mouldable output beams are used to optimize and simplify the tasks of material processing, such as cutting and welding of metallic materials. For example, according to embodiments of the invention, the output beam shape of the laser system is changed (eg, from a Gaussian-focused spot beam to a large-area ring beam) because the thickness of a part and / or the angle of the part presented to the laser beam changes. In further exemplary embodiments, the output beam of the laser system is changed during a welding process (eg, spot welding, butt welding, or lap welding) so that large-area welds occur without (or with minimal) relative movement between the laser beam and the workpiece (s) to be machined ,

Ausführungsformen der Erfindung bieten auch Systeme und Techniken zur Änderung und Optimierung der Polarisation und/oder anderer Eigenschaften (z. B. BPP, Form) eines Strahls während der Bearbeitung und zur Aufrechterhaltung der optimalen Eigenschaften des Strahls während der gesamten Bearbeitung - z. B. bei variierenden Strahlengängen oder Änderungen der Art oder Dicke des Materials.Embodiments of the invention also provide systems and techniques for altering and optimizing the polarization and / or other properties (eg, BPP, shape) of a beam during processing and maintaining the optimum properties of the beam throughout processing - e.g. B. with varying beam paths or changes in the type or thickness of the material.

Ausführungsformen der Erfindung können die Polarisation des Strahls bei Änderung der Dicke des Werkstücks und/oder für Werkstücke unterschiedlicher Dicke verändern. So kann beispielsweise die Zirkularität (d. h. der Grad der Veränderung von linear zu elliptisch zu kreisförmig, wobei beliebig viele Ellipsen unterschiedlicher Abmessungen und Krümmungen zwischen vollständig linear und vollständig kreisförmig möglich sind) der Polarisation des Strahls geändert werden, um den Strahl kreisförmiger zu machen (z. B. linear zu elliptisch, weniger kreisförmige Ellipse zu mehr kreisförmiger Ellipse, elliptisch zu kreisförmig, etc.), wenn die Dicke des Werkstücks zunimmt. (In verschiedenen Ausführungsformen ist die Zirkularität der Polarisation umgekehrtem proportional zu der Exzentrizität der elliptischen Polarisation, wobei eine Exzentrizität von 0 die Zirkularpolarisation und eine Exzentrizität von 1 die lineare Polarisation darstellt). In verschiedenen Ausführungsformen wird der Polarisationszustand des Strahls zumindest teilweise durch den Einsatz eines Babinet-Soleil-Kompensators verändert, der eine stufenlose Polarisation beliebiger Exzentrizität ermöglicht. Ausführungsformen der Erfindung können auch die Polarisation des Strahls von linear nach radial variieren, um z. B. die Fokussierung des Strahls auf eine kleinere Spotgröße zu ermöglichen.Embodiments of the invention may alter the polarization of the beam as the thickness of the workpiece changes and / or for workpieces of varying thickness. For example, the circularity (ie the degree of change from linear to elliptical to circular, with any number of ellipses of different dimensions and curvatures between completely linear and fully circular) of the polarization of the beam can be changed to make the beam more circular (e.g. B. linear to elliptical, less circular ellipse to more circular ellipse, elliptical to circular, etc.) as the thickness of the workpiece increases. (In various embodiments, the circularity of the polarization is inversely proportional to the eccentricity of the elliptical polarization, with an eccentricity of 0 representing the circular polarization and an eccentricity of 1 representing the linear polarization). In various embodiments, the polarization state of the beam is changed, at least in part, by the use of a Babinet Soleil compensator, which allows stepless polarization of arbitrary eccentricity. Embodiments of the invention may also vary the polarization of the beam from linear to radial, e.g. B. to allow the focusing of the beam to a smaller spot size.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden typischerweise verwendet, um ein Werkstück so zu bearbeiten, dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird und/oder dass ein Merkmal auf oder innerhalb der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Techniken, die lediglich eine Oberfläche mit Licht sondieren (z. B. Reflexionsmessungen). Exemplarische Prozesse gemäß den Ausführungsformen der Erfindung sind das Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bearbeiten auch Werkstücke an einer oder mehreren Stellen oder entlang eines eindimensionalen Bearbeitungsweges, anstatt die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Werkstückoberfläche mit Strahlung des Laserstrahls zu überfluten.Embodiments of the present invention are typically used to machine a workpiece such that the surface of the workpiece is physically altered and / or that a feature is formed on or within the surface, as opposed to optical techniques that probe only one surface with light (eg reflection measurements). Exemplary processes according to the embodiments of the invention are cutting, welding, drilling and soldering. Various embodiments of the invention also process workpieces at one or more locations or along a one-dimensional processing path, rather than flood the entire or substantially all of the workpiece surface with radiation from the laser beam.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden optische Elemente, die in der Lage sind, Laserstrahlen zu formen, um gewünschte räumliche Strahlprofile zu erhalten, die die Strahlqualität (insbesondere BPP) und/oder die Form des Strahls verändern. Insbesondere kann die Änderung der optischen Geometrie optischer Elemente durch Bewegen oder Verschieben ihrer Position quer oder längs zur optischen Achse des Laserstrahls genutzt werden, um die Form und/oder das BPP zu variieren. In Ausführungsformen der Erfindung befinden sich optische Elemente im Strahlengang mit umschaltbaren Zuständen, die je nach Position unterschiedliche Strahlablenkungen oder Beugungen erzeugen. Die Verwendung von optischen Elementen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Variation der Form und/oder des BPP unabhängig von Form, Qualität, Wellenlänge, Bandbreite und Anzahl der Strahlen, die dem/den Eingangslaserstrahl(en) entsprechen. Der Ausgangsstrahl mit steuerbar variabler Form und/oder BPP kann zur Bearbeitung eines Werkstücks in Anwendungen wie Schweißen, Schneiden, Bohren usw. verwendet werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Änderung der „Form“ eines Laserstrahls auf die Änderung der Form und der geometrischen Ausdehnung des Strahls (z. B. an einem Punkt, an dem der Strahl eine Oberfläche schneidet). Formänderungen können mit Änderungen der Strahlgröße, der Winkelintensitätsverteilung des Strahls und des BPP einhergehen, aber bloße Änderungen des Strahls BPP reichen nicht unbedingt aus, um die Form des Laserstrahls zu ändern und umgekehrt (siehe beispielsweise 21, die zwei Strahlen mit unterschiedlichen Formen, aber demselben BPP darstellt).Embodiments of the present invention use optical elements capable of forming laser beams to obtain desired spatial beam profiles that alter the beam quality (particularly BPP) and / or the shape of the beam. In particular, the change in the optical geometry of optical elements can be utilized by moving or shifting their position across or along the optical axis of the laser beam to vary the shape and / or the BPP. In embodiments of the invention, there are optical elements in the beam path with switchable states, which generate different beam deflections or diffractions depending on the position. The use of optical elements according to embodiments of the present invention allows for variation of shape and / or BPP regardless of shape, quality, wavelength, bandwidth and number of beams corresponding to the input laser beam (s). The controllable variable shape output beam and / or BPP can be used to machine a workpiece in applications such as welding, cutting, drilling, and the like. As used herein, the change in the "shape" of a laser beam refers to the change in shape and geometrical extent of the beam (eg, at a point where the beam intersects a surface). Shape changes may be accompanied by changes in the beam size, the angular intensity distribution of the beam and the BPP, but mere changes in the beam BPP are not necessarily sufficient to change the shape of the laser beam and vice versa (see, for example 21 representing two beams of different shapes but the same BPP).

Ein Vorteil der variablen Form und/oder BPP ist die verbesserte Leistung der Laseranwendung für verschiedene Arten von Bearbeitungstechniken oder verschiedene Arten von Materialien, die verarbeitet werden. Ausführungsformen der Erfindung können auch verschiedene Techniken zur Variation von BPP und/oder Form von Laserstrahlen verwenden, die in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/632,283, eingereicht am 26. Februar 2015, der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/747,073, eingereicht am 23. Juni 2015, der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/852,939, eingereicht am 14. September 2015, der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/188,076, eingereicht am 21. Juni 2016, und der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/479,745, eingereicht am 5. April 2017, deren Offenbarungen jeweils in ihrer Gesamtheit hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden. Darüber hinaus verändert die unterschiedliche Strahlintensitätsverteilung, die durch optische Elemente (refraktive Optik) induziert wird, die Strahlqualität und damit das BPP. Durch die Verwendung der Verlagerung (z. B. motorisierte Verlagerung) der optischen Elemente, die unterschiedliche effektive optische Geometrien im Strahlengang aufweisen, können dynamische Formänderungen und/oder BPP in Echtzeit realisiert werden.An advantage of the variable shape and / or BPP is the improved performance of the laser application for various types of machining techniques or different types of materials being processed. Embodiments of the invention may also utilize various techniques for varying BPP and / or shape of laser beams as described in U.S. Patent Application Serial No. 14 / 632,283, filed February 26, 2015, U.S. Patent Application Serial No. 14 / 747,073, filed Jun. 23, 2015, US Patent Application Serial No. 14 / 852,939, filed September 14, 2015, US Patent Application Serial No. 15 / 188,076, filed June 21, 2016, and US Patent Application Serial No. US Pat Serial No. 15 / 479,745, filed April 5, 2017, the disclosures of each of which are incorporated herein by reference in their entirety. In addition, the different beam intensity distribution induced by optical elements (refractive optics) alters the beam quality and thus the BPP. By using the displacement (eg motorized displacement) of the optical elements, which have different effective optical geometries in the beam path, dynamic shape changes and / or BPP can be realized in real time.

Die Laserstrahlformung ist der Prozess der Umverteilung der Intensität (Bestrahlungsstärke) und Phase des Strahls. Die Intensitätsverteilung definiert das Strahlprofil, wie z. B. Gauß-, Bessel-, Ring-, Multimode-, Rechteck-, Hauben-, Ellipsen- oder Kreisform, und verschiedene Intensitätsprofile können kritisch und notwendig für bestimmte Lasermaterialbearbeitungstechniken sein. (Wie hierin verwendet, ist ein „ringförmiger“ Strahl ringförmig, d. h. mit weniger oder im Wesentlichen keiner Strahlintensität in einem Mittelabschnitt, der von einem Bereich höherer Strahlintensität umgeben ist, aber nicht unbedingt kreisförmig, d. h. „Ring-förmige“ Strahlen können oval oder anderweitig quasiständig sein.) In Ausführungsformen dieser Erfindung befindet sich das optische Element im Zuführsystem, das den Laserstrahl an das Werkstück abgibt und den Laser fokussiert. Das Liefersystem kann konfiguriert und/oder verpackt werden, beispielsweise als mindestens ein Teil eines Schneidkopfes oder eines Schweißkopfes. Ausführungsformen der Erfindung variieren die Strahlqualität, um eine steuerbar variable Form und/oder BPP am Arbeitsplatz (und/oder am darauf angeordneten Werkstück) zu ermöglichen. Das variable Form- und/oder BPP-Modul kann ein oder mehrere optische Elemente, einen motorisierten Verschiebetisch, eine Kollimatorlinse und eine Fokussierlinse beinhalten. Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere von mehreren Arten von refraktiven Optiken aufweisen, da die optischen Elemente zur Variation der Form und/oder des BPP verwendet werden.Laser beam forming is the process of redistributing the intensity (irradiance) and phase of the beam. The intensity distribution defines the beam profile, such. Gaussian, Bessel, Ring, Multimode, Rectangle, Hood, Ellipse or Circular, and various intensity profiles may be critical and necessary for certain laser material processing techniques. (As used herein, an "annular" beam is annular, ie with less or substantially no beam intensity in a central portion surrounded by a region of higher beam intensity, but not necessarily circular, ie "ring-shaped" beams may be oval or otherwise quasi-continuous.) In embodiments of this invention, the optical element is in the delivery system which delivers the laser beam to the workpiece and focuses the laser. The delivery system may be configured and / or packaged, for example, as at least a portion of a cutting head or welding head. Embodiments of the invention vary the beam quality to allow a controllably variable shape and / or BPP at the workstation (and / or on the workpiece thereon). The variable shape and / or BPP module may include one or more optical elements, a motorized translation stage, a collimator lens and a focusing lens. Embodiments of the invention may include one or more of several types of refractive optics because the optical elements are used to vary the shape and / or the BPP.

Ausführungsformen der Erfindung variieren die Strahlqualität, indem sie die Position eines oder mehrerer optischer Elemente im optischen Weg des Laserstrahls dynamisch verändern. In einer Ausführungsform wird das Strahlprofil durch Einstellen der Strahlposition auf das optische Element angepasst. Die optischen Elemente können je nach gewünschtem Strahlprofil und damit BPP unterschiedliche Geometrien aufweisen. Ein optisches Element gemäß den Ausführungsformen der Erfindung weist eine planare Oberfläche und eine kegelförmige Oberfläche mit flacher Oberseite auf (d. h. geschnitten). Ein weiteres optisches Element gemäß den Ausführungsformen der Erfindung weist eine planare Oberfläche und eine Kugelförmige Oberfläche mit flacher Oberseite auf. Ein weiteres optisches Element gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ist eine Meniskuslinse. Die divergierenden Lichtstrahlen von der Strahlabgabefaser werden auf das/die optische(n) Element(e) gerichtet, um die Strahlintensität innerhalb der optischen Elemente neu zu verteilen. Weitere optische Elemente gemäß den Ausführungsformen der Erfindung sind gepaarte positive und negative Axicon-Linsen. In weiteren Ausführungsformen beinhalten die optischen Elemente gezwirnte, komplementäre Phasenplattenlinsen, von denen eine eine teilweise konvexe Oberfläche und eine eine teilweise konkav gekrümmte Oberfläche aufweist. Die Kanten der optischen Elemente können abgerundet werden, um Beugungseffekte zu unterdrücken. Die Vorteile der dynamischen Variation von BPP mit der automatisierten Bewegung optischer Elemente lassen sich beispielsweise auf Laserschneidanwendungen an Rund- oder Vierkantschnitten anwenden, bei denen BPP-Änderungen während des Freiformschneidens erforderlich sind. Diese Vorteile können auch auf Laserbohranwendungen angewendet werden, die die Möglichkeit nutzen, sowohl BPP als auch Brennweite zu variieren. Die automatisierte Motorsteuerung von optischen Elementen im geschlossenen Regelkreis gemäß den Ausführungsformen der Erfindung erzeugt eine zuverlässige und wiederholbare Leistung und ermöglicht eine präzise Steuerung der optischen Position, wodurch eine genaue BPP-Variation ermöglicht wird.Embodiments of the invention vary the beam quality by dynamically changing the position of one or more optical elements in the optical path of the laser beam. In one embodiment, the beam profile is adjusted by adjusting the beam position to the optical element. Depending on the desired beam profile and thus BPP, the optical elements can have different geometries. An optical element according to the embodiments of the invention has a planar surface and a flat top conical surface (i.e., cut). Another optical element according to the embodiments of the invention has a planar surface and a spherical surface with a flat top. Another optical element according to the embodiments of the invention is a meniscus lens. The diverging light beams from the beam delivery fiber are directed at the optical element (s) to redistribute the beam intensity within the optical elements. Other optical elements according to embodiments of the invention are paired positive and negative axicon lenses. In further embodiments, the optical elements include plied, complementary phase-plate lenses, one of which has a partially convex surface and a partially concave curved surface. The edges of the optical elements may be rounded off to suppress diffraction effects. The benefits of dynamic variation of BPP with the automated movement of optical elements can be applied, for example, to laser cutting applications on round or square cuts where BPP changes are required during free-form cutting. These advantages can also be applied to laser drilling applications that use the ability to vary both BPP and focal length. Automated motor control of closed loop optical elements in accordance with embodiments of the invention provides reliable and repeatable performance and allows precise control of the optical position, thereby enabling accurate BPP variation.

Dabei können sich „optische Elemente“ auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umlenken, reflektieren, biegen oder auf andere Weise optisch manipulieren, sofern nicht anders angegeben. Darin enthalten Strahlenemitter, Emitter oder Laseremitter oder Laser eine elektromagnetische Strahlerzeugungsvorrichtung, wie beispielsweise Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, aber möglicherweise nicht selbstresonierend sind. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser usw. Im Allgemeinen beinhaltet jeder Emitter eine rückseitige reflektierende Oberfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere reflektierende Oberfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, aber sichtbar, infrarot und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann mehrere Strahlenemitter beinhalten oder im Wesentlichen aus mehreren Strahlenemittern bestehen, wie beispielsweise eine Diodenleiste, die konfiguriert ist, mehrere Strahlen zu emittieren. Die in den Ausführungsformen empfangenen Eingangsstrahlen können Einwellenlängen- oder Mehrwellenlängenstrahlen sein, die unter Verwendung verschiedener, in der Technik bekannter Techniken kombiniert werden. Darüber hinaus beinhalten die Verweise auf „Laser“, „Laseremitter“ oder „Strahlenemitter“ hierin nicht nur Einzeldiodenlaser, sondern auch Diodenbarren, Laserarrays, Diodenbarren-Arrays und Einzel- oder Arrays von oberflächenemittierenden Lasern (VCSELs). In so doing, "optical elements" may refer to lenses, mirrors, prisms, grids, and the like that redirect, reflect, flex, or otherwise optically manipulate electromagnetic radiation unless otherwise specified. Therein, beam emitters, emitters or laser emitters or lasers include an electromagnetic beam generating device such as semiconductor elements that generate an electromagnetic beam but may not be self-sustaining. These include fiber lasers, disk lasers, non-solid state lasers, etc. In general, each emitter includes a back reflective surface, at least one optical gain medium, and a front reflective surface. The optical gain medium enhances the enhancement of electromagnetic radiation that is not limited to a particular portion of the electromagnetic spectrum but may be visible, infrared and / or ultraviolet light. An emitter may include multiple beam emitters or consist essentially of a plurality of beam emitters, such as a diode bar configured to emit multiple beams. The input beams received in the embodiments may be single-wavelength or multi-wavelength beams combined using various techniques known in the art. In addition, the references to "lasers", "laser emitters" or "beam emitters" herein include not only single diode lasers but also diode bars, laser arrays, diode bar arrays and single arrays of surface emitting lasers (VCSELs).

Ausführungsformen der Erfindung können mit Wellenlängenstrahl-Kombinationssystemen (WBC) verwendet werden, die eine Vielzahl von Emittern beinhalten, wie beispielsweise eine oder mehrere Diodenbarren, die unter Verwendung eines zerstreuenden Elements kombiniert werden, um einen Mehrwellenlängenstrahl zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt einzeln mit und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der vom zerstreuenden Element entlang einer Strahlkombinationsabmessung gefiltert wird. Exemplarische WBC-Systeme sind in dem am 4. Februar 2000 eingereichten US-Patent Nr. 6,192,062 , dem am 8. September 1998 eingereichten US-Patent Nr. 6,208,679 , dem am 25. August 2011 eingereichten US-Patent Nr. 8,670,180 und dem am 7. März 2011 eingereichten US-Patent Nr. 8,559,107 detailliert beschrieben, dessen gesamte Offenbarung durch Verweis hierin aufgenommen wird. Multiwellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Systemen können als Eingangsstrahlen in Verbindung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur z. B. BPP-, Form- und/oder Polarisationskontrolle verwendet werden.Embodiments of the invention may be used with wavelength beam combinatorial (WBC) systems that include a plurality of emitters, such as one or more diode bars combined using a dispersive element to form a multi-wavelength beam. Each emitter in the WBC system individually resonates and is stabilized by wavelength-specific feedback from a common, partially-reflecting output coupler which is filtered by the dispersive element along a beam combination dimension. Exemplary WBC systems are in the filed on February 4, 2000 U.S. Patent No. 6,192,062 , submitted on 8 September 1998 U.S. Patent No. 6,208,679 , submitted on 25 August 2011 U.S. Patent No. 8,670,180 and that submitted on 7 March 2011 U.S. Patent No. 8,559,107 described in detail, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. Multi-wavelength output beams of WBC systems may be used as input beams in conjunction with embodiments of the present invention for e.g. B. BPP, shape and / or polarization control can be used.

In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks auf. Ein Bearbeitungsweg wird definiert, indem eine Relativbewegung zwischen einem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks verursacht wird. Die Dicke des Werkstücks entlang einer Richtung parallel zum Laserleistungsstrahl variiert entlang des Bearbeitungsweges. Der Laserausgangsstrahl verändert physikalisch die Oberfläche des Werkstücks entlang mindestens eines Teils des Bearbeitungsweges. Während der Relativbewegung zwischen dem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks wird die Form des Laserausgangsstrahls zumindest teilweise durch die Dicke des Werkstücks verändert.In one aspect, embodiments of the invention include a method of machining a workpiece. A machining path is defined by causing a relative movement between a laser output beam and the surface of the workpiece. The thickness of the workpiece along a direction parallel to the laser power beam varies along the machining path. The laser output beam physically changes the surface of the workpiece along at least a portion of the processing path. During the relative movement between the laser output beam and the surface of the workpiece, the shape of the laser output beam is at least partially changed by the thickness of the workpiece.

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Die Form des Laseraustrittsstrahls kann mit zunehmender Dicke des Werkstücks zwischen einem fokussierten Punkt und einem Ringraum variiert werden. Die Form des Laserausgangsstrahls kann mit zunehmender Dicke des Werkstücks zwischen einem fokussierten Punkt und einem diffusen Punkt (z. B. einem Punkt mit einem Durchmesser, der größer als der Durchmesser des fokussierten Punktes ist) variiert werden. Ein Durchmesser und/oder BPP des Laserausgangsstrahls kann mit zunehmender Dicke des Werkstücks vergrößert werden. Ein Winkel zwischen dem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks kann geändert werden (z. B. durch Kippen des ankommenden Laserausgangsstrahls, Kippen des Werkstücks und/oder durch abgewinkelte Topologie auf der Oberfläche des Werkstücks), um dadurch die Dicke des Werkstücks entlang der Richtung parallel zum Laserausgangsstrahl zu verändern. Die Dicke des Werkstücks entlang der Richtung parallel zum Laseraustrittsstrahl kann zumindest teilweise durch eine Winkeländerung zwischen dem Laseraustrittsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks variieren (z. B. durch Kippen des einfallenden Laseraustrittsstrahls, Kippen des Werkstücks und/oder durch abgewinkelte Topologie auf der Oberfläche des Werkstücks). Die Form des Laseraustrittsstrahls kann unter Beibehaltung eines Winkels zwischen dem Laseraustrittsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen konstant gehalten werden (z. B. darf der Laseraustrittsstrahl nicht in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks geneigt sein, oder die Topologie der Oberfläche des Werkstücks kann einen im Wesentlichen konstanten Winkel zum einfallenden Laseraustrittsstrahl aufweisen). Die Dicke des Werkstücks kann während der Relativbewegung zwischen dem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks gemessen werden. Die Form des Laseraustrittsstrahls kann je nach Zusammensetzung des Werkstücks verändert werden. Der Laserausgangsstrahl kann aus mehreren Wellenlängen bestehen.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The shape of the laser exit beam may be varied with increasing thickness of the workpiece between a focused point and an annulus. The shape of the laser output beam may be varied as the thickness of the workpiece increases between a focused point and a diffuse point (eg, a point having a diameter greater than the diameter of the focused point). A diameter and / or BPP of the laser output beam may be increased with increasing thickness of the workpiece. An angle between the laser output beam and the surface of the workpiece may be changed (eg, by tilting the incoming laser output beam, tilting the workpiece, and / or angled topology on the surface of the workpiece), thereby paralleling the thickness of the workpiece along the direction to change the laser output beam. The thickness of the workpiece along the direction parallel to the laser exit beam may vary, at least in part, by an angular change between the laser exit beam and the surface of the workpiece (eg, by tilting the incident laser exit beam, tilting the workpiece, and / or angled topology on the surface of the workpiece ). The shape of the laser exit beam may be kept substantially constant while maintaining an angle between the laser exit beam and the surface of the workpiece (eg, the laser exit beam may not be inclined with respect to the surface of the workpiece, or the topology of the surface of the workpiece may be one) have substantially constant angles to the incident laser exit beam). The thickness of the workpiece can be measured during the relative movement between the laser output beam and the surface of the workpiece. The shape of the laser exit beam can be changed depending on the composition of the workpiece. The laser output beam may consist of several wavelengths.

In einem weiteren Aspekt weisen die Ausführungsformen der Erfindung ein System zur Bearbeitung eines Werkstücks auf. Das System beinhaltet, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einem Strahlenemitter zur Emission eines Laserausgangsstrahls, einer Positionierungsvorrichtung zum Variieren einer Position des Laserausgangsstrahls in Bezug auf das Werkstück, Mitteln zum Ändern einer Form des Laserausgangsstrahls und einer Steuerung, die mit der Positionierungsvorrichtung und den Formänderungsmitteln gekoppelt ist, zum (i) Betreiben des Strahlenemitters, damit der Laserausgangsstrahl einen Weg über mindestens einen Abschnitt des Werkstücks zurücklegt, um dessen Oberfläche physikalisch zu verändern, und (ii) Ändern der Form des Laserausgangsstrahls, basierend zumindest teilweise auf einer Dicke des Werkstücks entlang des Weges. In another aspect, embodiments of the invention include a system for machining a workpiece. The system includes, consists essentially of or consists of a beam emitter for emitting a laser output beam, a positioning device for varying a position of the laser output beam with respect to the workpiece, means for changing a shape of the laser output beam, and a controller coupled to the positioning device and the shape changing means for (i) operating the beam emitter so that the laser output beam travels a path over at least a portion of the workpiece to physically change its surface, and (ii) changing the shape of the laser output beam based at least in part on a thickness of the workpiece of the way.

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Der Strahlenemitter kann einen Bearbeitungskopf, von dem der Laserausgangsstrahl ausgesendet wird, beinhalten, im Wesentlichen aus ihm bestehen, in ihm angeordnet sein oder mit ihm gekoppelt sein (z. B. über eine Glasfaser). Die Formänderungseinrichtung kann (i) ein oder mehrere optische Elemente innerhalb des Bearbeitungskopfes und (ii) eine zweite Steuerung zum Ändern einer Position von mindestens einem der optischen Elemente innerhalb des Bearbeitungskopfes beinhalten, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. Die zweite Steuerung kann diskret und getrennt von der Steuerung sein, oder die Steuerung und die zweite Steuerung können Teile eines einzelnen Steuersystems sein. Die Steuerung kann konfiguriert sein, eine Ausgangsleistung des Strahlenemitters entlang des Weges zu variieren. Die Steuerung kann konfiguriert sein, die Form des Laserausgangsstrahls basierend auf einer Zusammensetzung des Werkstücks zu variieren. Das System kann eine Datenbank beinhalten, die eine Vielzahl von Datensätzen enthält, die jeweils eine Laserausgangsstrahlform mit Werkstückparametern in Beziehung setzen. Die Werkstückparameter können beinhalten, bestehen im Wesentlichen aus oder bestehen aus der Werkstückdicke und/oder der Werkstückzusammensetzung. Der Strahlenemitter kann eine Strahlenquelle, die eine Vielzahl von diskreten Eingangsstrahlen emittiert, Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Eingangsstrahlen auf ein zerstreuendes Element, ein zerstreuendes Element zum Empfangen und Zerstreuen der empfangenen fokussierten Strahlen und eine teilweise reflektierende Ausgangskupplung, die so positioniert ist, dass sie die zerstreuten Strahlen empfängt, einen Teil der zerstreuten Strahlen als Laserausgangsstrahl durch sie hindurch sendet und einen zweiten Teil der zerstreuten Strahlen zurück zum zerstreuenden Element reflektiert. Der Laserausgangsstrahl kann aus mehreren Wellenlängen bestehen.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The beam emitter may include, consist essentially of, be disposed within, or be coupled to a machining head from which the laser output beam is emitted (eg, via a fiber optic cable). The shape changing means may include (i) one or more optical elements within the machining head and (ii) a second controller for, substantially consists of, or consists of, a position of at least one of the optical elements within the machining head. The second controller may be discrete and separate from the controller, or the controller and the second controller may be parts of a single control system. The controller may be configured to vary an output power of the beam emitter along the path. The controller may be configured to vary the shape of the laser output beam based on a composition of the workpiece. The system may include a database containing a plurality of data sets each relating a laser output beam shape to workpiece parameters. The workpiece parameters may include, consist essentially of or consist of the workpiece thickness and / or the workpiece composition. The beam emitter may include a beam source emitting a plurality of discrete input beams, focusing optics for focusing the plurality of input beams onto a dispersive element, a dispersive element for receiving and diffusing the received focused beams, and a partially reflective output clutch positioned to receives the scattered beams, transmits a portion of the scattered beams as a laser output beam through them, and reflects a second portion of the scattered beams back to the dispersive element. The laser output beam may consist of several wavelengths.

In noch einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten und eines zweiten Werkstücks an einer Bearbeitungsstelle auf. Das erste und das zweite Werkstück überlappen sich und/oder liegen an der Bearbeitungsstelle nahe beieinander. Ein Laserausgangsstrahl wird fokussiert und/oder in der Nähe der Bearbeitungsstelle angeordnet, um einen Abschnitt des ersten oder des zweiten Werkstücks zu schmelzen und so das erste und das zweite Werkstück miteinander zu verbinden. Während des Verbindens wird die Form des Laseraustrittsstrahls verändert, ohne eine Relativbewegung zwischen dem Laseraustrittsstrahl und dem ersten und dem zweiten Werkstück zu verursachen.In yet another aspect, embodiments of the invention include a method of joining a first and a second workpiece to a processing station. The first and the second workpiece overlap and / or are close to each other at the processing point. A laser output beam is focused and / or placed near the processing location to melt a portion of the first or second workpiece to connect the first and second workpieces together. During bonding, the shape of the laser exit beam is changed without causing relative movement between the laser exit beam and the first and second workpieces.

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Die Form des Laseraustrittsstrahls kann zwischen einem fokussierten Punkt und einem Ringraum variiert werden. Die Form des Laserausgangsstrahls kann zwischen einem fokussierten Punkt und einem diffusen Punkt variiert werden (z. B. ein Punkt mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des fokussierten Punktes). Der Laserausgangsstrahl kann aus mehreren Wellenlängen bestehen.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The shape of the laser exit beam can be varied between a focused point and an annulus. The shape of the laser output beam may be varied between a focused point and a diffuse point (eg, a point having a diameter greater than the diameter of the focused point). The laser output beam may consist of several wavelengths.

In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten und eines zweiten Werkstücks mit einer Schweißnaht mit einer räumlichen Ausdehnung, die größer als die minimale Punktgröße ist, unter Verwendung eines auf eine minimale Punktgröße fokussierbaren Laserleistungsstrahls auf. Der Laserausgangsstrahl wird auf das erste und/oder das zweite Werkstück fokussiert und/oder angeordnet, um dessen zumindest teilweises Schmelzen und/oder zumindest teilweises Schmelzen eines Bindemittels (z. B. eines Hartlötmaterials, eines Lötmaterials oder eines Flussmittels) zu bewirken, das auf oder zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück angeordnet ist. Ohne eine Relativbewegung zwischen dem Laserleistungsstrahl und dem ersten und dem zweiten Werkstück zu verursachen, wird eine Form des Laserleistungsstrahls variiert, um eine Größe der Schweißnaht oder Verbindung zu vergrößern.In another aspect, embodiments of the invention include a method of joining a first and a second workpiece to a weld having a spatial extent greater than the minimum spot size using a laser power beam focusable to a minimum spot size. The laser output beam is focused and / or arranged on the first and / or the second workpiece to cause its at least partial melting and / or at least partial melting of a binder (eg, a brazing material, a brazing material, or a flux) or between the first and the second workpiece is arranged. Without causing relative movement between the laser power beam and the first and second workpieces, a shape of the laser power beam is varied to increase a size of the weld or joint.

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Die Form des Laseraustrittsstrahls kann zwischen einem fokussierten Punkt und einem Ringraum variiert werden. Die Form des Laserausgangsstrahls kann zwischen einem fokussierten Punkt und einem diffusen Punkt variiert werden (z. B. ein Punkt mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des fokussierten Punktes). Der Laserausgangsstrahl kann aus mehreren Wellenlängen bestehen.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The shape of the laser exit beam can be varied between a focused point and an annulus. The shape of the laser output beam may be varied between a focused point and a diffuse point (eg, a point having a diameter greater than the diameter of the focused point). The laser output beam may consist of several wavelengths.

In einem Aspekt beinhalten die Ausführungsformen der Erfindung ein System zur Bearbeitung eines Werkstücks. Das System beinhaltet, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einem Strahlenemitter, einer Positionierungsvorrichtung zum Variieren einer Position eines Strahls des Strahlenemitter in Bezug auf das Werkstück, einem variablen Polarisator zum Variieren einer Polarisation des Strahls, einem Strahlenformer zum Variieren einer Strahlform und einer Steuerung, die mit der Positionierungsvorrichtung, dem Polarisator und dem Strahlenformer gekoppelt sind, um den Strahlenemitter zu betreiben, bewirken, dass der Strahl einen Weg über mindestens einen Abschnitt des Werkstücks zur Bearbeitung desselben zurücklegt und die Polarisation und/oder Form des Strahls entlang des Weges zumindest teilweise basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften des Werkstücks variiert. In one aspect, embodiments of the invention include a system for machining a workpiece. The system includes, consists essentially of or consists of a beam emitter, a positioning device for varying a position of a beam of the beam emitter relative to the workpiece, a variable polarizer for varying a polarization of the beam, a beamformer for varying a beam shape, and a controller. coupled to the positioning device, the polarizer and the beamformer to operate the beam emitter, cause the beam to traverse a path over at least a portion of the workpiece for processing thereof and at least partially polarize and / or shape the beam along the path varies based on one or more properties of the workpiece.

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Die Steuerung kann konfiguriert sein, eine lineare Polarisation des Strahls aufrechtzuerhalten, die eine Polarisationsrichtung aufweist, die etwa parallel zum Weg verläuft, während der Strahl den Weg durchläuft. Die Steuerung kann konfiguriert sein, eine Exzentrizität der Polarisation des Strahls zu variieren, die zumindest teilweise auf einer Dicke des Werkstücks basiert. Die Steuerung kann konfiguriert sein, die Polarisation des Strahls zwischen einem linearen Polarisationszustand und einem radialen Polarisationszustand zu variieren. Der variable Polarisator kann eine Wellenplatte beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Der variable Polarisator kann eine Wellenplatte und ein Rotationselement beinhalten, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen, wobei das Rotationselement von der Steuerung betätigt wird. Die Wellenplatte kann eine Halbwellenplatte und/oder eine Viertelwellenplatte beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Der Strahl kann linear polarisiert sein. Die Steuerung kann das Rotationselement betreiben, um eine Polarisationsrichtung parallel zur Bahn beizubehalten. Der variable Polarisator kann eine Kompensatorplatte, einen festen doppelbrechenden Keil, der über der Kompensatorplatte angeordnet ist, und einen beweglichen doppelbrechenden Keil, der über dem festen doppelbrechenden Keil angeordnet ist, beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Der variable Polarisator kann eine Kompensatorplatte, einen festen doppelbrechenden Keil, der über der Kompensatorplatte angeordnet ist, einen beweglichen doppelbrechenden Keil, der über dem festen doppelbrechenden Keil angeordnet ist, und ein Verlagerungselement beinhalten, wobei das Verlagerungselement von der Steuerung betätigt wird. Der variable Polarisator kann einen radialen Polarisationswandler beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The controller may be configured to maintain a linear polarization of the beam having a polarization direction that is approximately parallel to the path as the beam traverses the path. The controller may be configured to vary an eccentricity of the polarization of the beam based at least in part on a thickness of the workpiece. The controller may be configured to vary the polarization of the beam between a linear polarization state and a radial polarization state. The variable polarizer may include, consist essentially of, or consist of a wave plate. The variable polarizer may include, consist essentially of, or consist of a wave plate and a rotary element, the rotary element being actuated by the controller. The wave plate may include, consist essentially of, or consist of a half-wave plate and / or a quarter wave plate. The beam can be linearly polarized. The controller may operate the rotating member to maintain a direction of polarization parallel to the web. The variable polarizer may include, consist essentially of, or consist of a compensator plate, a solid birefringent wedge disposed over the compensator plate, and a movable birefringent wedge disposed over the solid birefringent wedge. The variable polarizer may include a compensator plate, a solid birefringent wedge disposed over the compensator plate, a movable birefringent wedge disposed over the fixed birefringent wedge, and a displacement element, the displacement element being actuated by the controller. The variable polarizer may include, substantially consist of or consist of a radial polarization converter.

Das System kann einen für die Steuerung zugänglichen Speicher zum Speichern von dem Weg entsprechenden Daten und eine Datenbank zum Speichern von Polarisationsdaten für eine Vielzahl von Materialien beinhalten. Die Steuerung kann konfiguriert sein, die Datenbank abzufragen, um die Polarisationsdaten für ein Material des Werkstücks zu erhalten und die Polarisation des Strahls zumindest teilweise basierend auf den Polarisationsdaten zu variieren. Der Weg kann mindestens eine Richtungsänderung beinhalten. Das Werkstück kann mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Dicken aufweisen. Das Werkstück kann mindestens zwei Abschnitte aufweisen, die verschiedene Materialien beinhalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Der Strahlenemitter kann eine Strahlenquelle beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder aus einer Strahlenquelle bestehen, die eine Vielzahl von diskreten Eingangsstrahlen emittiert, Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Eingangsstrahlen auf ein zerstreuendes Element, ein zerstreuendes Element zum Empfangen und Zerstreuen der empfangenen fokussierten Strahlen und eine teilweise reflektierende Ausgangskupplung, die so positioniert ist, dass sie die zerstreuten Strahlen empfängt, einen Teil der zerstreuten Strahlen als Strahl des Strahlenemitters durch sie hindurch sendet und einen zweiten Teil der zerstreuten Strahlen zurück zum zerstreuenden Element reflektiert. Der Strahl (z. B. der Ausgangsverarbeitungsstrahl) des Strahlenemitters kann aus mehreren Wellenlängen bestehen.The system may include a memory accessible to the controller for storing data corresponding to the path and a database for storing polarization data for a plurality of materials. The controller may be configured to query the database to obtain the polarization data for a material of the workpiece and to vary the polarization of the beam based at least in part on the polarization data. The path can include at least one change of direction. The workpiece may have at least two sections of different thicknesses. The workpiece may have at least two sections that contain, consist essentially of, or consist of different materials. The beam emitter may include, consist essentially of, or consist of a radiation source emitting a plurality of discrete input beams, focusing optics for focusing the plurality of input beams onto a dispersive element, a dispersive element for receiving and diffusing the received focused beams, and a beam emitter partially reflecting output clutch positioned to receive the scattered beams, transmit a portion of the scattered beams as a beam of the beam emitter therethrough, and reflect a second portion of the scattered beams back to the dispersive element. The beam (eg the output processing beam) of the beam emitter may consist of several wavelengths.

Der Strahlenformer kann eine Kollimationslinse zum Kollimieren eines vom Strahlenemitter empfangenen Strahls, eine Fokussierlinse zum Empfangen des kollimierten Strahls und zum Fokussieren des Strahls auf das Werkstück, die zwischen der Strahlenquelle und der Kollimationslinse angeordnet ist, ein optisches Element zum Empfangen des Strahls und zum Verändern seiner Form und ein Linsenmanipulationssystem zum Ändern einer Position des optischen Elements innerhalb eines Strahlwegs beinhalten, im Wesentlichen bestehen aus oder aus solchen bestehen. Die Steuerung kann konfiguriert sein, das Linsenmanipulationssystem zu steuern, um die Form des Strahls zu variieren. Das optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kegelstumpfes und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist. Das optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus einer Linse bestehen oder aus einer Linse bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kugelsegments und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist. Das optische Element kann eine Meniskuslinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, das optische Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren. Das System kann ein zweites optisches Element beinhalten, das zwischen der Fokussierlinse und dem Werkstück angeordnet ist. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, eine Position des zweiten optischen Elements innerhalb des Strahlenganges zu ändern. Das zweite optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kegelstumpfes und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen plan ist. Das zweite optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus einer Linse bestehen oder aus einer Linse bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kugelsegments und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist. Das zweite optische Element kann eine Meniskuslinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen.The beamformer may include a collimating lens for collimating a beam received from the beam emitter, a focusing lens for receiving the collimated beam, and for focusing the beam on the workpiece interposed between the radiation source and the collimating lens, an optical element for receiving the beam and changing it Form and a lens manipulation system for changing a position of the optical element within a beam path include, consist essentially of or consist of such. The controller may be configured to control the lens manipulation system to vary the shape of the beam. The optical element may include, consist essentially of, or consist of a lens having (i) a first surface in the shape of a truncated cone and (ii) opposite the first surface a second surface that is substantially planar. The optical element may comprise a lens, consisting essentially of a lens or consisting of a lens having (i) a first surface in the form of a spherical segment and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar , The optical element may include, consist essentially of or consist of a meniscus lens. The Lens processing system may be configured to position the optical element transverse to the center within the beam path. The system may include a second optical element disposed between the focusing lens and the workpiece. The lens processing system may be configured to change a position of the second optical element within the beam path. The second optical element may include, consist essentially of, or consist of a lens having (i) a first surface in the shape of a truncated cone and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar. The second optical element may include a lens, consisting essentially of a lens, or consisting of a lens having (i) a first surface with the shape of a spherical segment and (ii) a second surface substantially planar with respect to the first surface is. The second optical element may include, consist essentially of or consist of a meniscus lens.

Der Strahlenformer kann eine Kollimationslinse zum Kollimieren eines vom Strahlenemitter empfangenen Strahls, eine Fokussierlinse zum Empfangen des kollimierten Strahls und zum Fokussieren des Strahls auf das Werkstück, die zwischen der Strahlenquelle und der Kollimationslinse angeordnet ist, beinhalten, im Wesentlichen bestehen oder aus ihr bestehen, ein erstes und ein zweites optisches Element zum Empfangen des Strahls und zum Verändern seiner Form, und ein Linsenmanipulationssystem zum Ändern (i) einer Position des ersten optischen Elements innerhalb eines Strahlwegs, (ii) einer Position des zweiten optischen Elements innerhalb des Strahlwegs und/oder (iii) eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element. Die Steuerung kann konfiguriert sein, das Linsenmanipulationssystem zu steuern, um die Form des Strahls zu variieren. Das erste optische Element kann eine doppelt konkave Axiconlinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das zweite optische Element kann eine doppelt konvexe Axiconlinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element im Bereich von etwa 0 mm bis etwa 20 mm zu ändern. Das erste optische Element kann eine Linse mit (i) einer ersten Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche mit (a) einem ersten Abschnitt, der konvex gekrümmt ist, und (b) einem zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist, beinhalten, im Wesentlichen ausbilden oder aus ihr bestehen. Das zweite optische Element kann eine Linse mit (i) einer ersten Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche mit (a) einem ersten Abschnitt, der konkav gekrümmt ist, und (b) einem zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist, beinhalten, im Wesentlichen ausbilden oder aus ihr bestehen. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, das erste optische Element und/oder das zweite optische Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren.The beamformer may include a collimating lens for collimating a beam received from the beam emitter, a focusing lens for receiving the collimated beam, and focusing the beam on the workpiece located between the beam source and the collimating lens, consisting essentially of, or consisting of first and second optical elements for receiving the beam and changing its shape, and a lens manipulation system for changing (i) a position of the first optical element within a beam path, (ii) a position of the second optical element within the beam path, and / or ( iii) a distance between the first and the second optical element. The controller may be configured to control the lens manipulation system to vary the shape of the beam. The first optical element may include, consist essentially of or consist of a double concave axicon lens. The second optical element may include, consist essentially of or consist of a double convex axicon lens. The lens processing system may be configured to change the distance between the first and second optical elements in the range of about 0 mm to about 20 mm. The first optical element may comprise a lens having (i) a first surface that is substantially planar, and (ii) opposite the first surface, a second surface having (a) a first portion that is convexly curved, and (b) a second section, which is essentially flat, includes, essentially consists of, or consists of. The second optical element may comprise a lens having (i) a first surface that is substantially planar, and (ii) opposite the first surface, a second surface having (a) a first portion that is concavely curved, and (b) a second section, which is essentially flat, includes, essentially consists of, or consists of. The lens processing system may be configured to position the first optical element and / or the second optical element transversely of the center within the beam path.

In einem Aspekt beziehen sich die Ausführungsformen der Erfindung auf ein System zur Bearbeitung eines Werkstücks. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das System einen Strahlenemitter, eine Positionierungsvorrichtung zum Variieren einer Position eines Strahls des Strahlenemitters in Bezug auf das Werkstück, einen variablen Polarisator zum Variieren einer Polarisation des Strahls und eine mit der Positionierungsvorrichtung und dem Polarisator gekoppelte Steuerung zum Betreiben des Strahlenemitters, die bewirkt, dass der Strahl einen Weg über mindestens einen Teil des Werkstücks zur Bearbeitung davon durchläuft und eine gleichmäßige Polarisation des Strahls in Bezug auf das Werkstück entlang des Weges aufrechterhält.In one aspect, embodiments of the invention relate to a system for machining a workpiece. In various embodiments, the system includes a beam emitter, a positioning device for varying a position of a beam of the beam emitter relative to the workpiece, a variable polarizer for varying a polarization of the beam, and a controller coupled to the positioning device and the polarizer for operating the beam emitter causing the beam to traverse a path across at least a portion of the workpiece for processing thereof and maintain a uniform polarization of the beam with respect to the workpiece along the path.

In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der variable Polarisator eine Wellenplatte und ein Rotationselement, wobei das Rotationselement von der Steuerung betätigt wird. So kann beispielsweise die Wellenplatte eine oder mehrere Halbwellenplatten, eine oder mehrere Viertelwellenplatten oder eine Kombination davon sein. Der Strahl kann beispielsweise linear polarisiert sein, wobei die Steuerung das Rotationselement betätigt, um eine Polarisationsrichtung parallel zum Weg beizubehalten.In various embodiments, the variable polarizer includes a waveplate and a rotary member, wherein the rotary member is actuated by the controller. For example, the wave plate may be one or more half wave plates, one or more quarter wave plates, or a combination thereof. For example, the beam may be linearly polarized, with the controller operating the rotation element to maintain a polarization direction parallel to the path.

In einigen Ausführungsformen umfasst das System ferner einen für die Steuerung zugänglichen Speicher zum Speichern von dem Weg entsprechenden Daten und eine Datenbank zum Speichern von Polarisationsdaten für eine Vielzahl von Materialien. Die Steuerung ist konfiguriert, die Datenbank abzufragen, um die Polarisationsdaten für ein Material des Werkstücks zu erhalten, und die Polarisationsdaten bestimmen die konsistente Polarisation des Strahls. Der Weg kann mindestens eine Richtungsänderung beinhalten.In some embodiments, the system further includes a memory accessible to the controller for storing data corresponding to the path and a database for storing polarization data for a plurality of materials. The controller is configured to query the database to obtain the polarization data for a material of the workpiece, and the polarization data determines the consistent polarization of the beam. The path can include at least one change of direction.

Der Strahlenemitter kann eine Vielzahl von Strahlen aussenden. Der Strahlenemitter kann mindestens ein Laser und/oder mindestens eine polarisierte Faser sein.The radiation emitter can emit a variety of rays. The radiation emitter may be at least one laser and / or at least one polarized fiber.

In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren die Schritte des Betreibens eines Strahlenemitters, um einen Strahl, der einen Weg entlang des Werkstücks durchläuft, zu lenken, um das Werkstück zu bearbeiten, wobei der Strahl eine Ausgangspolarisation aufweist; und des Änderns der Ausgangspolarisation entlang mindestens eines Abschnitts des Weges, um eine gleichmäßige Polarisation des Strahls in Bezug auf das Werkstück während der gesamten Bearbeitung desselben aufrechtzuerhalten.In another aspect, the invention relates to a method of machining a workpiece. In various embodiments, the method includes the steps of operating a beam emitter to direct a beam passing a path along the workpiece about the workpiece to process, the beam having an output polarization; and altering the output polarization along at least a portion of the path to maintain uniform polarization of the beam with respect to the workpiece throughout its processing.

Der Schritt der Bearbeitung des Werkstücks kann einen oder mehrere Schritte umfassen: Schneiden, Schweißen, Löten, Bohren oder Ätzen des Werkstücks. Der Schritt der Änderung kann das Richten des Strahls durch eine Wellenplatte und das Variieren eines Drehwinkels der Wellenplatte in Bezug auf den Strahl umfassen. So kann beispielsweise die Wellenplatte eine oder mehrere Halbwellenplatten und/oder eine oder mehrere Viertelwellenplatten sein. Der Strahl kann beispielsweise linear polarisiert sein, und der Änderungsschritt hält eine Polarisationsrichtung des Strahls parallel zum Weg aufrecht.The step of machining the workpiece may include one or more steps: cutting, welding, soldering, drilling, or etching the workpiece. The step of altering may include directing the beam through a wave plate and varying a rotation angle of the wave plate with respect to the beam. For example, the wave plate may be one or more half wave plates and / or one or more quarter wave plates. For example, the beam may be linearly polarized, and the modifying step maintains a polarization direction of the beam parallel to the path.

In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Schritte des Speicherns von Daten, die dem Weg entsprechen, des Speicherns von Polarisationsdaten für eine Vielzahl von Materialien und des Abfragens der Datenbank, um die Polarisationsdaten für ein Material des Werkstücks zu erhalten, wobei die Polarisationsdaten die konsequente Polarisation des Strahls bestimmen. Der Weg kann mindestens eine Richtungsänderung beinhalten.In some embodiments, the method further comprises the steps of storing data corresponding to the path, storing polarization data for a plurality of materials, and querying the database to obtain the polarization data for a material of the workpiece, wherein the polarization data is the consequent Determine polarization of the beam. The path can include at least one change of direction.

In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Laserabgabesystem auf, um eine räumliche Leistungsverteilung eines Strahlungsbündels von einer Strahlenquelle aufzunehmen und zu verändern und die Strahlung mit der veränderten räumlichen Leistungsverteilung auf ein Werkstück zu fokussieren. Das Lasersystem beinhaltet oder besteht im Wesentlichen aus einer Kollimationslinse zum Kollimieren des Strahlungsstrahls, einer Fokussierlinse zum Empfangen des kollimierten Strahls und zum Fokussieren des Strahls auf das Werkstück, einem optischen Element zum Empfangen des Strahlungsstrahls und zum Ändern seiner räumlichen Leistungsverteilung, einem Linsenmanipulationssystem zum Ändern einer Position des optischen Elements innerhalb eines Weges des Strahlungsstrahls und einer Steuerung zum Steuern des Linsenmanipulationssystems zum Erreichen einer angestrebten veränderten räumlichen Leistungsverteilung auf dem Werkstück. Das optische Element kann zwischen der Strahlenquelle und der Kollimatorlinse (d. h. optisch stromabwärts der Strahlenquelle und optisch stromaufwärts der Kollimatorlinse) angeordnet sein.In one aspect, embodiments of the invention include a laser delivery system to receive and alter a spatial power distribution of a radiation beam from a radiation source and to focus the radiation with the altered spatial power distribution onto a workpiece. The laser system basically includes or consists of a collimating lens for collimating the radiation beam, a focusing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam on the workpiece, an optical element for receiving the radiation beam and changing its spatial power distribution, a lens manipulation system for changing a Position of the optical element within a path of the radiation beam and a controller for controlling the lens manipulation system to achieve a desired changed spatial power distribution on the workpiece. The optical element may be disposed between the radiation source and the collimator lens (i.e., optically downstream of the radiation source and optically upstream of the collimator lens).

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Das optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kegelstumpfes und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist. Die erste Oberfläche kann der Strahlenquelle zugewandt sein. Die erste Oberfläche kann von der Strahlenquelle weg weisen. Das optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus einer Linse bestehen oder aus einer Linse bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kugelsegments und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist. Die erste Oberfläche kann der Strahlenquelle zugewandt sein. Die erste Oberfläche kann von der Strahlenquelle weg weisen. Das optische Element kann eine Meniskuslinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Die Meniskuslinse kann eine positive Meniskuslinse sein. Die Meniskuslinse kann eine negative Meniskuslinse sein. Das optische Element kann geschmolzenes Siliziumdioxid und/oder Zinksulfid beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, das optische Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The optical element may include, consist essentially of, or consist of a lens having (i) a first surface in the shape of a truncated cone and (ii) opposite the first surface a second surface that is substantially planar. The first surface may face the radiation source. The first surface may face away from the radiation source. The optical element may comprise a lens, consisting essentially of a lens or consisting of a lens having (i) a first surface in the form of a spherical segment and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar , The first surface may face the radiation source. The first surface may face away from the radiation source. The optical element may include, consist essentially of or consist of a meniscus lens. The meniscus lens may be a positive meniscus lens. The meniscus lens may be a negative meniscus lens. The optical element may include, consist essentially of, or consist of fused silica and / or zinc sulfide. The lens processing system may be configured to position the optical element transversely of the center within the beam path.

Das Laserabgabesystem kann ein zweites optisches Element beinhalten, das im Weg des Strahlungsbündels angeordnet ist. Das zweite optische Element kann zwischen der Fokussierlinse und dem Werkstück angeordnet sein (d. h. optisch stromabwärts der Fokussierlinse und optisch stromaufwärts des Werkstücks angeordnet). Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, eine Position des zweiten optischen Elements innerhalb des Strahlenganges zu ändern. Das zweite optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kegelstumpfes und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen plan ist. Die erste Oberfläche kann der Strahlenquelle zugewandt sein. Die erste Oberfläche kann von der Strahlenquelle weg weisen. Das zweite optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus einer Linse bestehen oder aus einer Linse bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kugelsegments und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist. Die erste Oberfläche kann der Strahlenquelle zugewandt sein. Die erste Oberfläche kann von der Strahlenquelle weg weisen. Das zweite optische Element kann eine Meniskuslinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Die Meniskuslinse kann eine positive Meniskuslinse sein. Die Meniskuslinse kann eine negative Meniskuslinse sein. Das zweite optische Element kann geschmolzenes Siliziumdioxid und/oder Zinksulfid beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen.The laser delivery system may include a second optical element disposed in the path of the radiation beam. The second optical element may be disposed between the focusing lens and the workpiece (i.e., located optically downstream of the focusing lens and optically upstream of the workpiece). The lens processing system may be configured to change a position of the second optical element within the beam path. The second optical element may include, consist essentially of, or consist of a lens having (i) a first surface in the shape of a truncated cone and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar. The first surface may face the radiation source. The first surface may face away from the radiation source. The second optical element may include a lens, consisting essentially of a lens, or consisting of a lens having (i) a first surface with the shape of a spherical segment and (ii) a second surface substantially planar with respect to the first surface is. The first surface may face the radiation source. The first surface may face away from the radiation source. The second optical element may include, consist essentially of or consist of a meniscus lens. The meniscus lens may be a positive meniscus lens. The meniscus lens may be a negative meniscus lens. The second optical element may include, consist essentially of, or consist of fused silica and / or zinc sulfide.

Die Strahlenquelle kann einen Strahlenemitter beinhalten oder im Wesentlichen aus einem Strahlenemitter bestehen, der eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittiert, einer Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein zerstreuendes Element, einem zerstreuenden Element zum Empfangen und Zerstreuen der empfangenen fokussierten Strahlen und einer teilweise reflektierenden Ausgangskupplung, die so positioniert ist, dass sie die zerstreuten Strahlen empfängt, einen Teil der zerstreuten Strahlen als Strahlungsstrahl durch sie hindurch sendet und einen zweiten Teil der zerstreuten Strahlen zurück zum zerstreuenden Element reflektiert. Der Strahlungsstrahl kann aus mehreren Strahlungswellenlängen bestehen. Die Fokussieroptik kann eine oder mehrere Zylinderlinsen, eine oder mehrere sphärische Linsen, einen oder mehrere sphärische Spiegel und/oder einen oder mehrere zylindrische Spiegel beinhalten oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das zerstreuende Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) beinhalten oder im Wesentlichen aus diesem bestehen. The radiation source may include or consist essentially of a beam emitter emitting a plurality of discrete beams, focusing optics for focusing the plurality of beams onto a dispersive element, a dispersive element for receiving and diffusing the received focused beams, and a partially reflecting beam Output clutch positioned to receive the scattered beams, transmit a portion of the scattered beams therethrough as a radiation beam, and reflect a second portion of the scattered beams back to the dispersive element. The radiation beam can consist of several radiation wavelengths. The focusing optics may include or consist essentially of one or more cylindrical lenses, one or more spherical lenses, one or more spherical mirrors, and / or one or more cylindrical mirrors. The dispersive element may include or consist essentially of a diffraction grating (eg, a transmissive diffraction grating or a reflective diffraction grating).

In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Laserabgabesystem auf, um eine räumliche Leistungsverteilung eines Strahlungsbündels von einer Strahlenquelle aufzunehmen und zu verändern und die Strahlung mit der veränderten räumlichen Leistungsverteilung auf ein Werkstück zu fokussieren. Das Laserabgabesystem beinhaltet oder besteht im Wesentlichen aus einer Kollimationslinse zum Kollimieren des Strahlungsstrahls, einer Fokussierlinse zum Empfangen des kollimierten Strahls und zum Fokussieren des Strahls auf das Werkstück, einem ersten und einem zweiten optischen Element zum Empfangen des Strahlungsstrahls und zum Ändern der räumlichen Leistungsverteilung derselben, ein Linsenmanipulationssystem zum Ändern (i) einer Position des ersten optischen Elements innerhalb eines Weges des Strahlungsstrahls, (ii) einer Position des zweiten optischen Elements innerhalb des Weges des Strahlungsstrahls und/oder (iii) eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element, und eine Steuerung zum Steuern des Linsenmanipulationssystems, um eine gezielte veränderte räumliche Leistungsverteilung auf dem Werkstück zu erreichen. Das erste und/oder das zweite optische Element kann zwischen der Strahlenquelle und der Kollimatorlinse angeordnet sein (d. h. optisch stromabwärts der Strahlenquelle und optisch stromaufwärts der Kollimatorlinse).In another aspect, embodiments of the invention include a laser delivery system to receive and alter a spatial power distribution of a radiation beam from a radiation source and to focus the radiation with the altered spatial power distribution onto a workpiece. The laser delivery system essentially comprises or consists of a collimating lens for collimating the radiation beam, a focusing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam onto the workpiece, first and second optical elements for receiving the radiation beam, and changing the spatial power distribution thereof; a lens manipulation system for changing (i) a position of the first optical element within a path of the radiation beam, (ii) a position of the second optical element within the path of the radiation beam, and / or (iii) a distance between the first and second optical elements, and a controller for controlling the lens manipulation system to achieve a targeted altered spatial power distribution on the workpiece. The first and / or the second optical element may be disposed between the radiation source and the collimator lens (i.e., optically downstream of the radiation source and optically upstream of the collimator lens).

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Das erste optische Element kann eine doppelt konkave Axiconlinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das zweite optische Element kann eine doppelt konvexe Axiconlinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das erste optische Element kann optisch stromaufwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Das erste optische Element kann optisch stromabwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element im Bereich von etwa 0 mm bis etwa 50 mm, im Bereich von etwa 0 mm bis etwa 20 mm, im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 50 mm oder im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 20 mm zu ändern. Das erste optische Element kann eine Linse mit (i) einer ersten Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche mit (a) einem ersten Abschnitt, der konvex gekrümmt ist, und (b) einem zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist, beinhalten, im Wesentlichen ausbilden oder aus ihr bestehen. Das zweite optische Element kann eine Linse mit (i) einer ersten Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche mit (a) einem ersten Abschnitt, der konkav gekrümmt ist, und (b) einem zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist, beinhalten, im Wesentlichen ausbilden oder aus ihr bestehen. Das erste optische Element kann optisch stromaufwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Das erste optische Element kann optisch stromabwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Die zweite Oberfläche des ersten optischen Elements kann der zweiten Oberfläche des zweiten optischen Elements zugewandt sein. Die erste Oberfläche des ersten optischen Elements kann der ersten Oberfläche des zweiten optischen Elements zugewandt sein. Die erste Oberfläche des ersten optischen Elements kann der zweiten Oberfläche des zweiten optischen Elements zugewandt sein. Die zweite Oberfläche des ersten optischen Elements kann der ersten Oberfläche des ersten optischen Elements zugewandt sein. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, das erste optische Element und/oder das zweite optische Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren. Das erste optische Element kann geschmolzenes Siliziumdioxid und/oder Zinksulfid beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Das zweite optische Element kann geschmolzenes Siliziumdioxid und/oder Zinksulfid beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The first optical element may include, consist essentially of or consist of a double concave axicon lens. The second optical element may include, consist essentially of or consist of a double convex axicon lens. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The lens processing system may be configured to control the distance between the first and second optical elements in the range of about 0 mm to about 50 mm, in the range of about 0 mm to about 20 mm, in the range of about 2 mm to about 50 mm, or Range from about 2 mm to about 20 mm. The first optical element may comprise a lens having (i) a first surface that is substantially planar, and (ii) opposite the first surface, a second surface having (a) a first portion that is convexly curved, and (b) a second section, which is essentially flat, includes, essentially consists of, or consists of. The second optical element may comprise a lens having (i) a first surface that is substantially planar, and (ii) opposite the first surface, a second surface having (a) a first portion that is concavely curved, and (b) a second section, which is essentially flat, includes, essentially consists of, or consists of. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the first surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the first surface of the first optical element. The lens processing system may be configured to position the first optical element and / or the second optical element transversely of the center within the beam path. The first optical element may include, consist essentially of, or consist of fused silica and / or zinc sulfide. The second optical element may include, consist essentially of, or consist of fused silica and / or zinc sulfide.

Die Strahlenquelle kann einen Strahlenemitter beinhalten oder im Wesentlichen aus einem Strahlenemitter bestehen, der eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittiert, einer Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein zerstreuendes Element, einem zerstreuenden Element zum Empfangen und Zerstreuen der empfangenen fokussierten Strahlen und einer teilweise reflektierenden Ausgangskupplung, die so positioniert ist, dass sie die zerstreuten Strahlen empfängt, einen Teil der zerstreuten Strahlen als Strahlungsstrahl durch sie hindurch sendet und einen zweiten Teil der zerstreuten Strahlen zurück zum zerstreuenden Element reflektiert. Der Strahlungsstrahl kann aus mehreren Strahlungswellenlängen bestehen. Die Fokussieroptik kann eine oder mehrere Zylinderlinsen, eine oder mehrere sphärische Linsen, einen oder mehrere sphärische Spiegel und/oder einen oder mehrere zylindrische Spiegel beinhalten oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das zerstreuende Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) beinhalten oder im Wesentlichen aus diesem bestehen.The radiation source may include or consist essentially of a beam emitter emitting a plurality of discrete beams, focusing optics for focusing the plurality of beams onto a dispersive element, a dispersive element for receiving and diffusing the received focused beams, and a partially reflecting beam Output coupling, which is positioned so that it receives the scattered rays, a part of the scattered rays as Radiation beam transmits through them and reflects a second part of the scattered rays back to the scattering element. The radiation beam can consist of several radiation wavelengths. The focusing optics may include or consist essentially of one or more cylindrical lenses, one or more spherical lenses, one or more spherical mirrors, and / or one or more cylindrical mirrors. The dispersive element may include or consist essentially of a diffraction grating (eg, a transmissive diffraction grating or a reflective diffraction grating).

In noch einem weiteren Aspekt verfügen die Ausführungsformen der Erfindung über ein Laserabgabesystem zum Empfangen und Ändern einer räumlichen Leistungsverteilung eines Strahlungsbündels von einer Strahlenquelle und zum Fokussieren der Strahlung mit der veränderten räumlichen Leistungsverteilung auf ein Werkstück. Das Laserabgabesystem beinhaltet oder besteht im Wesentlichen aus einem oder mehreren Divergenz-steigernden optischen Elementen zum Erhöhen einer Divergenz des Strahlungsstrahls, einer Fokussierlinse zum Empfangen des Strahlungsstrahls und zum Fokussieren des Strahls auf das Werkstück, mindestens einem optischen Element zum Empfangen des Strahlungsstrahls und zum Ändern seiner räumlichen Leistungsverteilung, einem Linsenmanipulationssystem zum Ändern einer Position des mindestens einen optischen Elements innerhalb eines Weges des Strahlungsstrahls und einer Steuerung zum Steuern des Linsenmanipulationssystems zum Erreichen einer angestrebten veränderten räumlichen Leistungsverteilung auf dem Werkstück.In yet another aspect, embodiments of the invention include a laser delivery system for receiving and changing a spatial power distribution of a radiation beam from a radiation source and for focusing the radiation with the altered spatial power distribution onto a workpiece. The laser delivery system essentially comprises or consists of one or more divergence-enhancing optical elements for increasing divergence of the radiation beam, a focusing lens for receiving the radiation beam, and focusing the beam onto the workpiece, at least one optical element for receiving the radiation beam and changing it spatial power distribution, a lens manipulation system for changing a position of the at least one optical element within a path of the radiation beam and a controller for controlling the lens manipulation system to achieve a desired altered spatial power distribution on the workpiece.

Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden in einer Vielzahl von Kombinationen beinhalten. Die Fokussierlinse kann optisch hinter einem oder mehreren Divergenz-steigernden optischen Elementen angeordnet sein. Das mindestens eine optische Element kann optisch stromaufwärts der Fokussierlinse angeordnet sein. Das eine oder die mehreren Divergenz-steigernden optischen Elemente können einen dreifachen Kollimator beinhalten, im Wesentlichen aus ihm bestehen oder aus ihm bestehen. Der Dreifach-Kollimator kann (i) eine erste plankonkave Linse, (ii) eine zweite Meniskuslinse und (iii) eine dritte plankonvexe Linse beinhalten, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. Die erste plankonkave Linse kann optisch stromaufwärts der zweiten Meniskuslinse angeordnet werden. Die zweite Meniskuslinse kann optisch vor der dritten plankonvexen Linse angeordnet werden. Das mindestens eine optische Element kann optisch stromabwärts der ersten plankonkaven Linse angeordnet sein. Das mindestens eine optische Element kann optisch stromaufwärts der zweiten Meniskuslinse und/oder der dritten plankonvexen Linse angeordnet sein. Das mindestens eine optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus einer Linse bestehen oder aus einer Linse bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kegelstumpfes und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist. Das mindestens eine optische Element kann eine Linse beinhalten, im Wesentlichen aus einer Linse bestehen oder aus einer Linse bestehen, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kugelsegments und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist. Das mindestens eine optische Element kann eine Meniskuslinse (z. B. eine positive Meniskuslinse oder eine negative Meniskuslinse) beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, mindestens ein optisches Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren.Embodiments of the invention may include one or more of the following in a variety of combinations. The focusing lens may be optically disposed behind one or more divergence-enhancing optical elements. The at least one optical element can be arranged optically upstream of the focusing lens. The one or more divergence enhancing optical elements may include, consist essentially of, or consist of a triple collimator. The triple collimator may include (i) a first plano-concave lens, (ii) a second meniscus lens, and (iii) a third plano-convex lens, consisting essentially of, or consisting of. The first plano-concave lens may be optically disposed upstream of the second meniscus lens. The second meniscus lens may be optically placed in front of the third plano-convex lens. The at least one optical element may be arranged optically downstream of the first plano-concave lens. The at least one optical element may be arranged optically upstream of the second meniscus lens and / or the third plano-convex lens. The at least one optical element may comprise a lens, consisting essentially of a lens or consisting of a lens having (i) a first surface in the form of a truncated cone and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar is. The at least one optical element may comprise a lens, consisting essentially of a lens or consisting of a lens having (i) a first surface in the form of a spherical segment and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar is. The at least one optical element may include, consist essentially of or consist of a meniscus lens (eg, a positive meniscus lens or a negative meniscus lens). The lens processing system may be configured to position at least one optical element transverse to the center within the beam path.

Das mindestens eine optische Element kann ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Das erste optische Element und das zweite optische Element können durch einen Spalt dazwischen getrennt sein. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, (i) eine Position des ersten optischen Elements innerhalb eines Weges des Strahlungsstrahls, (ii) eine Position des zweiten optischen Elements innerhalb des Weges des Strahlungsstrahls und/oder (iii) einen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element zu ändern. Das erste optische Element kann eine doppelt konkave Axiconlinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das zweite optische Element kann eine doppelt konvexe Axiconlinse beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen. Das erste optische Element kann optisch stromaufwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Das erste optische Element kann optisch stromabwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element im Bereich von etwa 0 mm bis etwa 50 mm, im Bereich von etwa 0 mm bis etwa 20 mm, im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 50 mm oder im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 20 mm zu ändern. Das erste optische Element kann eine Linse mit (i) einer ersten Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche mit (a) einem ersten Abschnitt, der konvex gekrümmt ist, und (b) einem zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist, beinhalten, im Wesentlichen ausbilden oder aus ihr bestehen. Das zweite optische Element kann eine Linse mit (i) einer ersten Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche mit (a) einem ersten Abschnitt, der konkav gekrümmt ist, und (b) einem zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist, beinhalten, im Wesentlichen ausbilden oder aus ihr bestehen. Das erste optische Element kann optisch stromaufwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Das erste optische Element kann optisch stromabwärts des zweiten optischen Elements angeordnet werden. Die zweite Oberfläche des ersten optischen Elements kann der zweiten Oberfläche des zweiten optischen Elements zugewandt sein. Die erste Oberfläche des ersten optischen Elements kann der ersten Oberfläche des zweiten optischen Elements zugewandt sein. Die erste Oberfläche des ersten optischen Elements kann der zweiten Oberfläche des zweiten optischen Elements zugewandt sein. Die zweite Oberfläche des ersten optischen Elements kann der ersten Oberfläche des ersten optischen Elements zugewandt sein. Das Linsenbearbeitungssystem kann konfiguriert sein, das erste optische Element und/oder das zweite optische Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren. Das erste optische Element kann geschmolzenes Siliciumdioxid und/oder Zinksulfid beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen. Das zweite optische Element kann geschmolzenes Siliziumdioxid und/oder Zinksulfid beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen.The at least one optical element may include, substantially consist of or consist of a first optical element and a second optical element. The first optical element and the second optical element may be separated by a gap therebetween. The lens processing system may be configured to include (i) a position of the first optical element within a path of the radiation beam, (ii) a position of the second optical element within the path of the radiation beam, and / or (iii) a distance between the first and second optical To change element. The first optical element may include, consist essentially of or consist of a double concave axicon lens. The second optical element may include, consist essentially of or consist of a double convex axicon lens. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The lens processing system may be configured to control the distance between the first and second optical elements in the range of about 0 mm to about 50 mm, in the range of about 0 mm to about 20 mm, in the range of about 2 mm to about 50 mm, or Range from about 2 mm to about 20 mm. The first optical element may comprise a lens having (i) a first surface that is substantially planar, and (ii) opposite the first surface, a second surface having (a) a first portion that is convexly curved, and (b) a second section, which is essentially flat, includes, essentially consists of, or consists of. The second optical element may comprise a lens having (i) a first surface that is substantially planar, and (ii) opposite the first surface, a second surface having (a) a first portion that is concavely curved, and (b) a second section, which is essentially flat, includes, essentially consists of, or consists of. The first optical element may be arranged optically upstream of the second optical element. The first optical element may be arranged optically downstream of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the first surface of the second optical element. The first surface of the first optical element may face the second surface of the second optical element. The second surface of the first optical element may face the first surface of the first optical element. The lens processing system may be configured to position the first optical element and / or the second optical element transversely of the center within the beam path. The first optical element may include, consist essentially of, or consist of fused silica and / or zinc sulfide. The second optical element may include, consist essentially of, or consist of fused silica and / or zinc sulfide.

Die Strahlenquelle kann einen Strahlenemitter beinhalten oder im Wesentlichen aus einem Strahlenemitter bestehen, der eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittiert, einer Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein zerstreuendes Element, einem zerstreuenden Element zum Empfangen und Zerstreuen der empfangenen fokussierten Strahlen und einer teilweise reflektierenden Ausgangskupplung, die so positioniert ist, dass sie die zerstreuten Strahlen empfängt, einen Teil der zerstreuten Strahlen als Strahlungsstrahl durch sie hindurch sendet und einen zweiten Teil der zerstreuten Strahlen zurück zum zerstreuenden Element reflektiert. Der Strahlungsstrahl kann aus mehreren Strahlungswellenlängen bestehen. Die Fokussieroptik kann eine oder mehrere Zylinderlinsen, eine oder mehrere sphärische Linsen, einen oder mehrere sphärische Spiegel und/oder einen oder mehrere zylindrische Spiegel beinhalten oder im Wesentlichen daraus bestehen. Das zerstreuende Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) beinhalten oder im Wesentlichen aus diesem bestehen.The radiation source may include or consist essentially of a beam emitter emitting a plurality of discrete beams, focusing optics for focusing the plurality of beams onto a dispersive element, a dispersive element for receiving and diffusing the received focused beams, and a partially reflecting beam Output clutch positioned to receive the scattered beams, transmit a portion of the scattered beams therethrough as a radiation beam, and reflect a second portion of the scattered beams back to the dispersive element. The radiation beam can consist of several radiation wavelengths. The focusing optics may include or consist essentially of one or more cylindrical lenses, one or more spherical lenses, one or more spherical mirrors, and / or one or more cylindrical mirrors. The dispersive element may include or consist essentially of a diffraction grating (eg, a transmissive diffraction grating or a reflective diffraction grating).

Diese und andere Gegenstände sowie die Vorteile und Merkmale der hierin offenbarten vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher. Darüber hinaus ist zu verstehen, dass sich die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen vorliegen können. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ ±10 % und in einigen Ausführungsformen ±5 %. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet den Ausschluss anderer Materialien, die zur Funktion beitragen, sofern hierin nicht anders definiert. Dennoch können diese anderen Materialien gemeinsam oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Hierin werden die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“, sofern nicht anders angegeben, austauschbar verwendet. Dabei wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Platzierung eines zweiten Elements anzuzeigen, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element trifft, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements ist. Dabei ist der „optische Abstand“ zwischen zwei Komponenten der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchlaufen wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht unbedingt gleich dem physischen Abstand zwischen zwei Komponenten sein, z. B. durch Reflexionen von Spiegeln oder andere Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das von einer der Komponenten zur anderen wandernde Licht erfährt.These and other objects as well as the advantages and features of the present invention disclosed herein will become more apparent by reference to the following description, the accompanying drawings and the claims. Moreover, it should be understood that the features of the various embodiments described herein are not mutually exclusive and may be in various combinations and permutations. As used herein, the term "substantially" means ± 10%, and in some embodiments, ± 5%. The term "consists essentially of" means excluding other materials that contribute to the function unless otherwise defined herein. However, these other materials may coexist or individually in trace amounts. Herein, the terms "radiation" and "light" are used interchangeably unless otherwise specified. Here, "downstream" or "optically downstream" is used to indicate the relative placement of a second element that a light beam strikes upon encountering a first element, the first element being "upstream" or "optically upstream" of the second element is. Here, the "optical distance" between two components is the distance between two components, which is actually traversed by light rays; the optical distance may or may not be equal to the physical distance between two components, e.g. By reflections from mirrors or other changes in the direction of propagation experienced by the light traveling from one component to the other.

Figurenlistelist of figures

In den Zeichnungen beziehen sich ähnliche Referenzzeichen in der Regel auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, sondern werden in der Regel auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung ausgerichtet. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

  • 1 ein herkömmliches Verfahren zum Schneiden einer Kurve aus Material veranschaulicht, wobei die Polarisation des Schneidstrahls fixiert ist;
  • 2A eine exemplarische Anpassung der Polarisation entsprechend dem Schneidweg im Material gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
  • 2B eine exemplarische Anpassung der Polarisation in Abhängigkeit von der Dicke des Materials gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
  • 2C eine exemplarische Anpassung der Polarisation von linearer Polarisation zu radialer Polarisation gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
  • 3A-3G exemplarische Systeme zur Variation der Strahlpolarisation veranschaulichen, die zumindest teilweise auf der Bearbeitungsrichtung oder der Materialdicke gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung basieren;
  • 4A ein Verfahren zum Schneiden oder Schweißen eines Materials mit einem automatisch einstellbaren Polarisationsstrahl gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
  • 4B-4D Diagramme der Schnittgeschwindigkeit als Funktion der Werkstückdicke sind, die Laserstrahlen mit kontrollierter Polarisation gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung mit herkömmlichen unpolarisierten Strahlen vergleichen;
  • 5 ein schematisches Diagramm eines Laserstrahlabgabesystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 6 ein schematisches Diagramm eines optischen Flachkegelelements gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 7A ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Abstands eines optischen Flachkegelelements aus Quarzglas von einer Strahlenquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 7B ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Abstands eines optischen Flachkegelelements aus Zinksulfid von einer Strahlenquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 8A ein schematisches Diagramm eines Laserabgabesystems mit einem exzentrischen optischen Element gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 8B-8D Strahlprofile in Abhängigkeit vom exzentrischen Abstand darstellen, der durch das Laserabgabesystem von 8A erzeugt wird;
  • 8E ein Diagramm der Bestrahlungsstärke als Funktion der Position für das in 4D dargestellte Zwei-Spitzen-Strahlprofil ist;
  • 9 ein schematisches Diagramm eines kugelförmigen optischen Elements mit flacher Oberseite gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 10A ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Abstands eines kugelförmigen optischen Elements mit flacher Oberseite aus Quarzglas von einer Strahlenquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 10B ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Abstands eines kugelförmigen optischen Elements mit flacher Oberseite aus Zinksulfid von einer Strahlenquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 11A-11C Strahlprofile in Abhängigkeit vom exzentrischen Abstand darstellen, der durch ein Laserabgabesystem mit dem optischen Element der 9 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erzeugt wird;
  • 11D ein Diagramm der Bestrahlungsstärke als Funktion der Position für das in 11C dargestellte Zwei-Spitzen-Strahlprofil ist;
  • 12A ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Laserabgabesystems mit zwei optischen Elementen mit Axiconlinse gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 12B und 12C geometrische Designparameter von Axiconlinsen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung darstellen;
  • 13 ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Spaltabstandes zwischen positiven und negativen Axiconlinsen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 14 Strahlprofile in unterschiedlichen Spaltabständen zwischen positiven und negativen Axicon-Linsen entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
  • 15 Strahlprofile in unterschiedlichen Spaltabständen zwischen positiven und negativen Axicon-Linsen zeigt, die gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung quer zur Strahlengangrichtung versetzt sind;
  • 16A ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Laserabgabesystems mit Zweiphasenplattenlinsen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 16B und 16C geometrische Entwurfsparameter von Phasenplattenlinsen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung darstellen;
  • 16D ein Diagramm von BPP als Funktion des Innendurchmessers von Zweiphasenplatten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 16E ein Diagramm mit optimiertem Innendurchmesser von Zweiphasenplatten als Funktion der Trennung von einer Eingangsfaser-Endkappe gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 16F ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Spaltabstandes zwischen zweiphasigen Plattenlinsen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 16G Strahlprofile in unterschiedlichen Spaltabständen zwischen zweiphasigen Plattenlinsen gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
  • 17A ein schematisches Diagramm eines optischen Elements einer Meniskuslinse gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 17B ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Abstands eines optischen Elements einer Meniskuslinse aus Quarzglas von einer Strahlenquelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 18A ein schematisches Diagramm eines partiellen Laserstrahlabgabesystems mit einem Triplettkollimator für erhöhte Strahlablenkung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 18B ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Abstands eines kugelförmigen optischen Elements mit flacher Oberseite von einer Strahlenquelle im Laserabgabesystem von 18A gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 18C ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Abstands eines optischen Elements einer Meniskuslinse von einer Strahlenquelle im Laserabgabesystem von 18A gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 18D ein schematisches Diagramm eines partiellen Laserstrahlabgabesystems mit einem Triplettkollimator für erhöhte Strahldivergenz und optischen Zweiphasenplattenelementen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 18E ein Diagramm der BPP-Variation als Funktion des Spaltabstandes zwischen den zweiphasigen Plattenlinsen im Laserstrahlabgabesystem von 18D gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 19 ein schematisches Diagramm eines Wellenlängenstrahl-Kombinationslasersystems ist, das zur Versorgung des Eingangsstrahls für Laserstrahlabgabesysteme gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann;
  • 20 eine schematische Darstellung eines Lasersystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist;
  • 21 eine Reihe von Bildern ist, die exemplarische Strahlformen darstellen, die gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden;
  • 22A und 22B schematische Diagramme von Werkstücken sind, die mit Laserstrahlen unterschiedlicher Form gemäß verschiedener Ausführungsformen der Erfindung bearbeitet werden; und
  • 23A-23D eine Reihe von schematischen Diagrammen eines Schweißprozesses unter Verwendung eines Laserstrahls mit mehreren verschiedenen Strahlformen gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind.
In the drawings, like reference characters generally refer to the same parts throughout the several views. Also, the drawings are not necessarily to scale, but are generally directed to illustrating the principles of the invention. In the following description, various embodiments of the present invention will be described with reference to the following drawings, in which:
  • 1 a conventional method for cutting a curve of material is illustrated, wherein the polarization of the cutting beam is fixed;
  • 2A illustrates an exemplary polarization adjustment corresponding to the cutting path in the material according to various embodiments of the invention;
  • 2 B illustrates an exemplary polarization adjustment as a function of the thickness of the material according to various embodiments of the invention;
  • 2C illustrates an exemplary polarization to linear polarization to radial polarization polarization according to various embodiments of the invention;
  • 3A-3G illustrate exemplary beam polarization variation systems based, at least in part, on the machining direction or material thickness according to the various embodiments of the invention;
  • 4A illustrates a method of cutting or welding a material with an automatically adjustable polarizing beam in accordance with various embodiments of the invention;
  • 4B-4D Diagrams of cutting speed as a function of workpiece thickness comparing laser beams with controlled polarization according to various embodiments of the invention with conventional unpolarized beams;
  • 5 Figure 3 is a schematic diagram of a laser beam delivery system according to various embodiments of the invention;
  • 6 Figure 3 is a schematic diagram of a flat cone optical element according to various embodiments of the invention;
  • 7A Figure 4 is a graph of BPP variation as a function of the distance of a fused silica optical flat cone element from a radiation source according to various embodiments of the invention;
  • 7B Figure 4 is a graph of BPP variation as a function of the distance of a zinc sulfide optical flat cone element from a radiation source according to various embodiments of the invention;
  • 8A Figure 3 is a schematic diagram of a laser delivery system with an eccentric optical element according to various embodiments of the invention;
  • 8B-8D Represent beam profiles as a function of the eccentric distance, by the laser delivery system of 8A is produced;
  • 8E a graph of irradiance as a function of position for the in 4D illustrated two-peak beam profile is;
  • 9 Fig. 12 is a schematic diagram of a spherical flat top optical element according to various embodiments of the invention;
  • 10A Figure 4 is a graph of BPP variation as a function of the distance of a spherical flat top quartz glass optical element from a radiation source according to various embodiments of the invention;
  • 10B Figure 4 is a graph of BPP variation as a function of the distance of a zinc-sulfide flat top spherical optic element from a radiation source according to various embodiments of the invention;
  • 11A-11C Represent beam profiles as a function of the eccentric distance, by a laser delivery system with the optical element of 9 is generated according to various embodiments of the invention;
  • 11D a graph of irradiance as a function of position for the in 11C illustrated two-peak beam profile is;
  • 12A Figure 3 is a schematic diagram of a portion of a laser delivery system having two axicon lens optical elements according to various embodiments of the invention;
  • 12B and 12C represent geometric design parameters of axicon lenses according to various embodiments of the invention;
  • 13 Figure 4 is a graph of BPP variation as a function of gap spacing between positive and negative axicon lenses according to various embodiments of the invention;
  • 14 Shows beam profiles at different gap distances between positive and negative axicon lenses according to the various embodiments of the invention;
  • 15 Shows beam profiles in different gap distances between positive and negative axicon lenses, which are offset transversely to the beam path direction according to the various embodiments of the invention;
  • 16A FIG. 3 is a schematic diagram of a portion of a laser delivery system having two-phase plate lenses according to various embodiments of the invention; FIG.
  • 16B and 16C illustrate geometric design parameters of phase-plate lenses according to various embodiments of the invention;
  • 16D Figure 3 is a graph of BPP as a function of the inside diameter of two-phase plates according to various embodiments of the invention;
  • 16E Figure 3 is an optimized inner diameter diagram of two-phase plates as a function of separation from an input fiber end cap according to various embodiments of the invention;
  • 16F Figure 4 is a graph of BPP variation as a function of gap spacing between biphasic plate lenses according to various embodiments of the invention;
  • 16G Shows beam profiles at different gap distances between biphasic plate lenses according to the various embodiments of the invention;
  • 17A Figure 3 is a schematic diagram of an optical element of a meniscus lens according to various embodiments of the invention;
  • 17B Figure 4 is a graph of BPP variation as a function of the distance of an optical element of a quartz glass meniscus lens from a radiation source according to various embodiments of the invention;
  • 18A Figure 3 is a schematic diagram of a partial laser beam delivery system with a triplet collimator for increased beam deflection in accordance with various embodiments of the invention;
  • 18B a graph of BPP variation as a function of the distance of a spherical flat top surface optical element from a radiation source in the laser delivery system of 18A according to various embodiments of the invention;
  • 18C a graph of BPP variation as a function of the distance of an optical element of a meniscus lens from a radiation source in the laser delivery system of 18A according to various embodiments of the invention;
  • 18D Fig. 12 is a schematic diagram of a partial laser beam delivery system with a triplet collimator for increased beam divergence and two-phase optical disk elements according to various embodiments of the invention;
  • 18E a graph of BPP variation as a function of the gap distance between the biphasic plate lenses in the laser beam delivery system of 18D according to various embodiments of the invention;
  • 19 Figure 4 is a schematic diagram of a wavelength-beam combination laser system that may be used to power the input beam for laser beam delivery systems according to various embodiments of the invention;
  • 20 a schematic representation of a laser system according to various embodiments of the invention;
  • 21 Fig. 10 is a series of images illustrating exemplary beam shapes used in accordance with various embodiments of the invention;
  • 22A and 22B are schematic diagrams of workpieces being processed with laser beams of different shapes according to various embodiments of the invention; and
  • 23A-23D are a series of schematic diagrams of a welding process using a laser beam having a plurality of different beam shapes according to the various embodiments of the invention.

Ausführliche BeschreibungDetailed description

Aspekte und Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf das Feld der Anpassung der Polarisation und/oder Form eines in der Fertigung verwendeten Laserstrahls, um bessere Fertigungsergebnisse einschließlich weniger Krätze und saubere Schnitte und Schweißnähte zu erzielen. In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung daher auf die Optimierung der Polarisation und/oder Form eines Laserstrahls in Bezug auf ein zu bearbeitendes Material. Insbesondere können Systeme und Verfahren zum Einstellen der Polarisation die Ausrichtung einer Wellenplatte, durch die der Strahl hindurchgeht, variieren, um deren Polarisation selektiv zu variieren, z. B. basierend auf der Geometrie, dem Material und der Dicke des zu bearbeitenden Materials und der momentanen Ausrichtung des Strahls in Bezug darauf. Die hierin beschriebenen Ansätze und Ausführungsformen können für Ein- und Zweistrahl-Ausgangssysteme gelten, die polarisationserhaltende Glasfasern verwenden, um die Ausgangsstrahlen vom Lasersystem an einen Laserkopf zu liefern. In einigen Fällen können diese Lasersysteme Wellenlängenstrahl-Kombinationssysteme sein, die einen mehrwelligen Ausgangsstrahl erzeugen.Aspects and embodiments generally relate to the field of adjusting the polarization and / or shape of a laser beam used in manufacturing to achieve better manufacturing results including less dross and clean cuts and welds. In various embodiments, the present invention therefore relates to the optimization of the polarization and / or shape of a laser beam with respect to a material to be processed. In particular, polarization adjustment systems and methods can vary the orientation of a waveplate through which the beam passes to selectively vary their polarization, e.g. Based on the geometry, the material and the thickness of the material to be processed and the instantaneous orientation of the beam with respect thereto. The approaches and embodiments described herein may apply to single and dual-beam output systems that use polarization-maintaining optical fibers to direct the output beams from the laser system to a laser beam To deliver laser head. In some cases, these laser systems may be wavelength beam combining systems that produce a multi-wavelength output beam.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen somit eine optimale Polarisationsrichtung für ein bestimmtes Material dar und halten diese Richtung in Bezug auf die Verarbeitungsrichtung im Laufe der Verarbeitung ein. Dies steht im Gegensatz zum Verhalten von Systemen der Vorgängerklasse, wie in 1 veranschaulicht, die die Polarisationsrichtung nicht verändern. In 1 wird ein Blech 100 des Materials mit einem linear polarisierten Strahl verarbeitet, der einem gewünschten Schneidweg 102 folgt, der gekrümmt sein kann. Die lineare Polarisation, angegeben bei 104, behält eine feste Ausrichtung bei, unabhängig von der unterschiedlichen Ausrichtung des Strahls in Bezug auf das Material 100. In vielen Systemen ist die optimale Strahlpolarisation parallel zur Verarbeitungsrichtung. In 1 tritt dies nur einmal auf, und tatsächlich ist die Polarisation an den meisten Stellen nachteilig senkrecht zur Verarbeitungsrichtung. Dies kann die Verarbeitung verzögern, Krätze erzeugen, einen unvollkommenen Schnitt erzeugen usw.Embodiments of the present invention thus represent an optimum polarization direction for a particular material and maintain this direction with respect to the processing direction in the course of processing. This is in contrast to the behavior of systems of the previous class, as in 1 illustrates that do not change the polarization direction. In 1 becomes a tin 100 of the material processed with a linearly polarized beam, the desired cutting path 102 follows, which can be curved. The linear polarization indicated at 104 , maintains a fixed orientation regardless of the different orientation of the beam with respect to the material 100 , In many systems, the optimal beam polarization is parallel to the processing direction. In 1 This occurs only once, and in fact the polarization is disadvantageous in most places perpendicular to the processing direction. This can delay processing, create dross, create an imperfect cut, and so on.

Ein optimales Verhalten für das exemplarische System ist in 2A dargestellt: Die Polarisationsorientierung 204 des Bearbeitungsstrahls bleibt über den gesamten Verarbeitungsweg 102 parallel zur Verarbeitungsrichtung. Ein weiteres optimales Verhalten für das exemplarische System ist in 2B dargestellt: Der Polarisationszustand 210 des Verarbeitungsstrahls ändert sich von linearer Polarisation über elliptische Polarisation bis hin zur zirkulären Polarisation mit zunehmender Dicke des Materials 100. In noch einer weiteren Ausführungsform, die in 2C dargestellt ist, ändert sich der Polarisationszustand 210 des Verarbeitungsstrahls von linearer Polarisation zu radialer Polarisation entlang des Verarbeitungsweges 102. Während die Verarbeitungswege in den 2B und 2C im Wesentlichen linear sind, können in Ausführungsformen der Erfindung Verarbeitungswege eine oder mehrere Richtungsänderungen beinhalten, wie in 2B dargestellt. Im Allgemeinen können Verarbeitungswege kurvenförmig oder linear sein, und „lineare“ Verarbeitungswege können eine oder mehrere Richtungsänderungen aufweisen, d. h. lineare Verarbeitungswege können aus zwei oder mehreren im Wesentlichen geraden Segmenten bestehen, die nicht unbedingt parallel zueinander sind.An optimal behavior for the exemplary system is in 2A shown: The polarization orientation 204 of the machining beam remains over the entire processing path 102 parallel to the processing direction. Another optimal behavior for the exemplary system is in 2 B shown: The polarization state 210 of the processing beam changes from linear polarization to elliptical polarization to circular polarization as the thickness of the material increases 100 , In yet another embodiment, which is in 2C is shown, the polarization state changes 210 of the processing beam from linear polarization to radial polarization along the processing path 102 , While the processing paths in the 2 B and 2C In embodiments of the invention, processing paths may include one or more direction changes, as in FIG 2 B shown. In general, processing paths may be curved or linear, and "linear" processing paths may have one or more directional changes, ie, linear processing paths may consist of two or more substantially straight segments that are not necessarily parallel to each other.

Ein repräsentatives System zur Durchführung von Polarisationsschwankungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in den 3A-3C dargestellt. In Bezug auf 3A beinhaltet das System 300 einen Laser (oder einen anderen Strahlenemitter, wie beispielsweise eine polarisierte Faser) 305 und eine Steuerung 310. Die Steuerung 310 steuert den Betrieb des Lasers 305 (d. h. sie aktiviert den Laser 305 und steuert die Strahlparameter, wie z. B. die Intensität, entsprechend während der Bearbeitung). Die Steuerung betreibt auch ein konventionelles Positionierungssystem 315 und einen Polarisationscontroller 320. Das Positionierungssystem 315 kann jedes steuerbare optische, mechanische oder optisch-mechanische System sein, um den Strahl durch einen Bearbeitungsweg entlang eines zwei- oder dreidimensionalen Werkstücks zu leiten. Während der Bearbeitung kann die Steuerung 310 das Positionierungssystem 315 und den Laser 305 so betreiben, dass der Laserstrahl einen Bearbeitungsweg entlang des Werkstücks durchläuft. Der Verarbeitungsweg kann von einem Benutzer bereitgestellt und in einem internen oder externen Speicher 325 gespeichert werden, der auch Parameter in Bezug auf die Art der Verarbeitung (Schneiden, Schweißen usw.) und die für die Durchführung dieser Verarbeitung erforderlichen Strahlparameter speichern kann. In diesem Zusammenhang kann eine lokale oder entfernte Datenbank 330 eine Bibliothek von Materialien und Dicken führen, die das System 300 verarbeiten wird, und nach Auswahl der Materialparameter (Materialart, Dicke usw.) fragt die Steuerung 310 die Datenbank 330 ab, um die entsprechenden Parameterwerte zu erhalten. Die gespeicherten Werte können eine für das Material geeignete Polarisationsorientierung und/oder einen geeigneten Zustand beinhalten.A representative system for performing polarization variations according to the embodiments of the present invention is disclosed in U.S.P. 3A-3C shown. In relation to 3A includes the system 300 a laser (or other beam emitter, such as a polarized fiber) 305 and a controller 310 , The control 310 controls the operation of the laser 305 (ie it activates the laser 305 and controls the beam parameters, such. As the intensity, accordingly during processing). The controller also operates a conventional positioning system 315 and a polarization controller 320 , The positioning system 315 may be any controllable optical, mechanical or optical-mechanical system for guiding the beam through a machining path along a two- or three-dimensional workpiece. While editing, the controller can 310 the positioning system 315 and the laser 305 operate so that the laser beam passes through a machining path along the workpiece. The processing path may be provided by a user and in an internal or external memory 325 which can also store parameters related to the type of processing (cutting, welding, etc.) and the beam parameters required to perform this processing. In this regard, a local or remote database 330 a library of materials and thicknesses that guide the system 300 process, and after selecting the material parameters (type of material, thickness, etc.) the controller asks 310 database 330 to obtain the corresponding parameter values. The stored values may include a polarization orientation suitable for the material and / or a suitable state.

Wie in der Plot- und Abtasttechnik gut verstanden, kann die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück durch optische Ablenkung des Strahls mittels eines beweglichen Spiegels, physikalische Bewegung des Lasers mittels eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder eine mechanische Anordnung zum Bewegen des Werkstücks anstelle (oder zusätzlich zum Strahl) erzeugt werden. Die Steuerung 310 kann in einigen Ausführungsformen Rückmeldungen über die Position und/oder Bearbeitungseffizienz des Strahls in Bezug auf das Werkstück von einer Rückmeldeeinheit 335 empfangen, die an geeignete Überwachungssensoren angeschlossen wird. Als Reaktion auf Signale von der Rückmeldeeinheit 335 ändert die Steuerung 310 den Weg, die Zusammensetzung und/oder die Polarisation des Strahls.As well understood in the plot and scanning technique, the required relative movement between the beam and the workpiece may be by optical deflection of the beam by means of a movable mirror, physical movement of the laser by means of a gantry, a lead screw or other arrangement and / or a mechanical arrangement to move the workpiece instead of (or in addition to the beam). The control 310 In some embodiments, feedback may be provided on the position and / or processing efficiency of the beam with respect to the workpiece from a feedback unit 335 received, which is connected to suitable monitoring sensors. In response to signals from the feedback unit 335 changes the control 310 the path, the composition and / or the polarization of the beam.

In einer Ausführungsform, die in den 3B und 3C dargestellt ist, wird die Polarisationsanpassung innerhalb einer Laserkopfkomponente 350 durchgeführt, die normalerweise der letzte opto-mechanische Abschnitt eines Lasersystems ist, das einen Strahl aussendet, der in der Fertigung verwendet wird. Der Laserkopf 350 beinhaltet eine Kollimationslinse 355, eine einstellbare/rotierende Wellenplatte 360 und eine Fokussierlinse 365, um den Strahl 370 auf die Oberfläche des Werkstücks zu richten. Die Wellenplatte 360 kann eine Viertelwellenplatte, eine Halbwellenplatte oder eine andere Wellenplatte zum Drehen der Polarisation des Strahls 370 sein. In Bezug auf die 3A-3C dreht eine herkömmliche elektromechanische Drehvorrichtung 375 die Wellenplatte 360 unter der Steuerung der Steuerung 310, während sich der Strahl durch den Bearbeitungsweg 102 bewegt, wodurch eine gleichmäßige Polarisationsrichtung des Strahls 370 gegenüber dem Weg 102 erzwungen wird. In anderen Konfigurationen können Mehrfachwellenplatten verwendet und separat durch einzelne Drehvorrichtungen 375 gedreht werden. Die Verwendung von Mehrfachwellenplatten kann die Reaktionszeit verbessern. Die Polarisation des Strahls 370 wird bei einer ersten Ausrichtung 380a vor der Begegnung mit der Wellenplatte 360 und bei einer zweiten Ausrichtung 380b nach dem Durchlaufen der Wellenplatte 360 dargestellt.In an embodiment incorporated in the 3B and 3C is shown, the polarization adjustment within a laser head component 350 which is usually the last opto-mechanical section of a laser system emitting a beam used in manufacturing. The laser head 350 includes a collimating lens 355 , an adjustable / rotating wave plate 360 and a focusing lens 365 to the beam 370 to be directed to the surface of the workpiece. The wave plate 360 can be a quarter-wave plate, a half-wave plate or another wave plate for rotating the polarization of the beam 370 be. Regarding the 3A-3C turns a conventional electromechanical turning device 375 the wave plate 360 under the control of the controller 310 as the beam passes through the machining path 102 moves, creating a uniform polarization direction of the beam 370 opposite the way 102 is enforced. In other configurations, multiple wave plates can be used and separated by individual rotating devices 375 to be turned around. The use of multiple wave plates can improve the reaction time. The polarization of the beam 370 will be at a first orientation 380a before the encounter with the wave plate 360 and at a second orientation 380b after passing through the wave plate 360 shown.

In einer Ausführungsform, die in den 3D und 3E dargestellt ist, wird die Polarisationsanpassung auch innerhalb einer Laserkopfkomponente 350 durchgeführt. Der Laserkopf 350 beinhaltet die Kollimationslinse 355 und die Fokussierlinse 365, um den Strahl 370 auf die Werkstückoberfläche zu richten, genau wie der in 3B dargestellte Laserkopf 350. In der Ausführungsform von 3D beinhaltet der Laserkopf 350 einen Babinet-Soleil-Kompensator 385 zwischen der Kollimatorlinse 355 und der Fokussierlinse 365. Wie in der Technik bekannt, ist der Babinet-Soleil-Kompensator 385 ein stufenlos regelbarer optischer Retarder, der in der Lage ist, die Polarisation des durch ihn wandernden Lichts von linear auf zirkulär und jeden beliebigen elliptischen Polarisationszustand dazwischen zu ändern. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet, besteht der Babinet-Soleil-Kompensator 385 im Wesentlichen aus oder besteht aus einer Kompensatorplatte 386, einem festen doppelbrechenden Keil 387 und einem beweglichen doppelbrechenden Keil 388. Die Längsachse der Kompensatorplatte 386 ist typischerweise senkrecht zu den Längsachsen der Keile 387, 388. Die Bewegung des Keils 388 in Bezug auf die Platte 386 und den Keil 377 verändert den Polarisationszustand des Trägers 370 in einen beliebigen elliptischen Zustand zwischen linear und kreisförmig. In Bezug auf die 3A, 3D und 3E verschiebt eine herkömmliche elektromechanische Verschiebevorrichtung 389 den beweglichen Keil 388 des Babinet-Soleil-Kompensators 385 unter der Steuerung der Steuerung 310, während sich der Strahl durch den Bearbeitungsweg 102 bewegt (z. B. wenn sich die Dicke des Werkstücks ändert), wodurch sich der Polarisationszustand in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks entlang des Weges 102 ändert. So kann beispielsweise die Zirkularität (d. h. der Übergang von linear zu elliptisch oder kreisförmig) des Polarisationszustandes des Strahls 370 mit zunehmender Dicke des Werkstücks erhöht werden. Die Polarisation des Strahls 370 ist in einem ersten Zustand 390a vor der Begegnung mit dem Babinet-Soleil-Kompensator 385 und in einem zweiten Zustand 390b nach dem Durchlaufen des Babinet-Soleil-Kompensators 385 dargestellt.In an embodiment incorporated in the 3D and 3E is shown, the polarization adjustment also within a laser head component 350 carried out. The laser head 350 includes the collimation lens 355 and the focusing lens 365 to the beam 370 on the workpiece surface, just like the in 3B illustrated laser head 350 , In the embodiment of 3D includes the laser head 350 a babinet soleole compensator 385 between the collimator lens 355 and the focusing lens 365 , As known in the art, the Babinet Soleil Compensator 385 a continuously variable optical retarder capable of changing the polarization of the light traveling through it from linear to circular and any elliptical polarization state therebetween. Included in various embodiments is the Babinet Soleil Compensator 385 essentially consists of or consists of a Kompensatorplatte 386 , a solid birefringent wedge 387 and a movable birefringent wedge 388 , The longitudinal axis of the compensator plate 386 is typically perpendicular to the longitudinal axes of the wedges 387 . 388 , The movement of the wedge 388 in terms of the plate 386 and the wedge 377 changes the polarization state of the carrier 370 in any elliptical state between linear and circular. Regarding the 3A . 3D and 3E displaces a conventional electromechanical displacement device 389 the movable wedge 388 the Babinet Soleil Compensator 385 under the control of the controller 310 as the beam passes through the machining path 102 moved (for example, when the thickness of the workpiece changes), whereby the state of polarization depending on the thickness of the workpiece along the way 102 changes. For example, the circularity (ie the transition from linear to elliptical or circular) of the polarization state of the beam 370 be increased with increasing thickness of the workpiece. The polarization of the beam 370 is in a first state 390a before the encounter with the Babinet Soleil Compensator 385 and in a second state 390b after passing through the Babinet Soleil Compensator 385 shown.

In einer weiteren Ausführungsform, die in den 3F und 3G dargestellt ist, wird die Polarisationsanpassung ebenfalls innerhalb einer Laserkopfkomponente 350 durchgeführt. Der Laserkopf 350 beinhaltet die Kollimationslinse 355 und die Fokussierlinse 365, um den Strahl 370 auf die Werkstückoberfläche zu richten, genau wie der in den 3B und 3D dargestellte Laserkopf 350. In der Ausführungsform von 3F beinhaltet der Laserkopf 350 einen radialen Polarisationswandler 391 zwischen der Kollimatorlinse 355 und der Fokussierlinse 365. Wie in der Technik bekannt, kann ein radialer Polarisationswandler 391 eine Glaswellenplatte beinhalten, im Wesentlichen aus ihr bestehen oder aus ihr bestehen, die lineare Polarisation in radiale Polarisation oder azimutale Polarisation umwandelt. So kann beispielsweise der Radialpolarisationswandler 391 eine Halbwellenplatte mit einer kontinuierlich variierenden langsamen Achsrichtung oder eine Raumvariante einer Viertelwellenplatte mit Radialsymmetrie sein. Der Radialpolarisationswandler 391 kann eine Glasplatte mit einem nanostrukturierten Gitter beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen, z. B. den S-Wellenplatten-Radialpolarisationswandler von UAB Altechna aus Vilnius, Litauen, oder einen der Radialpolarisationswandler von Edmund Optics Inc. aus Barrington, New Jersey, USA. In anderen Ausführungsformen kann der radiale Polarisationswandler 391 einen Flüssigkristall beinhalten, im Wesentlichen aus diesem bestehen oder aus diesem bestehen, in dem die Flüssigkristallmoleküle speziell ausgerichtet sind, um die gewünschte radiale oder azimutale Polarisation zu erzeugen, z. B. den von Arcopix, Neuenburg, Schweiz, erhältlichen radialen Polarisationswandler Arcopix. In a further embodiment, which in the 3F and 3G is shown, the polarization adjustment is also within a laser head component 350 carried out. The laser head 350 includes the collimation lens 355 and the focusing lens 365 to the beam 370 on the workpiece surface, just like in the 3B and 3D illustrated laser head 350 , In the embodiment of 3F includes the laser head 350 a radial polarization converter 391 between the collimator lens 355 and the focusing lens 365 , As known in the art, a radial polarization converter 391 include, consist essentially of, or consist of, a glass wave plate that converts linear polarization into radial polarization or azimuthal polarization. For example, the radial polarization converter 391 be a half-wave plate with a continuously varying slow axis direction or a space variant of a quarter-wave plate with radial symmetry. The radial polarization converter 391 may include, substantially consist of or consist of a glass plate with a nanostructured grid, e.g. For example, the S-waveplate radial polarization converter of UAB Altechna of Vilnius, Lithuania, or one of the radial polarization transducers of Edmund Optics Inc. of Barrington, New Jersey, USA. In other embodiments, the radial polarization converter 391 include, consist essentially of, or consist of a liquid crystal in which the liquid crystal molecules are specifically aligned to produce the desired radial or azimuthal polarization, e.g. For example, the Arcopix radial polarization converter available from Arcopix, Neuchâtel, Switzerland.

Die Bewegung des Radialpolarisationswandlers 391 innerhalb des Strahlenganges 370 verändert den Polarisationszustand des Strahls 370 von linear nach radial oder azimutal oder umgekehrt. In verschiedenen Ausführungsformen ist der radial polarisierte Strahl 370 auf eine kleinere Punktgröße fokussierbar als der Strahl 370 mit einer linearen Polarisation. Unter Bezugnahme auf die 3A, 3F und 3G verlagert eine herkömmliche elektromechanische Verlagerungsvorrichtung 389 den radialen Polarisationswandler 391 unter der Steuerung der Steuerung 310, während sich der Strahl durch den Verarbeitungsweg 102 bewegt und dadurch den Polarisationszustand entlang des Weges 102 ändert. Die Polarisation des Strahls 370 wird in einem ersten Zustand 392a vor dem Auftreffen auf den radialen Polarisationswandler 391 (d. h. lineare Polarisation) und in einem zweiten Zustand 392b nach dem Durchgang durch den radialen Polarisationswandler 391 (d. h. radiale Polarisation) dargestellt.The movement of the radial polarization converter 391 within the beam path 370 changes the polarization state of the beam 370 from linear to radial or azimuthal or vice versa. In various embodiments, the radially polarized beam is 370 focusable to a smaller spot size than the beam 370 with a linear polarization. With reference to the 3A . 3F and 3G displaces a conventional electromechanical displacement device 389 the radial polarization converter 391 under the control of the controller 310 while the beam passes through the processing path 102 moves and thereby the polarization state along the way 102 changes. The polarization of the beam 370 will be in a first state 392a before hitting the radial polarization converter 391 (ie linear polarization) and in a second state 392b after passing through the radial polarization converter 391 (ie radial polarization) shown.

4A veranschaulicht ein repräsentatives Verfahren 400 zum Betreiben des Systems 300 zur Durchführung eines Schneidvorgangs. In einem ersten Schritt 410 programmiert der Anwender den gewünschten Weg in das System 300 mit einer geeigneten Eingabevorrichtung oder per Dateiübertragung vor. In Schritt 420 analysiert die Steuerung 310 die Kurven, Merkmale (z. B. Dicke) und Schneidrichtung des Weges, fragt bei Bedarf die Datenbank 330 ab, bestimmt, wie schnell der Schnitt durchgeführt werden kann, und bestimmt die optimale Polarisationsrichtung und/oder den optimalen Zustand des Laserstrahls in Bezug auf die Schneidrichtung. Im Betrieb, wie bei Schritt 430 angegeben, steuert die Steuerung 330 den Laser 305 und die Subsysteme 315, 320, um entlang des vorprogrammierten Weges zu schneiden und die richtige Polarisation aufrechtzuerhalten. Wenn sich die Zusammensetzung und/oder Dicke des zu bearbeitenden Materials ändert, können Ort und Art der Änderung programmiert werden, und die Steuerung 310 kann die Laserstrahlparameter (einschließlich Polarisation und/oder Strahlform) entsprechend anpassen. Es ist zu beachten, dass die optimale Schneide-, Schweiß- oder Fertigungslösung nicht unbedingt der sauberste Schnitt oder die sauberste Schweißnaht ist, da zusätzliche Prozessschritte (z. B. Entgraten, Schleifen und/oder Polieren) erforderlich sein können. Somit kann die Gesamtoptimierung auf der Grundlage der gewünschten Leistung erfolgen, und die vorliegenden Methoden und Systeme sind so konfiguriert, dass sie die gewünschten Ergebnisse liefern, egal wie sie aussehen. Wie bereits erwähnt, ist das Schneiden nur ein Beispiel für die Laserbearbeitung, das vom Ansatz der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung profitieren kann. 4A illustrates a representative process 400 to operate the system 300 for performing a cutting operation. In a first step 410 the user programs the desired path into the system 300 with a suitable input device or via file transfer. In step 420 analyzes the controller 310 the curves, features (eg, thickness) and cutting direction of the path, query the database as needed 330 determines how fast the cut can be made, and determines the optimum polarization direction and / or state of the laser beam with respect to the cutting direction. In operation, as in step 430 specified controls the controller 330 the laser 305 and the subsystems 315 . 320 to cut along the preprogrammed path and maintain proper polarization. If the composition and / or thickness of the material being processed changes, the location and type of change can be programmed and the controller 310 can adjust the laser beam parameters (including polarization and / or beam shape) accordingly. It should be noted that the optimal cutting, welding or manufacturing solution is not necessarily the cleanest cut or weld, as additional process steps (eg deburring, grinding and / or polishing) may be required. Thus, the overall optimization can be based on the desired performance, and the present methods and systems are configured to deliver the desired results, no matter what they look like. As already mentioned, cutting is just one example of laser processing that can benefit from the approach of embodiments of the present invention.

Die Steuerung 310 kann entweder als Software, Hardware oder als eine Kombination davon bereitgestellt werden. Das System kann beispielsweise auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Serverklasse implementiert werden, wie beispielsweise einem PC mit einer CPU-Platine, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie die Prozessorfamilie Pentium oder Celeron, die von der Intel Corporation aus Santa Clara, Kalifornien, hergestellt wird, die Prozessorfamilie 680x0 und POWER PC, die von der Motorola Corporation aus Schaumburg, Illinois, hergestellt wird, und/oder die Prozessorfamilie ATHLON, die von Advanced Micro Devices, Inc. aus Sunnyvale, Kalifornien, USA hergestellt wird. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Verfahren beinhalten. Der Speicher kann Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM) und/oder FLASH-Speicher beinhalten, die sich auf allgemein verfügbarer Hardware befinden, wie beispielsweise eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher (EEPROM), programmierbare Nur-Lese-Speicher (PROM), programmierbare Logikvorrichtungen (PLD) oder Nur-Lese-Speicher-Vorrichtungen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme mit externem RAM und/oder ROM bereitgestellt werden, wie beispielsweise optische Platten, Magnetplatten sowie andere häufig verwendete Speichervorrichtungen. Für Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer beliebigen Anzahl von Hochsprachen wie FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML geschrieben werden. Darüber hinaus kann die Software in einer Assemblersprache implementiert werden, die auf den Mikroprozessor gerichtet ist, der sich auf einem Zielcomputer befindet; beispielsweise kann die Software in der Assemblersprache Intel 80×86 implementiert werden, wenn sie für den Betrieb auf einem IBM-PC oder PC-Klon konfiguriert ist. Die Software kann auf einem Herstellungsartikel verkörpert sein, der unter anderem eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM beinhaltet.The control 310 can be provided either as software, hardware or as a combination thereof. For example, the system may be implemented on one or more conventional server-class computers, such as a PC with a CPU board containing one or more processors, such as the Pentium or Celeron processor family manufactured by Intel Corporation of Santa Clara, California. The 680x0 and POWER PC family of processors manufactured by Motorola Corporation of Schaumburg, Illinois, and / or the ATHLON processor family manufactured by Advanced Micro Devices, Inc. of Sunnyvale, California, USA. The processor may also include a main memory unit for storing programs and / or data associated with the methods described above. The memory may include Random Access Memory (RAM), Read Only Memory (ROM) and / or Flash memory located on commonly available hardware, such as one or more Application Specific Integrated Circuits (ASIC), Field Programmable Gate Arrays (FPGA) ), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), programmable read only memory (PROM), programmable logic device (PLD), or read only memory device (ROM). In some embodiments, the programs may be provided with external RAM and / or ROM, such as optical disks, magnetic disks, and other commonly used memory devices. For embodiments in which the functions are provided as one or more software programs, the programs may be written in any number of high level languages such as FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C ++, C #, BASIC, various scripting languages, and / or HTML. In addition, the software may be implemented in assembly language directed to the microprocessor located on a target computer; For example, the software can be implemented in the Intel 80 × 86 assembly language if it is configured to operate on an IBM PC or PC clone. The software may be embodied on an article of manufacture that includes, but is not limited to, a floppy disk, a jump drive, a hard disk, an optical disk, a magnetic tape, a PROM, an EPROM, an EEPROM, a field programmable gate array, or a CD-ROM.

Obwohl die hierin beschriebenen Verfahren zur Verbesserung der Verarbeitung für linear polarisierte Strahlen (geliefert über einen Freiraumlaser oder eine polarisationserhaltende Faser) gut funktionieren, arbeiten die Verfahren auch mit elliptisch polarisierten Strahlen (dominiert von einer Polarisation). So wäre beispielsweise ein Strahl aus einer Standard-Multimode-Faser wahrscheinlich elliptisch polarisiert und könnte von den hier beschriebenen Ansätzen profitieren.Although the methods described herein improve processing for linearly polarized beams (delivered over a free-space laser or polarization-maintaining fiber), the methods also work with elliptically polarized beams (dominated by one polarization). For example, a standard multimode fiber beam would probably be elliptically polarized and could benefit from the approaches described herein.

Ausführungsformen der Erfindung können vorteilhaft für ein effizienteres Schneiden verschiedener Materialien, z. B. metallischer Werkstoffe, eingesetzt werden. 4B ist ein Diagramm der erreichbaren Schnittgeschwindigkeit als Funktion der Werkstückdicke für ein Werkstück aus Edelstahl 304 unter einem Stickstoffgasstrom. Für das Schneiden wurden vier verschiedene Lasersysteme eingesetzt. Zunächst wurde ein Lasersystem gemäß den Ausführungsformen der Erfindung, das mit 1 kW Leistung arbeitet und eine 58 µm polarisationserhaltende optische Ausgangsfaser verwendet, um einen linear polarisierten Laserausgangsstrahl zu erzeugen, verwendet, um das Werkstück in Richtungen parallel und senkrecht zur Polarisationsrichtung zu schneiden. Die Trendlinie 440 zeigt die erreichbare Schnittgeschwindigkeit für den parallel zur Schnittrichtung polarisierten Strahl und die Trendlinie 445 die erreichbare Schnittgeschwindigkeit für den senkrecht zur Schnittrichtung polarisierten Strahl. Wie dargestellt, ist der parallel polarisierte Strahl in der Lage, Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen, die deutlich höher sind als der senkrecht polarisierte Strahl, insbesondere bei dünneren Werkstücken. Die Trendlinien 450 und 455 stellen die Daten für zwei verschiedene kommerziell erhältliche 1kW-Lasersysteme mit unpolarisierten Ausgangsstrahlen dar (d. h. unter Verwendung von Ausgangs-Lichtwellenleiter, die keine polarisationserhaltenden Fasern sind). Wie dargestellt, ist der unpolarisierte Strahl in der Lage, schneller zu schneiden als der senkrecht polarisierte Strahl der Trendlinie 445, ist aber langsamer als der parallel polarisierte Strahl der Trendlinie 440. Die Trendlinie 460 zeigt Daten für einen 2kW-Laser mit einer 100 µm Ausgangsfaser, der aber auch einen unpolarisierten Strahl erzeugt. Wie zu erwarten, ist dieses leistungsfähigere Lasersystem in der Lage, schnellere Schnittgeschwindigkeiten als die Lasersysteme mit geringerer Leistung zu erreichen, obwohl dieser Vorteil bei dünneren Werkstücken abnimmt und sogar verschwindet, die der parallel polarisierte Strahl der Trendlinie 440 bei höherer Geschwindigkeit schneidet, obwohl er mit geringerer Leistung und mit einer kleineren Ausgangsfaser arbeitet.Embodiments of the invention may be advantageous for more efficient cutting of various materials, e.g. As metallic materials used. 4B is a graph of achievable cutting speed as a function of workpiece thickness for a stainless steel workpiece 304 under a nitrogen gas stream. Four different laser systems were used for cutting. First, a laser system according to the embodiments of the invention which operates at 1 kW power and uses a 58 μm polarization-maintaining output optical fiber to produce a linearly polarized laser output beam was used to cut the workpiece in directions parallel and perpendicular to the polarization direction. The trend line 440 shows the achievable cutting speed for the parallel to Cutting direction polarized beam and the trend line 445 The achievable cutting speed for the beam polarized perpendicular to the cutting direction. As shown, the parallel polarized beam is capable of achieving cutting speeds significantly higher than the perpendicular polarized beam, especially for thinner workpieces. The trend lines 450 and 455 represent the data for two different commercially available 1kW laser systems with unpolarized output beams (ie, using output optical fibers that are not polarization-maintaining fibers). As shown, the unpolarized beam is able to cut faster than the perpendicularly polarized beam of the trend line 445 , but slower than the parallel polarized ray of the trend line 440 , The trend line 460 shows data for a 2kW laser with a 100μm output fiber, but also produces an unpolarized beam. As expected, this more powerful laser system is able to achieve faster cutting speeds than the lower power laser systems, although this advantage decreases and even disappears on thinner workpieces than the parallel polarized beam of the trend line 440 at higher speed, although it operates at lower power and with a smaller output fiber.

4C ist ein Diagramm der erreichbaren Schnittgeschwindigkeit als Funktion der Werkstückdicke für ein Werkstück aus 3003 Aluminium unter einem Stickstoffgasstrom. Die verwendeten Lasersysteme sind die gleichen wie die oben für 4B beschriebenen. Wie dargestellt, weist der parallele polarisierte Strahl der Trendlinie 440 die beste Schnittleistung auf, und die Leistung des parallelen polarisierten Strahls ist sogar besser als die des 2 kW, 100 µm unpolarisierten Strahls der Trendlinie 460, insbesondere bei dünneren Werkstückdicken. Wie in 4B stellt der senkrecht polarisierte Strahl der Trendlinie 445 die schlechteste Leistung dar und betont einen vorteilhaften Effekt von Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Polarisationsrichtung parallel zur Schneidrichtung beibehalten wird. 4C FIG. 12 is a graph of achievable cutting speed as a function of workpiece thickness for a 3003 aluminum workpiece under a nitrogen gas flow. FIG. The laser systems used are the same as the ones above 4B described. As shown, the parallel polarized beam is the trend line 440 the best cutting performance, and the power of the parallel polarized beam is even better than the 2 kW, 100 μm unpolarized beam of the trend line 460 , especially with thinner workpiece thicknesses. As in 4B represents the perpendicularly polarized ray of the trend line 445 the worst performance and emphasizes a beneficial effect of embodiments of the invention, in which the polarization direction is maintained parallel to the cutting direction.

4D ist ein Diagramm der erreichbaren Schnittgeschwindigkeit als Funktion der Werkstückdicke für ein Werkstück aus Messing unter einem Stickstoffgasstrom. Die verwendeten Lasersysteme sind die gleichen wie die oben für 4B beschriebenen. Wie dargestellt, zeigt der parallel polarisierte Strahl der Trendlinie 440 eine schnelle Schnittleistung, insbesondere bei dünneren Werkstückdicken. Der parallele polarisierte Strahl, der durch die Trendlinie 440 repräsentiert wird, weist ebenfalls eine wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeit auf als der vergleichbare 1 kW unpolarisierte Strahl, der durch die Trendlinie 450 repräsentiert wird. Wie in den 4B und 4C stellt der senkrecht polarisierte Strahl der Trendlinie 445 die schlechteste Leistung dar und war tatsächlich nicht in der Lage, nennenswerte Schnittgeschwindigkeiten für das Werkstück mit einer Dicke von 3 mm zu erreichen. 4D Figure 11 is a graph of the achievable cutting speed as a function of workpiece thickness for a brass workpiece under a nitrogen gas flow. The laser systems used are the same as the ones above 4B described. As shown, the parallel polarized beam shows the trend line 440 a fast cutting performance, especially with thinner workpiece thicknesses. The parallel polarized beam passing through the trend line 440 also has a much higher cutting speed than the comparable 1 kW unpolarized beam passing through the trend line 450 is represented. As in the 4B and 4C represents the perpendicularly polarized ray of the trend line 445 the worst performance and was actually unable to achieve significant cutting speeds for the workpiece with a thickness of 3 mm.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombinieren oder ersetzen Polarisationsanpassungen eines Strahls als Reaktion auf das Werkstückmaterial und/oder die physikalischen Eigenschaften mit Techniken zur Strahlformung und/oder Anpassung des BPP des Strahls. 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Laserstrahlabgabesystems 500 mit strahlmanipulierenden optischen Elementen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Laserstrahlabgabesystem 500 beispielsweise innerhalb eines laserbasierten Schneidkopfes oder Schweißkopfes (z. B. Schneidkopf 350) angeordnet und mit verschiedenen Komponenten darin kombiniert werden (z. B. optische Elemente, Steuerungen usw.), um die Polarisation des Ausgangsstrahls einzustellen. Das Strahlabgabesystem 500 kann eine Strahlabgabefaser aufweisen, die in einer Faserendkappe 505 endet, die mit den verbleibenden Abschnitten des Lasererzeugungssystems verbunden ist (z. B. ein WBC-Lasersystem, das in 5 nicht dargestellt ist), eine Kollimationslinse 510, eine Fokussierlinse 515 und ein optisches Element 520, das zwischen der Endkappe 505 und der Kollimationslinse 510 positioniert ist. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung mit kombinierter Funktionalität zur Strahlformung und Polarisationsanpassung können Elemente wie Kollimatorlinse 510 und Fokussierlinse 515 zwischen diesen Funktionalitäten geteilt werden, d. h. das Laserstrahlabgabesystem in verschiedenen Ausführungsformen kann verschiedene optische Elemente aufweisen, die sowohl die Strahlformung als auch die Polarisationsanpassung erleichtern. In verschiedenen Ausführungsformen ist das optische Element 520 nahe der Faserendkappe 505 angeordnet, um die Größe des auf das optische Element 520 auftreffenden Strahls zu minimieren. Die Brechung eines kleineren Strahls kann mit Optiken mit kleineren geometrischen Abmessungen der Optik durchgeführt werden und kann das Ausgangsprofil mit größerer Empfindlichkeit variieren. 5 zeigt auch ein optionales zweites optisches Element 525, das zwischen der Fokussierlinse 515 und einem Werkstück 530 angeordnet ist. Das Werkstück 530 kann beispielsweise einen oder mehrere Teile (z. B. Metallteile) beinhalten oder im Wesentlichen aus diesen bestehen, die durch den durch die Fokussierlinse 515 fokussierten Strahl geschweißt, gebohrt und/oder geschnitten werden. In verschiedenen Ausführungsformen ist das erste optische Element 520 zwischen der Fokussierlinse 515 und dem Werkstück 530 angeordnet und das zweite optische Element 525 entfällt. Die optischen Elemente 520, 525 können jeweils beispielsweise eine Phasenplatte beinhalten oder im Wesentlichen aus diesen bestehen.Embodiments of the present invention combine or replace polarization adjustments of a beam in response to the workpiece material and / or the physical properties with techniques for beam shaping and / or adjustment of the BPP of the beam. 5 shows a schematic diagram of a laser beam delivery system 500 with beam manipulating optical elements according to embodiments of the present invention. In various embodiments, the laser beam delivery system 500 for example within a laser-based cutting head or welding head (eg cutting head 350 ) and combined with various components therein (eg, optical elements, controls, etc.) to adjust the polarization of the output beam. The jet delivery system 500 may comprise a jet delivery fiber contained in a fiber end cap 505 ends, which is connected to the remaining portions of the laser generating system (eg, a WBC laser system used in 5 not shown), a collimating lens 510 , a focusing lens 515 and an optical element 520 that is between the end cap 505 and the collimation lens 510 is positioned. In various embodiments of the invention with combined beamforming and polarization matching functionality, elements such as collimator lenses 510 and focusing lens 515 between these functionalities, that is, the laser beam delivery system in various embodiments may include various optical elements that facilitate both beamforming and polarization matching. In various embodiments, the optical element is 520 near the fiber end cap 505 arranged to the size of the optical element 520 minimize incident beam. The refraction of a smaller beam can be performed with optics having smaller geometrical dimensions of the optic and can vary the output profile with greater sensitivity. 5 also shows an optional second optical element 525 that is between the focusing lens 515 and a workpiece 530 is arranged. The workpiece 530 For example, it may include or consist essentially of one or more parts (eg, metal parts) through the one through the focusing lens 515 focused beam can be welded, drilled and / or cut. In various embodiments, the first optical element is 520 between the focusing lens 515 and the workpiece 530 arranged and the second optical element 525 eliminated. The optical elements 520 . 525 For example, each may include or substantially consist of a phase plate.

Die Positionen des ersten optischen Elements 520 und/oder des zweiten optischen Elements 525 können innerhalb des Strahlprofils durch Verwendung eines Linsenmanipulationssystems verlagert werden, das beispielsweise eine oder mehrere mechanisierte oder motorisierte DeepL-Verlagerungen 535 beinhalten oder im Wesentlichen aus diesen bestehen kann, die sich entlang von zwei oder drei Achsen bewegen können. Das Linsenbearbeitungssystem kann auf eine Steuerung 540 reagieren. Die Steuerung 540 kann auf eine gewünschte Soll-Strahlungsverteilung und/oder BPP oder ein anderes Maß für die Strahlqualität ansprechen (z. B. Eingabe durch einen Benutzer und/oder basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften eines zu bearbeitenden Werkstücks, wie dem Abstand zum Werkstück, der Zusammensetzung des Werkstücks, der Topographie des Werkstücks, der Dicke des Werkstücks usw.) und konfiguriert sein, das optische Element 520 und/oder das optische Element 525 so zu positionieren, dass der manipulierte Strahl 545 das Werkstück 530 mit der Soll-Strahlungsverteilung oder Strahlqualität trifft. Die Steuerung 540 kann programmiert werden, um die gewünschte Leistungsverteilung und/oder Ausgangs-BPP und/oder Strahlqualität über eine bestimmte Positionierung des optischen Elements zu erreichen, wie hier beschrieben. Die Steuerung 540 kann entweder als Software, Hardware oder eine Kombination davon bereitgestellt werden. Das System kann beispielsweise auf einem oder mehreren herkömmlichen Computern der Serverklasse implementiert werden, wie beispielsweise einem PC mit einer CPU-Karte, die einen oder mehrere Prozessoren enthält, wie die Prozessorfamilie Pentium oder Celeron, die von der Intel Corporation aus Santa Clara, Kalifornien, hergestellt wird, die Prozessorfamilie 680×0 und POWER PC, die von der Motorola Corporation aus Schaumburg, Illinois, hergestellt wird, und/oder die Prozessorfamilie ATHLON, die von Advanced Micro Devices, Inc. aus Sunnyvale, Kalifornien, hergestellt wird. Der Prozessor kann auch eine Hauptspeichereinheit zum Speichern von Programmen und/oder Daten im Zusammenhang mit den hierin beschriebenen Verfahren beinhalten. Der Speicher kann Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM) und/oder FLASH-Speicher beinhalten, die sich auf allgemein verfügbarer Hardware befinden, wie beispielsweise eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA), elektrisch löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher (EEPROM), programmierbare Nur-Lese-Speicher (PROM), programmierbare Logikvorrichtungen (PLD) oder Nur-Lese-Speicher-Vorrichtungen (ROM). In einigen Ausführungsformen können die Programme mit externem RAM und/oder ROM bereitgestellt werden, wie beispielsweise optische Platten, Magnetplatten sowie andere häufig verwendete Speichervorrichtungen. Für Ausführungsformen, in denen die Funktionen als ein oder mehrere Softwareprogramme bereitgestellt werden, können die Programme in einer beliebigen Anzahl von Hochsprachen wie FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C++, C#, BASIC, verschiedenen Skriptsprachen und/oder HTML geschrieben werden. Darüber hinaus kann die Software in einer Assemblersprache implementiert werden, die auf den Mikroprozessor gerichtet ist, der sich auf einem Zielcomputer befindet; beispielsweise kann die Software in der Assemblersprache Intel 80×86 implementiert werden, wenn sie für den Betrieb auf einem IBM-PC oder PC-Klon konfiguriert ist. Die Software kann auf einem Herstellungsartikel verkörpert sein, der unter anderem eine Diskette, ein Sprunglaufwerk, eine Festplatte, eine optische Platte, ein Magnetband, ein PROM, ein EPROM, ein EEPROM, ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine CD-ROM beinhaltet. The positions of the first optical element 520 and / or the second optical element 525 may be displaced within the beam profile by use of a lens manipulation system which may, for example, include or consist essentially of one or more mechanized or motorized DeepL displacements 535 that may move along two or three axes. The lens processing system may be based on a controller 540 react. The control 540 may be responsive to a desired target radiation distribution and / or BPP or other measure of beam quality (eg, input by a user and / or based on one or more properties of a workpiece to be machined, such as the distance to the workpiece, composition of the workpiece, the topography of the workpiece, the thickness of the workpiece, etc.) and be configured to the optical element 520 and / or the optical element 525 position so that the manipulated beam 545 the workpiece 530 with the desired radiation distribution or beam quality. The control 540 can be programmed to achieve the desired power distribution and / or output BPP and / or beam quality via a particular optical element positioning as described herein. The control 540 can be provided either as software, hardware or a combination thereof. For example, the system may be implemented on one or more conventional server-class computers, such as a personal computer with a CPU card containing one or more processors, such as the Pentium or Celeron processor family manufactured by Intel Corporation of Santa Clara, California. manufactured 680 × 0 processor family and POWER PC, which is manufactured by the Motorola Corporation of Schaumburg, Illinois, and / or the processor family ATHLON, which is manufactured by Advanced Micro Devices, Inc. of Sunnyvale, California. The processor may also include a main memory unit for storing programs and / or data associated with the methods described herein. The memory may include Random Access Memory (RAM), Read Only Memory (ROM) and / or Flash memory located on commonly available hardware, such as one or more Application Specific Integrated Circuits (ASIC), Field Programmable Gate Arrays (FPGA) ), electrically erasable programmable read only memory (EEPROM), programmable read only memory (PROM), programmable logic device (PLD), or read only memory device (ROM). In some embodiments, the programs may be provided with external RAM and / or ROM, such as optical disks, magnetic disks, and other commonly used memory devices. For embodiments in which the functions are provided as one or more software programs, the programs may be written in any number of high level languages such as FORTRAN, PASCAL, JAVA, C, C ++, C #, BASIC, various scripting languages, and / or HTML. In addition, the software may be implemented in assembly language directed to the microprocessor located on a target computer; For example, the software can be implemented in the Intel 80 × 86 assembly language if it is configured to operate on an IBM PC or PC clone. The software may be embodied on an article of manufacture that includes, but is not limited to, a floppy disk, a jump drive, a hard disk, an optical disk, a magnetic tape, a PROM, an EPROM, an EEPROM, a field programmable gate array, or a CD-ROM.

6 ist ein schematisches Diagramm eines optischen Elements 600 mit der Form eines Kegelstumpfes (Flachkegelform oder konische Zylinderform) gemäß den Ausführungsformen der Erfindung. So kann beispielsweise das optische Element 600 als optisches Element 520 und/oder optisches Element 525 im Zuführsystem 500 verwendet werden. Die Parameter D, d, θ und H sind geometrische Konstruktionsparameter für den Außendurchmesser, den Innendurchmesser (der der Strahlgröße des Strahls beim Auftreffen auf das optische Element entsprechen kann), den Neigungswinkel, der die maximale Sagitta (oder „sag“ h) und die Trennung des Außenrings des Strahls von der Punktmitte des Strahls definiert, bzw. die Dicke des optischen Elements 600. Die Strahlverfolgung der geometrischen Optik kann verwendet werden, um optische Elemente in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu entwerfen, die auf der Energieeinsparung, der Konstanz der optischen Weglänge und dem Snell'schen Gesetz basieren. Das Linsendesign und seine Oberflächenprofile können beispielsweise das Strahlprofil von einem Gaußschen in einen Bessel-Laserstrahl mit einer gewünschten Intensitätsverteilung umwandeln. 6 is a schematic diagram of an optical element 600 in the form of a truncated cone (flat cone shape or conical cylindrical shape) according to the embodiments of the invention. For example, the optical element 600 as an optical element 520 and / or optical element 525 in the feeding system 500 be used. The parameters D, d, θ, and H are geometric design parameters for the outer diameter, the inner diameter (which may correspond to the beam size of the beam upon impact with the optical element), the angle of inclination, the maximum sagitta (or "sag" h), and the Defined separation of the outer ring of the beam from the point center of the beam, or the thickness of the optical element 600 , Geometric optics ray tracing may be used to design optical elements in accordance with embodiments of the present invention based on energy conservation, optical path length constancy, and Snell's law. For example, the lens design and its surface profiles may convert the beam profile from a Gaussian to a Bessel laser beam having a desired intensity distribution.

Tabelle 1 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente 600, einschließlich, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus zwei verschiedenen Materialien, Quarzglas und Zinksulfid (z. B. ZnS MultiSpectral, erhältlich bei II-VI Inc. in Saxonburg, PA, USA). Tabelle 1 Material des optischen Elements Quarzglas Zinksulfid D (mm) 25 25 d (mm) 8 8 H (mm) 2 0,85 h (µm) 50 17 Θ (mrad) 5,9 2 Table 1 contains exemplary design values for exemplary optical elements 600 , including, consisting essentially of or consisting of two different materials, quartz glass and zinc sulfide (eg ZnS MultiSpectral, available from II-VI Inc. of Saxonburg, PA, USA). Table 1 Material of the optical element quartz glass zinc sulfide D (mm) 25 25 d (mm) 8th 8th H (mm) 2 0.85 h (μm) 50 17 Θ (mrad) 5.9 2

7A und 7B sind Diagramme von BPP in unterschiedlichen Abständen von der Faserendkappe 505 zu den exemplarischen optischen Elementen 600 aus Quarzglas ( 7A) und Zinksulfid (7B) mit den in Tabelle 1 angegebenen Konstruktionsparametern. In den Plots wird die Ausgangsposition des optischen Elements 600 mit 25 mm von der Endkappe 505 angenommen. Wie dargestellt, kann in beiden Fällen das BPP des Strahls von etwa 4 auf etwa 12 durch Verschieben des optischen Elements 600 um etwa 30 mm erhöht werden. Die Steigung dieser Änderung in BPP in Abhängigkeit von der Verschiebung kann durch Änderungen in der numerischen Apertur des Faserausgangs an der Endkappe 505 verändert werden. Die Trägerprofile in einem Abstand von 50 mm zwischen dem optischen Element 600 und der Faserendkappe 505 sind ebenfalls in den 7A und 7B dargestellt. 7A and 7B are diagrams of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the exemplary optical elements 600 made of quartz glass ( 7A) and zinc sulfide ( 7B) with the design parameters given in Table 1. In the plots, the starting position of the optical element 600 with 25 mm from the end cap 505 accepted. As shown, in both cases the BPP of the beam may be from about 4 to about 12 by shifting the optical element 600 be increased by about 30 mm. The slope of this change in BPP as a function of the shift may be due to changes in the numerical aperture of the fiber exit on the end cap 505 to be changed. The carrier profiles at a distance of 50 mm between the optical element 600 and the fiber end cap 505 are also in the 7A and 7B shown.

Ein maßgeschneidertes Strahlprofil, das zwei Spitzen in einer Achse aufweist, kann erhalten werden, indem das optische Element 600 (oder andere hierin beschriebene optische Elemente) quer zur Mitte im Strahlengang positioniert wird (d. h. teilweise in den Eingangslaserstrahl eingeführt wird), wie in 8A dargestellt. Je nach Einführungsgrad kann das Strahlprofil des Ausgangslaserstrahls optimal an eine Vielzahl von Laseranwendungen angepasst werden. In den 8B-8D sind die Trägerprofile in verschiedenen exzentrischen Abständen (0 mm, 2 mm und 4 mm) für das optische Element 600 in einem Abstand von 40 mm zur Endkappe 505 dargestellt. 8E ist ein Diagramm der Bestrahlungsstärke als Funktion der Position für das in 8D dargestellte Strahlprofil, das die Zwei-Spitzen-Natur des Strahlprofils deutlich zeigt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Variation von BPP an verschiedenen exzentrischen Positionen des optischen Elements 600 etwa Null, auch wenn sich die Bestrahlungsstärke als Funktion der Position über dem Strahlprofil ändert.A tailored beam profile having two peaks in one axis can be obtained by using the optical element 600 (or other optical elements described herein) positioned transversely to the center in the beam path (ie, partially inserted into the input laser beam), as in FIG 8A shown. Depending on the degree of introduction, the beam profile of the output laser beam can be optimally adapted to a large number of laser applications. In the 8B-8D are the carrier profiles in different eccentric distances (0 mm, 2 mm and 4 mm) for the optical element 600 at a distance of 40 mm to the end cap 505 shown. 8E is a plot of irradiance as a function of position for the in 8D illustrated beam profile, which clearly shows the two-peak nature of the beam profile. In various embodiments, the variation of BPP is at various eccentric positions of the optical element 600 about zero, even if the irradiance changes as a function of position over the beam profile.

Optische Elemente gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können auch eine kugelsegmentförmige (d. h. kugelförmige mit flacher Oberseite) Konfiguration aufweisen und können auch zur Erzeugung eines Bessel-Strahlprofils verwendet werden. Die geometrische Gestaltung der optischen Elemente 900 gemäß diesen Ausführungsformen ist in 9 schematisch dargestellt. Das optische Element 900 kann als optisches Element 520 und/oder optisches Element 525 im Zuführsystem 500 verwendet werden. Die Konstruktionsparameter sind die gleichen wie vorstehend für das optische Flachkegelelement 600, mit Ausnahme des Krümmungsradius R, der auch die maximale sag (h) und den Abstand des resultierenden ringförmigen Strahlrings von der Strahlpunktmitte definiert.Optical elements according to embodiments of the invention may also have a spherical segment (ie, spherical flat top) configuration and may also be used to create a Bessel beam profile. The geometric design of the optical elements 900 according to these embodiments is in 9 shown schematically. The optical element 900 can as an optical element 520 and / or optical element 525 in the feeding system 500 be used. The design parameters are the same as above for the optical flat cone element 600 , with the exception of the radius of curvature R, which also defines the maximum sag (h) and the distance of the resulting annular beam ring from the beam spot center.

Tabelle 2 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente 900, einschließlich, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus zwei verschiedenen Materialien, Quarzglas und Zinksulfid. Tabelle 2 Material des optischen Elements Quarzglas Zinksulfid D (mm) 25 25 d (mm) 8 8 H (mm) 2 0,85 h (µm) 58 23 R (mm) 1200 3000 Table 2 contains exemplary design values for exemplary optical elements 900 , including, consisting essentially of or consisting of two different materials, quartz glass and zinc sulfide. Table 2 Material of the optical element quartz glass zinc sulfide D (mm) 25 25 d (mm) 8th 8th H (mm) 2 0.85 h (μm) 58 23 R (mm) 1200 3000

10A und 10B sind Diagramme von BPP in unterschiedlichen Abständen von der Faserendkappe 505 zu den exemplarischen optischen Elementen 900 aus Quarzglas ( 10A) und Zinksulfid (10B) mit den in Tabelle 2 angegebenen Konstruktionsparametern. In den Plots wird die Ausgangsposition des optischen Elements 900 mit 25 mm von der Endkappe 505 angenommen. Wie dargestellt, kann in beiden Fällen das BPP des Strahls durch Verschieben des optischen Elements 900 um ca. 30 mm (z. B. ca. 28 mm - ca. 32 mm) von ca. 4 auf ca. 12 erhöht werden. Die Steigung dieser Änderung in BPP in Abhängigkeit von der Verschiebung kann durch Änderungen in der numerischen Apertur des Faserausgangs an der Endkappe 505 verändert werden. Die Strahlprofile in 50 mm Abstand der optischen Elemente 900 zur Faserendkappe 505 sind in den 10A und 10B ebenso dargestellt wie die Diagramme ihrer Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Position für den 50 mm Abstand zwischen dem optischen Element 900 und der Endkappe 505. 10A and 10B are diagrams of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the exemplary optical elements 900 made of quartz glass ( 10A) and zinc sulfide ( 10B) with the design parameters given in Table 2. In the plots, the starting position of the optical element 900 with 25 mm from the end cap 505 accepted. As shown, in both cases the BPP of the beam can be achieved by shifting the optical element 900 increased by about 30 mm (eg about 28 mm - about 32 mm) from about 4 to about 12. The slope of this change in BPP as a function of the shift may be due to changes in the numerical aperture of the fiber exit on the end cap 505 to be changed. The beam profiles at a distance of 50 mm from the optical elements 900 to the fiber end cap 505 are in the 10A and 10B as well as the diagrams of their irradiance as a function of the position for the 50 mm distance between the optical element 900 and the end cap 505 ,

In den 11A-11C sind die Strahlprofile in unterschiedlichen exzentrischen Abständen (0 mm, 2 mm und 4 mm) für das optische Element 900 (d. h., wie für das optische Element 600 in 6A dargestellt) in einem Abstand von 40 mm zur Endkappe 505 dargestellt. 11D ist ein Diagramm der Bestrahlungsstärke als Funktion der Position für das in 11C dargestellte Strahlprofil, das die Zwei-Spitzen-Natur der Intensität des Strahlprofils deutlich zeigt. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Variation von BPP an verschiedenen exzentrischen Positionen des optischen Elements 900 etwa Null, auch wenn sich die Bestrahlungsstärke als Funktion der Position über dem Strahlprofil ändert.In the 11A-11C are the beam profiles at different eccentric distances (0 mm, 2 mm and 4 mm) for the optical element 900 (ie, as for the optical element 600 in 6A shown) at a distance of 40 mm from the end cap 505 shown. 11D is a plot of irradiance as a function of position for the in 11C illustrated beam profile, which clearly shows the two-peak nature of the intensity of the beam profile. In various embodiments, the variation of BPP is at various eccentric positions of the optical element 900 about zero, even if the irradiance changes as a function of position over the beam profile.

Ausführungsformen der Erfindung verwenden optische Elemente, um ringförmige Strahlformen zu erzeugen. Ausführungsformen der Erfindung beinhalten ein oder mehrere optische Elemente, die Axicon-Linsen beinhalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. Wie in der Technik bekannt, sind Axicon-Linsen Linsen mit mindestens einer konischen Oberfläche, und solche Linsen können verwendet werden, um eine Punktquelle in ein Liniensegment entlang der optischen Achse abzubilden. Die konische Oberfläche der Rotation ist in der Lage, Licht von einer Punktquelle, die sich auf der Drehachse befindet, durch Reflexion oder Brechung oder beides zu mischen. Ausführungsformen der Erfindung verwenden eine Kombination aus einer doppelt positiven (d. h. doppelt konvexen) Axicon-Linse 1200 und einer doppelt negativen (d. h. doppelt konkaven) Axicon-Linse 1210 zwischen der Faserendkappe 505 und der Kollimator-Linse 510, wie in 12A dargestellt, und die Strahlgröße am Werkstück kann mit diesem Linsensystem variiert werden. Wie dargestellt, sind die Linsen 1200, 1210 im Strahlengang durch einen Spaltabstand 1220 getrennt. θ1 und θ2 sind die Steigungsvariablen der konischen Oberflächen, die die maximalen sags (h1 und h2) und die Trennung des ringförmigen Strahlrings von der Strahlpunktmitte definieren, wie in den 12B und 12C schematisch dargestellt. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weisen die konischen Oberflächen einer oder beider Linsen 1200, 1210 glatte Kanten und Krümmungsradien von weniger als etwa 5 µm auf.Embodiments of the invention use optical elements to produce annular beam shapes. Embodiments of the invention include one or more optical elements that include, consist essentially of, or consist of axicon lenses. As known in the art, axicon lenses are lenses having at least one conical surface, and such lenses may be used to image a point source into a line segment along the optical axis. The conical surface of the rotation is capable of mixing light from a point source located on the axis of rotation by reflection or refraction, or both. Embodiments of the invention use a combination of a double positive (ie, double convex) axicon lens 1200 and a double negative (ie double concave) axicon lens 1210 between the fiber end cap 505 and the collimator lens 510 , as in 12A and the beam size on the workpiece can be varied with this lens system. As shown, the lenses are 1200 . 1210 in the beam path through a gap distance 1220 separated. θ1 and θ2 are the slope variables of the conical surfaces that are the maximum sags ( h1 and h2 ) and the separation of the annular beam ring from the beam spot center, as in FIGS 12B and 12C shown schematically. In various embodiments of the invention, the conical surfaces of one or both lenses 1200 . 1210 smooth edges and radii of curvature less than about 5 μm.

13 ist ein Diagramm, das die Steuerung über das BPP des Laserabgabesystems in Abhängigkeit vom Spaltabstand 1220 zwischen den beiden axicon Linsen 1200, 1210 darstellt. Wie in 13 dargestellt, führt eine ungefähre Abweichung des Spaltabstandes 1220 von 7 mm zu einem Anstieg des BPP von 4 auf 12, was die große Bandbreite der BPP-Steuerung zeigt, die durch solche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird. Die Strahlprofile in Abhängigkeit vom Spaltabstand 1220 zwischen den Linsen 1200, 1210 sind in 14 dargestellt, wobei die Spaltabstände in Millimetern angegeben sind. Wie dargestellt, kann die Einstellung des Spaltabstandes 1220 ein Strahlprofil mit einer einzelnen Spitze in eine mit zwei, drei oder mehr Spitzen transformieren. 15 zeigt ähnliche Strahlprofile für den Fall, dass die beiden Axicon-Linsen 1200, 1210 im Strahlengang um 4 mm quer zur Mitte versetzt und durch die aufgeführten Spaltabstände 1220 (Spaltabstände sind in Millimetern angegeben) getrennt sind. 13 is a diagram showing the control over the BPP of the laser delivery system as a function of the gap distance 1220 between the two axicon lenses 1200 . 1210 represents. As in 13 shown, results in an approximate deviation of the gap distance 1220 of 7mm to a BPP increase from 4 to 12, demonstrating the wide bandwidth of the BPP control enabled by such embodiments of the present invention. The beam profiles depending on the gap distance 1220 between the lenses 1200 . 1210 are in 14 shown, wherein the gap distances are given in millimeters. As shown, the setting of the gap distance 1220 Transform a beam profile with a single tip into one with two, three or more tips. 15 shows similar beam profiles in the event that the two axicon lenses 1200 . 1210 offset in the beam path by 4 mm across the center and by the listed gap distances 1220 (Gap distances are given in millimeters) are separated.

Ausführungsformen der Erfindung weisen ein oder mehrere optische Elemente auf, die Phasenplatten mit einer planaren Oberfläche und einer gegenüberliegenden Oberfläche, von denen mindestens ein Abschnitt konvex oder konkav gekrümmt ist, beinhalten, im Wesentlichen aus diesen bestehen oder aus diesen bestehen. 16A stellt ein Teilstrahlabgabesystem mit zwei solchen Platten 1600, 1610 dar, die durch einen Spalt Z getrennt sind. Wie dargestellt, ist die Platte 1600 von der Faserendenkappe 505 durch einen Abstand S getrennt. 16B und 16C stellen die Platten 1600, 1610 näher dar. Wie dargestellt, haben die Platten 1600, 1610 einen Außendurchmesser D, und die konvexen/konkaven Abschnitte ihrer Oberflächen haben einen Innendurchmesser d, der die maximale sag h definiert (in Verbindung mit R, siehe unten). Die Dicken der Platten an ihren Außenumfängen (d. h. die Dicken zwischen den planaren Abschnitten ihrer gegenüberliegenden Oberflächen) werden durch H und die Krümmungsradien der konvexen/konkaven Abschnitte durch R dargestellt. Wie in den 16B und 16C dargestellt, weisen die Platten 1600, 1610 etwa die gleichen H, D, d und R auf, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Doppelplatten aufweisen (d. h., eine mit einer teilweise konkaven Oberfläche und eine mit einer teilweise konvexen Oberfläche), die sich in einem oder mehreren dieser Parameter unterscheiden.Embodiments of the invention include one or more optical elements that include, consist essentially of, or consist of phase plates having a planar surface and an opposing surface, at least a portion of which is convexly or concavely curved. 16A provides a partial beam delivery system with two such plates 1600 . 1610 through a gap Z are separated. As shown, the plate is 1600 from the fiber end cap 505 through a distance S separated. 16B and 16C put the plates 1600 . 1610 As shown, the plates have 1600 . 1610 an outer diameter D and the convex / concave portions of their surfaces have an inner diameter d who say the maximum H defined (in conjunction with R , see below). The thicknesses of the plates at their outer peripheries (ie the thicknesses between the planar portions of their opposite surfaces) are through H and the radii of curvature of the convex / concave portions are represented by R. As in the 16B and 16C shown, have the plates 1600 . 1610 about the same H . D . d and R although various embodiments of the invention have double plates (ie, one having a partial concave surface and one having a partially convex surface) that differ in one or more of these parameters.

Tabelle 3 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente 1600, 1610, einschließlich, bestehend im Wesentlichen oder bestehend aus zwei verschiedenen Materialien, Quarzglas und Zinksulfid. Tabelle 3 Material des optischen Elements Quarzglas Zinksulfid D (mm) 25 25 d (mm) 5 5 H (mm) 2 1 h (µm) 25 9,3 R (mm) 500 1350 Table 3 contains exemplary design values for exemplary optical elements 1600 . 1610 , including, consisting essentially or consisting of two different materials, quartz glass and zinc sulfide. Table 3 Material of the optical element quartz glass zinc sulfide D (mm) 25 25 d (mm) 5 5 H (mm) 2 1 h (μm) 25 9.3 R (mm) 500 1350

16D und 16E zeigen, dass gemäß den Ausführungsformen der Erfindung der Innendurchmesser d der Platten 1600, 1610 optimiert werden kann, um die Ausgangs-BPP des Laserabgabesystems in Abhängigkeit vom Abstand S von der Faserendkappe 505 zu maximieren. 16D ist eine Grafik von BPP in Abhängigkeit vom Innendurchmesser d für Platten 1600, 1610 mit einem Abstand S von 40 mm, einem Spaltabstand Z von 10 mm und einem Krümmungsradius R von 500. Wie dargestellt, wird das resultierende BPP bei einem Innendurchmesser d von ca. 5 mm maximiert; dieses BPP ist im Wesentlichen unabhängig von Änderungen des Spaltabstandes Z und des Krümmungsradius R. 16E ist ein Diagramm des optimierten Innendurchmessers d (d. h. des Innendurchmessers d, der das Ausgangs-BPP maximiert) in Abhängigkeit vom Abstand S zwischen der Endkappe 505 und der Platte 1600. Wie dargestellt, kann ein optimierter Innendurchmesser d gewählt werden, der das BPP des Ausgangsstrahls in Abhängigkeit vom Abstand S maximiert. 16D and 16E show that according to the embodiments of the invention, the inner diameter d the plates 1600 . 1610 can be optimized to the output BPP of the laser delivery system as a function of distance S from the fiber end cap 505 to maximize. 16D is a graphic of BPP depending on the inside diameter d for plates 1600 . 1610 with a distance S of 40 mm, a gap distance Z of 10 mm and a radius of curvature R of 500. As shown, the resulting BPP becomes at an inner diameter d maximized by about 5 mm; This BPP is essentially independent of changes in the gap distance Z and the radius of curvature R , 16E is a diagram of the optimized inner diameter d (ie, the inner diameter d that maximizes the initial BPP) depending on the distance S between the end cap 505 and the plate 1600 , As shown, an optimized inside diameter d be selected, the BPP of the output beam depending on the distance S maximized.

16F ist ein Diagramm von BPP in verschiedenen Spaltabständen Z zwischen den Platten 1600, 1610 mit den in Tabelle 3 angegebenen Konstruktionsparametern (mit den Konstruktionsparametern von Tabelle 3 liefern sowohl die Quarzglas- als auch die Zinksulfidplatten 1600, 1610 die gleichen Ergebnisse). Im Plot wird der Abstand S zur Endkappe 505 mit 40 mm angenommen. Wie dargestellt, kann das BPP des Balkens von etwa 4 auf etwa 12 erhöht werden, indem der Spalt Z zwischen den Platten 1600, 1610 um etwa 9 mm verändert wird. Verschiedene Strahlprofile des Ausgangsstrahls in Abhängigkeit vom Spalt Z (in mm) sind in 16G dargestellt, ebenso wie Diagramme ihrer Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit von der Position. Wie gezeigt, geht die Strahlform von einem einzelnen Peak zu einem breiteren, mehrspurigen Bestrahlungsprofil über, wenn das Strahl-BPP zunimmt. 16F is a diagram of BPP at different gap distances Z between the plates 1600 . 1610 with the design parameters given in Table 3 (with the design parameters of Table 3, both the fused silica and zinc sulfide plates provide 1600 . 1610 the same results). In the plot, the distance becomes S to the end cap 505 adopted with 40 mm. As shown, the BPP of the beam can be increased from about 4 to about 12 by the gap Z between the plates 1600 . 1610 is changed by about 9 mm. Different beam profiles of the output beam as a function of the gap Z (in mm) are in 16G shown, as well as diagrams of their irradiance depending on the position. As shown, the beam shape transitions from a single peak to a broader, multi-track irradiation profile as the beam BPP increases.

Optische Elemente gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können auch Meniskuslinsen beinhalten, im Wesentlichen aus solchen bestehen oder aus solchen bestehen. Das geometrische Design für optische Elemente 1700 gemäß diesen Ausführungsformen ist in 17A schematisch dargestellt; wie in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt, ist eine Oberfläche des optischen Elements 1700 im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche konvex gekrümmt, während die gegenüberliegende Oberfläche über einen Teil der Oberfläche konkav gekrümmt ist und einen Innendurchmesser d definiert. Das optische Element 1700 kann als optisches Element 520 und/oder optisches Element 525 im Zuführsystem 500 verwendet werden. Wie dargestellt, kann das optische Element 1700 einen Außendurchmesser D, einen Innendurchmesser d, eine Dicke H, eine maximale sag h1 der konvex gekrümmten Oberfläche und eine maximale sag h2 der teilweise konkav gekrümmten Oberfläche aufweisen. Der Krümmungsradius R, der für beide Oberflächen des optischen Elements 1700 ungefähr gleich sein kann, definiert die maximalen Schleifen h1 und h2 sowie die Trennung des resultierenden ringförmigen Strahlrings von der Strahlpunktmitte.Optical elements according to embodiments of the invention may also include, consist essentially of or consist of meniscal lenses. The geometric design for optical elements 1700 according to these embodiments is in 17A shown schematically; As shown in various embodiments, a surface of the optical element is 1700 substantially convexly curved over the entire surface while the opposite surface is concavely curved over a portion of the surface and an inner diameter d Are defined. The optical element 1700 can as an optical element 520 and / or optical element 525 in the feeding system 500 be used. As shown, the optical element 1700 an outer diameter D , an inner diameter d , a thickness H , a maximum say h1 the convex curved surface and a maximum sag h2 have the partially concave curved surface. The radius of curvature R for both surfaces of the optical element 1700 can be about the same, defines the maximum loops h1 and h2 and the separation of the resulting annular jet ring from the beam spot center.

Tabelle 4 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente 1700, einschließlich, bestehend im Wesentlichen aus oder bestehend aus zwei verschiedenen Materialien, Quarzglas und Zinksulfid. Tabelle 4 Material des optischen Elements Quarzglas Zinksulfid D (mm) 25 25 d (mm) 8 8 H (mm) 3 1,8 h1 (µm) 87 31 h2 (µm) 9 3,2 R (mm) 900 2500 Table 4 contains exemplary design values for exemplary optical elements 1700 , including, consisting essentially of or consisting of two different materials, quartz glass and zinc sulfide. Table 4 Material of the optical element quartz glass zinc sulfide D (mm) 25 25 d (mm) 8th 8th H (mm) 3 1.8 h1 (μm) 87 31 h2 (μm) 9 3.2 R (mm) 900 2500

17B ist ein Diagramm von BPP in unterschiedlichen Abständen von der Faserendkappe 505 zum exemplarischen optischen Quarzglas-Element 1700 mit den in Tabelle 4 angegebenen Konstruktionsparametern. Im Plot wird die Ausgangsposition des optischen Elements 1700 mit 25 mm von der Endkappe 505 angenommen. Wie dargestellt, kann das BPP des Strahls von etwa 4 auf etwa 12 durch Verschieben des optischen Elements 1700 um etwa 24 mm erhöht werden. Das Strahlprofil in einem Abstand von 46 mm zwischen dem optischen Element 1700 und der Faserendkappe 505 ist ebenfalls in 17B dargestellt, ebenso wie ein Diagramm der Bestrahlungsstärke als Funktion der Position für den Abstand von 46 mm zwischen dem optischen Element 1700 und der Endkappe 505. 17B is a diagram of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the exemplary quartz glass optical element 1700 with the design parameters given in Table 4. The plot shows the starting position of the optical element 1700 with 25 mm from the end cap 505 accepted. As shown, the BPP of the beam may be from about 4 to about 12 by shifting the optical element 1700 be increased by about 24 mm. The beam profile at a distance of 46 mm between the optical element 1700 and the fiber end cap 505 is also in 17B as well as a plot of irradiance as a function of position for the 46 mm distance between the optical element 1700 and the end cap 505 ,

Laserstrahlabgabesysteme gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch verschiedene Linsenanordnungen verwenden, um größere, stärker divergierende Eingangsstrahlen für die BPP-Variation als Funktion der Bewegung der optischen Elemente zu bilden. 18A stellt Abschnitte eines Laserabgabesystems 1800 dar, das ein bewegliches optisches Element 1805 zur BPP-Variation und einen Triplett-Kollimator zur Erhöhung der Divergenz des Laserstrahls beinhaltet. Wie dargestellt, erhöht der Triplett-Kollimator die Divergenz des Strahls von einem Winkel α zu einem Winkel β. In verschiedenen Ausführungsformen liegt das Verhältnis von β zu α zwischen etwa 2 und etwa 1,5, also z. B. etwa 1,74. Wie im Folgenden näher beschrieben, ermöglicht diese erhöhte Divergenz eine größere Kontrolle über BPP mit weniger Bewegung des optischen Elements 1805. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet, besteht das optische Element 1805 im Wesentlichen aus oder besteht aus einem oder mehreren optischen Elementen 600, optischen Elementen 900, optischen Elementen 1700, Phasenplatten 1600/1610 oder Axiconlinsen 1200, 1210.Laser beam delivery systems according to embodiments of the present invention may also use different lens arrangements to form larger, more divergent input beams for the BPP variation as a function of movement of the optical elements. 18A represents sections of a laser delivery system 1800 which is a movable optical element 1805 for BPP variation and a triplet collimator for increasing the divergence of the laser beam. As shown, the triplet collimator increases the divergence of the beam from an angle α to an angle β , In various embodiments, the ratio of β to α between about 2 and about 1.5, so z. B. about 1.74. As further described below, this increased divergence allows greater control over BPP with less movement of the optical element 1805 , In various embodiments, the optical element is comprised 1805 essentially consists of or consists of one or more optical elements 600 , optical elements 900 , optical elements 1700 , Phase plates 1600 / 1610 or axicon lenses 1200 . 1210 ,

Triplett-Kollimatoren zur Erhöhung der Strahlabweichung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können aus verschiedenen Kombinationen von Linsen bestehen. 18A stellt eine solche Ausführungsform dar, die eine plan-konkave Linse 1810, eine Meniskuslinse 1815 (z. B. eine positive Meniskuslinse) und eine plan-konvexe Linse 1820 beinhaltet. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist das optische Element 1805 im Strahlengang zwischen plan-konkaver Linse 1810 und Meniskuslinse 1815 angeordnet. In weiteren Ausführungsformen kann das optische Element 1805 im Strahlengang zwischen Meniskuslinse 1815 und plankonvexer Linse 1820 oder sogar optisch stromabwärts der plankonvexen Linse 1820 angeordnet sein.Triplet collimators for increasing the beam deviation according to the embodiments of the invention may consist of various combinations of lenses. 18A represents such an embodiment, which is a plano-concave lens 1810 , a meniscus lens 1815 (eg a positive meniscus lens) and a plano-convex lens 1820 includes. In various embodiments of the invention, the optical element is 1805 in the beam path between the plano-concave lens 1810 and meniscus lens 1815 arranged. In further embodiments, the optical element 1805 in the beam path between meniscus lens 1815 and plano-convex lens 1820 or even optically downstream of the plano-convex lens 1820 be arranged.

18B ist ein Diagramm von BPP in unterschiedlichen Abständen von der Faserendkappe 505 zum optischen Quarzglaselement 600 mit den in Tabelle 1 angegebenen Konstruktionsparametern, wenn es in einem Laserstrahlabgabesystem 1800 in Verbindung mit einem Triplettkollimator für erhöhte Strahlabweichung verwendet wird. Im Plot wird die Ausgangsposition des optischen Elements 600 mit 25 mm von der Endkappe 505 angenommen. Wie dargestellt, kann das BPP des Strahls von etwa 4 auf etwa 12 erhöht werden, indem das optische Element 600 um nur etwa 16 mm verschoben wird, oder um den Faktor 2 weniger Verschiebung (d. h. größere Kontrolle) im Vergleich zu dem Strahlführungssystem ohne den Triplettkollimator von 18A (siehe 7A). Das Strahlprofil in einem Abstand von 21 mm zwischen dem optischen Element 600 und der Faserendkappe 505 ist ebenfalls in 18B dargestellt. 18B is a diagram of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the quartz glass optical element 600 with the design parameters given in Table 1 when in a laser beam delivery system 1800 used in conjunction with a triplet collimator for increased beam divergence. The plot shows the starting position of the optical element 600 with 25 mm from the end cap 505 accepted. As shown, the BPP of the beam can be increased from about 4 to about 12 by the optical element 600 is shifted by only about 16 mm, or by the factor 2 less displacement (ie greater control) compared to the beam guiding system without the triplet collimator of 18A (please refer 7A) , The beam profile at a distance of 21 mm between the optical element 600 and the fiber end cap 505 is also in 18B shown.

18C ist ein Diagramm von BPP in unterschiedlichen Abständen von der Faserendkappe 505 bis zum exemplarischen optischen Quarzglaselement 1700 mit den in Tabelle 4 angegebenen Designparametern, wenn es in einem Laserstrahlabgabesystem 1800 in Verbindung mit einem Triplettkollimator für erhöhte Strahlendivergenz verwendet wird. Im Plot wird die Ausgangsposition des optischen Elements 1700 mit 25 mm von der Endkappe 505 angenommen. Wie dargestellt, kann das BPP des Strahls von etwa 4 auf etwa 12 erhöht werden, indem das optische Element 600 um nur etwa 12 mm verschoben wird, oder um den Faktor 2 weniger Verschiebung (d. h. mehr Kontrolle) im Vergleich zu dem Strahlführungssystem ohne den Triplettkollimator von 18A (siehe 17B). Das Strahlprofil in einem Abstand von 17,5 mm des optischen Elements 1700 zur Faserendkappe 505 ist ebenfalls in 18C dargestellt. 18C is a diagram of BPP at different distances from the fiber end cap 505 to the exemplary quartz glass optical element 1700 with the design parameters given in Table 4 when used in a laser beam delivery system 1800 used in conjunction with a triplet collimator for increased beam divergence. The plot shows the starting position of the optical element 1700 with 25 mm from the end cap 505 accepted. As shown, the BPP of the beam can be increased from about 4 to about 12 by the optical element 600 is shifted by only about 12 mm, or by the factor 2 less displacement (ie more control) compared to the beam guiding system without the triplet collimator from 18A (please refer 17B) , The beam profile at a distance of 17.5 mm of the optical element 1700 to the fiber end cap 505 is also in 18C shown.

18D ist ein Schema des Teillaserstrahlabgabesystems 1800, das die vorstehend beschriebenen zweiphasigen optischen Plattenelemente 1600, 1610 beinhaltet, die innerhalb des Strahlwegs durch einen Spaltabstand Z getrennt sind. 18E ist ein Diagramm von BPP für verschiedene Spaltabstände Z der exemplarischen optischen Quarzglaselemente 1600, 1610 mit den in Tabelle 3 angegebenen Konstruktionsparametern, wenn sie im Laserstrahlabgabesystem 1800 in Verbindung mit einem Triplettkollimator für erhöhte Strahldivergenz verwendet werden. Im Plot wird die Position des optischen Elements 1600 mit 25 mm von der Endkappe 505 angenommen. Wie dargestellt, kann das BPP des Strahls von etwa 4 auf etwa 12 erhöht werden, indem der Spaltabstand Z zwischen den optischen Elementen 1600, 1610 um nur etwa 3 mm vergrößert wird, oder um einen Faktor von 3 weniger Verschiebung (d. h. größere Kontrolle) im Vergleich zu dem Strahlführungssystem ohne den Triplettkollimator von 18A (siehe 16F). Das Strahlprofil in einem Spaltabstand von 3 mm zwischen den optischen Elementen 1600, 1610 ist ebenfalls in 18C dargestellt. 18D is a schematic of the partial laser beam delivery system 1800 comprising the two-phase optical disk elements described above 1600 . 1610 that within the beam path through a gap distance Z are separated. 18E is a diagram of BPP for different gap distances Z the exemplary quartz glass optical elements 1600 . 1610 with the design parameters given in Table 3 when used in the laser beam delivery system 1800 used in conjunction with a triplet collimator for increased beam divergence. The plot shows the position of the optical element 1600 with 25 mm from the end cap 505 accepted. As shown, the BPP of the beam can be increased from about 4 to about 12 by adjusting the gap distance Z between the optical elements 1600 . 1610 increased by only about 3 mm, or by a factor of 3 less displacement (ie greater control) compared to the beam guiding system without the triplet collimator of 18A (please refer 16F) , The beam profile at a gap distance of 3 mm between the optical elements 1600 . 1610 is also in 18C shown.

Lasersysteme und Laserabgabesysteme gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden und hierin beschriebenen Erfindung können in und/oder mit WBC-Lasersystemen verwendet werden. Insbesondere können in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Multiwellenlängen-Ausgangsstrahlen von WBC-Lasersystemen als Eingangsstrahlen für Laserstrahlabgabesysteme zur Variation von BPP, Strahlform und/oder Polarisation, wie hier beschrieben, verwendet werden. 19 zeigt ein exemplarisches WBC-Lasersystem 1900, das einen oder mehrere Laser 1905 verwendet. Im Beispiel von 19 weist der Laser 1905 eine Diodenleiste mit vier Strahlenemittern auf, die Strahlen 1910 emittieren (siehe vergrößerte Eingangsansicht 1915), aber Ausführungsformen der Erfindung können Diodenleisten verwenden, die eine beliebige Anzahl von Einzelstrahlen oder zweidimensionale Reihen oder Stapel von Dioden oder Diodenbarren emittieren. In der Ansicht 1915 wird jeder Träger 1910 durch eine Linie gekennzeichnet, wobei die Länge oder größere Abmessung der Linie die langsame divergierende Abmessung des Trägers und die Höhe oder kürzere Abmessung die schnelle divergierende Abmessung darstellt. Eine Kollimationsoptik 1920 kann verwendet werden, um jeden Strahl 1910 entlang der schnellen Dimension zu kollimieren. Transformationsoptik(en) 1925, die eine oder mehrere zylindrische oder sphärische Linsen und/oder Spiegel beinhalten oder im Wesentlichen aus diesen bestehen können, werden verwendet, um jeden Strahl 1910 entlang einer WBC-Richtung 1930 zu kombinieren. Die Transformationsoptik 1925 überlappt dann den kombinierten Strahl auf ein zerstreuendes Element 1935 (das z. B. ein reflektierendes oder durchlässiges Beugungsgitter, ein zerstreuendes Prisma, ein Grisma (Prisma/Gitter), ein Transmissionsgitter oder ein Echelle-Gitter beinhalten oder im Wesentlichen daraus bestehen kann), und der kombinierte Strahl wird dann als einzelnes Ausgangsprofil auf eine Ausgangskupplung 1940 übertragen. Die Ausgangskupplung 1940 sendet dann die kombinierten Strahlen 1945, wie in der Ausgangsfrontansicht 1950 dargestellt. Die Ausgangskupplung 1940 ist typischerweise teilreflektierend und dient als gemeinsame Frontfacette für alle Laserelemente in diesem externen Hohlraumsystem 1900. Ein externer Hohlraum ist ein Lasersystem, bei dem der Sekundärspiegel in einem Abstand von der Emissionsöffnung oder der Facette jedes Laseremitters verschoben ist. In einigen Ausführungsformen werden zusätzliche Optiken zwischen der Emissionsöffnung oder Facette und der Ausgangskupplung oder der teilreflektierenden Oberfläche platziert. Der Ausgangsstrahl 1945 ist ein also mehrwelliger Strahl (der die Wellenlängen der einzelnen Strahlen 1910 kombiniert) und kann als Eingangsstrahl in den hierin beschriebenen Laserstrahlabgabesystemen verwendet und/oder in eine Glasfaser eingekoppelt werden.Laser systems and laser delivery systems according to embodiments of the present invention and described herein may be used in and / or with WBC laser systems. In particular, in various embodiments of the invention, multi-wavelength output beams of WBC laser systems may be used as input beams for laser beam output systems for varying BPP, beam shape and / or polarization as described herein. 19 shows an exemplary WBC laser system 1900 , one or more lasers 1905 used. In the example of 19 points the laser 1905 a diode bar with four radiation emitters on, the rays 1910 emit (see enlarged input view 1915 However, embodiments of the invention may use diode bars that emit any number of single beams or two-dimensional rows or stacks of diodes or diode bars. In the view 1915 becomes every carrier 1910 characterized by a line, wherein the length or larger dimension of the line represents the slow divergent dimension of the carrier and the height or shorter dimension represents the fast divergent dimension. A collimation optics 1920 Can be used to any beam 1910 to collapse along the fast dimension. Transformation optical system (s) 1925 which may include or consist essentially of one or more cylindrical or spherical lenses and / or mirrors are used to form each beam 1910 along a WBC direction 1930 to combine. The transformation optics 1925 then overlaps the combined beam onto a dispersive element 1935 (which may include or consist essentially of, for example, a reflective or transmissive diffraction grating, a dispersive prism, a prism / grating, a transmission grating, or an echelle grating), and the combined beam will then act as a single output profile an output clutch 1940 transfer. The output clutch 1940 then send the combined beams 1945 as in the initial front view 1950 shown. The output clutch 1940 is typically semi-reflective and serves as a common front facet for all laser elements in this external cavity system 1900 , An external cavity is a laser system in which the secondary mirror is spaced apart from the emission aperture or facet of each laser emitter. In some embodiments, additional optics are placed between the emission aperture or facet and the output coupling or partially reflective surface. The output beam 1945 is a multi-wavelength beam (the wavelengths of the individual beams 1910 combined) and may be used as input beam in the laser beam delivery systems described herein and / or coupled into a fiber optic.

20 stellt ein Lasersystem 2000 mit einem variabel geformten Ausgangsstrahl dar, der gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Wie dargestellt, kann das Lasersystem 2000 eine Laserquelle 2010 (z. B. ein WBC-Lasersystem 1900, das einen aus mehreren Wellenlängen bestehenden Ausgangsstrahl bildet) beinhalten, die mit einer Glasfaser 2020 gekoppelt ist. Am distalen Ende der Glasfaser 2020 befindet sich ein Bearbeitungskopf oder ein Laserstrahlabgabesystem 2030. Der Bearbeitungskopf 2030 kann beispielsweise alle oder einige der oben beschriebenen Komponenten des Laserstrahlabgabesystems 500 beinhalten, im Wesentlichen aus ihnen bestehen oder aus ihnen bestehen. So kann beispielsweise der Bearbeitungskopf 2030 eine Steuerung (z. B. Steuerung 540) beinhalten und/oder darauf ansprechen, die die Ausgangsstrahlform an einem Brennpunkt 2040 an oder nahe der Oberfläche eines Werkstücks steuert. In verschiedenen Ausführungsformen, wie hierin beschrieben, kann der Bearbeitungskopf 2030 verschiedene optische Elemente beinhalten oder im Wesentlichen aus diesen bestehen, die in Bezug zueinander geformt und/oder beweglich sind, um einen Ausgangslaserstrahl mit einer variablen Ausgangsstrahlform zu bilden. 21 zeigt eine Reihe von verschiedenen Ausgangsstrahlformen, die durch das Lasersystem 2000 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung formbar sind. Wie dargestellt, reichen die Ausgangsstrahlformen von hoch fokussierten Punktstrahlen bis hin zu diffusen, defokussierten größeren Punkten bis hin zu ringförmigen Strahlen, abhängig von der Steuerspannung, die innerhalb des Bearbeitungskopfes 2030 angelegt wird (z. B. über die Steuerung zur Steuerung der Position eines oder mehrerer optischer Elemente darin). Wie auch in 21 dargestellt, kann sich das BPP des Trägers auch ändern, wenn sich die Strahlform ändert. 20 Represents a laser system 2000 with a variably shaped output beam used in accordance with various embodiments of the present invention. As shown, the laser system 2000 a laser source 2010 (eg a WBC laser system 1900 , which forms a multi-wavelength output beam) with a glass fiber 2020 is coupled. At the distal end of the fiber 2020 there is a machining head or laser beam delivery system 2030 , The machining head 2030 For example, all or some of the above-described components of the laser beam delivery system may be used 500 include, consist essentially of or consist of. For example, the machining head 2030 a controller (eg controller 540 ) and / or responsive to the output beam shape at a focal point 2040 at or near the surface of a workpiece. In various embodiments, as described herein, the processing head may 2030 include or consist essentially of different optical elements that are shaped and / or movable relative to each other to form an output laser beam having a variable output beam shape. 21 shows a number of different output beam shapes passing through the laser system 2000 are malleable according to the embodiments of the present invention. As shown, the output beam shapes range from highly focused spot beams to diffuse, defocused larger dots to annular beams, depending on the control voltage used within the processing head 2030 is applied (eg via the controller for controlling the position of one or more optical elements therein). As well as in 21 As shown, the BPP of the carrier may also change as the beam shape changes.

Das Lasersystem 2000 beinhaltet in verschiedenen Ausführungsformen eine Steuerung (z. B. Steuerung 540, wie oben erwähnt) und/oder ein Positionierungssystem (z. B. Positionierungssystem 315). Die Steuerung steuert den Betrieb des Lasersystems (d. h. sie aktiviert den Laser und steuert die Strahlparameter, wie Intensität und/oder Ausgangsstrahlform, gegebenenfalls während der Bearbeitung). Die Steuerung kann auch das Positionierungssystem betätigen. Das Positionierungssystem kann jedes steuerbare optische, mechanische oder optisch-mechanische System sein, um den Strahl durch einen Bearbeitungsweg entlang eines zwei- oder dreidimensionalen Werkstücks zu leiten. Während der Bearbeitung kann die Steuerung das Positionierungssystem und das Lasersystem 2000 so betreiben, dass der Laserstrahl einen Bearbeitungsweg entlang des Werkstücks durchläuft und/oder dass der Laserausgangsstrahl an einem bestimmten Punkt auf dem zu bearbeitenden Werkstück positioniert ist (z. B. eine Position für eine Schweißnaht). Der Verarbeitungsweg und/oder eine oder mehrere Verarbeitungspunkte können von einem Benutzer bereitgestellt und in einem internen oder externen Speicher gespeichert werden, der auch Parameter in Bezug auf die Art der Verarbeitung (Schneiden, Schweißen usw.) und die für die Durchführung dieser Verarbeitung erforderlichen Strahlparameter (z. B. Ausgangsstrahlform) speichern kann. In diesem Zusammenhang kann eine lokale oder entfernte Datenbank eine Bibliothek von Materialien und Dicken führen, die das Lasersystem verarbeiten wird, und nach Auswahl der Materialparameter (Materialart, Dicke usw.) kann die Steuerung die Datenbank abfragen, um die entsprechenden Parameterwerte zu erhalten.The laser system 2000 includes in various embodiments a controller (eg, controller 540 as mentioned above) and / or a positioning system (eg positioning system 315 ). The controller controls the operation of the laser system (ie, it activates the laser and controls the beam parameters, such as intensity and / or output beam shape, optionally during machining). The controller can also operate the positioning system. The positioning system may be any controllable optical, mechanical or optical-mechanical system for guiding the beam through a machining path along a two- or three-dimensional workpiece. During machining, the controller can control the positioning system and the laser system 2000 operate so that the laser beam passes through a machining path along the workpiece and / or that the laser output beam is positioned at a certain point on the workpiece to be machined (eg, a position for a weld). The processing path and / or one or more processing points may be provided by a user and stored in internal or external memory which also includes parameters related to the type of processing (cutting, welding, etc.) and the beam parameters required to perform this processing (eg output beam shape) can store. In this context, a local or remote database may carry a library of materials and thicknesses that the laser system will process, and after selecting the material parameters (type of material, thickness, etc.) the controller may query the database to obtain the corresponding parameter values.

Wie in der Plot- und Abtasttechnik gut verstanden, kann jede erforderliche Relativbewegung zwischen dem Ausgangsstrahl und dem Werkstück durch optische Ablenkung des Strahls unter Verwendung eines beweglichen Spiegels, physikalische Bewegung des Lasers unter Verwendung eines Portals, einer Leitspindel oder einer anderen Anordnung und/oder einer mechanischen Anordnung zum Bewegen des Werkstücks anstelle (oder zusätzlich zum Strahl) erzeugt werden. Die Steuerung kann in einigen Ausführungsformen Rückmeldungen über die Strahlposition und/oder die Bearbeitungseffizienz des Strahls in Bezug auf das Werkstück von einer Rückmeldeeinheit empfangen, die an geeignete Überwachungssensoren angeschlossen wird. Als Reaktion auf Signale von der Rückmeldeeinheit ändert die Steuerung den Weg, die Position, das BPP und/oder die Form des Strahls.As well understood in the plot and scanning art, any required relative movement between the output beam and the workpiece can be achieved by optical deflection of the beam using a movable mirror, physical movement of the laser using a gantry, lead screw, or other arrangement and / or mechanical arrangement for moving the workpiece instead of (or in addition to the beam) are generated. The controller, in some embodiments, may receive feedback about the beam position and / or the processing efficiency of the beam with respect to the workpiece from a feedback unit connected to appropriate monitoring sensors. In response to signals from the feedback unit, the controller changes the path, position, BPP, and / or shape of the beam.

Darüber hinaus kann das Lasersystem ein oder mehrere Systeme zum Erfassen der Dicke des Werkstücks und/oder der Höhe von Merkmalen darauf beinhalten. So kann das Lasersystem beispielsweise Systeme (oder Komponenten davon) zur interferometrischen Tiefenmessung des Werkstücks beinhalten, wie in der am 1. April 2015 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 14/676,070 beschrieben, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Diese Tiefen- oder Dickeninformationen können von der Steuerung verwendet werden, um die Ausgangsstrahlform zu steuern und die Bearbeitung (z. B. Schneiden oder Schweißen) des Werkstücks zu optimieren, z. B. gemäß den Aufzeichnungen in der Datenbank, die der Art des zu bearbeitenden Materials entsprechen.In addition, the laser system may include one or more systems for sensing the thickness of the workpiece and / or the height of features thereon. For example, the laser system may include systems (or components thereof) for interferometric depth measurement of the workpiece, such as that filed on April 1, 2015 U.S. Patent Application No. 14 / 676,070 , the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. This depth or thickness information can be used by the controller to control the output beam shape and to optimize the machining (eg, cutting or welding) of the workpiece, e.g. According to the records in the database corresponding to the type of material to be processed.

22A und 22B zeigen exemplarische Schnittszenarien gemäß den Ausführungsformen der Erfindung. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird das Lasersystem 2000 eingesetzt, um in einem Werkstück 2200 unterschiedlich tiefe und/oder unterschiedliche Größen zu schneiden und/oder einen gleichmäßigen Schnitt in einem Werkstück 2200 mit variabler Dicke durchzuführen. Wie dargestellt, kann die Ausgangsstrahlform einen stark fokussierten Punkt für flache Schnitte aufweisen und allmählich oder im Wesentlichen abrupt variiert werden, um eine defokussierte Punkt- und/oder Ringform (und/oder Punkt mit zwei oder mehr ausgeprägten Spitzen in der Intensität) für tiefere Schnitte zu erhalten, die durch dickere Bereiche am Werkstück 2200 und/oder Änderungen im Winkel zwischen dem Bearbeitungskopf 2030 und dem Werkstück 2200 erforderlich sind. Wie beispielsweise in 22A dargestellt, kann der Ausgangsstrahl das Werkstück 2200 in einem Winkel im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks 2200 treffen, und der Ausgangsstrahl kann die Form eines stark fokussierten Punktes aufweisen, um einen relativ flachen Schnitt durch die gesamte oder einen Teil der Dicke des Werkstücks 2200 zu machen. Wie auch in 22A dargestellt, kann die Form des Strahls in einen defokussierten Punkt oder eine ringförmige Form geändert werden, um eine größere Breite in das Werkstück 2200 zu schneiden und/oder wenn der Winkel zwischen dem Ausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks 2200 geändert (z. B. verringert) wird, so dass der Abstand durch das Werkstück 2200 entlang der Ausgangsstrahlrichtung vergrößert wird. 22A and 22B show exemplary cutting scenarios according to embodiments of the invention. In various embodiments of the invention, the laser system 2000 used to work in a workpiece 2200 different depths and / or different sizes to cut and / or a uniform cut in a workpiece 2200 to perform with variable thickness. As shown, the output beam shape may have a sharply focused point for flat slices and be varied gradually or substantially abruptly to provide a defocused dot and / or ring shape (and / or point with two or more distinct peaks in intensity) for deeper slices to get through thicker areas on the workpiece 2200 and / or changes in the angle between the machining head 2030 and the workpiece 2200 required are. Such as in 22A illustrated, the output beam, the workpiece 2200 at an angle substantially perpendicular to the surface of the workpiece 2200 and the output beam may be in the form of a highly focused spot to make a relatively flat cut through all or part of the thickness of the workpiece 2200 close. As well as in 22A As shown, the shape of the beam may be changed to a defocused point or an annular shape to increase the width of the workpiece 2200 to cut and / or if the angle between the output beam and the surface of the workpiece 2200 changed (eg decreased), so that the distance through the workpiece 2200 is increased along the output beam direction.

In verschiedenen Ausführungsformen, wie in 22B dargestellt, kann der Winkel des Bearbeitungskopfes 2030 (und damit der Ausgangsstrahl) konstant gehalten werden (z. B. im Wesentlichen vertikal), da sich die Topologie, Dicke und/oder der Oberflächenwinkel des Werkstücks 2200 während der Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück 2200 ändert, und die Steuerung steuert die Strahlform entsprechend der effektiven Dicke des Werkstücks 2200 (d. h. der Tiefe des Schnittes, die erforderlich ist, um durch oder auf einen bestimmten Abstand innerhalb des Werkstücks 2200 zu schneiden), die dem Bearbeitungskopf 2030 an verschiedenen Bearbeitungspunkten oder über den Bearbeitungsweg präsentiert wird. So ist beispielsweise die Dicke des Werkstücks 2200, das dem Bearbeitungskopf 2030 auf der linken Seite von 22B präsentiert wird, größer als die auf der rechten Seite von 22B, z. B. aufgrund der Topologie der Oberfläche, und die Strahlform wird entsprechend angepasst. Der Bearbeitungskopf 2030 und/oder der Ausgangsstrahl müssen nicht neu positioniert werden, um einen gleichmäßigen Winkel zwischen dem Strahl und der Werkstückoberfläche zu erzeugen. Auf diese Weise können komplexe Robotik und/oder andere Ausrüstungen für die Winkelverstellung des Bearbeitungskopfes und die damit verbundenen Kosten und Komplexität vermieden werden.In various embodiments, as in 22B shown, the angle of the machining head 2030 (and thus the output beam) are kept constant (eg, substantially vertical), since the topology, thickness and / or surface angle of the workpiece 2200 during the relative movement between the beam and the workpiece 2200 changes, and the controller controls the beam shape according to the effective thickness of the workpiece 2200 (ie the depth of the cut, which is required to pass through or to a certain distance within the workpiece 2200 to cut), the machining head 2030 is presented at various processing points or via the processing path. For example, the thickness of the workpiece 2200 that the machining head 2030 on the left side of 22B is presented larger than the one on the right side of 22B, z , Due to the topology of the surface, and the beam shape is adjusted accordingly. The machining head 2030 and / or the output beam need not be repositioned to create a uniform angle between the beam and the workpiece surface. In this way complex robotic and / or other equipment for the angular adjustment of the machining head and the associated costs and complexity can be avoided.

In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird das Lasersystem zum Schweißen eines oder mehrerer Werkstücke verwendet, während die Notwendigkeit, den Ausgangsstrahl über die Oberfläche des/der Werkstück(e) zu scannen, minimiert oder weitgehend entfällt. 23A-23D stellen eine exemplarische Schweißfolge gemäß den Ausführungsformen der Erfindung dar. Wie dargestellt, wird eine Ausgangsstrahlform 2300 während einer Punktschweißung von einer größeren ringförmigen Form (23A) zu einem kleineren Ring (23B) zu einem größeren fokussierten Punkt (23C) zu einem kleineren fokussierten Punkt (23D) variiert, um zwei Werkstücke 2310, 2320 ohne die Notwendigkeit einer Relativbewegung zwischen dem Ausgangsstrahl und den Werkstücken miteinander zu verbinden. Auf diese Weise wird zwischen den beiden Werkstücken 2310, 2320 eine gleichmäßige Schweißnaht größer als die Punktgröße 2300 in 23D (und/oder mindestens so groß wie die Außengrenze der Punktgröße 2300 in 23A) gebildet, ohne dass der Strahl entlang seiner Oberfläche abgetastet wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung die Ausgangsleistung und/oder BPP des Strahls während des Schweißprozesses sowie die Form des Ausgangsstrahls variieren. So kann beispielsweise die Ausgangsleistung einer hoch fokussierten Strahlform reduziert werden, um die Ausgangsleistung eines stärker defokussierten und/oder ringförmigen Strahls im Wesentlichen anzupassen, um die Bildung von räumlich gleichmäßigen Schweißnähten zu erleichtern. Auf diese Weise können große, gleichmäßige Einzelschweißungen an einem Werkstück allein durch Änderung der Trägerform (und in einigen Ausführungsformen auch der Strahlleistung) erzeugt werden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, mehrere kleinere Punktschweißungen über die gleiche Fläche zu bilden (sowie die Notwendigkeit, das Werkstück für jede Schweißung relativ zum Träger zu bewegen). Obwohl die 23A-23D einen exemplarischen Punktschweißprozess darstellen, beinhalten die Ausführungsformen der Erfindung auch andere Verarbeitungstechniken und Schweißarten, z. B. Überlapp- und Punktschweißungen. Darüber hinaus können die verschiedenen Schweißschritte mit unterschiedlichen Strahlformen, wie in den 23A-23D dargestellt, in beliebiger Reihenfolge gemäß den Ausführungsformen der Erfindung durchgeführt werden. Während die 23A-23D eine Reihe von vier verschiedenen Strahlformen darstellen, die für eine Schweißnaht verwendet werden, können Ausführungsformen der Erfindung beim Schweißen eines Werkstücks zwei, drei oder mehr als vier verschiedene Strahlformen verwenden.In various embodiments of the invention, the laser system is used to weld one or more workpieces while minimizing or largely eliminating the need to scan the output beam across the surface of the workpiece (s). 23A-23D illustrate an exemplary welding sequence according to embodiments of the invention. As shown, an output beam shape becomes 2300 during a spot weld of a larger annular shape ( 23A) to a smaller ring ( 23B) to a larger focused point ( 23C) to a smaller focused point ( 23D) varies to two workpieces 2310 . 2320 without the need for a relative movement between the output beam and the workpieces to connect together. In this way, between the two workpieces 2310 . 2320 a uniform weld larger than the dot size 2300 in 23D (and / or at least as large as the outer limit of the point size 2300 in 23A) formed without the beam is scanned along its surface. In various embodiments, the controller may vary the output power and / or BPP of the beam during the welding process as well as the shape of the output beam. For example, the output power of a highly focused beam shape can be reduced to substantially match the output of a more defocused and / or annular beam to facilitate the formation of spatially uniform welds. In this way, large, uniform single welds on a workpiece can be created solely by changing the beam shape (and in some embodiments also the beam power), thereby eliminating the need to form multiple smaller spot welds over the same area (as well as the need to weld the workpiece) to move each weld relative to the carrier). Although the 23A-23D illustrate an exemplary spot welding process, the embodiments of the invention also include other processing techniques and types of welding, e.g. B. Overlap and spot welds. In addition, the different welding steps with different beam shapes, as in the 23A-23D shown in any order according to embodiments of the invention. While the 23A-23D illustrate a series of four different beam shapes used for a weld, embodiments of the invention may use two, three, or more than four different beam shapes when welding a workpiece.

Die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es besteht bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke nicht die Absicht, gleichwertige der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Änderungen im Rahmen der beanspruchten Erfindung möglich sind.The terms and expressions used herein are for purposes of description and not limitation, and the use of such terms and expressions is not intended to preclude equivalent ones of the illustrated and described features or portions thereof, but it is recognized that various changes may occur in the context of the claimed invention are possible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 62362824 [0001]US 62362824 [0001]
  • US 15/261096 [0001]US 15/261096 [0001]
  • US 9335551 [0005]US 9335551 [0005]
  • US 6192062 [0017]US 6192062 [0017]
  • US 6208679 [0017]US 6,208,679
  • US 8670180 [0017]US 8670180 [0017]
  • US 8559107 [0017]US 8559107 [0017]
  • US 14676070 [0094]US 14676070 [0094]

Claims (46)

Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Veranlassen einer Relativbewegung zwischen einem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks, um einen Bearbeitungsweg zu definieren, wobei eine Dicke des Werkstücks entlang einer Richtung parallel zum Laserausgangsstrahl entlang des Bearbeitungsweges variiert, wobei der Laserausgangsstrahl die Oberfläche des Werkstücks entlang mindestens eines Teils des Bearbeitungsweges physisch verändert; und währenddessen, Ändern einer Form des Laserausgangsstrahls basierend zumindest teilweise auf der Dicke des Werkstücks.A method of machining a workpiece, the method comprising: Causing relative movement between a laser output beam and the surface of the workpiece to define a machining path, wherein a thickness of the workpiece varies along a direction parallel to the laser output beam along the machining path, the laser output beam physically modifying the surface of the workpiece along at least a portion of the machining path; and meanwhile, changing a shape of the laser output beam based at least in part on the thickness of the workpiece. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Form des Laserausgangsstrahls zwischen einem fokussierten Punkt und einem Ring variiert wird, wenn die Dicke des Werkstücks zunimmt.Method according to Claim 1 wherein the shape of the laser output beam is varied between a focused point and a ring as the thickness of the workpiece increases. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Werkstücks entlang der Richtung parallel zum Laserausgangsstrahl aufgrund einer Änderung eines Winkels zwischen dem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks zumindest teilweise variiert.Method according to Claim 1 wherein the thickness of the workpiece along the direction parallel to the laser output beam varies at least partially due to a change in an angle between the laser output beam and the surface of the workpiece. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Form des Laserausgangsstrahls geändert wird, während ein Winkel zwischen dem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen konstant gehalten wird.Method according to Claim 1 wherein the shape of the laser output beam is changed while keeping an angle between the laser output beam and the surface of the workpiece substantially constant. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Messen der Dicke des Werkstücks während der Relativbewegung zwischen dem Laserausgangsstrahl und der Oberfläche des Werkstücks.Method according to Claim 1 further comprising measuring the thickness of the workpiece during the relative movement between the laser output beam and the surface of the workpiece. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Form des Laserausgangsstrahls basierend auf einer Zusammensetzung des Werkstücks geändert wird.Method according to Claim 1 wherein the shape of the laser output beam is changed based on a composition of the workpiece. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgangsstrahl aus mehreren Wellenlängen besteht.Method according to Claim 1 , wherein the laser output beam consists of several wavelengths. System zum Bearbeiten eines Werkstücks, wobei das System Folgendes umfasst: einen Strahlenemitter zum Emittieren eines Laserausgangsstrahls; eine Positionierungsvorrichtung zum Verändern einer Position des Laserausgangsstrahls in Bezug auf das Werkstück; Mittel zum Ändern einer Form des Laserausgangsstrahls; und eine Steuerung, die mit der Positionierungsvorrichtung und den Formänderungsmitteln gekoppelt ist, um (i) das Betreiben des Strahlenemitters zu bewirken, dass der Laserausgangsstrahl einen Weg über mindestens einen Abschnitt des Werkstücks zurücklegt, um dessen Oberfläche physikalisch zu verändern, und (ii) die Form des Laserausgangsstrahls zumindest teilweise basierend auf einer Dicke des Werkstücks entlang des Weges zu ändern.A system for machining a workpiece, the system comprising: a beam emitter for emitting a laser output beam; a positioning device for changing a position of the laser output beam with respect to the workpiece; Means for changing a shape of the laser output beam; and a controller coupled to the positioning device and the shape changing means for causing (i) the beam emitter to operate such that the laser output beam travels a path over at least a portion of the workpiece to physically change its surface and (ii) the shape the laser output beam to change at least partially based on a thickness of the workpiece along the way. System nach Anspruch 8, wobei der Strahlenemitter einen Bearbeitungskopf umfasst, von dem der Laserausgangsstrahl emittiert wird, und die Formänderungseinrichtung (i) ein oder mehrere optische Elemente innerhalb des Bearbeitungskopfes und (ii) eine zweite Steuerung zum Ändern einer Position von mindestens einem der optischen Elemente innerhalb des Bearbeitungskopfes umfasst.System after Claim 8 wherein the beam emitter comprises a machining head from which the laser output beam is emitted, and the shape changing means comprises (i) one or more optical elements within the machining head and (ii) a second controller for changing a position of at least one of the optical elements within the machining head , System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung konfiguriert ist, eine Ausgangsleistung des Strahlenemitters entlang des Weges zu variieren.System after Claim 8 wherein the controller is configured to vary an output power of the beam emitter along the path. System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung konfiguriert ist, die Form des Laserausgangsstrahls basierend auf einer Zusammensetzung des Werkstücks zu variieren.System after Claim 8 wherein the controller is configured to vary the shape of the laser output beam based on a composition of the workpiece. System nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Datenbank, die eine Vielzahl von Datensätzen enthält, die jeweils eine Laserausgangsstrahlform mit Werkstückparametern in Beziehung setzen.System after Claim 8 and further comprising a database containing a plurality of data sets each relating a laser output beam shape to workpiece parameters. System nach Anspruch 12, wobei die Werkstückparameter eine Werkstückdicke und/oder eine Werkstückzusammensetzung umfassen.System after Claim 12 wherein the workpiece parameters include a workpiece thickness and / or a workpiece composition. System nach Anspruch 8, wobei der Strahlenemitter Folgendes umfasst: eine Strahlenquelle, die eine Vielzahl von diskreten Eingangsstrahlen emittiert; Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Eingangsstrahlen auf ein zerstreuendes Element; ein zerstreuendes Element zum Empfangen und Zerstreuen der empfangenen fokussierten Strahlen; und eine teilreflektierende Ausgangskupplung, die so positioniert ist, dass sie die zerstreuten Strahlen empfängt, einen Abschnitt der zerstreuten Strahlen als Laserausgangsstrahl durchlässt und einen zweiten Abschnitt der zerstreuten Strahlen zurück zum zerstreuenden Element reflektiert, wobei der Laserausgangsstrahl aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt ist.System after Claim 8 wherein the beam emitter comprises: a radiation source emitting a plurality of discrete input beams; Focusing optics for focusing the plurality of input beams onto a dispersive element; a dispersive element for receiving and dispersing the received focused beams; and a partially reflecting output clutch positioned to receive the scattered beams, pass a portion of the scattered beams as a laser output beam, and reflect a second portion of the scattered beams back to the dispersive element, the laser output beam being composed of a plurality of wavelengths. Verfahren zum Verbinden eine ersten und eines zweiten Werkstücks an einem Bearbeitungspunkt, wobei sich das erste und das zweite Werkstück überlappen und/oder an dem Bearbeitungspunkt nahe beieinander liegen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Fokussieren eines Laserausgangsstrahls in der Nähe des Bearbeitungspunkts, um einen Abschnitt des ersten und/oder des zweiten Werkstücks zu schmelzen, wodurch das erste und das zweite Werkstück miteinander verbunden werden; und währenddessen, ohne eine Relativbewegung zwischen dem Laseraustrittsstrahl und dem ersten und dem zweiten Werkstück zu verursachen, Verändern einer Form des Laseraustrittsstrahls.A method of joining a first and a second workpiece at a machining point, wherein the first and second workpiece overlap and / or are proximate to each other at the machining point, the method comprising: Focusing a laser output beam near the processing point to melt a portion of the first and / or second workpiece, thereby joining the first and second workpieces; and meanwhile, without causing relative movement between the laser exit beam and the first and second workpieces, changing a shape of the laser exit beam. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Form des Laserausgangsstrahls zwischen einem fokussierten Punkt und einem Ring variiert wird.Method according to Claim 15 wherein the shape of the laser output beam is varied between a focused point and a ring. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Laserausgangsstrahl aus mehreren Wellenlängen besteht.Method according to Claim 15 , wherein the laser output beam consists of several wavelengths. Verfahren zum Verbinden eines ersten und eines zweiten Werkstücks mit einer Schweißnaht mit einer räumlichen Ausdehnung, die größer als die minimale Punktgröße ist, unter Verwendung eines auf eine minimale Punktgröße fokussierbaren Laserausgangsstrahls, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Fokussieren des Laserausgangsstrahls auf das erste und/oder das zweite Werkstück, um dessen Schmelzen zu bewirken; und ohne eine Relativbewegung zwischen dem Laseraustrittsstrahl und dem ersten und dem zweiten Werkstück zu verursachen, Variieren einer Form des Laseraustrittsstrahls, um eine Größe der Schweißnaht zu vergrößern.A method of joining a first and a second workpiece to a weld having a spatial extent greater than the minimum dot size using a laser output beam focusable to a minimum spot size, the method comprising: Focusing the laser output beam on the first and / or the second workpiece to effect its melting; and without causing relative movement between the laser exit beam and the first and second workpieces, varying a shape of the laser exit beam to increase a size of the weld. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Form des Laserausgangsstrahls zwischen einem fokussierten Punkt und einem Ring variiert wird.Method according to Claim 18 wherein the shape of the laser output beam is varied between a focused point and a ring. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Laserausgangsstrahl aus mehreren Wellenlängen besteht.Method according to Claim 18 , wherein the laser output beam consists of several wavelengths. System zum Bearbeiten eines Werkstücks, wobei das System Folgendes umfasst: einen Strahlenemitter; eine Positionierungsvorrichtung zum Variieren einer Position eines Strahls des Strahlenemitters in Bezug auf das Werkstück; einen variablen Polarisator zum Variieren einer Polarisation des Strahls; einen Strahlenformer zum Variieren einer Form des Trägers; und eine Steuerung, die mit der Positionierungsvorrichtung, dem Polarisator und dem Strahlenformer gekoppelt ist, um den Strahlenemitter zu betreiben, zu bewirken, dass der Strahl einen Weg über mindestens einen Abschnitt des Werkstücks zur Bearbeitung desselben zurücklegt und die Polarisation und/oder Form des Strahls entlang des Weges variiert, basierend zumindest teilweise auf einer oder mehreren Eigenschaften des Werkstücks.A system for machining a workpiece, the system comprising: a radiation emitter; a positioning device for varying a position of a beam of the beam emitter relative to the workpiece; a variable polarizer for varying a polarization of the beam; a beam former for varying a shape of the carrier; and a controller coupled to the positioning device, the polarizer, and the beamformer for operating the beam emitter, causing the beam to traverse a path across at least a portion of the workpiece for processing thereof, and along the polarization and / or shape of the beam varies based at least in part on one or more properties of the workpiece. System nach Anspruch 21, wobei die Steuerung konfiguriert ist, eine lineare Polarisation des Strahls aufrechtzuerhalten, die eine Polarisationsrichtung aufweist, die ungefähr parallel zum Weg verläuft, während der Strahl den Weg durchläuft.System after Claim 21 wherein the controller is configured to maintain a linear polarization of the beam having a polarization direction that is approximately parallel to the path as the beam traverses the path. System nach Anspruch 21, wobei die Steuerung konfiguriert ist, eine Exzentrizität der Polarisation des Strahls basierend zumindest teilweise auf einer Dicke des Werkstücks zu variieren.System after Claim 21 wherein the controller is configured to vary an eccentricity of the polarization of the beam based at least in part on a thickness of the workpiece. System nach Anspruch 21, wobei die Steuerung konfiguriert ist, die Polarisation des Strahls zwischen einem linearen Polarisationszustand und einem radialen Polarisationszustand zu variieren.System after Claim 21 wherein the controller is configured to vary the polarization of the beam between a linear polarization state and a radial polarization state. System nach Anspruch 21, wobei der variable Polarisator eine Wellenplatte und ein Rotationselement umfasst, wobei das Rotationselement von der Steuerung betätigt wird.System after Claim 21 wherein the variable polarizer comprises a wave plate and a rotary member, the rotary member being actuated by the controller. System nach Anspruch 25, wobei die Wellenplatte eine Halbwellenplatte und/oder eine Viertelwellenplatte umfasst.System after Claim 25 wherein the wave plate comprises a half wave plate and / or a quarter wave plate. System nach Anspruch 25, wobei der Strahl linear polarisiert ist und die Steuerung das Rotationselement betätigt, um eine Polarisationsrichtung parallel zum Weg aufrechtzuerhalten. System after Claim 25 wherein the beam is linearly polarized and the controller operates the rotating member to maintain a direction of polarization parallel to the path. System nach Anspruch 21, wobei der variable Polarisator eine Kompensatorplatte, einen festen doppelbrechenden Keil, der über der Kompensatorplatte angeordnet ist, einen beweglichen doppelbrechenden Keil, der über dem festen doppelbrechenden Keil angeordnet ist, und ein Verlagerungselement umfasst, wobei das Verlagerungselement von der Steuerung betätigt wird.System after Claim 21 wherein the variable polarizer comprises a compensator plate, a solid birefringent wedge disposed over the compensator plate, a movable birefringent wedge disposed over the fixed birefringent wedge, and a displacement element, the displacement element being actuated by the controller. System nach Anspruch 21, wobei der variable Polarisator einen radialen Polarisationswandler umfasst.System after Claim 21 wherein the variable polarizer comprises a radial polarization converter. System nach Anspruch 21, ferner Folgendes umfassend: einen Speicher, der der Steuerung zugänglich ist, zum Speichern von Daten, die dem Weg entsprechen; und eine Datenbank zum Speichern von Polarisationsdaten für eine Vielzahl von Materialien, wobei die Steuerung konfiguriert ist, die Datenbank abzufragen, um die Polarisationsdaten für ein Material des Werkstücks zu erhalten und die Polarisation des Strahls zumindest teilweise basierend auf den Polarisationsdaten zu variieren.System after Claim 21 , further comprising: a memory accessible to the controller for storing data corresponding to the path; and a database for storing polarization data for a plurality of materials, wherein the controller is configured to query the database to obtain the polarization data for a material of the workpiece and to vary the polarization of the beam based at least in part on the polarization data. System nach Anspruch 21, wobei der Weg mindestens eine Richtungsänderung beinhaltet.System after Claim 21 , where the path includes at least one change of direction. System nach Anspruch 21, wobei der Strahlenemitter Folgendes umfasst: eine Strahlenquelle, die eine Vielzahl von diskreten Eingangsstrahlen emittiert; Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Eingangsstrahlen auf ein zerstreuendes Element; ein zerstreuendes Element zum Empfangen und Zerstreuen der empfangenen fokussierten Strahlen; und eine teilreflektierende Ausgangskupplung, die so positioniert ist, dass sie die zerstreuten Strahlen empfängt, einen Abschnitt der zerstreuten Strahlen als Strahl des Strahlenemitters durchlässt und einen zweiten Abschnitt der zerstreuten Strahlen zurück zum zerstreuenden Element reflektiert, wobei der Strahl des Strahlenemitters aus mehreren Wellenlängen besteht.System after Claim 21 wherein the beam emitter comprises: a radiation source emitting a plurality of discrete input beams; Focusing optics for focusing the plurality of input beams onto a dispersive element; a dispersive element for receiving and dispersing the received focused beams; and a partially reflecting output clutch positioned to receive the scattered beams, transmit a portion of the scattered beams as a beam of the beam emitter, and reflect a second portion of the scattered beams back to the dispersive element, the beam of the beam emitter being of multiple wavelengths. System nach Anspruch 21, wobei der Strahlenformer Folgendes umfasst: eine Kollimatorlinse zum Kollimieren eines von dem Strahlenemitter empfangenen Strahls; eine Fokussierlinse zum Empfangen des kollimierten Strahls und zum Fokussieren des Strahls auf das Werkstück; zwischen der Strahlenquelle und der Kollimatorlinse angeordnet, ein optisches Element zur Aufnahme des Strahls und zur Änderung seiner Form; und ein Linsenmanipulationssystem zum Ändern einer Position des optischen Elements innerhalb eines Strahlenganges, wobei die Steuerung konfiguriert ist, das Linsenmanipulationssystem zu steuern, um die Form des Strahls zu variieren.System after Claim 21 wherein the beamformer comprises: a collimator lens for collimating a beam received from the beam emitter; a focusing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam onto the workpiece; disposed between the radiation source and the collimator lens, an optical element for receiving the beam and changing its shape; and a lens manipulation system for changing a position of the optical element within a beam path, wherein the controller is configured to control the lens manipulation system to vary the shape of the beam. System nach Anspruch 33, wobei das optische Element eine Linse umfasst, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kegelstumpfes und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist.System after Claim 33 wherein the optical element comprises a lens having (i) a first surface in the shape of a truncated cone and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar. System nach Anspruch 33, wobei das optische Element eine Linse umfasst, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kugelsegments und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist.System after Claim 33 wherein the optical element comprises a lens having (i) a first surface in the form of a spherical segment and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar. System nach Anspruch 33, wobei das optische Element eine Meniskuslinse umfasst.System after Claim 33 wherein the optical element comprises a meniscus lens. System nach Anspruch 33, wobei das Linsenmanipulationssystem konfiguriert ist, das optische Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren.System after Claim 33 wherein the lens manipulation system is configured to position the optical element transverse to the center within the beam path. System nach Anspruch 33, ferner umfassend ein zweites optisches Element, das zwischen der Fokussierlinse und dem Werkstück angeordnet ist, wobei das Linsenbearbeitungssystem konfiguriert ist, eine Position des zweiten optischen Elements innerhalb des Strahlenganges zu ändern.System after Claim 33 further comprising a second optical element disposed between the focusing lens and the workpiece, wherein the lens processing system is configured to change a position of the second optical element within the beam path. System nach Anspruch 38, wobei das zweite optische Element eine Linse umfasst, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kegelstumpfes und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist. System after Claim 38 wherein the second optical element comprises a lens having (i) a first surface in the shape of a truncated cone and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar. System nach Anspruch 38, wobei das zweite optische Element eine Linse umfasst, die (i) eine erste Oberfläche mit der Form eines Kugelsegments und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen planar ist.System after Claim 38 wherein the second optical element comprises a lens having (i) a first surface in the form of a spherical segment and (ii) opposite the first surface a second surface which is substantially planar. System nach Anspruch 38, wobei das zweite optische Element eine Meniskuslinse umfasst.System after Claim 38 wherein the second optical element comprises a meniscus lens. System nach Anspruch 21, wobei der Strahlenformer Folgendes umfasst: eine Kollimatorlinse zum Kollimieren eines von dem Strahlenemitter empfangenen Strahls; eine Fokussierlinse zum Empfangen des kollimierten Strahls und zum Fokussieren des Strahls auf das Werkstück; zwischen der Strahlenquelle und der Kollimatorlinse angeordnet, ein erstes und ein zweites optisches Element zum Aufnehmen des Strahls und zum Ändern seiner Form; und ein Linsenbearbeitungssystem zum Ändern (i) einer Position des ersten optischen Elements innerhalb eines Strahlenganges, (ii) einer Position des zweiten optischen Elements innerhalb des Strahlenganges und/oder (iii) eines Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element, wobei die Steuerung konfiguriert ist, das Linsenmanipulationssystem zu steuern, um die Form des Strahls zu variieren.System after Claim 21 wherein the beamformer comprises: a collimator lens for collimating a beam received from the beam emitter; a focusing lens for receiving the collimated beam and focusing the beam onto the workpiece; disposed between the radiation source and the collimator lens, first and second optical elements for receiving the beam and changing its shape; and a lens processing system for changing (i) a position of the first optical element within a beam path, (ii) a position of the second optical element within the beam path, and / or (iii) a distance between the first and second optical elements is configured to control the lens manipulation system to vary the shape of the beam. System nach Anspruch 42, wobei (i) das erste optische Element eine doppeltkonkave Axiconlinse und (ii) das zweite optische Element eine doppelkonvexe Axiconlinse umfasst.System after Claim 42 wherein (i) the first optical element comprises a double concave axicon lens and (ii) the second optical element comprises a double convex axicon lens. System nach Anspruch 42, wobei das Linsenmanipulationssystem konfiguriert ist, den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Element im Bereich von etwa 0 mm bis etwa 20 mm zu ändern.System after Claim 42 wherein the lens manipulation system is configured to change the distance between the first and second optical elements in the range of about 0 mm to about 20 mm. System nach Anspruch 42, wobei: das erste optische Element eine Linse umfasst, die (i) eine erste Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, mit (a) einem ersten Abschnitt, der konvex gekrümmt ist, und (b) einem zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist; und das zweite optische Element eine Linse umfasst, die (i) eine erste Oberfläche, die im Wesentlichen plan ist, und (ii) gegenüber der ersten Oberfläche eine zweite Oberfläche aufweist, die (a) einen ersten Abschnitt, der konkav gebogen ist, und (b) einen zweiten Abschnitt, der im Wesentlichen plan ist, aufweist.System after Claim 42 wherein: the first optical element comprises a lens having (i) a first surface that is substantially planar and (ii) a second surface opposite the first surface, having (a) a first portion that is convexly curved and (b) a second portion that is substantially planar; and the second optical element comprises a lens having (i) a first surface that is substantially planar, and (ii) a second surface opposite the first surface that (a) has a first portion that is concavely curved, and (b) has a second portion that is substantially planar. System nach Anspruch 42, wobei das Linsenmanipulationssystem konfiguriert ist, das erste optische Elemente und/oder das zweite optische Element quer zur Mitte innerhalb des Strahlenganges zu positionieren.System after Claim 42 wherein the lens manipulation system is configured to position the first optical element and / or the second optical element transversely of the center within the beam path.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020201578A1 (en) * 2019-04-04 2020-10-08 Baosteel Tailored Blanks Gmbh Method for the fusion welding of one or more steel sheets of press-hardenable steel
RU2787826C1 (en) * 2019-04-04 2023-01-12 Баостил Тейлорд Блэнкс Гмбх Method for fusion welding of one or multiple steel sheets made of press-quenched steel

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110614446A (en) * 2019-09-24 2019-12-27 上海精测半导体技术有限公司 Cutting equipment and cutting method
CN114633018A (en) * 2020-12-16 2022-06-17 阳程科技股份有限公司 Optical lens module for optical axis inclination processing

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6192062B1 (en) 1998-09-08 2001-02-20 Massachusetts Institute Of Technology Beam combining of diode laser array elements for high brightness and power
US6208679B1 (en) 1998-09-08 2001-03-27 Massachusetts Institute Of Technology High-power multi-wavelength external cavity laser
US8559107B2 (en) 2010-03-05 2013-10-15 TeraDiode, Inc. Scalable wavelength beam combining system and method
US8670180B2 (en) 2010-03-05 2014-03-11 TeraDiode, Inc. Wavelength beam combining laser with multiple outputs
US9335551B2 (en) 2012-11-28 2016-05-10 TeraDiode, Inc. Welding techniques using multi-wavelength beam combining systems

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0627643B1 (en) * 1993-06-03 1999-05-06 Hamamatsu Photonics K.K. Laser scanning optical system using axicon
US6469275B2 (en) * 1999-01-20 2002-10-22 Lsp Technologies, Inc Oblique angle laser shock processing
DE59900005D1 (en) * 1999-01-28 2000-06-15 Leister Process Technologies S Laser joining method and device for connecting various workpieces made of plastic or plastic with other materials
JP2000263257A (en) * 1999-03-15 2000-09-26 Hitachi Cable Ltd Laser beam cleaving method of non-metal material and device therefor
JP3722731B2 (en) * 2000-09-13 2005-11-30 浜松ホトニクス株式会社 Laser processing method
US7164152B2 (en) * 2003-09-16 2007-01-16 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Laser-irradiated thin films having variable thickness
JP2005230834A (en) * 2004-02-18 2005-09-02 Campus Create Co Ltd Machining method and machining device using laser beam
JP4350558B2 (en) * 2004-03-09 2009-10-21 三菱電機株式会社 Laser beam optical system and laser processing apparatus
JP2005314198A (en) * 2004-04-26 2005-11-10 Lemi Ltd Laser apparatus for cutting glass
JP2006061954A (en) * 2004-08-27 2006-03-09 Sony Corp Substrate working device and substrate working method
JP4753048B2 (en) * 2007-04-16 2011-08-17 トヨタ自動車株式会社 Laser welding method for stacked workpieces
US8053704B2 (en) * 2008-05-27 2011-11-08 Corning Incorporated Scoring of non-flat materials
FR2935916B1 (en) * 2008-09-12 2011-08-26 Air Liquide METHOD AND INSTALLATION FOR LASER CUTTING WITH MODIFICATION OF THE QUALITY FACTOR OF THE LASER BEAM
JP2012094591A (en) * 2010-10-25 2012-05-17 Disco Abrasive Syst Ltd Processing method of veer hole and laser processing device
EP2478990B1 (en) * 2011-01-21 2019-04-17 Leister Technologies AG Method for adjusting a laser light spot for laser processing of workpieces and laser assembly for carrying out the method
JP2011119026A (en) * 2011-03-22 2011-06-16 Panasonic Corp Optical pickup device and objective lens used for the same
US9339890B2 (en) * 2011-12-13 2016-05-17 Hypertherm, Inc. Optimization and control of beam quality for material processing
US9221118B2 (en) * 2012-07-26 2015-12-29 General Electric Company Adaptive control hybrid welding system and methods of controlling
KR20150110707A (en) * 2013-02-04 2015-10-02 뉴포트 코포레이션 Method and apparatus for laser cutting transparent and semitransparent substrates
JP5998968B2 (en) * 2013-02-04 2016-09-28 旭硝子株式会社 Glass substrate cutting method, glass substrate and near infrared cut filter glass
DE102014200633B3 (en) * 2014-01-15 2015-05-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Machining apparatus and method for laser processing a surface
US9889524B2 (en) * 2014-03-05 2018-02-13 TeraDiode, Inc. Polarization-adjusted beam operation for materials processing
US9429849B2 (en) * 2014-03-07 2016-08-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Adjusting method of pattern transferring plate, laser application machine and pattern transferring plate
DE102014108259A1 (en) * 2014-06-12 2015-12-17 Scanlab Ag Device for laser material processing

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6192062B1 (en) 1998-09-08 2001-02-20 Massachusetts Institute Of Technology Beam combining of diode laser array elements for high brightness and power
US6208679B1 (en) 1998-09-08 2001-03-27 Massachusetts Institute Of Technology High-power multi-wavelength external cavity laser
US8559107B2 (en) 2010-03-05 2013-10-15 TeraDiode, Inc. Scalable wavelength beam combining system and method
US8670180B2 (en) 2010-03-05 2014-03-11 TeraDiode, Inc. Wavelength beam combining laser with multiple outputs
US9335551B2 (en) 2012-11-28 2016-05-10 TeraDiode, Inc. Welding techniques using multi-wavelength beam combining systems

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020201578A1 (en) * 2019-04-04 2020-10-08 Baosteel Tailored Blanks Gmbh Method for the fusion welding of one or more steel sheets of press-hardenable steel
RU2787826C1 (en) * 2019-04-04 2023-01-12 Баостил Тейлорд Блэнкс Гмбх Method for fusion welding of one or multiple steel sheets made of press-quenched steel

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