DE112017003592T5 - Material processing using a laser with variable beam shape - Google Patents
Material processing using a laser with variable beam shape Download PDFInfo
- Publication number
- DE112017003592T5 DE112017003592T5 DE112017003592.9T DE112017003592T DE112017003592T5 DE 112017003592 T5 DE112017003592 T5 DE 112017003592T5 DE 112017003592 T DE112017003592 T DE 112017003592T DE 112017003592 T5 DE112017003592 T5 DE 112017003592T5
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- workpiece
- optical element
- lens
- laser
- laser output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 68
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 291
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 137
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 58
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 45
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims description 29
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 26
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 6
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 45
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 27
- 230000006870 function Effects 0.000 description 36
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 35
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 27
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 24
- 238000013461 design Methods 0.000 description 20
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 20
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 description 19
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 19
- 229940063789 zinc sulfide Drugs 0.000 description 19
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 description 16
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 12
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 description 5
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 3
- 230000002051 biphasic effect Effects 0.000 description 3
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 208000008918 voyeurism Diseases 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000700608 Sagitta Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 238000005493 welding type Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/073—Shaping the laser spot
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/073—Shaping the laser spot
- B23K26/0734—Shaping the laser spot into an annular shape
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
- G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/30—Polarising elements
- G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
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
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
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
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
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 von8A erzeugt wird; -
8E ein Diagramm der Bestrahlungsstärke als Funktion der Position für das in4D 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 der9 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erzeugt wird; -
11D ein Diagramm der Bestrahlungsstärke als Funktion der Position für das in11C 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 und12C 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 und16C 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 von18A 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 von18A 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 von18D 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 und22B 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.
-
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 of8A is produced; -
8E a graph of irradiance as a function of position for the in4D 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 of9 is generated according to various embodiments of the invention; -
11D a graph of irradiance as a function of position for the in11C 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 and12C 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 and16C 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 of18A 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 of18A 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 of18D 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 and22B 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
Ein optimales Verhalten für das exemplarische System ist in
Ein repräsentatives System zur Durchführung von Polarisationsschwankungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist in den
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
In einer Ausführungsform, die in den
In einer Ausführungsform, die in den
In einer weiteren Ausführungsform, die in den
Die Bewegung des Radialpolarisationswandlers
Die Steuerung
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.
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.
Die Positionen des ersten optischen Elements
Tabelle 1 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente
Ein maßgeschneidertes Strahlprofil, das zwei Spitzen in einer Achse aufweist, kann erhalten werden, indem das optische Element
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
Tabelle 2 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente
In den
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
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.
Tabelle 3 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente
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
Tabelle 4 enthält exemplarische Auslegungswerte für exemplarische optische Elemente
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.
Triplett-Kollimatoren zur Erhöhung der Strahlabweichung gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können aus verschiedenen Kombinationen von Linsen bestehen.
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.
Das Lasersystem
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
In verschiedenen Ausführungsformen, wie in
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.
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
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
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)
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201662362824P | 2016-07-15 | 2016-07-15 | |
US62/362,824 | 2016-07-15 | ||
US15/261,096 US11204506B2 (en) | 2014-03-05 | 2016-09-09 | Polarization-adjusted and shape-adjusted beam operation for materials processing |
US15/261,096 | 2016-09-09 | ||
PCT/US2017/042089 WO2018013901A2 (en) | 2016-07-15 | 2017-07-14 | Material processing utilizing a laser having a variable beam shape |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE112017003592T5 true DE112017003592T5 (en) | 2019-03-28 |
Family
ID=60953351
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE112017003592.9T Pending DE112017003592T5 (en) | 2016-07-15 | 2017-07-14 | Material processing using a laser with variable beam shape |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
JP (2) | JP6783374B2 (en) |
CN (1) | CN109791303A (en) |
DE (1) | DE112017003592T5 (en) |
WO (1) | WO2018013901A2 (en) |
Cited By (2)
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)
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)
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)
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 |
-
2017
- 2017-07-14 JP JP2019501655A patent/JP6783374B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2017-07-14 DE DE112017003592.9T patent/DE112017003592T5/en active Pending
- 2017-07-14 WO PCT/US2017/042089 patent/WO2018013901A2/en active Application Filing
- 2017-07-14 CN CN201780043627.7A patent/CN109791303A/en active Pending
-
2020
- 2020-10-21 JP JP2020176654A patent/JP7098696B2/en active Active
Patent Citations (5)
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)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7098696B2 (en) | 2022-07-11 |
JP2021007985A (en) | 2021-01-28 |
CN109791303A (en) | 2019-05-21 |
JP6783374B2 (en) | 2020-11-11 |
JP2019523137A (en) | 2019-08-22 |
WO2018013901A2 (en) | 2018-01-18 |
WO2018013901A3 (en) | 2018-07-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20220137421A1 (en) | Polarization-adjusted and shape-adjusted beam operation for materials processing | |
US11780029B2 (en) | Material processing utilizing a laser having a variable beam shape | |
DE112016002870T5 (en) | Optical element arrangements for modifying the beam parameter product in laser delivery systems | |
DE112017001892B4 (en) | Laser system with optical fiber structures and method for varying laser beam profiles | |
DE60205991T2 (en) | Laser beam guidance system with drilling module | |
EP1220734B1 (en) | Device with at least one light source, comprising several individual light sources | |
DE112017005370T5 (en) | Laser systems with fiber bundles for power output and beam switching | |
DE10193737B4 (en) | Laser processing device | |
EP3774157B1 (en) | Laser processing machine and method for machining a workpiece | |
DE4328894C2 (en) | Laser processing device and associated method | |
EP0823144B1 (en) | Device for forming and guiding the radiation field of one or several solid sate and/or semiconductor lasers | |
DE112017003559T5 (en) | Laser processing device | |
DE102015116033A1 (en) | Laser processing device capable of enlarging the diameter of the focused beam | |
EP3250958B1 (en) | Device for machining material by means of laser radiation | |
EP3408050B1 (en) | Apparatus and method for thermal processing | |
EP0835715A1 (en) | Apparatus and method for laser processing a workpiece by means of a diode laser | |
DE112013005773T5 (en) | Semiconductor laser device | |
DE4009089A1 (en) | MULTI-FIBER HOLDER FOR OUTPUT COUPLERS AND METHOD FOR THE USE THEREOF | |
DE112018000545T5 (en) | LASER SYSTEMS USING GLASS FIBERS WITH CELL CORE FOR BEAM LAYERING | |
EP1531963A1 (en) | Beam formation unit comprising two axicon lenses, and device comprising one such beam formation unit for introducing radiation energy into a workpiece consisting of a weakly-absorbent material | |
DE102016107595B4 (en) | Beam shaping optics for material processing by means of a laser beam and device with the same | |
WO2009068192A1 (en) | Beam forming device | |
DE19846532C1 (en) | Apparatus used for high performance diode lasers comprises an optical transformation device for dividing the laser beam into a number of partial beams | |
DE112017003592T5 (en) | Material processing using a laser with variable beam shape | |
EP2596899A2 (en) | Method and device for the interference structuring of flat samples |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G02B0027280000 Ipc: B23K0026080000 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: PANASONIC CORPORATION OF NORTH AMERICA (N.D.GE, US Free format text: FORMER OWNER: TERADIODE, INC., WILMINGTON, MA, US |