JP2021519215A - ワークピースを加工するための装置、レーザー加工機および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのレーザービーム（９）によってワークピースを加工するための装置、特にレーザー加工ヘッド（４）に関し、この装置は、少なくとも１つの複屈折ビームスプリッタ要素（１０）と集束光学系（１６）とを含んでおり、複屈折ビームスプリッタ要素は、複屈折ビームスプリッタ要素（１０）のビーム入射面（１２）に入射する少なくとも１つのレーザービーム（９）を２つの部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）に分割し、複屈折ビームスプリッタ要素（１０）は、ビーム入射面（１２）に対して非平行に配向されている、２つの部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）の出射のためのビーム出射面（１３）を有しており、集束光学系は、部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）を、焦点面（２ａ）における少なくとも２つの焦点表面領域（Ｆ１，Ｆ２）に集束させ、ビームスプリッタ要素（１０）のビーム入射面（１２）および有利にはビーム出射面（１３）は、集束光学系（１６）の光軸（１５）に対して斜めに配向されている。この装置は、レーザービーム（９）を、ビーム入射面（１２）に対して垂直に、複屈折ビームスプリッタ要素（１０）に放射するように構成されている。本発明は、レーザー加工機もしくはレーザー加工ヘッド（４）によってワークピースを加工する、特にレーザー切断するための属する方法にも関する。

Description

本発明は、少なくとも１つのレーザービームによってワークピースを加工するための装置、特にレーザー加工ヘッドに関し、この装置は、少なくとも１つの複屈折ビームスプリッタ要素と集束光学系とを含んでおり、複屈折ビームスプリッタ要素は、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面に入射するレーザービームを２つの部分ビームに分割し、複屈折ビームスプリッタ要素は、ビーム入射面に対して非平行に配向されている、２つの部分ビームの出射のためのビーム出射面を有しており、集束光学系は、これらの部分ビームを、焦点面における少なくとも２つの焦点表面領域に集束させ、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面および有利にはビーム出射面も、集束光学系の光軸に対して斜めに（すなわち、垂直でも、平行でもなく）配向されている。本発明はこのような装置、特にこのようなレーザー加工ヘッドを備えるレーザー加工機およびワークピースを加工する、特にレーザー切断するための属する方法にも関する。

レーザーによる材料加工には、さまざまなレーザービーム源が使用される。長い間、金属材料のレーザー切断には、主に、レーザー波長が約１０μｍのＣＯ_２レーザーが使用されていた。しかし、近年、特にワークピースが薄い場合の可能な切断速度が速くなり、かつエネルギー効率が向上しているので、レーザー波長が１μｍの範囲の固体レーザーがますます重要になっている。

しかし、１０μｍのレーザー波長を使用した場合と比較して、１μｍの場合の切断結果では、切断エッジの粗さ、線条の形成およびバリの形成が大きくなることがよくある。これらの作用は、薄板が厚くなるにつれて強くなる。

切断エッジの質を改良するために、固体レーザービームの偏光に所期のように影響を与えることが提案されている。たとえば、国際公開第２０１００１６０２８号には、ラジアル偏光されたレーザービームがレーザー切断に有利であることが記載されている。ラジアル偏光されたレーザービームを生成するために、この文献では、レーザー共振器において、方位偏光状態の可能な限り多くの割合を生成し、偏光装置によって方位偏光状態をラジアル偏光状態に変換することが提案されている。しかし、固体レーザーによって生成されたレーザービームは、通常、レーザービームの偏光状態を維持しない搬送ファイバーに導かれるので、搬送ファイバーの後に、ランダムに偏光されているレーザービームが存在する。このレーザービームは、さまざまな光学部品を使用して、ラジアル偏光されたビームに変換されなければならず、これには出力の損失が伴うことがよくある。

欧州特許第２５８００１９号明細書では、レーザー切断時にレーザービームを少なくとも２つのラジアル偏光された部分ビームによって形成することが提案される。これらの部分ビームは、送り方向において相互にオフセットされて、ワークピースに作用する。択一的に、レーザービームは、それぞれ異なる直線偏光を有する、送り方向に延在する複数のビームストリップを有することができる。しかし、レーザー切断機の加工ヘッド内に配置されている光学系を使用してこのようなレーザービームを生成するためには、典型的には同様に、直線偏光された入力ビームが必要である。

独国特許出願公開第１０２０１１１１６８３３号明細書には、ファイバーによって導かれた無偏光レーザービームの偏光を、放射方向で見て相互に横切っている２つの直線偏光方向に引き下げる手段を有するレーザー加工機が記載されている。このレーザー加工機は、ある実施例では、偏光ビームスプリッタ要素を含んでおり、この偏光ビームスプリッタ要素は、コリメートされたレーザービームを、ｐ直線偏光された部分ビームと、ｐ直線偏光された部分ビームに対して空間的にオフセットされて平行に延在するｓ直線偏光された部分ビームとに分割するように構成されている。

しかし、独国特許出願公開第１０２０１１１１６８３３号明細書において得られるビームのオフセットおよび加工の質への影響は小さいので、国際公開第２０１５／１２８８３３号では、偏光ビームオフセット要素を収束レーザービームセクションまたは拡散レーザービームセクションに配置することが提案される。この偏光ビームオフセット要素は、複屈折平行平面プレートとして形成されていてもよい。回転対称のビームプロファイルを生成するために、ビームオフセット要素が高い周波数で回転されてもよい。ワークピースを加工する際に、これら２つの部分ビームが、焦点面において、加工の送り方向に関して前後に配置されていてもよい。

欧州特許第２７２２１２７号明細書には、それぞれが直線偏光されたレーザービームを伝送する複数の光ファイバーが、１つまたは複数のリングの形状に配置されている装置を使用して、切断エッジの粗さを低減させることが提案される。ここでは、ファイバーからワークピースの方向へ出射するビームの偏光方向は、ラジアル方向に外側へ配向されている。このような装置には、偏光を維持する光ファイバーの使用が必要である。

国際公開第２０１５／１３０９２０号では、無偏光ビームが、ビームスプリッタ要素によって、相互に直線偏光された、非平行に伝播する２つの部分ビームに分割される。

さらに、欧州特許第２４６０６１４号明細書から、無偏光ビームを複屈折プリズムによって、相互に直線偏光された、相互にある角度で（平行にではなく）伝播する２つの部分ビームに分割することが知られている。これら２つの部分ビームは、１つまたは複数のビームスポットの対を形成するように、集束レンズの形態の集束光学系によって統合される。

発明の課題
これに対して、本発明の課題は、加工結果を改良するためにレーザービームの偏光に影響を与えることができる、少なくとも１つのレーザービームによってワークピースを加工するための択一的な装置、特にレーザー加工ヘッドを提供すること、ならびにワークピースを加工する、特にレーザー切断するための相応する方法を提供することである。

発明の構成要件
本発明では、上述の課題は、レーザービームを、ビーム入射面に対して垂直に、複屈折ビームスプリッタ要素に放射するように構成されている、冒頭で述べた様式の装置によって解決される。したがって、レーザービームは、集束光学系の光軸に対して平行にではなく、傾斜して、すなわち典型的に小さな角度で（ラジアル方向において、場合によっては方位方向においても、下記参照）、ビーム入射面へ入射する。

複屈折ビームスプリッタによって、ランダムに偏光されている、入射するレーザービームもしくは無偏光の入射するレーザービームが、相互に垂直な直線偏光を有する２つの部分ビームに分割される。これら２つの部分ビームは、入射するレーザービームのビーム軸線に対してある角度でビームスプリッタから出射する。後続の集束光学系（レンズ、レンズグループ、ミラー等）によって、これらの部分ビームは、たとえばワークピースの上面にある、またはワークピースの上面の近くにある、焦点面の２つの焦点表面領域（焦点スポット）に集束される。これによって、レーザービームの質が低下するが、比較的厚いワークピースの、特にレーザー切断の形態でのワークピース加工の場合、これは場合によってはいずれにせよ有利である。したがって、本発明の装置によって、切断エッジの質と切削速度とを同時に高めることができる。

ビーム出射面から出射する際の２つの部分ビーム間の角度差は、複屈折ビームスプリッタ要素に入射するレーザービームのビーム軸線に対して相対的に、これら２つの部分ビームが経験する偏向よりも格段に小さいので、本発明では、少なくとも１つの複屈折ビームスプリッタ要素、より正確には、そのビーム入射面およびそのビーム出射面の両方が、後続する集束光学系の光軸に対して９０°または１８０°に等しくない角度で配置される。

ビームスプリッタ要素に入射する、通常はランダムに偏光されているレーザービームもしくは無偏光レーザービームは、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面に対して垂直に、ひいては集束光学系の光軸に対して斜めに配向される。このために、この装置は、たとえば、レーザー光ガイドケーブルを結合する、集束光学系の光軸に対して傾斜して配向されたコネクターホルダーおよび／または装置に供給されるレーザービームの方向を変えるための透過性または反射性の光学要素、たとえば偏向ミラーを有することができる。以降に記載するビーム成形要素も、集束光学系の光軸に対して相対的に傾斜した、１つ／複数のレーザービームの配向のために使用され得る。したがってレーザービームは、集束光学系の光軸に対して平行にではなく、傾斜して、すなわちたとえば（石英製のビームスプリッタ要素の場合）約１０ｍｒａｄから約５００ｍｒａｄの角度で（ラジアル方向において、場合によっては方位方向においても、下記参照）、ビーム入射面へ入射する。本発明のこのような配向によって、正規の部分ビームと非正規の部分ビームとが、たとえば、集束光学系に対して対称的に偏向され得る。これによって、特にレーザー加工ヘッドの形態の装置のコンパクトな構造様式が可能になる。

ある実施形態では、複屈折ビームスプリッタ要素の複屈折材料の光軸は、ビーム入射面に対して平行に配向されている。ビームスプリッタ要素の光軸（結晶軸）をビーム入射面に対して平行にこのように配向する場合、正規の部分ビームと非正規の部分ビームとの間の角度差は、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム出射面から出射する際に最大になる。ビームスプリッタ要素の複屈折材料は、たとえば、光学的に一軸の複屈折結晶であってもよい。

結晶軸がこのように配向される場合、ランダムに偏光されているレーザービームが複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面に垂直に入射すると、レーザービームは、相互に垂直に偏光された２つの部分ビームに分割される。これらの部分ビームのポインティングベクトルは元来の方向を維持するが、これらの部分ビームの波動ベクトルは異なる値を有している。これによって、２つの部分ビームは、ビーム入射面に対して非平行に配向されているビーム出射面で異なる強さで屈折されるが、相互に空間的なオフセットは有していない。したがって、光軸の上述した配向は、２つの部分ビームが同じ箇所で、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム出射面から出射するという付加的な利点を有している。

ある実施形態では、２つの部分ビームは、０．２５ｍｒａｄから１０ｍｒａｄの差分角度で、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム出射面で出射する。２つの部分ビーム間の生じる角度差は、性能が有用な材料の場合は僅か数ｍｒａｄの範囲にあるので、そのために、他の適用の場合には、光軸の配向が異なる、典型的に２つのビームスプリッタ要素が接合される。これは装置の性能の有用性を著しく制限する。しかし本発明の場合、すなわちワークピースを加工する場合、このような角度差は、部分ビームが焦点面に集束される際に、１つまたは場合によっては複数の焦点表面領域の直径の大きさにおいて、焦点表面領域間の横方向のずれを生じさせるのに完全に充分である。

さらなる実施形態では、複屈折ビームスプリッタ要素は、石英、すなわちクォーツクリスタルから形成されている。石英は、高いビーム出力にも耐えることができる一軸結晶である。有利にはビームスプリッタ要素は、ビームスプリッタ要素の面が結晶の光軸に対して平行に延在するように、石英から切り取られる。このような面は典型的に、ビーム入射面である。ビーム出射面の面法線とビーム入射面の面法線との間の（ベベル）角度が適切に選択されると（下記参照）、複屈折材料として石英が使用されている場合には、上で示した大きさの角度差が生成され得る。

さらなる実施形態では、複屈折ビームスプリッタ要素は、ビーム出射面がベベル角度でビーム入射面の面法線に対して配向されているように構成されている。このベベル角度は有利には５０°から８９°、有利には６０°から８５°である。このような実施形態では、複屈折ビームスプリッタ要素は、実質的にくさび形に形成されていてもよく、この場合にはくさびの先端とは反対側を向く、ビームスプリッタ要素の端面は、ビーム入射面に対して直角に配向されていてもよい。ビーム出射面は、ビーム入射面に対して傾斜して配向されている。すなわち、これはベベルを形成し、ビーム入射面の面法線に対してある（ベベル）角度で配向されている。複屈折ビームスプリッタ要素の材料として石英が使用されている場合には、上で示した大きさの角度差を生成するために、ベベル角度は、上で示した値範囲内にあるべきである。たとえば、ベベル角度が８５°の石英から成るビームスプリッタ要素によって、約１ｍｒａｄの角度差が生成され得る。ビーム入射面とビーム出射面とが１つの面で相互に斜めになっている、したがってビーム入射面に対して垂直に入射するレーザービームと出射する２つの部分ビームとがこのような共通の面にあるビームスプリッタ要素の代わりに、ビーム入射面とビーム出射面とを付加的に第２の面において、相互に斜めにするもしくは傾けることも可能である。

さらなる実施形態では、複屈折ビームスプリッタ要素は、ビーム出射面から出射する第１の部分ビームの焦点表面領域と第２の部分ビームの焦点表面領域とが集束光学系の光軸から同じ距離にあるように構成され、集束光学系の光軸に対して配向されている。これを可能にするために、典型的に、複屈折ビームスプリッタのビーム入射面もビーム出射面も集束光学系の光軸に対して垂直に配向されていないことが必要である。集束光学系の光軸は、通常、ワークピースの表面に対して平行に延在する焦点面に対して平行に配向されている。レーザービームもしくはビーム入射面の面法線が集束光学系の光軸に対して有する角度を適切に選択することによって、ならびに複屈折ビームスプリッタ要素のベベル角度を適切に選択することによって、所与の複屈折材料の場合、正規の部分ビームと非正規の部分ビームとを、集束光学系の光軸に関して対称に偏向させることができ、したがって属する焦点表面領域は、集束光学系の光軸から同じ距離にある。最も単純なケースでは、２つの焦点表面領域に集束された２つの部分ビームは直線偏光方向を有しており、相互に垂直に偏光されている。

さらなる実施形態では、装置は、付加的に、少なくとも１つの偏光変更機器、たとえば偏光回転機器、特にλ／２プレートまたは光学的にアクティブな偏光回転子を含んでおり、これは、複屈折ビームスプリッタ要素から出射する部分ビームのビーム断面の少なくとも１つの部分領域、特に半分をカバーする。ビーム出射面から出射する２つの部分ビームの角度差が小さいため、これらは空間的に重畳されている。すなわち、個々の部分ビームごとに偏光方向を個別に変更すること、もしくは偏光方向を個別に回転させることを容易に行うことはできない。しかし、焦点面における所望の偏光、たとえばラジアル偏光を生成するために（下記参照）、（空間的に重畳された）部分ビームのビーム断面の部分領域において、（直線）偏光方向を、たとえば９０°、４５°ぶん回転させるのは有利であり得る。

偏光回転機器を、独自の光学要素として、たとえば、光軸が適切に配向されている場合に、任意の回転角度ぶんの偏光方向の回転を可能にするλ／２プレートとして実現することができる。しかし、偏光回転機器を、たとえば複屈折ビームスプリッタ要素または装置内に設けられている別の光学要素、たとえば幾何学的ビームスプリッタ（下記参照）の上に被着されている偏光回転コーティングの形態で形成することも可能である。

偏光回転機器は典型的に、部分ビームの直線偏光方向を回転させるのに用いられ、これによって焦点面において、各焦点表面領域で所望の（直線）偏光方向が生じる。しかし、択一的に、偏光変更機器が、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム出射面から出射する正規の部分ビームまたは非正規の部分ビームの典型的な直線偏光を、たとえばλ／４プレートを用いて、各焦点表面領域での楕円偏光に変換することも可能である。

さらなる実施形態では、装置は、付加的に、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム出射面から出射する部分ビームを少なくとも４つの部分ビームに分割する少なくとも１つの別のビームスプリッタ要素を含んでいる。焦点面に２つより多くの焦点表面領域を生成するために、ビーム路において、複屈折ビームスプリッタ要素の後ろに配置されている（少なくとも１つの）ビームスプリッタ要素によって、部分ビームの総数、ひいては焦点面における焦点表面領域の総数も増やすことができる。別のビームスプリッタ要素は、たとえばウェッジプレート等の形態の幾何学的ビームスプリッタであってもよく、これは、２つの部分ビームが空間的に重畳する領域において、複屈折ビームスプリッタ要素の後ろのビーム路に導入され得る。

ビームスプリッタ要素を、特に、たとえばλ／２プレートの形態の上述した偏光回転機器の後ろに、２つの部分ビームのビーム路内に配置することができる。偏光回転機器は、２つの部分ビームのビーム断面の半分で、偏光方向を９０°回転させる。偏光回転機器によって偏光方向が回転されたビーム断面の半分が、偏光方向が変更されなかったビーム断面の半分から離されるようにビームスプリッタ機器を配置することができ、これによって合計４つの部分ビームが生じる。

発展形態では、装置は付加的に、４つの部分ビームのビーム断面を完全にカバーする別の偏光回転機器、特に別のλ／２プレートを含んでいる。この別の偏光回転機器は、４つの部分ビームの直線偏光方向をそれぞれ４５°回転させることができる。これは、上述した偏光回転機器による偏光方向の回転と組み合わせて、４つの焦点表面領域で直線偏光方向のラジアル方向の配向を生成するのに有利である。

さらなる実施形態では、装置は、少なくとも２つ、特に少なくとも４つの部分ビームを焦点面に集束させるように構成されている。焦点面の焦点表面領域は、集束光学系の光軸に対してラジアル方向に配向されている直線偏光方向を有している。部分ビームのそのようなラジアル偏光を、たとえば、別のビームスプリッタ要素での部分ビームの分割を１つ／複数の上述した偏光回転機器と組み合わせることによって、生成することができる。

さらなる実施形態では、装置は、集束光学系の光軸に対してオフセットして配置されている複数の複屈折ビームスプリッタ要素を有しており、ここで複数の複屈折ビームスプリッタ要素は、集束光学系の光軸の周りに有利には環状に配置されている。焦点面における焦点表面領域の数を増やすために、別のビームスプリッタの使用（上記参照）に対して択一的または付加的に、複数の複屈折ビームスプリッタ要素を使用することができる。焦点面において部分ビームのラジアル偏光を生成するために、集束光学系の光軸の周りに複数の複屈折ビームスプリッタ要素を環状に配置することが有利であることが判明している。このために、くさび形のプリズムの形態の複屈折ビームスプリッタ要素を場合によっては、環状のファセットプレート（Ｆａｃｅｔｔｅｎｐｌａｔｔｅ）に組み合わせることができる。

発展形態では、集束光学系の光軸に対してオフセットして配置されている複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面は、集束光学系の光軸に向かって斜めにされている。これは、たとえば、複屈折ビームスプリッタ要素が環状に配置されている場合に、２つの部分ビームのうちの１つを内側へ、すなわち集束機器の光軸へ向かう方向に配向する、またはそれに対して平行に配向するのに有利である。ビームスプリッタ要素がそのように環状に配置されている場合には、各複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面の面法線は典型的に、集束光学系の光軸と交差する。

さらなる実施形態では、環状に配置されている複屈折ビームスプリッタ要素はそれぞれ、第２の（典型的には非正規の）部分ビームを生成し、焦点面における、第２の部分ビームの焦点表面領域は、集束光学系の光軸に対してラジアル方向に配向されている直線偏光方向を有しており、ここで複屈折ビームスプリッタ要素によって生成される第１の（典型的には正規の）部分ビームは、重畳している焦点表面領域に、特に、集束光学系の光軸の中心に配置されている共通の焦点表面領域に集束される。環状に配置されている複屈折ビームスプリッタ要素はたとえば、複屈折ファセットプレートにつなぎ合わされていてもよい。複屈折ファセットプレートは、第２の部分ビームが、ビーム路において後続する集束光学系を介して、焦点面において、中央の共通の焦点表面領域に集束されるように設計されていてもよい。複数の第２の部分ビームが重畳しているため、中央の焦点表面領域は、その周囲にラジアル方向に配置されている焦点表面領域よりも高いビーム強度を有している。直線偏光方向が異なって配向されている複数の焦点表面領域が重畳しているため、中央の焦点表面領域は（近似的に）ランダムに配向された偏光を有している。

以降に記載するように、焦点面における焦点表面領域のより複雑な、実質的に任意の配置、たとえば複数のストリップにおける焦点表面領域の配置を生成するためには、通常、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面が、集束光学系の光軸に対して単にラジアル角度で配向されている、すなわち、上述した例の場合に典型的であったように、入射するレーザービームと、出射する２つの部分ビームと、集束光学系の光軸とが共通の面に位置するのでは不十分である。

さらなる実施形態では、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面、したがってプリズム状の複屈折ビームスプリッタ要素の場合にはビーム出射面も、付加的に、集束光学系の光軸に関して方位方向において斜めにされている。このような場合には、ビーム入射面に入射するレーザービームは同様に、付加的に、方位角度割合を有し、これによってレーザービームは、ビーム入射面に対して垂直に、複屈折ビームスプリッタに入射する。したがってこのような場合には、入射する各レーザービームは、集束光学系の光軸に対して傾けられた２つの角度で複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面に入射する。すなわち、入射するレーザービーム、出射する２つの部分ビームおよび集束光学系の光軸は、共通の面にない。

複数の複屈折ビームスプリッタ要素が環状に、たとえばファセット要素の様式で配置されている場合、個々のファセット、より正確には各複屈折ファセットのビーム入射面は、ラジアル方向に、付加的に方位方向に、装置の集束光学系の光軸に対して傾けられて配置されていてもよい。このようにファセットは、焦点面の焦点表面領域の純粋にラジアル方向の分配を引き起こさない。すなわち、集束光学系の光軸と、各ビーム出射面から出射する非正規の部分ビームおよび正規の部分ビームと、入射するレーザービームとは、共通の面にある必要はない。このようにして、ファセットは、正規の部分ビームと非正規の部分ビームとに対してサイズが異なり得る２つの部分ビームの付加的な方位方向の分割を引き起こし得る。

ファセット要素のファセットを形成する複屈折ビームスプリッタ要素の後ろに、たとえばλ／２プレートの形態の偏光回転機器がそれぞれ配置されていてもよい、またはファセットが、ビーム出射面で偏光回転コーティングを有していてもよく、これは、各ファセットから出射する２つの部分ビームの偏光を任意の角度ぶん回転させる。２つの部分ビームはここで、互いに垂直に偏光されたままである。このようにして、各ファセットは、焦点面において、偏光方向が相互に垂直に配向されている２つの焦点表面領域を生成する。ここで焦点表面領域は、集束光学系の光軸の近くに実質的に任意に配置されていてもよい。特に、２つ以上の焦点表面領域が全体的または部分的に重畳し得る。このような場合には、集束光学系の光軸を中心とした複屈折ビームスプリッタ要素もしくはファセットの環状の配置は必要とされず、ファセット要素のファセットの配置が実質的に任意に選択可能であるということが明らかである。

さらなる実施形態では、装置は、焦点面に、複数の焦点表面領域を有する少なくとも２つのストリップを生成するように構成されており、ここで各ストリップの焦点表面領域は、同一の偏光、特に同一の偏光方向を有しており、隣接するストリップの焦点表面領域の偏光、特に偏光方向は相違している。

焦点表面領域を備えるストリップは、典型的に、実質的に送り方向に沿って延在し、この送り方向はワークピースの加工中に、装置、たとえばレーザー加工ヘッドとワークピースとの相対的な動きによって生成される。これらのストリップは平行に延在していてもよいが、送り方向に対して異なる角度で配向されていてもよい。個々のストリップにおいて直線偏光方向が送り方向に対して配向されている角度は、有利には内側から、すなわち、焦点表面領域の包絡線の、送り方向に延在する中心線から、外側へと増大している。ストリップに配置された焦点表面領域の包絡線は必ずしも円形である必要はなく、包絡線はむしろ、たとえば任意の多角形を形成し得る。各焦点表面領域に割り当てられている部分ビームも、必ずしも直線偏光を有している必要はなく、むしろ、これらは場合によっては楕円偏光されていてもよい。このような場合にはこれらの楕円の主軸の相互の長さの比は１０より大きいはずである。このような場合においても、隣接するストリップの焦点表面領域の（楕円）偏光は相違し得る。

さらなる実施形態では、装置は、装置に供給されたレーザービームをコリメートするためのコリメーション光学系を含んでおり、このような場合にはコリメーション光学系は、装置において、複屈折ビームスプリッタ要素の前に配置されている。装置に供給されたレーザービームのコリメートされたビーム路内の複屈折ビームスプリッタ要素によってビーム成形が行われるのが有利であることが判明している。したがって、複屈折ビームスプリッタ要素のビーム出射面から出射する部分ビームを横方向にオフセットする必要はなく、２つの部分ビームの伝搬方向において小さい角度差が設けられていれば充分である。

最も単純なケースでは、装置に供給されたレーザービームは、（１つの）複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面に入射する（１つの）レーザービームを形成する。上述したように、焦点面における偏光の所望の位置に関連した分配、たとえば、ラジアル偏光分配に近似するために、複屈折ビームスプリッタ要素の数、ひいてはそれらに入射するレーザービームの数をさらに増やすことによって、部分ビームもしくは焦点表面領域の数をさらに増やすことが有利であることが判明している。

ある実施形態では、装置は、少なくとも１つのビーム成形要素を含んでおり、これは、環状のレーザービーム（すなわち、環状のビームプロファイルを有するレーザービーム）を形成するため、または少なくとも２つの複屈折ビームスプリッタ要素の少なくとも２つのビーム入射面に入射する少なくとも２つのレーザービームを形成するために、装置に供給されたレーザービームのビームプロファイルを成形する。ビーム成形要素は、特に、供給されたレーザービームのコリメートされたビーム路に配置されていてもよい。少なくとも２つのレーザービームの形成は、さまざまな方法で実現可能である。典型的には、ビーム成形要素で形成されたレーザービームは、集束光学系の光軸に向かう、もしくは集束光学系の光軸から離れるラジアル方向において延在する。すなわちレーザービームは、各複屈折ビームスプリッタ要素のビーム入射面の面法線が集束光学系の光軸に対して配向されているラジアル角度に相応する角度で、ラジアル方向において配向されている。

発展形態では、ビーム成形要素は、供給されたレーザービームを複数の入射ビームに分割するための（少なくとも１つの）幾何学的ビームスプリッタ、特にファセット要素である、または環状のレーザービームを生成するための（円錐形の）アキシコンである。アキシコンは、装置に供給された、典型的にはコリメートされたレーザービームから、環状のビームプロファイルを有するレーザービームを生成する。アキシコンは典型的には、拡散して延在するコリメートされた環状のレーザービームを生成するように構成されており、すなわち、レーザービームは典型的に、ラジアル方向において、集束光学系の光軸から外側へ延在する。環状のレーザービームは、たとえば、複屈折ビームスプリッタ要素から構成されている上述の複屈折ファセットプレートに入射し得る。このような場合には、円周方向に延在する、環状のレーザービームの各セクションは、各ビーム入射面に入射するレーザービームを形成する。すなわち、このような場合には、環状のレーザービームは、隣接するビームスプリッタ要素のエッジではじめて入射する各レーザービームに分割される。

ファセット要素の形態の幾何学的ビームスプリッタは、たとえば、ピラミッド型のプレートであってもよく、その平らな底面は、典型的にコリメートされて供給されたレーザービームに面しており、そのピラミッド面で各入射ビームが形成され、これは、集束光学系の光軸に対してラジアル方向に内側に延在する。このような場合には、ファセットプレートの各ピラミッド面は、集束光学系の光軸に対して平行に供給されたレーザービームのビームプロファイルの一部を、集束光学系の光軸の方向に、または集束光学系の光軸から離れる方向に傾ける。すなわち、ピラミッド面で形成されたレーザービームの放射方向と集束光学系の光軸とが面を形成する。すなわち、結果として得られるレーザービームは、複屈折ファセットプレートへの入射時に、ラジアル方向に空間的にオフセットされている（位置オフセット）。

ピラミッド型のファセットプレートのピラミッド面の付加的な方位方向の傾斜によって、レーザービームがファセットプレートの複屈折ファセット要素に入射した際に、部分ビームの付加的な方位角度割合が得られ、これによって、このようにして、各複屈折ファセットのビーム出射面から出射する相互に垂直に偏光された部分ビームの付加的な方位方向の偏向が可能になる。しかし、このような場合には、幾何学的ビームスプリッタとして用いられるピラミッド型のファセットプレートのピラミッド面はもはや相互に連続的に接していないので、このような場合には、不利な回折作用が生じ得る。

択一的な実施形態では、ビーム成形要素は、回折光学素子（ＤＯＥ）として形成されている。回折光学素子によって、有利には、供給されたレーザービームから複数のレーザービームを生成することができ、これらのレーザービームは、集束光学系の光軸に対してある角度で、ラジアル方向および方位方向の両方に配向されている。回折光学素子はたとえば、回折表面構造、たとえば鋸歯状プロファイルを有する平面素子として構成されていてもよい。表面構造もしくは回折光学素子は、ファセットを有するように形成されていてもよく、ここで各ファセットは、各複屈折ビームスプリッタ要素に入射するレーザービームを生成するために用いられる。

本発明の別の態様は、レーザービームによってワークピースを加工するためのレーザー加工機において実現され、これは装置、特に、上述のように構成されているレーザー加工ヘッドを含んでいる。装置がレーザー加工ヘッドとして構成されている場合、ワークピースの加工中に、たとえばプレート状のワークピースの上面の近くにある焦点面へレーザービームもしくは複数の焦点表面領域を配向するために、装置は典型的に、少なくとも１つの空間方向、通常は２つまたは３つの空間方向においてワークピース上を移動することができる。択一的にまたは付加的に、ワークピースの移動も可能である。加工の際に、レーザー加工ヘッドおよびワークピースは、位置に関連した、もしくは時間的に可変の送り方向で移動路に沿って相対的に移動する。

ある実施形態では、レーザー加工機は、レーザービームをレーザー加工ヘッドに供給する、典型的には偏光を維持しない光ガイドケーブルを有している。このような場合には、レーザー加工ヘッドに供給されたレーザービームは、ランダムに偏光されている、もしくは無偏光である。ランダムに偏光されているレーザービームから、上述したように、複数のレーザービームが生成され、さらに１つ／複数の複屈折ビームスプリッタ要素によって、焦点面内の焦点表面領域のほぼ任意の配置を有する複数の部分ビームが生成され、ここでこれらの部分ビームの偏光方向も、個々の焦点表面領域に、実質的に任意に配向可能である。

本発明の別の態様は、上述のようなレーザー加工機によってワークピースを加工する、特にレーザー切断するための方法に関し、この方法は、レーザー加工ヘッドとワークピースとを送り方向に沿って相互に相対的に移動させること、ならびに少なくとも２つの部分ビームを、ワークピースの領域内の焦点面の少なくとも２つの焦点表面領域に集束させることを含んでいる。ここで少なくとも２つの焦点表面領域は有利には少なくとも部分的に、送り方向において相互にオフセットされている。焦点面は、（プレート状の）ワークピースの領域に形成されている。すなわち、焦点面はワークピースの上面に位置する、またはワークピースの上面から短い距離、典型的には数ミリメートルで配置されている。焦点面に生成可能な焦点表面領域は２つだけではなく、通常は、焦点面に所望の偏光分配を実現するために、焦点面により多くの数の焦点表面領域を生成することが有利であることが明らかである。

本発明の別の態様は、特に上述のようなレーザー加工ヘッドによってワークピースを加工する、有利にはレーザー切断するための方法に関し、この方法は、（典型的にはランダムに偏光されているもしくは無偏光である）レーザービームが供給されるレーザー加工ヘッドとワークピースとを送り方向に沿って相互に相対的に移動させること、ならびに供給されたレーザービームの複数の直線偏光部分ビームまたは楕円偏光部分ビームを、ワークピースの上方、ワークピース内またはワークピースの下方のワークピース領域に形成されている焦点面における複数の焦点表面領域に集束させることを含んでおり、ここで、焦点面に部分ビームを集束させるときに、複数の焦点表面領域を有する少なくとも２つのストリップが生成され、これらのストリップは送り方向に沿って延在し、ここで、各ストリップにおける焦点表面領域は同一の偏光方向を有しており、隣接するストリップの焦点表面領域はそれぞれ異なる偏光方向を有している。または焦点面に部分ビームを集束させるときに、レーザー加工ヘッドの集束光学系の光軸の周りに環状に配置された複数の焦点表面領域が生成され、環状に配置された焦点表面領域は光軸に対してラジアル方向に配向されている直線偏光方向または楕円偏光方向を有している。ここで光軸の中心に配置されている焦点表面領域は有利には、少なくとも２つの部分ビームの部分的または完全な空間的な重畳によって、環状に配置されている焦点表面領域の各焦点表面領域よりも高いビーム強度を有している。

この方法の第１の変形では、焦点表面領域のストリップ状の配置が送り方向に沿って生成される。それぞれ異なる偏光方向を有する複数のビームストリップによって形成されたストリップ偏光レーザービームによるレーザー切断のための方法が、欧州特許第２５８００１９号明細書に記載されており、レーザー切断に有利であることが判明している。欧州特許第２５８００１９号明細書に記載されている方法とは対照的に、本発明の方法における直線偏光方向の異なる配向を有するストリップは、ストリップ偏光器によって、すでに直線偏光されているレーザービームから生成されるのではなく、むしろ、典型的にランダムに偏光されているもしくは無偏光のレーザービームから、それぞれが適切に（個別に）配向されている直線偏光方向もしくは楕円偏光方向を有する複数の部分ビームもしくは複数の焦点表面領域が生成される。

この方法の第２の変形では、焦点表面領域の直線偏光方向のラジアル方向の分配が生成される。これは、たとえば欧州特許第２７２２１２７号明細書に記載されているように、同様に、レーザー切断に有利であることが判明している。しかし、ここでは偏光方向のラジアル方向の分配を生成するために、偏光を維持する複数の光ファイバーが必要であり、他方で本発明の方法で必要なのは、ランダムに偏光されているレーザービームをレーザー加工ヘッドに供給する１つの光ガイドケーブルもしくは１つの光ファイバーだけである。

さらに、本発明の方法では、光軸の中心に配置された焦点表面領域は、この中央の焦点表面領域の周りに環状に配置されている各焦点表面領域よりも高いビーム強度を有している。上述のように、部分ビームの少なくとも２つが中央の焦点表面領域で少なくとも部分的に重畳されていることによって、増大したビーム強度を得ることができる。特に、環状に配置されている焦点表面領域の１つに集束される部分ビームに対しては、部分ビームを中央の焦点表面領域に集束させることができる。このようにして、（近似的に）ランダムな偏光を中央の焦点表面領域で生成することができ、これは同様に、環状に配置されている焦点表面領域の偏光方向のラジアル方向の配向と組み合わせて、レーザー切断に有利であることが判明している。基本的に、たとえば、複数の直線偏光された焦点表面領域の本願で説明された偏光成形によって、焦点面における焦点表面領域の強度分配も、実質的に任意に調節することができる。

本発明のさらなる利点は、明細書および図面から明らかになる。同様に、上述した特徴およびさらに以降に記載される特徴を個別に使用することも、またはまとめて任意の複数の組み合わせで使用することもできる。示され、説明される実施形態は、最終的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ、本発明を記述するための例示的な性質を有している。

レーザービームの２つの部分ビームを焦点面の２つの焦点表面領域に集束させるレーザー加工ヘッドを備えたレーザー加工機の概略図を示している。 光軸から同じ距離に２つの部分ビームを集束させるために、光軸に関してある角度で配向されている、図１のレーザー加工ヘッドの複屈折ビームスプリッタ要素を示している。 入射するレーザービームから差分角度（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｚ−Ｗｉｎｋｅｌ）で出射する２つの部分ビームを生成する、石英製のくさび形の複屈折ビームスプリッタ要素を示している。 図３ａのビームスプリッタ要素のビーム出射面がビーム入射面の面法線に対して有しているベベル角度に関連する差分角度を示している。 図２に示されている複屈折ビームスプリッタ要素を有している、図１のレーザー加工ヘッドにおけるビーム路を示している。 ２つの部分ビームを４つの部分ビームに分割する別の非複屈折ビームスプリッタ要素と、焦点面で４つの部分ビームのラジアル偏光を生成する偏光回転機器とを備える、図４と同様の図を示している。 幾何学的ビームスプリッタと、光軸の周りに環状に配置されている６つの複屈折ビームスプリッタ要素を備えた複屈折ファセットプレートとを備える配置構成の断面図を示している。 幾何学的ビームスプリッタと、光軸の周りに環状に配置されている６つの複屈折ビームスプリッタ要素を備えた複屈折ファセットプレートとを備える配置構成の三次元図を示している。 焦点面における、図６ｂの複屈折ファセットプレートで生成された部分ビームの焦点表面領域を示している。 集束光学系の光軸に対してある角度で、ラジアル方向および方位方向の両方に配向されている６つもしくは４つのレーザービームを生成する６つもしくは４つのファセットを備える回折光学素子を示している。 集束光学系の光軸に対してある角度で、ラジアル方向および方位方向の両方に配向されている６つもしくは４つのレーザービームを生成する６つもしくは４つのファセットを備える回折光学素子を示している。 ４つの複屈折ビームスプリッタ要素を備える複屈折ファセット要素によって、図８ｂの４つのレーザービームから生成された８つの部分ビームの焦点表面領域を示している。 それぞれが送り方向に沿って延在する５つのストリップに配置されている、焦点面における複数の焦点表面領域を示している。 それぞれが送り方向に沿って延在する５つのストリップに配置されている、焦点面における複数の焦点表面領域を示している。

以降の図面の説明では、同じ部品もしくは機能的に同じ部品に対して同一の参照記号が使用されている。

図１は、図１において破線で示されているプレート状のワークピース２の切断加工のためのレーザーフラットベッドマシンの形態のレーザー加工機１の例示的な構造を示している。ワークピース２は加工時に、ＸＹＺ座標系のＸＹ面を規定するワークピーステーブル３の形態のワークピース収容部上に載せられる。ワークピーステーブル３は、Ｘ方向に延在する長手方向側とＹ方向に延在する横方向側とを有している。

ワークピーステーブル３上に載っているワークピース２を加工する際に、レーザー切断ヘッド４の形態のレーザー加工ヘッドがワークピーステーブル３上をＸ方向およびＹ方向に移動する。レーザー切断ヘッド４が取り付けられているポータル５は、レーザー切断ヘッド４をＸ方向で動かすための第１の移動機器として機能する。ポータル５は、ワークピーステーブル３の側方に取り付けられている２つのガイドで制御されて駆動されて、Ｘ方向において移動することができる。レーザー切断ヘッド４をＹ方向で動かすための第２の移動機器としてキャリッジ６が用いられ、これはポータル５で案内され、ポータル５に沿って制御されてＹ方向において移動することができる。レーザー切断ヘッド４は、別のキャリッジの形態のプレート状の担体部品７に固定されており、これはＹ方向において移動可能なキャリッジ６に取り付けられており、レーザー切断ヘッド４とワークピース２との間の距離をＺ方向において変えるために、制御されてＺ方向で移動可能である。

図１において同様に見て取れるように、レーザー切断ヘッド４には、光ガイドケーブル８の光ファイバーに導かれるレーザービーム９が、図示されていないレーザー源から供給される。示されている例では、レーザー源は固体レーザーである。光ガイドケーブル８は偏光を維持しないので、レーザー切断ヘッド４に入射するレーザービーム９はランダムに偏光されているまたは無偏光である。

レーザー切断ヘッド４に供給されたレーザービーム９は、図２に示される複屈折ビームスプリッタ要素１０で２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂに分割される。２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂは、図１に示されていない、レーザー切断ヘッド４の集束光学系によって、焦点面２ａにおける２つの焦点表面領域Ｆ１、Ｆ２（焦点スポット）に集束される。これは、図１に示された例では、ワークピース２の上面に相当する。２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂはそれぞれ直線偏光されており、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂの偏光方向は相互に垂直に配向されている。レーザー切断ヘッド４またはレーザー切断ヘッド４内に配置されている光学要素が回転可能に支承されている場合、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂの配向を切断方向に適合させることができる。

図２に示されたくさび形の複屈折ビームスプリッタ要素は、平らなビーム入射面１２と、平らなビーム入射面１２に対して非平行に配向されている平らなビーム出射面１３とを有している。レーザー切断ヘッド４に供給されたレーザービーム９は、ビーム入射面１２に垂直に入射する。すなわち、レーザービーム９は、ビーム入射面１２の面法線１４に対して平行に延在する。複屈折ビームスプリッタ要素１０、より正確にはそのビーム入射面１２は、レーザー切断ヘッド４の光軸１５に対して角度αで配向されている。これは、鉛直方向（Ｚ方向）に延在する、図４に示された、レーザー切断ヘッド４の集束光学系１６の光軸１５に相当する。

レーザービーム９がビーム入射面１２に垂直に入射することを保証するために、レーザービームは、図４に概略的に示されたレーザー切断ヘッド４の場合には傾斜して供給され、詳細には集束光学系１６の光軸１５に対して角度αで供給される。ビーム入射面１２の面法線１４も、この角度αで配向されている。レーザー切断ヘッド４に供給されたレーザービーム９を択一的に、（図示されていない）偏向機器によって、たとえば１つまたは複数のミラーによって、レーザー切断ヘッド４内で、集束光学系１６の光軸１５に対して角度αで配向することができることが明らかである。図２および図４において見て取れるように、複屈折ビームスプリッタ要素１０のビーム出射面１３は同様に、レーザー切断ヘッド４もしくは集束光学系１６の光軸１５に対して斜めに配向されている。

図２において同様に見て取れるように、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂは、同一箇所で、しかし２つの異なる出射角度β_ａ、β_ｂで、複屈折ビームスプリッタ要素１０のビーム出射面１３から出射する。２つの部分ビーム１１ａと１１ｂとが、複屈折ビームスプリッタ要素１０のビーム出射面１３で形成する差分角度Δβ＝｜β_ａ−β_ｂ｜ができるだけ大きいのが有利であることが判明している。

差分角度Δβと複屈折ビームスプリッタ要素１０の設計もしくは幾何学的な形状との間の関係を理解するために、複屈折ビームスプリッタ要素１０の機能様式を、図３ａ、図３ｂに基づいて以降でより詳細に説明する。波動ベクトルｋを有する、ランダムに偏光されているレーザービーム９が、ビーム入射面１２で複屈折ビームスプリッタ要素１０内へ入射し、相互に垂直に偏光されている２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂに分割される。２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂの波動ベクトルｋ _ａ 、ｋ _ｂ は、図３ａに示された例では異なる値を有している。これによって、ビーム出射面１３から出射する際に、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂが異なる２つの出射角度β_ａ、β_ｂで出射する。示されている例ではクォーツクリスタルである、ビームスプリッタ要素１０の複屈折材料の光軸１７の配向は、ビーム入射面１２に対して平行に、すなわちビーム入射面１２の面法線１４に対して垂直に延在している。したがって、クォーツクリスタルの光軸１７が、入射するレーザービーム９の放射方向に対して配向されている角度θは、９０°である。このような特別な場合、クォーツクリスタルの光軸１７とビーム出射面１３の面法線とは共通の面にある。

図３ａに示されている、クォーツクリスタルの光軸１７の配向（すなわち、θ＝９０°）に対して、図３ｂは、ビーム出射面１３が、ビーム入射面１２の法線方向１４に対して配向されているベベル角度γに関連した、２つの部分ビーム１１ａと１１ｂとの間の差分角度Δβを示している。図３ｂに基づいて、２つの部分ビーム１１ａと１１ｂとの間の差分角度Δβは極めて小さく、約７ｍｒａｄを超えないことが見て取れる。図示の例では、８５°のベベル角度γが選択されている。これは、約１ｍｒａｄの差分角度Δβに相当する。典型的に約６０°から約８８°である他のベベル角度γも選択可能であることが明らかである。複屈折ビームスプリッタ要素１０を製造するために他の複屈折結晶を使用する場合、図３ｂに示された値の範囲外にあるベベル角度γが選択され得ることも明らかである。

図３ａにおいて見て取れるように、相互に垂直に偏光された２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂ（正規のビームまたは非正規のビーム）は、空間的に重畳されて、２つの異なる出射角度β_ａ、β_ｂで複屈折ビームスプリッタ要素１０から出射する。２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂがそれぞれ入射するレーザービーム９に対して有している出射角度β_ａ、β_ｂはここで、２つの部分ビーム１１ａと１１ｂとの間の（概略的により大きく示されている）角度差Δβよりも格段に大きい。したがって、ワークピース２上もしくは焦点面２ａ内に、直線偏光された部分ビーム１１ａ、１１ｂの所望のビーム成形もしくは焦点表面領域Ｆ１、Ｆ２の所望の配置を生成するために、図４に示されているように、複屈折くさびプレートとして形成されているビームスプリッタ要素１０、より正確にはそのビーム入射面１２が、レーザー切断ヘッド４における集束光学系１６の光軸１５に対して、９０°とは異なる角度α、たとえば、約１０ｍｒａｄから約５００ｍｒａｄで配向される。

図４において同様に見て取れるように、レーザー切断ヘッド４に供給されたレーザービーム９は、複屈折ビームスプリッタ要素１０に入射する前に、コリメーションレンズ１８の形態のコリメーション光学系でコリメートされる。

図４に示されているレーザー切断ヘッド４では、複屈折ビームスプリッタ要素１０のビーム入射面１２の面法線１４が集束光学系１６の光軸１５に対して配向されている角度α、ベベル角度γならびに複屈折ビームスプリッタ要素１０の複屈折材料が、次のように相互に調整されている。すなわち、ビーム出射面１３から出射する２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂの焦点表面領域Ｆ１、Ｆ２がＹＺ面において、それぞれ、集束光学系１６の光軸１５に対して同じ距離Ａを有するように相互に調整されている。図４における、２つの焦点表面領域Ｆ１、Ｆ２の平面図において見て取れるように、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂは直線偏光されており、かつそれぞれ相互に垂直に偏光されている。

レーザー切断の場合には、焦点面２ａにおけるラジアル偏光分配に近似するために、以降で、図５に概略的に示されているレーザー切断ヘッド４に基づいて記載されるように、焦点表面領域Ｆ１、Ｆ２の数を、たとえば４つの焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ４に増やすことが有利であり得る。図５のレーザー切断ヘッド４は、基本的に図４のレーザー切断ヘッド４と同様に構成されている。すなわちこれは特にくさび形のビームスプリッタ機器１０を有している。しかしレーザー切断ヘッド４のビーム路は、図５において、ＸＺ面に示されている。そのために、複屈折ビームスプリッタ要素１０のビーム入射面１２およびビーム出射面１３の傾斜した配向は、図５において見て取れない。

図５に示されたレーザー切断ヘッド４において、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂは、重畳されて、複屈折ビームスプリッタ要素１０から出射する。λ／２プレートの形態の偏光回転機器１９が、ビーム路において、複屈折ビームスプリッタ要素１０の後ろに配置されており、空間的に重畳された２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂのビーム断面Ｄの半分をカバーする。λ／２プレート１９は、これが、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂの直線偏光方向の９０°の回転を生じさせるように配向されている。

ビーム路において後続する、二重くさびを形成する２つのファセット面を備えたくさびプレートの形態の別の（非複屈折）ビームスプリッタ要素２０によって、２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂはＸＺ面において、すなわち図４に示されているＹＺ面に対して垂直に、４つの部分ビーム１１ａ〜ｄに分割される。別のビームスプリッタ要素２０の後ろのビーム路に、４つの部分ビーム１１ａ〜ｄのビーム断面全体をカバーする別のλ／２プレートの形態の別の偏光回転機器２１が配置されている。別のλ／２プレート２１、より正確にはその光軸は、これが、４つの部分ビーム１１ａ〜ｄの偏光方向をそれぞれ＋／−４５°回転させるように配向されている。集束光学系１６は、焦点面２ａにおける４つの焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ４に４つの部分ビーム１１ａ〜ｄを集束させる。焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ４での４つの部分ビーム１１ａ〜ｄの直線偏光方向は、それぞれ、集束光学系１６の光軸１５に対してラジアル方向に配向されている。したがって、図５に示されているレーザー切断ヘッド４は、焦点面２ａにおける近似的なラジアル偏光分配の生成を可能にする。

図６ａ、図６ｂは、図７に示されている７つの焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ６、ＦＺを焦点面２ａにおいて生成するために、６つの複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆを有しているレーザー切断ヘッド４のビーム路の一部を示している。レーザー切断ヘッド４に供給された、コリメートされたレーザービーム９はここで、最初に、ピラミッド型のファセットプレートの形態の幾何学的ビームスプリッタとして形成されているビーム成形要素２２で６つのレーザービーム９ａ〜ｆに分割される。これらはそれぞれ６つの複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆの１つに入射する。６つのレーザービーム９ａ〜ｆはそれぞれ、ビーム成形要素２２の６つのピラミッド面のうちの１つによって光軸１５に向かって偏向され、その結果、それらは、光軸１５に対して角度αで複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆの各ビーム入射面１２ａ〜ｆに入射する。なぜならこれらは集束光学系１６の光軸１５に対してオフセットして配置されているからである。図示の例では、６つの複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆが、光軸１５の周りに環状に配置されている。６つのビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆは、それらの縁で接合されて、環状の複屈折ファセットプレート２３を形成する。

６つのビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆは、図２に関連して記載されたビームスプリッタ要素１０のように、すなわちくさび形のプリズムとして形成されている。第１および第４のビームスプリッタ要素１０ａ、１０ｄに基づいて図６ａにおいて見て取れるように、それらのビーム入射面１２ａ、１２ｄは、入射する各レーザービーム９ａ、９ｄに対して垂直に配向されている。２つのビーム入射面１２ａ、１２ｄの面法線１４ａ、１４ｄは、光軸１５に向かって斜めにされており、ビーム成形要素２２と複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ、１０ｄとの間のビーム路において光軸と交差する。すなわちビーム入射面１２ａ、１２ｄは、レーザー切断ヘッド４の光軸１５に向かって傾けられているもしくは斜めにされている。

第１および第４の複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ、１０ｄに関して図６ａに示されているように、環状に配置されている複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｄはそれぞれ、第１の部分ビーム１１ａおよび第２の部分ビーム１１ｂを生成する。第１の部分ビーム１１ａはここで、いずれの場合も、第２の部分ビーム１１ｂよりも、ラジアル方向においてさらに内側で、焦点面２ａに集束される。図６ａに示されている例では、第１の部分ビーム１１ａは、複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ、１０ｄの後ろで、光軸１５に対して平行に延在するが、これは必須ではない。図７において見て取れるように、６つの第２の部分ビーム１１ｂもしくはそれらに割り当てられている、焦点面２ａにおける６つの焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ６はそれぞれ直線偏光方向を有しており、これらはそれぞれ、光軸１５に対してラジアル方向に配向されている。

第２の部分ビーム１１ｂの直線偏光方向に対して垂直に偏光された第１の部分ビーム１１ａは、集束光学系１６によって、光軸１５の中心に配向された共通の焦点面ＦＺに集束される。中央の焦点表面領域ＦＺの偏光は、各第１の部分ビーム１１ａの複数の直線偏光方向の重畳を表しており、その結果、中央の焦点表面領域ＦＺでの偏光は、ほぼランダムな偏光に相当する。中央の焦点表面領域ＦＺで合計６つの第１の部分ビーム１１ａが重畳されるため、そこでのビーム強度Ｉ_Ｚは、ラジアル方向で外側に位置する各焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ６でのビーム強度Ｉ_１〜Ｉ_６よりも高い。第１の部分ビーム１１ａの重畳も部分的にのみ行われ得るので、中央の焦点表面領域ＦＺは、比較的大きい直径と、それほど高くない、場合によっては不規則なビーム強度Ｉ_Ｚとを有している。

コリメートされたレーザービーム９を偏向させて、環状の複屈折ファセットプレート２３に向けるために、ピラミッド型のファセットプレートの形態の上述したビーム成形要素２２の代わりに、別のタイプのビーム成形要素を使用することもできる。たとえば、円錐形のアキシコンをこの目的に使用することができ、これは、供給されたレーザービーム９の通常はガウス状またはトップハット状であるビームプロファイルを環状のビームプロファイルに変換する。このように形成された環状のコリメートされたレーザービーム９は、傾斜して外側に向けられてアキシコンから出射し、複屈折ファセット要素２３の複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆの各ビーム入射面１２ａ〜ｆに入射する。ここで、環状のレーザービーム９の、円周方向に延在する各セクションは、６つの（部分）レーザービーム９ａ〜ｆの１つを形成し、これは、各ビーム入射面１２ａ〜ｆを介して、相当する複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆに入射する。

たとえば、図８ａにおいて平面図で示されているように、ビーム成形要素として回折光学素子２４を使用することもできる。回折光学素子２４の使用は、特に、ビーム成形要素２４でレーザービーム９ａ〜ｆが、集束光学系１６の光軸１５に対してラジアル方向においてのみ角度αで配向されるべきではなく、付加的に光軸１５に対して方位方向においても配向されるべき場合に有利である。このような場合には、ビーム成形要素２４に供給されたレーザービーム９、ビーム成形要素２４から出射する各レーザービーム９ａ〜ｆおよび集束光学系１６の光軸１５は、共通の面にない。図６ａ、図６ｂに示されているピラミッド型のファセットプレートの形態のビーム成形要素２２を使用する場合には、これは、レーザービーム９ａ〜ｆの付加的な方位方向の偏向を生成するために、ファセット面の面法線が付加的に方位方向において傾けられることを意味するだろう。このような場合には、ピラミッド型のファセット面はもはや相互に連続的に接していないので、そのようなファセットプレート２２の使用時に、不所望な回折作用が生じてしまうことがあるだろう。

同様に、各レーザービーム９ａ〜ｆを形成するための６つのファセット２５ａ〜ｆを有している、図８ａに示された回折光学素子２４の場合には、このような問題を回避することができる。回折光学素子２４は、たとえば、図８ａにおいて、破線の矢印に沿って延在する鋸歯状プロファイルに基づいて示されているように、鋸歯状構造を有する透明なプレートであり得る。

回折光学素子２４によって形成された各レーザービーム９ａ〜ｆは、２つの角度α、δで傾けられて、複屈折ビームスプリッタ要素１０ａ〜ｆの各ビーム入射面１２ａ〜ｆに入射する。このような場合にも、各レーザービーム９ａ〜ｆがビーム入射面１２ａ〜ｆに対して垂直に入射することを保証するために、各ビーム入射面１２ａ〜ｆも、ラジアル方向における角度αに対して付加的に、方位方向における角度δで傾けられている。これは、例示的に図６ｂにおいて、第３のビームスプリッタ要素１０ｃのビーム入射面１２ｃに対して、より正確にはその面法線１４ｃに対して、破線で示されている。このような場合には、第３のビームスプリッタ要素１０ｃで形成された２つの部分ビーム１１ａ、１１ｂは、集束光学系１６の光軸１５と共通の面にあるのではなく、それに対して方位方向に傾けられている。このようにして、部分ビーム１１ａ、ｂもしくは属する焦点表面領域Ｆ１、Ｆ２のラジアル方向の分割に対して付加的に、第１および第２の部分ビーム１１ａ、ｂに対して異なる大きさであり得る、方位方向の分割も起こり得る。

たとえば、そのビーム入射面が、図６ｂに示されている第３の複屈折ビームスプリッタ要素１０ｃのように、ラジアル方向においても、方位方向においても、角度α、δで光軸１５に対して傾けられている４つの複屈折ビームスプリッタ要素を有する、図示されていない複屈折ファセット要素２３によって、図９に示されている焦点表面領域Ｆ１ａ、ｂ；Ｆ２ａ、ｂ；Ｆ３ａ、ｂ；Ｆ４ａ、ｂの分配が生成可能であり、ここでは焦点表面領域Ｆ１ａ、ｂ；Ｆ２ａ、ｂ；Ｆ３ａ、ｂ；Ｆ４ａ、ｂでの直線偏光方向はそれぞれ、光軸１５に対してラジアル方向に配向されている。このような分配を生成するために、図８ｂに示された、ファセットを有する回折光学素子２４が使用される。これは、４つのファセット面２５ａ〜ｄの各々において、ラジアル方向において、さらに付加的に方位方向において傾けられているレーザービーム９ａ〜ｄを生成する。これは図８ｂにおいて、各ファセット２５ａ〜ｄにおいて見て取れる。

４つのレーザービーム９ａ〜ｄの各々は、複屈折ファセット要素で２つの部分ビームに分割され、その結果、図９に示されている、焦点表面領域Ｆ１ａ、ｂ；Ｆ２ａ、ｂ；Ｆ３ａ、ｂ；Ｆ４ａ、ｂの分配が生じる。見やすくするために、各焦点表面領域Ｆ１ａ、ｂ；Ｆ２ａ、ｂ；Ｆ３ａ、ｂ；Ｆ４ａ、ｂで、それぞれ２つの焦点表面領域Ｆ１ａ、ｂもしくはＦ２ａ、ｂ、Ｆ３ａ、ｂ、Ｆ４ａ、ｂが割り当てられているレーザービーム９ａ〜ｄが見て取れる。図８ｂに示されている回折光学素子２４の代わりに、適切に修正されたピラミッド型のファセットプレートをビーム成形要素として使用することもできることが明らかである。

図８ａ、図８ｂおよび図９に関連して示されている様式で、焦点面２ａにおける焦点表面領域のより複雑な配置も生成され得る。なぜなら、焦点表面領域は光軸１５の近くで、実質的に任意に配置されて、場合によっては全体的または部分的に相互に重畳可能だからである。図１０ａ、図１０ｂは、それぞれ、レーザー切断の送り方向ｖに沿って延在している（図１を参照）５つのストリップ３０ａ〜ｅに配置されている焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ５の分配を示している。

各ストリップ３０ａ〜ｅにおける焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ５は、隣接する各ストリップ３０ａ〜ｅの焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ５の直線偏光方向とは異なる、同一の直線偏光方向を有している。ストリップ３０ａ〜ｅは、図１０ａに示されているように、相互に平行に、かつ送り方向ｖに対して平行に延在し得るが、例示的に図１０ｂに示されているように、ストリップ３０ａ〜ｅが、送り方向ｖに対して（異なる）角度で配向されることも可能である。有利には、各直線偏光方向が送り方向ｖと成す角度は、内側から、すなわち、中央のストリップ３０ｃから、外側へ向かって増大する。これは図１０ａ、図１０ｂにおいて、送り方向に対する、焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ５の直線偏光方向の角度を示す、各ストリップ３０ａ〜ｅ上に示されている角度情報に基づいて読み取れる。焦点面２ａにおける焦点表面領域Ｆ１〜Ｆ５の配置の包絡線は、図１０ａ、図１０ｂのように、必ずしも円形である必要はなく、たとえば、（任意の）多角形を形成することができることが明らかである。

上述した例は、レーザー切断プロセスに関連して記載されているが、これらは場合によっては他のレーザー加工プロセス、たとえばレーザー溶接、レーザー穴あけ等でも有利に使用され得る。直線偏光を有する焦点表面領域の生成も必須ではなく、むしろ焦点表面領域に集束された部分ビームが楕円偏光を有していてもよい。

Claims (23)

1. 少なくとも１つのレーザービーム（９，９ａ〜ｆ）によってワークピース（２）を加工するための装置、特にレーザー加工ヘッド（４）であって、前記装置は、
   少なくとも１つの複屈折ビームスプリッタ要素（１０，１０ａ〜ｆ）と集束光学系（１６）とを含んでおり、
   前記複屈折ビームスプリッタ要素は、前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０，１０ａ，１０ｄ）のビーム入射面（１２，１２ａ，１２ｄ）に入射する前記少なくとも１つのレーザービーム（９，９ａ〜ｆ）を２つの部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）に分割し、前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０，１０ａ，１０ｄ）は、前記ビーム入射面（１２，１０ａ，１０ｄ）に対して非平行に配向されている、前記２つの部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）の出射のためのビーム出射面（１３，１３ａ，１３ｄ）を有しており、
   前記集束光学系は、前記部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）を、焦点面（２ａ）における少なくとも２つの焦点表面領域（Ｆ１，Ｆ２）に集束させ、前記ビームスプリッタ要素（１０，１０ａ，１０ｄ）の前記ビーム入射面（１２，１２ａ，１２ｄ）および有利には前記ビーム出射面（１３，１３ａ，１３ｄ）は、前記集束光学系（１６）の光軸（１５）に対して斜めに配向されている装置において、
   前記装置は、前記レーザービーム（９）を、前記ビーム入射面（１２，１２ａ，１２ｄ）に対して垂直に、前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０，１０ａ，１０ｄ）に放射するように構成されている、
   ことを特徴とする、少なくとも１つのレーザービーム（９，９ａ〜ｆ）によってワークピース（２）を加工するための装置。
2. 前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０）の複屈折材料の光軸（１７）は、前記ビーム入射面（１２）に対して平行に配向されている、請求項１記載の装置。
3. 前記２つの部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）は、０．２５ｍｒａｄから１０ｍｒａｄの差分角度（Δβ＝｜β_ａ−β_ｂ｜）で、前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０）の前記ビーム出射面（１３）で出射する、請求項１または２記載の装置。
4. 前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０）は石英から形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０）の前記ビーム出射面（１３）は、５０°から８９°、有利には６０°から８５°のベベル角度（γ）で、前記ビーム入射面（１２）の面法線（１４）に対して配向されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０）は、前記ビーム出射面（１３）から出射する第１の前記部分ビーム（１１ａ）の前記焦点表面領域（Ｆ１）と第２の前記部分ビーム（１１ｂ）の前記焦点表面領域（Ｆ２）とが前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）から同じ距離（Ａ）にあるように構成され、前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）に対して配向されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. さらに、前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０）から出射する前記部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）のビーム断面（Ｄ）の少なくとも１つの部分領域、特に半分をカバーする少なくとも１つの偏光回転機器（１９）、特にλ／２プレートを含んでいる、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. さらに、前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０）の前記ビーム出射面（１３）から出射する前記２つの部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）を少なくとも４つの部分ビーム（１１ａ〜ｄ）に分割する少なくとも１つの別のビームスプリッタ要素（２１）を含んでいる、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. さらに、前記少なくとも４つの部分ビーム（１１ａ〜ｄ）のビーム断面を完全にカバーする別の偏光回転機器（２１）、特に別のλ／２プレートを含んでいる、請求項８記載の装置。
10. 少なくとも４つの部分ビーム（１１ａ〜ｄ）を前記焦点面（２ａ）に集束させるように構成されており、前記焦点面の焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ４）は、前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）に対してラジアル方向に配向されている直線偏光方向を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）に対してオフセットして配置されている複数の複屈折ビームスプリッタ要素（１０ａ〜ｅ）を有しており、前記複数の複屈折ビームスプリッタ要素（１０ａ〜ｅ）は、前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）の周りに有利には環状に配置されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）に対してオフセットして配置されている前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０ａ〜ｅ）の前記ビーム入射面（１２ａ，１２ｄ）は、前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）に向かって斜めにされている、請求項１１記載の装置。
13. 環状に配置されている前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０ａ〜ｅ）はそれぞれ、第２の部分ビーム（１１ｂ）を生成し、前記焦点面（２ａ）における、前記第２の部分ビームの焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ６）は、前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）に対してラジアル方向に配向されている直線偏光方向を有しており、
    前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０ａ〜ｅ）によって生成される第１の部分ビーム（１１ａ）は、少なくとも部分的に、前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）の中心に配置されている共通の焦点表面領域（ＦＺ）に集束される、請求項１１または１２記載の装置。
14. 前記複屈折ビームスプリッタ要素（１０ｃ）の前記ビーム入射面（１２ｃ）および有利には前記ビーム出射面（１３ｃ）は、付加的に、前記集束光学系（１６）の前記光軸（１５）に関して方位方向において斜めにされている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 前記焦点面（２ａ）に、複数の焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ５）を有する少なくとも２つのストリップ（３０ａ〜ｅ）を生成するように構成されており、
    各ストリップ（３０ａ〜ｅ）の前記焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ５）は、同一の偏光、特に同一の偏光方向を有しており、
    隣接するストリップ（３０ａ〜ｅ）の前記焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ５）の前記偏光、特に前記偏光方向は相違している、請求項１４記載の装置。
16. さらに、前記装置に供給されたレーザービーム（９）をコリメートするためのコリメーション光学系（１８）を含んでいる、請求項１から１５までのいずれか１項記載の装置。
17. さらに、少なくとも１つのビーム成形要素（２２，２４）を含んでおり、前記ビーム成形要素は、環状のレーザービーム（９）を形成するため、または少なくとも２つの複屈折ビームスプリッタ要素（１０ａ，１０ｄ）の少なくとも２つのビーム入射面（１２ａ，１２ｄ）に入射する少なくとも２つのレーザービーム（９ａ，９ｄ）を形成するために、前記装置（４）に供給されたレーザービーム（９）のビームプロファイルを成形する、請求項１から１６までのいずれか１項記載の装置。
18. 前記ビーム成形要素（２２）は、供給された前記レーザービーム（９）を複数のレーザービーム（９ａ〜ｆ）に分割するための幾何学的ビームスプリッタ、特にファセット要素、または環状のビームプロファイルを有するレーザービームを生成するためのアキシコンを形成する、請求項１７記載の装置。
19. 前記ビーム成形要素（２４）は、回折光学素子として形成されている、請求項１７記載の装置。
20. レーザービーム（９）によってワークピース（２）を加工するためのレーザー加工機（１）であって、前記レーザー加工機は、請求項１から１９までのいずれか１項記載の装置、特にレーザー加工ヘッド（４）を含んでいる、レーザー加工機（１）。
21. さらに、前記レーザービーム（９）を前記レーザー加工ヘッド（４）に供給する光ガイドケーブル（８）を含んでいる、請求項２０記載のレーザー加工機。
22. 請求項２０または２１記載のレーザー加工機（１）によってワークピース（２）を加工する、特にレーザー切断するための方法であって、前記方法は、
    前記レーザー加工ヘッド（４）と前記ワークピース（２）とを送り方向（ｖ）に沿って相互に相対的に移動させること、ならびに
    前記少なくとも２つの部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）を、前記ワークピース（２）の領域内に形成されている前記焦点面（２ａ）における前記少なくとも２つの焦点表面領域（Ｆ１，Ｆ２）に集束させることを含んでおり、前記少なくとも２つの焦点表面領域（Ｆ１，Ｆ２）は有利には少なくとも部分的に、送り方向（ｖ）において相互にオフセットされて配置されている、
    レーザー加工機（１）によってワークピース（２）を加工する、特にレーザー切断するための方法。
23. 特に、請求項１から２０までのいずれか１項記載のレーザー加工ヘッド（４）によってワークピース（２）を加工する、特にレーザー切断するための方法であって、前記方法は、
    レーザービーム（９）が供給されるレーザー加工ヘッド（４）と前記ワークピース（２）とを送り方向（ｖ）に沿って相互に相対的に移動させること、ならびに
    供給された前記レーザービーム（９）の複数の直線偏光部分ビームまたは楕円偏光部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）を、前記ワークピース（２）の領域に形成されている焦点面（２ａ）における複数の焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ５；Ｆ１〜Ｆ６）に集束させることを含んでおり、
    前記焦点面（２ａ）に前記部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）を集束させるときに、複数の焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ５）を有する少なくとも２つのストリップ（３０ａ〜ｅ）を生成し、前記ストリップは前記送り方向（ｖ）に沿って延在し、各ストリップ（３０ａ〜ｅ）における前記焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ５）は同一の直線偏光方向を有しており、隣接するストリップ（３０ａ〜ｅ）の前記焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ５）はそれぞれ異なる直線偏光方向を有している、または
    前記焦点面（２ａ）に前記部分ビーム（１１ａ，１１ｂ）を集束させるときに、前記レーザー加工ヘッド（４）の集束光学系（１６）の前記光軸（１５）の周りに環状に配置された複数の焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ６）を生成し、環状に配置された前記焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ６）は前記光軸（１５）に対してラジアル方向に配向されている直線偏光方向を有しており、有利には、少なくとも２つの前記部分ビーム（１１ｂ）の少なくとも部分的な空間的な重畳によって形成される、前記光軸（１５）の中心に配置されている焦点表面領域（ＦＺ）は、環状に配置されている各焦点表面領域（Ｆ１〜Ｆ６）よりも高いビーム強度（Ｉ_Ｚ）を有している、
    レーザー加工ヘッド（４）によってワークピース（２）を加工する、特にレーザー切断するための方法。

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