[发明专利]用于借助于激光辐射的材料加工的聚焦光学系统及具有该聚焦光学系统的激光加工头

说明书

本发明涉及一种用于借助于激光辐射来加工材料的聚焦光学系统(20)，所述聚焦光学系统包括用于使发散的工作激光束(121)准直的准直光学装置(21)和用于使工作激光束(12)聚焦在待加工的工件(14)上的聚焦光学装置(22)，其中，所述准直光学装置(21)包括具有正焦距的、用于将工作激光束源(18)聚焦在虚拟中间焦点处的可移动的第一透镜或透镜组(211)和具有负焦距的、用于将所述虚拟中间焦点聚焦至无穷远的可移动的第二透镜或透镜组(212)。具有壳体(10)的激光加工头(1)被提供，工作激光束(12)能够被引导穿过所述壳体。根据本发明的聚焦光学系统(20)用来生成工作焦点(15)。

技术领域

本发明涉及一种用于借助于激光辐射的材料加工的聚焦光学装置并且还涉及一种配备有这种光束整形光学系统的激光加工头束。

背景技术

在借助于激光辐射加工工件中，通常需要调节焦点位置(即调节激光束焦点相对于激光加工头和/或相对于工件的位置)和焦斑直径。例如，在激光切割系统中从加工薄的板材金属变成加工厚的板材金属时，这种调节是必要的。如果在这种情况下焦斑直径不能在充分宽的范围内变化，那么就不得不更换加工光学装置，由此会降低激光加工系统的生产力。

以下在技术光学上作为变焦系统的光学系统是已知的：借助于该光学系统，在保持物体和图像的位置不变的情况下可以改变图像大小，即可以改变借助于激光辐射的材料加工中的焦斑直径。例如，通过在准直光学装置与聚焦光学装置之间利用无焦望远镜，变焦系统能调节放大率，即调节焦斑直径与激光源的直径(例如光纤的激光输出面)之比。这种无焦望远镜通常由三个或四个透镜组组成。无焦望远镜例如被描述在US4353617A和EP0723834A中。两种运动通常被需要以在不改变焦点位置的情况下实现焦斑直径的调节。在这种情况下，变焦系统的透镜或透镜组的第一运动用来改变焦斑直径，而变焦系统的另一透镜或透镜组的第二运动用来补偿焦点位置的变化，即用于使焦点迁移回到它的初始位置。然而，在借助于多千瓦范围内的激光辐射实施工业加工材料中，应当尽可能地减少光学元件的数量，这是因为随着光学元件数量的增多通常会增加不期待的效果并且这些效果会彼此放大。一种这样的示例是热焦点偏移，即透镜或光学系统的屈光力或焦距由于透镜材料的随温度变化的折射率和/或热膨胀性而变化。

DE19825092C2公开了一种用于生成具有可变的焦斑直径的聚焦激光束的激光系统，其中，可以沿着光轴移动的负(凹的)光学元件(发散透镜)被设置在静止的准直透镜与也能沿着光轴移动的聚焦透镜之间。激光束的焦斑直径可以通过改变发散透镜与聚焦透镜之间的距离来改变。为了确保焦面被保持在工件面内，由发散透镜和聚焦透镜所组成的系统不得不沿着系统的光轴被对应地移位。

在这种情况下，缺陷在于：在聚焦区段中需要高机械付出，这是因为由于紧邻加工点以及所关联的热应力和污染风险(由熔化的金属、烟等所导致的)而存在对于稳健性和无障碍便可触及性方面的特殊要求。

DE202010006047U1描述了一种用于聚焦激光束的光束整形单元，所述光束整形单元包括由两个会聚性光学元件组成的准直光学装置，所述会聚性光学元件可以沿着光轴在激光加工头中移动，所述光束整形单元还包括聚焦光学装置。准直光学装置以开普勒望远镜的形式构造。在这种情况下，第一可移动光学元件用于调节焦斑直径并且第二可移动光学元件用来补偿或调节焦点位置。

由于在这种情况下在准直区段中存在真实的中间焦点，因而已知的光学系统具有可观的总长度。

DE102011117607A1公开了具有可变的放大率的、用于激光辐射的另一种光学系统，在这种光学系统中，准直透镜系统和聚焦光学装置被设置。准直透镜系统由第一可移动会聚性透镜组、第二可移动发散性透镜组和第三静止的或可轴向移动的会聚性透镜组组成。焦斑直径可以通过使前两个透镜组相对于彼此移位而被再次调节。如果第三透镜组也被轴向调节的话，还可以调节轴向焦点位置。

可移动光学元件在这种情况下也位于准直区段中，但是激光材料加工的通常的热问题、例如热焦点偏移由于所使用的光学元件的数量较大而变得尤为严重。