[发明专利]用于激光加工头的偏转设备以及用于加工工件的激光加工头

说明书

一种用于激光加工头(100)的偏转设备(14)，所述偏转设备用于偏转加工激光射束(15)以用于加工工件(13)，其中，所述偏转设备(14)包括：至少一个镜元件(10)，所述至少一个镜元件是可变形的和/或可运动的，以便使所述加工激光射束(15)定向至所述工件(13)上的不同位置，其中，所述镜元件(10)包括至少一个衬底(4)和布置在所述衬底(4)上的至少一个反射性多层结构(3)，具有在第一值范围内的第一折射率的多个晶状的第一层(1)和具有在第二值范围内的第二折射率的多个晶状的第二层(2)交替地彼此上下地布置在所述多层结构中，其中，所述晶状的第一层(1)的第一折射率和所述晶状的第二层(2)的第二折射率彼此不同。

技术领域

本发明涉及一种用于激光加工头的带有镜元件的偏转设备，该偏转设备用于偏转加工激光射束和用于加工工件，以及涉及一种包括该偏转设备的激光加工头。

背景技术

在激光材料加工的技术领域，具有非常高的激光功率的激光系统正被越来越多地使用。由此增加了对激光加工头及其中所含光学元件的要求，如重铜镜的替代镜或替代镜元件，因为高激光功率会导致到光学元件中的高热量输入。尤其是对于光纤引导系统的要求在增加，以便保持这种高功率。

因此，在激光加工头中的系统和光学元件不匹配于高功率激光器的要求的情况下，必须预期到这些系统和光学元件在短时间内由于高热量输入而遭受材料疲劳，被激光射束损坏或者甚至破坏，并在加工工件时具有不足的性能。此外，由于光学元件中的热漂移，加工激光射束可能连续地相对于预先确定的射束路径发生偏转或位移，这是很难控制和补偿的。通过使用具有高功率的加工激光器，因此必须匹配激光加工头中的光学元件的性能，以便达到令人满意的效率和性能。

激光加工头匹配于高激光功率情况下的一个主要挑战在此是避免镜表面上的温度升高。在最坏的情况下，镜面的加热会限制材料加工的最大激光功率。加热的原因在于固有的性能，尤其是镜覆层(Spiegelbeschichtung)的材料性能。根据所使用的材料，可以在金属覆层和电介质覆层之间做出区分。金属覆层基于强反射性材料，如铝、银或金，其沉积在衬底材料上。由于金属层的高吸收程度，在使用高的光功率密度的系统中，这种镜只能在有限范围内使用。现代电介质覆层，也称为薄膜覆层或干扰覆层，由透明的、具有非常不同的折射率的交替的电介质材料的薄层组成，如SiO₂和Ta₂O₅，其施加在衬底上。它们的功能基本上是改变表面的反射特性，其方式是，它们利用多个光学层的反射的干扰。它们可以用于高反射性(HR)激光镜、抗反射覆层(AR)、分色镜(以不同方式处理不同波长)或薄层偏振镜。

光学覆层和衬底中的吸收主要由材料的波带结构(Bandstruktur)决定。常见的电介质材料，如氧化物，示出高于3eV的带隙，这对应于紫外线中的吸收边缘。由此，使用电介质覆层可以导致在ppm范围内的吸收。然而，覆层中的缺陷，例如由于杂质，会强烈影响吸收。由于电介质覆层基于在其界面处的建设性和破坏性干扰的优化来改变衬底表面的反射特性，因此可以证明抗反射和高反射覆层之间的显著区别。典型的透明衬底，如石英玻璃，在垂直入射下具有约为4％的反射率。因此，使值低于0.1％(AR覆层)所需的干扰层的数量比在增加到99.9％以上(HR覆层)的情况下少得多。虽然对于AR覆层而言3到5个电介质层是典型的，但是对于HR覆层而言能够很容易需要高于5层。HR覆层与AR覆层相比的增加的复杂性导致污染和结构缺陷的概率更高，这最终决定了吸收并限制最大激光功率。此外，非晶电介质材料具有低的热导率(在1W/(m·K)的数量级上)，这限制了热量传输，并可能导致覆层中的热诱导的结构损坏，并最终可能导致激光加工头中的热诱导的结构损坏。

因此，镜覆层是激光加工头中一个非常关键的部件并且可以限制加工激光射束的激光功率。

尤其是那些由于可运动的、例如可旋转的支承而难以与散热器耦合或只能与散热器低度耦合的镜受到加工激光射束造成的高能量输入，因为热量不能有效率地消散。这尤其在可变形的和/或可运动的或可运动地支承的镜发生，因为与散热器的耦合比在固定的镜中更难。