專(zhuān)利名稱(chēng)：具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡的光束成型單元和具有一個(gè)這種光束成型單元并用于引入光線能量 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束成型單元，本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知這種單元適用于光束聚焦，以及一種由JP10244 386A已知的裝置。
向一個(gè)由弱吸收材料構(gòu)成的工件中引入強(qiáng)功率的電磁射線在材料處理中一直是一個(gè)中心問(wèn)題。這里，特別是激光材料處理在相應(yīng)的研究中占據(jù)著中心位置，因?yàn)橐延幸幌盗芯哂锌捎玫奶匦缘暮线m的光源，這些光源可有效地適用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
為了能有效地利用所提供的能量，也就是說(shuō)在位置和數(shù)量上最佳地將光線能量引到工件中，簡(jiǎn)單地將光線聚焦到工件表面上往往是不夠的。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種方法和裝置，它們適應(yīng)于專(zhuān)門(mén)的處理任務(wù)，起到最佳地引入能量的作用。主要由不同的處理任務(wù)(例如分離、拆除或鉆孔)以及被處理工件的不同幾何形狀和不同材料所決定，這些方法和裝置著眼于以不同方式形成和引導(dǎo)光線。
在現(xiàn)有技術(shù)的多種解決方案中，只有這種方案被視為與本發(fā)明相關(guān)它們使光束形成為一個(gè)光線環(huán)和/或多次引導(dǎo)光線通過(guò)工件。
在現(xiàn)有技術(shù)已知的解決方案中形成光線環(huán)只是為了以圓形照射工件表面，例如切割出一個(gè)透鏡。理想方法是光線呈環(huán)形聚焦在工件表面上。為了將光束變換為一個(gè)光線環(huán)，已知方法是采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡(Axicon)。
在US4456811(或EP0189027A1)中借助于一個(gè)聚光透鏡-旋轉(zhuǎn)三棱鏡組合和錐形鏡如此使激光光線形成為一個(gè)聚焦環(huán)使得一個(gè)彎曲的、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的工件表面被此聚焦環(huán)垂直照射并有效地處理。
US4623776描述了一個(gè)完全類(lèi)似的裝置，其中借助于所產(chǎn)生的聚焦光線環(huán)可以最佳地切割出例如塑料透鏡。
旋轉(zhuǎn)三棱鏡-聚焦透鏡組合的基本任務(wù)，即產(chǎn)生一個(gè)平面聚焦的光線環(huán)，是專(zhuān)利PS2821883(US4275288)和US3419321所做出的貢獻(xiàn)，其中所產(chǎn)生的光線環(huán)被用于例如切割出具有規(guī)定直徑的孔、熔焊出這樣的外形等類(lèi)似的激光材料處理工作。
以上所述解決方案與本發(fā)明的主題只有以下共同點(diǎn)即借助于一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡形成一個(gè)光束。
此處與所提出的任務(wù)相關(guān)的是以下方案其中提出的措施用于提高能量的引入，引導(dǎo)光束多次通過(guò)工件，從而也能處理大量地穿透光線、而僅僅少量吸收光線的材料。
在GB2139614A中描述了一種系統(tǒng)，其主要目標(biāo)一方面是特別形成聚焦在工件上的激光光線，其中在切割玻璃時(shí)要求確定地形成應(yīng)力裂紋，目標(biāo)的另一方面是通過(guò)一個(gè)安裝在工件背面的第二個(gè)聚焦鏡實(shí)現(xiàn)第二個(gè)聚焦通道穿過(guò)工件中相同的交替作用區(qū)。通過(guò)兩次穿過(guò)工件的激光光線提高了被吸收的光線能量。
在日本公開(kāi)的專(zhuān)利號(hào)10244386A的專(zhuān)利摘要中也描述了一種用于通過(guò)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋來(lái)分離工件的方法。其中激光光線同時(shí)或在時(shí)間上先后沿著分離區(qū)基本上在相同的位置或具有小的相互間距的位置上至少兩次穿過(guò)工件。在激光光線到達(dá)工件上之前，光線透過(guò)一個(gè)半透明的鏡面。透射的光線部分穿過(guò)工件，被安裝在工件下面的鏡面反射回工件中，并再次射到半透明的鏡面上，此鏡面反射回一部分光線到工件上。放置在此鏡面和第二個(gè)鏡面之間的工件被光線反復(fù)穿透。然而這里能量損失是非常巨大的。在光線第一次到達(dá)時(shí)被半透明的鏡面反射的光線部分和在再次到達(dá)半透明的鏡面時(shí)所透射的光線部分一方面對(duì)工件已經(jīng)失去了作用，另一方面被反射回光源。
現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有公開(kāi)這樣的解決方案，用此方案提供的光線能量可在一個(gè)部分透明的工件的小的交替作用區(qū)域中幾乎被完全吸收。這個(gè)事實(shí)尤其被下述情況所說(shuō)明一個(gè)光學(xué)單元(為上述目的它將光線至少第二次反射回交替作用區(qū)域中)始終處在光源和工件之間的光路中。因?yàn)闆](méi)有包括光學(xué)薄膜在內(nèi)的光學(xué)元件，這種光學(xué)元件在一個(gè)通過(guò)方向上完全透過(guò)一束未被改變的光線，而在另外的方向上完全反射光線，所以能量損失是不可避免的。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，事實(shí)上每個(gè)位于光路中的光學(xué)元件也是始終有損耗的，即使是小的損耗也是有影響的。如果這種元件對(duì)于從不同方向來(lái)的、有時(shí)是反射有時(shí)又是透射的，如一個(gè)半透明的鏡面或一個(gè)分配六面體(Teilerwürfel)的情況那樣，這種損耗很高。
本發(fā)明的目的在于給出一種光束成型單元，它形成一個(gè)可點(diǎn)狀聚焦的、環(huán)形的、并具有一個(gè)無(wú)光線的中心區(qū)的光束，在此中心區(qū)可以安置一個(gè)光學(xué)元件，此元件可以不受來(lái)自光源并穿透光束成型單元的光束的影響，從而不會(huì)引起損耗。
本發(fā)明的另一個(gè)任務(wù)是給出一種裝置，用此裝置在使用滿足本發(fā)明的任務(wù)的光束成型單元的情況下可以借助于電磁射線，最好是強(qiáng)功率激光器的光線，如此處理相對(duì)弱吸收的、在很大程度上為透明的材料-通過(guò)多次的單次吸收最終實(shí)現(xiàn)材料中高的總吸收，從而有效地利用光線能量于處理過(guò)程，其中保證光線能量被引入到一個(gè)盡可能小的交替作用區(qū)(工件的區(qū)域，通過(guò)此區(qū)域時(shí)光線被吸收)，以實(shí)現(xiàn)高精度處理，并且-在很大程度上避免了未被吸收的光線反饋到光源。
本發(fā)明涉及光束成型單元的任務(wù)如權(quán)利要求1所述如此完成在光軸上在聚焦透鏡之前設(shè)置第二個(gè)施轉(zhuǎn)三棱鏡，其錐形光學(xué)面背對(duì)著聚焦透鏡，并且聚焦透鏡和旋轉(zhuǎn)三棱鏡的參數(shù)以及它們相互之間的間距如此選擇，使得從位于光軸上第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡之前的光源發(fā)出的并穿過(guò)光束成型單元的光束被成形為聚焦在第一聚焦點(diǎn)、接著發(fā)散成環(huán)形的、具有一個(gè)無(wú)光線中心區(qū)域的光束。
本發(fā)明關(guān)于裝置的任務(wù)如權(quán)利要求2所述如此完成在諧振單元之前設(shè)置一個(gè)權(quán)利要求1所述的光束成型單元，并且第一個(gè)諧振鏡位于第一聚焦點(diǎn)后面的無(wú)光線中心區(qū)域內(nèi)，-設(shè)置一個(gè)聚焦透鏡，它環(huán)繞第一個(gè)諧振鏡并將入射到工件中的光束聚焦到第二個(gè)聚焦點(diǎn)，-第二個(gè)諧振鏡位于第二個(gè)聚焦點(diǎn)之后的無(wú)光線中心區(qū)域內(nèi)，被一個(gè)聚焦鏡包圍，聚焦鏡將來(lái)自第二聚焦點(diǎn)的發(fā)散的光束成形為一個(gè)會(huì)聚的光束并反射到一個(gè)鏡面上，此鏡面被設(shè)置在聚焦鏡和工件之間，并將光束反射到第二個(gè)諧振鏡上，-鏡面具有一個(gè)孔，它的大小恰好使得來(lái)自第二個(gè)聚焦點(diǎn)并在聚集焦鏡的方向上前進(jìn)的光束可無(wú)妨礙地通過(guò)，并且被第二諧振鏡反射的光束無(wú)妨礙地通過(guò)，在接著入射到第一諧振鏡上并由此諧振鏡反射回工件之前第二次在工件內(nèi)部被聚焦到第二個(gè)聚焦點(diǎn)上。
在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明了具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施方式。
由于根據(jù)本發(fā)明的光線成型單元的性質(zhì)完全確定了本發(fā)明所述裝置的性質(zhì)，本發(fā)明的本質(zhì)在下面借助于此裝置來(lái)說(shuō)明。
本領(lǐng)域技術(shù)人員都清楚，僅當(dāng)在介質(zhì)的兩側(cè)都設(shè)置一個(gè)反射器時(shí)，即在光線方向上工件之前強(qiáng)制性地設(shè)置第一個(gè)反射器時(shí)，光線才能多次在相同的光路上通過(guò)介質(zhì)(工件)(假設(shè)為了將光線能量引入到小的交替作用區(qū)域中)。此第一個(gè)反射器對(duì)于第一次將光線引入到工件中不起作用，并且應(yīng)該能盡可能不影響光線的通過(guò)，只有在光線在第二個(gè)反射器上反射并第二次通過(guò)工件再次到達(dá)此第一反射器之后，第一個(gè)反射器應(yīng)盡可能完全地反射入射的光線。
這里說(shuō)明本發(fā)明的基本思路。為了使第一反射器在光線第一次入射到工件上之前能實(shí)際上不影響光線，應(yīng)如此形成光束，使得第一反射器雖然在光路中，但是光束不通過(guò)該反射器，而是圍繞著它。這種光束成型通過(guò)本發(fā)明的光束成型單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的要點(diǎn)在于，此光束成型單元如此成形來(lái)自于光源的光束在光線方向上在該光束成型單元后面的全部光線被會(huì)聚到第一聚焦點(diǎn)并接著發(fā)散，使得光線被擴(kuò)散為具有確定的無(wú)光線的中心區(qū)域的環(huán)，環(huán)的直徑隨著與第一聚焦點(diǎn)的距離線性增大。在此無(wú)光線的中心區(qū)域中設(shè)置第一個(gè)諧振鏡，它屬于設(shè)置在光束成型單元之后的諧振單元。該諧振單元如此形成并引導(dǎo)具有上述擴(kuò)散特性的光線，使得第一聚焦點(diǎn)被成像為第二聚焦點(diǎn)到工件中，并從而使光線能量成點(diǎn)狀集中到小的交替作用區(qū)域中，此作用區(qū)域多次，至少4次，被光線通過(guò)，并且以這種方式使被工件吸收的光線總量提高到單次吸收量的數(shù)倍。
為了使光線會(huì)聚到第一聚焦點(diǎn)并接著被擴(kuò)展而形成一個(gè)光線環(huán)，像現(xiàn)有技術(shù)已知的方案那樣只用一個(gè)聚焦透鏡和一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡工作是不夠的，這通常在工件表面上產(chǎn)生一個(gè)聚焦環(huán)。這些方案的特征在于，由旋轉(zhuǎn)三枝鏡產(chǎn)生的環(huán)的中心光線的交叉點(diǎn)和這個(gè)環(huán)的單個(gè)光線段的聚焦點(diǎn)在所觀察的光線擴(kuò)散方向上相互偏移。如果如此適配聚焦透鏡的參數(shù)、旋轉(zhuǎn)三棱鏡參數(shù)和它們之間的相互距離，使得所有光線入射在一點(diǎn)上，則其作用最終是一個(gè)等效的單個(gè)透鏡，即從這一點(diǎn)出發(fā)的光線不能形成具有隨著至焦點(diǎn)的距離成比例增大的無(wú)光線中心孔的環(huán)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)如本發(fā)明所述將第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡引入到光路中而得到解決。這三個(gè)構(gòu)件(兩個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡+聚焦透鏡)的總作用如下第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡用于形成所需要的環(huán)。聚焦透鏡的作用是將光線會(huì)聚到已知的環(huán)形焦點(diǎn)中，此焦點(diǎn)在迭加由第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡所提供的合適的聚焦時(shí)蛻變?yōu)樗璧牡谝痪劢裹c(diǎn)。這個(gè)第一聚焦點(diǎn)事實(shí)上是一個(gè)是有真正的無(wú)光線中心區(qū)域的環(huán)形擴(kuò)散光線的輸出點(diǎn)。這種特殊的光束成型使得借助于本發(fā)明所述諧振單元實(shí)現(xiàn)裝置的本來(lái)目的成為可能。由于在光束成型單元后面所有的光線部分來(lái)自一個(gè)點(diǎn)，即來(lái)自第一個(gè)聚焦點(diǎn)，這些光線部分可以通過(guò)后續(xù)的會(huì)聚透鏡或者凹鏡重新“再聚焦”，即聚焦到另一個(gè)聚焦點(diǎn)上，同時(shí)在兩個(gè)聚焦點(diǎn)之間的光路上始終保持環(huán)狀特性。這是設(shè)置在后面的諧振單元可以完成其功能的先決條件。諧振單元主要有如下所述結(jié)構(gòu)；諧振單元的輸入元件是一個(gè)會(huì)聚透鏡，它以這樣的距第一聚焦點(diǎn)的距離被設(shè)置，使得光束的無(wú)光線中心區(qū)域足夠大，以在那里放置一個(gè)凹鏡，它作為第一諧振鏡工作，而不遮擋光束部分。因此光束在進(jìn)入諧振單元時(shí)完全通過(guò)會(huì)聚透鏡，而第一諧振鏡不影響此光束。第一個(gè)會(huì)聚透鏡將此光線聚焦到被處理的工件—例如玻璃板—的交替作用區(qū)域中。直接在工件之后—其厚度可以為數(shù)毫米—設(shè)置一個(gè)具有中心孔的鏡面。其中孔的大小必須足以使在工件后面重又發(fā)散的光束可以無(wú)損失地通過(guò)。光束在另一條光路上前進(jìn)到一個(gè)聚焦鏡上，此聚焦鏡以這樣的距具有中心孔的鏡面的距離被設(shè)置，使得一方面在聚焦鏡上也存在一個(gè)足夠大的無(wú)光線中心區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可以放置另一個(gè)小的凹鏡，它作為第二諧振鏡工作，另一方面通過(guò)適當(dāng)選擇此聚焦鏡的曲率半徑使得在聚焦鏡上反射后返回鏡面方向且重又發(fā)散的光束被鏡面完全反射并會(huì)聚到第三個(gè)聚焦點(diǎn)，此聚焦點(diǎn)位于此鏡面與第二諧振鏡之間，通常在第二諧振鏡附近。光束現(xiàn)在以相對(duì)小的直徑射到第二諧振鏡上，此諧振鏡的曲率半徑如此設(shè)置，使得光線重又被聚焦并再次射到工件中的交替作用區(qū)域中，在第二諧振鏡上反射后已經(jīng)非常細(xì)窄的光束現(xiàn)在第二次通過(guò)工件并在朝著第一諧振鏡的方向上前進(jìn)。第一諧振鏡的曲率半徑被如此適配，使得它實(shí)現(xiàn)再次反射并精確聚焦到第三個(gè)聚焦點(diǎn)。從而使光束如此射在第二諧振鏡上，使得第一個(gè)諧振循環(huán)的輸出條件重又被給出，只是具有縮小了的光束直徑。本發(fā)明的裝置以這種方式解決了類(lèi)似諧振器作用的任務(wù)，即光線多次通過(guò)工件中的交替作用區(qū)。光束由于工件中的吸收而“跑到死”，而沒(méi)有光線部分返回到光源中。
系統(tǒng)的效率，即在工件中被吸收的光線能量與光源提供的輸入能量之比僅由不可避免的原理上的損耗，尤其是光學(xué)元件中的吸收、衍射損耗和由成像誤差和調(diào)整誤差帶來(lái)的損耗決定，并且在相對(duì)弱的吸收材料(每次通過(guò)的吸收率小于10％)的情況下效率大于50％。
在所描述的光線進(jìn)程中容忍了在第一次通過(guò)之后的每次奇數(shù)次光束通過(guò)工件時(shí)光束不被聚焦在工件之內(nèi)(第二聚焦點(diǎn))，從而不在本來(lái)的交替作用區(qū)內(nèi)，而是聚焦在工件附近(第三聚焦點(diǎn))，因?yàn)橹挥幸赃@種方式才能實(shí)現(xiàn)在第一和第二諧振鏡之間穩(wěn)定的諧振關(guān)系。這對(duì)于多數(shù)應(yīng)用而言是無(wú)害的，特別是因?yàn)橥ㄟ^(guò)的光束直徑隨通過(guò)進(jìn)程變小，且在合適的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)大小時(shí)在每種情況下光束直徑為1毫米數(shù)量級(jí)并位于其下。未尖銳聚焦的光線部分在某些工作任務(wù)下可非常有效地起作用，因?yàn)檫@些光線部分可以有退火或減小溫度梯度的作用。
也可以無(wú)問(wèn)題地改變諧振單元的幾何尺寸，從而最佳地適配于工件特性，尤其是可以適配于吸收性能和所要的處理結(jié)果，可以如此選擇例如第一諧振鏡的焦距，使得來(lái)自第二諧振鏡的光束重又聚焦到交替作用區(qū)，即實(shí)際上返回其中。在從第二諧振鏡、鏡面和聚焦鏡上反射之后，工件甚至第四次被光線聚焦穿過(guò)。如果吸收率不是太低(≥20％)，則光線能量的大部分在工作區(qū)域中被吸收。如果不采取特殊的措施，在交替作用區(qū)中沒(méi)有被吸收的殘留光線有可能反送到光源中。然而此問(wèn)題可如此相對(duì)簡(jiǎn)單地解決，方法是在光源和光束成型單元之間的光路中采用一個(gè)光線去耦單元，它實(shí)際上完全排除了反向前進(jìn)的光線。此去耦單元工作的先決條件是光線從光源出來(lái)時(shí)是線性極化的。然后光線去耦單元如此工作首先從光源來(lái)的線性極化光線通過(guò)一個(gè)極化鏡，它被調(diào)整到完全通過(guò)，即光束只受到極小的損耗。接著光線在通過(guò)一個(gè)λ/4板時(shí)變換為圓極化光線。這種變換對(duì)于許多應(yīng)用是需要的或者至少是有意義的，因?yàn)樵诶脠A極化光線對(duì)激光材料進(jìn)行處理時(shí)不存在不希望有的處理效果對(duì)方向的依賴(lài)性。在另一條光路中繼續(xù)保持圓極化，而且返回的光線部分也具有這種特性?，F(xiàn)在光線以相反的方向通過(guò)光線去耦單元，結(jié)果是λ/4板如此“旋轉(zhuǎn)”極化矢量，使得從圓極化重又形成線性極化光，而此線性極化光相對(duì)于入射的電磁射線場(chǎng)極化面旋轉(zhuǎn)了90°。對(duì)于此光線現(xiàn)在極化鏡不讓它通過(guò)，也就是說(shuō)，避免了反送到光源中去。
一般在本發(fā)明裝置中可以通過(guò)沿著光軸移動(dòng)工件在預(yù)定的光學(xué)參數(shù)下找到強(qiáng)度、光線直徑和強(qiáng)度分布之間具有最適當(dāng)?shù)年P(guān)系的位置，并且此位置可在相對(duì)寬的范圍內(nèi)自由選擇。例如在借助于應(yīng)力裂紋分割玻璃時(shí)這是一個(gè)重要的選擇。特別是對(duì)于此任務(wù)可能需要產(chǎn)生一個(gè)起始裂紋。為此本發(fā)明提供例如下述的三種可能性；1)選擇一個(gè)光源，它除了連續(xù)工作外還可以強(qiáng)提升的功率峰值脈沖工作(例如通過(guò)一個(gè)激光器的品質(zhì)轉(zhuǎn)換)，以在處理過(guò)程開(kāi)始時(shí)用一個(gè)這樣的脈沖在聚焦區(qū)產(chǎn)生材料組織的一個(gè)有意的精細(xì)“損壞”，它提供起始裂紋。接著光源切換到正常工作方式，并且起始裂紋以所希望的方式，即為了產(chǎn)生規(guī)定的分割過(guò)程，作為穿過(guò)工件的應(yīng)力裂紋工作。
2)由于本發(fā)明的裝置可以無(wú)問(wèn)題地實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)和工件的相對(duì)位置的迅速變化，例如也可以如此進(jìn)行(在連續(xù)工作的光源情況下)在開(kāi)始處理時(shí)工件精確地位于焦點(diǎn)處。在足夠的光線功率下可以產(chǎn)生所需的材料組織的精細(xì)損壞，即產(chǎn)生起始裂紋。為了進(jìn)行進(jìn)一步處理，其中熔化和汽化是不希望的，工件被從聚焦區(qū)移出，直到對(duì)于借助應(yīng)力裂紋的分割達(dá)到最佳的強(qiáng)度關(guān)系。
3)為了產(chǎn)生起始裂紋或者一系列為了給出精確外形的這種“起始點(diǎn)”，以及在復(fù)雜的工件形狀下應(yīng)用一個(gè)附加的光源，提供了一種特別靈活的方案。此光源最好是一個(gè)脈沖激光器。在一個(gè)適宜的裝置中可以例如直接在工件之前設(shè)置一個(gè)換向鏡，它對(duì)于原來(lái)的(來(lái)自第一個(gè)會(huì)聚透鏡的)工作光線是透明的，然而第二個(gè)激光器的光線被完全反射。第二個(gè)激光器的光線經(jīng)過(guò)這個(gè)換向鏡的90°轉(zhuǎn)向尖銳聚焦到工件上。這里附加光源和用于其光線的聚焦光學(xué)系統(tǒng)在側(cè)面設(shè)置在主光路之外。通過(guò)合適的調(diào)節(jié)元件——它可以例如借助于調(diào)節(jié)電機(jī)在處理過(guò)程中被起動(dòng)——可以調(diào)節(jié)此尖銳焦點(diǎn)與本來(lái)的交替作用區(qū)之間的不同的所需相對(duì)位置。這樣例如可以在處理過(guò)程的同時(shí)影響應(yīng)力裂紋的方向。
在用NdYAG激光器或二極管激光器分割玻璃時(shí)例如一個(gè)小的TEA-CO2激光器被提供來(lái)作為附加光源，其光線被玻璃強(qiáng)吸收。一個(gè)尖銳聚焦在玻璃樣品表面的這種激光脈沖足以產(chǎn)生所希望的起始裂紋。
本發(fā)明的裝置允許其它的應(yīng)用方式，這里僅僅提一下它們而不詳細(xì)說(shuō)明。例如可以在第三個(gè)聚焦點(diǎn)處安裝一個(gè)非線性光學(xué)晶體，借助于它產(chǎn)生原光線的高次諧波。由于諧振裝置和在此第三聚焦點(diǎn)處相對(duì)高的強(qiáng)度，高的轉(zhuǎn)換率是可能的。以這種方式不僅可以用光線的基波，也可以用高次諧波處理工件，這可以產(chǎn)生有益的作用。
上面非常詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明的光束成型單元與本發(fā)明諧振單元的組合，其中第一諧振鏡置于無(wú)光線的中心區(qū)域中。對(duì)于光束成型單元的其它應(yīng)用，可以設(shè)置其它的光學(xué)元件來(lái)代替此第一諧振鏡。例如一個(gè)換向鏡可安放在此位置上，此換向鏡必須不是半透明的鏡，而是具有一個(gè)高度反射的涂層，以最大地反射進(jìn)入的光線。以此方式可以無(wú)損耗地實(shí)現(xiàn)多個(gè)光束的無(wú)損耗迭加。
下面借助附圖所示實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。附圖中

圖1示出通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡的光線行程(現(xiàn)有技術(shù))，圖2示出通過(guò)一個(gè)會(huì)聚透鏡和一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡的光線行程(現(xiàn)有技術(shù))，圖3示出通過(guò)一個(gè)由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡和一個(gè)會(huì)聚透鏡組成的光束成型單元的光線行程，圖4示出圖3所示光束成型單元后面的光錐擴(kuò)散，圖5示出諧振單元及詳細(xì)的光路，圖6示出具有光源、光束成型單元和諧振單元的完整裝置，圖7示出去耦單元，圖8示出具有用于產(chǎn)生起始裂紋的附加光源的諧振單元。
本發(fā)明的裝置主要由一個(gè)光源6、一個(gè)光束成型單元4和一個(gè)諧振單元5組成，其中置于光束成型單元4中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡承擔(dān)了中心功能。為了容易理解本發(fā)明，圖1首先示出單個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1的基本功能，此旋轉(zhuǎn)三棱鏡由圓錐角δ1表征。入射的光束—假設(shè)它是輕微發(fā)散的，并且在例如高斯或矩形(幅形)的強(qiáng)度橫截面上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)—精確地集中并垂直入射到第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1的光線成形側(cè)(錐形面)。在其錐形面上的折射使得光線作為發(fā)散的環(huán)離開(kāi)第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1。中心光線(用虛線表示)相交于光軸9(以點(diǎn)劃線表示)上的一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)光束始終保持旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。
圖2示出一個(gè)用于典型的、由現(xiàn)有技術(shù)已知的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1的應(yīng)用情況，即用于產(chǎn)生一個(gè)環(huán)狀焦點(diǎn)的情況。為此在第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1之間設(shè)置一個(gè)聚焦透鏡2，它將一個(gè)光束—它在圖1中射到第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡上—成形為一個(gè)會(huì)聚的光束。通過(guò)已借助圖1說(shuō)明的第一旋轉(zhuǎn)三棱鏡1的作用，在通過(guò)第一旋轉(zhuǎn)三棱鏡后得到一個(gè)會(huì)聚的環(huán)狀光線，其中心光線重又相交于第一旋轉(zhuǎn)三棱鏡1的光軸9上的一個(gè)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于聚焦透鏡2的焦距，一個(gè)環(huán)狀焦點(diǎn)或聚焦的光線環(huán)10形成在一個(gè)確定的平面中。與聚焦透鏡2的參數(shù)和第一旋轉(zhuǎn)三棱鏡1的參數(shù)無(wú)關(guān)，中心光線的交點(diǎn)和環(huán)形焦點(diǎn)相互間始終有一個(gè)間距a。
然而對(duì)本發(fā)明的裝置功能的要求是a趨近于零，這僅僅意味著聚焦的光線環(huán)10趨于一個(gè)聚焦點(diǎn)，此聚焦點(diǎn)與中心光線的交點(diǎn)重合。這個(gè)第一要求與第二要求，即在聚焦點(diǎn)之后光線重又作為具有無(wú)光線中心區(qū)域的發(fā)散環(huán)向前行進(jìn)，結(jié)合在一起可由按本發(fā)明串接的第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡3實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。
第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1、聚焦透鏡2和第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡3一起構(gòu)成了光束成型單元4，它與后面說(shuō)明的諧振單元5和一個(gè)光源6設(shè)置在一個(gè)公共的光軸9上，它們決定本發(fā)明的裝置。完整的裝置被示于圖6中，然而借助于其主要構(gòu)件，即圖3的光束成型單元4和圖5的諧振單元5來(lái)說(shuō)明此裝置。
具有圓錐角δ2的第二旋轉(zhuǎn)三棱鏡3用于像借助圖1詳細(xì)說(shuō)明的那樣首先如此對(duì)入射的光束進(jìn)行成型，它已經(jīng)以環(huán)形射到聚焦透鏡2上，從而實(shí)現(xiàn)在聚焦透鏡2之后的發(fā)散光束已經(jīng)以具有無(wú)光線中心區(qū)域的環(huán)形射到第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1上，接著通過(guò)它的作用光線被如此折射，使得整個(gè)發(fā)散的環(huán)形光束在第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1后面確定距離處聚焦為第一個(gè)聚焦點(diǎn)8，并且接著作為具有愈來(lái)愈大的無(wú)光線中心區(qū)域的發(fā)散光線環(huán)10擴(kuò)散。第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡1的圓錐角δ1和第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡3的圓錐角δ2以及兩個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡相互間的距離和與聚焦透鏡2的距離與聚焦透鏡2的焦距如此確定，使得產(chǎn)生所需要的光路。
在所有光線的全部交點(diǎn)會(huì)聚到焦點(diǎn)8之后光束的擴(kuò)散再次示于圖4中。如上所述，第一個(gè)聚焦點(diǎn)8是以一定發(fā)散度擴(kuò)展的環(huán)形光束。與上面說(shuō)明的圖(其中光束分別以光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)中心光線和邊緣光線的縱截面示出)不同，在圖4中環(huán)形光束以垂直于光軸9的截面示出。在此截面上光束呈現(xiàn)為具有一個(gè)無(wú)光線中心區(qū)域的光線環(huán)10。
圖5示出諧振單元5的原理結(jié)構(gòu)，此單元由一個(gè)會(huì)聚透鏡12，第一諧振鏡13，一個(gè)具有孔16的鏡面17，一個(gè)聚焦鏡18和第二諧振鏡19組成。元件相互間的位置將與諧振單元5的工作原理一起說(shuō)明。
諧振單元5被如此設(shè)置在光線方向上光束成型單元4之后，使得其第一構(gòu)件組—由一個(gè)會(huì)聚透鏡12和第一諧振鏡13組成—位于距第一聚焦點(diǎn)8這樣的距離處，使得光線環(huán)10完全射到會(huì)聚透鏡12上，并且第一諧振鏡13完全位于無(wú)光線的中心區(qū)域內(nèi)。這里會(huì)聚透鏡12和第一諧振鏡13不必一定要位于一個(gè)平面中(本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，如果光學(xué)成像元件位于一個(gè)平面內(nèi)，總是稱(chēng)其為主平面)。會(huì)聚透鏡12將此環(huán)形光束聚集到一個(gè)工件14的表面上或一個(gè)工件14的內(nèi)部(交替作用區(qū))的第二聚焦點(diǎn)15，其中第二聚焦點(diǎn)15與工件14的最佳相對(duì)位置取決于相應(yīng)的處理任務(wù)，在這個(gè)第一次穿過(guò)工件并且第一次部分吸收之后光束通過(guò)鏡面17中的孔16，此孔恰好足以使得再度發(fā)散的光束可以無(wú)損耗地通過(guò)。為了能使這個(gè)孔16保持盡可能地小，鏡面17以較小的距離置于工件14之后。
在其另一條光路上光束射到聚焦鏡18上，此鏡位于第二聚焦點(diǎn)15之后離工件14足夠遠(yuǎn)，使得在這里重又得到一個(gè)具有足夠大直徑的無(wú)光線中心區(qū)域，以在那里放置第二諧振鏡19。這個(gè)第二諧振鏡19可以固定安裝在聚焦鏡18上或者為了保證裝置的自由調(diào)節(jié)程度而是可自由調(diào)節(jié)的。在后一種情況下，聚焦鏡18必須具有足夠大的開(kāi)孔，使得第二諧振鏡19可以通過(guò)相應(yīng)的調(diào)節(jié)單元21在需要時(shí)傾倒或沿著光軸9移動(dòng)，調(diào)節(jié)單元21安裝在聚焦鏡18的后面，即安裝在整個(gè)光線路徑之外并因此而不帶來(lái)?yè)p害。因此由第一諧振鏡13和第二諧振鏡19構(gòu)成的本來(lái)的諧振器的精細(xì)調(diào)節(jié)是可能的。
在聚焦鏡18上反射之后的后續(xù)光路使得鏡面17的作用變得清晰了。此鏡面是諧振器工作的基礎(chǔ)，因?yàn)樗箒?lái)自聚焦鏡18重又會(huì)聚的光束換向到第三個(gè)聚焦點(diǎn)20。應(yīng)該注意，鏡面17不一定非得像圖中所示那樣是一個(gè)平面鏡，而是在需要時(shí)也可以具有一個(gè)光學(xué)上有效的彎曲，例如當(dāng)需要會(huì)聚作用時(shí)，它將光線會(huì)聚到第三個(gè)聚焦點(diǎn)20處，此彎曲將均勻分配給鏡面17和聚焦鏡18。以相對(duì)短的距離位于第二諧振鏡19之前的第三聚焦點(diǎn)20對(duì)于諧振器來(lái)說(shuō)起到中心作用。第二諧振鏡19的焦距及其至第三聚焦點(diǎn)20的距離如此相互協(xié)調(diào)，使得光束第二次被聚焦到工件14中的交替作用區(qū)，且在那里完成第二次部分吸收之后作為細(xì)長(zhǎng)的光束射到第一諧振鏡13上。如此選擇其焦距，使得反射的光線在第三次通過(guò)工件14之后重又精確地會(huì)聚在第三聚焦點(diǎn)20上，這是一個(gè)實(shí)際諧振器功能的先決條件，即在兩個(gè)諧振鏡13和19之間實(shí)現(xiàn)光線的多次來(lái)回往復(fù)。由于在每次通過(guò)工件時(shí)完成的吸收光束最終跑“死”了，并且即使在弱吸收的情況下，所提供的光線功率在被處理的材料中被大量吸收。
更加重要的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)完全避免了部分光線返回到光源6，因而在本發(fā)明所述裝置的具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例中可以省去專(zhuān)門(mén)的用于光源6去耦的措施。
在本發(fā)明所述裝置的第二個(gè)實(shí)施例中光束在每次通過(guò)工件14時(shí)都被聚焦在交替作用區(qū)域中，從而減小交替作用區(qū)域并且位置更集中地引入能量。第一諧振鏡13的焦距為此必須如此選擇，使得光束不被聚焦在第三聚焦點(diǎn)20上，而是第三次聚焦到工件14中第二聚焦點(diǎn)15上。然而這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由未被吸收的殘面光線朝光源6方向返回(同時(shí)第四次聚焦通過(guò)工件14)換來(lái)的，因?yàn)橹C振器功能的先決條件不再被滿足。在此情況下必須在光線方向上在光源6之后設(shè)置一個(gè)專(zhuān)門(mén)的去耦單元22，例如圖7所示。
這里所示的光線去耦單元22假設(shè)光源6發(fā)出線性極化的電磁射線，對(duì)于大多數(shù)激光器而言這是符合實(shí)際情況的。在圖7中假設(shè)其極化平面在示圖平面中。此光線基本無(wú)損耗地通過(guò)放置在通道中的極化器23并接著射到直接安裝在極化器23后面的λ/4板24上。此λ/4板如此影響極化由原來(lái)的線性極化光束變?yōu)橐粋€(gè)圓極化光束，光束在另一條光路方向上前進(jìn)。在多次通過(guò)工件14之后返回的光束基本上還具有相同的極化特性，即仍是圓極化的?，F(xiàn)在此光束以相反方向射到λ/4板24上，極化狀態(tài)如此變化由圓極化重又變?yōu)榫€性極化的光線，然而現(xiàn)在極化平面相對(duì)于原來(lái)的光束旋轉(zhuǎn)了90°?，F(xiàn)在極化器23對(duì)于垂直于示圖平面被極化的光線處于阻斷方向，因而此光線被阻止通過(guò)而不會(huì)返回到光源6中。
下面借助圖8詳細(xì)說(shuō)明第三個(gè)實(shí)施例。與示在圖6中的第一個(gè)實(shí)施例不同，在會(huì)聚透鏡12和工件14之間安置了一個(gè)換向單元25，用此單元使通過(guò)透鏡26聚焦的附加光源27的光線耦合到整個(gè)裝置的光路中。這個(gè)附加光線用于在玻璃分割時(shí)產(chǎn)生一個(gè)起始裂紋。附加光源27最好是一個(gè)TEA-CO2激光器，其高脈沖功率和能量的脈沖光線被透鏡26光銳地聚焦到工件14上，同時(shí)換向器25用于使附加焦點(diǎn)28精確地位于相對(duì)于交替作用區(qū)位置的所希望的地點(diǎn)上。為了能任意調(diào)節(jié)附加焦點(diǎn)28的位置，換向器25與一個(gè)調(diào)節(jié)裝置29相連接。換向單元25可具有優(yōu)點(diǎn)地由一個(gè)平行板構(gòu)成，此板被如此涂層，使得它對(duì)于光源6的入射電磁射線的波長(zhǎng)是完全透明的，而附加光源27的光線則被完全反射。
換向單元25也可以是一個(gè)用于附加光源27的光線的簡(jiǎn)單的鏡面17，它為了產(chǎn)生起始裂紋而被推移或折疊到光線路徑中，并且在工件14原來(lái)意義上的處理(與產(chǎn)生起始裂紋相關(guān)的分割)之前再?gòu)墓饩€路徑中離開(kāi)。
所用附圖標(biāo)記列表1第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡2聚焦透鏡3第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡4光束成型單元5諧振單元6光源8第一聚焦點(diǎn)9光軸10光線環(huán)12會(huì)聚透鏡13第一諧振鏡14工件15第二聚焦點(diǎn)16孔17鏡面18聚焦鏡19第二諧振鏡20第三聚焦點(diǎn)21調(diào)節(jié)單元22光線去耦單元23極化器
24λ/4板25換向單元26透鏡27附加光源28附加焦點(diǎn)29調(diào)節(jié)裝置δ1第一旋轉(zhuǎn)三棱鏡的圓錐角δ2第二旋轉(zhuǎn)三棱鏡的圓錐角a間距
權(quán)利要求
1.用于產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形光束的光束成型單元，它具有一個(gè)聚焦透鏡(2)和一個(gè)置于其后的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡(1)，它與聚焦透鏡(2)都安置在一個(gè)公共的光軸(9)上，并且它的錐形光學(xué)表面對(duì)著聚焦透鏡(2)，其特征在于，在聚焦透鏡(2)之前在光軸(9)上安置第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡(3)，其錐形光學(xué)表面背對(duì)著聚焦透鏡(2)，并且聚焦透鏡(2)和旋轉(zhuǎn)三棱鏡(1)，(3)的參數(shù)及它們之間的相互距離如此選擇，使得從位于光軸(9)上第二旋轉(zhuǎn)三棱鏡(3)之前的光源(6)發(fā)出的且通過(guò)光束成型單元(4)的光束被聚焦在第一聚焦點(diǎn)(8)上，接著成形為具有一個(gè)無(wú)光線中心區(qū)域的發(fā)散的環(huán)形光束。
2.用于將光線能量引入到由弱吸收材料構(gòu)成的工件(14)中的裝置，它具有一個(gè)光源(6)和一個(gè)諧振單元(5)，諧振單元包括第一諧振鏡(13)和第二諧振鏡(19)，在這兩個(gè)諧振鏡之間放置工件(14)，其特征在于-在諧振單元(5)之前安置一個(gè)如權(quán)利要求1所述的光束成型單元(4)，且第一諧振鏡(13)位于第一聚焦點(diǎn)(8)后面的無(wú)光線中心區(qū)域中，-設(shè)置一個(gè)會(huì)聚透鏡(12)，它包圍著第一諧振鏡(13)，并且入射到工件(14)中的光束聚焦在第二聚焦點(diǎn)(15)上，-第二諧振鏡(19)位于第二聚焦點(diǎn)(15)后面的無(wú)光線中心區(qū)域中，被一個(gè)聚焦鏡(18)包圍，此聚焦鏡將來(lái)自第二聚焦點(diǎn)(15)的發(fā)散光束成形為一個(gè)會(huì)聚的光束，并反射到一個(gè)鏡面(17)上，此鏡面(17)被安置在聚焦鏡(18)和工件(14)之間并將光束反射到第二諧振鏡(19)上，-鏡面(17)具有一個(gè)孔(16)，此孔的大小恰好使得來(lái)自第二聚焦點(diǎn)(15)并朝著聚焦鏡(18)的方向前進(jìn)的光束可不受影響地通過(guò)，并且由第二諧振鏡(19)反射的光束不受影響地通過(guò)此孔，并第二次被聚焦在工件(14)中第二聚焦點(diǎn)(15)上，接著此光束射到第一諧振鏡(13)上，并從該諧振鏡反射回工件(14)中。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，如此選擇第二諧振鏡(19)和聚焦鏡(18)的參數(shù)，使得由聚焦鏡(18)反射的光束在射到第二諧振鏡(19)上之前被聚焦到第三聚焦點(diǎn)(20)，此聚焦點(diǎn)通過(guò)第二諧振鏡(19)而成像在第二聚焦點(diǎn)上，并且如此選擇第一諧振鏡(13)的參數(shù)，使得來(lái)自第二聚焦點(diǎn)(15)并射到第一諧振鏡(13)上的光束被聚焦到第三聚焦點(diǎn)(20)上。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，如此選擇第二諧振鏡(19)和聚焦鏡(18)的參數(shù)，使得可選擇有或沒(méi)有中間聚焦地使由聚焦鏡(18)所反射的光束進(jìn)行下述在第二聚焦點(diǎn)(15)上的聚焦在第二諧振鏡(19)上反射后第二次聚焦，在第一諧振鏡(13)上反射后第三次聚焦，以及再次在第二諧振鏡(19)上反射后第四次聚焦，并且在光源(6)和光束成型單元(4)之間安置一個(gè)光線去耦單元(22)，它阻止光線部分返回到光源(6)。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，光源(6)發(fā)出線性極化光線，并且光線去耦單元(22)由一個(gè)極化器(23)和一個(gè)λ/4板(24)構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，設(shè)置一個(gè)用于產(chǎn)生起始裂紋的附加光源(27)，附加光源的附加光線通過(guò)一個(gè)透鏡(26)和一個(gè)換向單元(25)可以定時(shí)方式被聚焦到工件(14)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生點(diǎn)狀聚焦、具有無(wú)光線中心區(qū)域的環(huán)形擴(kuò)散光束的光束成型單元，它由一個(gè)聚焦透鏡(2)，第一個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡(1)和第二個(gè)旋轉(zhuǎn)三棱鏡(3)組成。本發(fā)明還涉及具有這種光束成型單元(4)并用于將光線能量引入到由弱吸收材料構(gòu)成的工件(14)中的裝置，工件被置于第一諧振鏡(13)和第二諧振鏡(19)之間，并且在光線方向上安置在工件(14)前面的第一諧振鏡(13)位于無(wú)光線的中心區(qū)域中，通過(guò)多次通過(guò)工件(14)中相同的交替作用區(qū)，光線能量可以最大程度地被吸收。
文檔編號(hào)B23K26/067GK1665637SQ03815274
公開(kāi)日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月28日
發(fā)明者吉斯貝特·施陶潘德?tīng)? 斯特凡·阿克爾, 于斯根·魏瑟爾 申請(qǐng)人:詹諾普蒂克自動(dòng)化技術(shù)有限公司