專利名稱：具有電子遮蔽系統(tǒng)的激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種借助于電磁輻射來(lái)加工或者連接工件的激光裝置， 該激光裝置具有發(fā)出激光射束的激光源，以及串聯(lián)在激光源之后的用于
工件的電子遮蔽系統(tǒng)(Maskierungssystem)，其中該遮蔽系統(tǒng)將通過(guò)的 激光射束以可自由確定的圖案繪制在工件上。
背景技術(shù)：
在用電磁輻射、尤其是用激光射束加工或者連接工件時(shí)，聚焦在該 工件上的射束輪廓的大小和形狀起著重要的作用。在激光加工時(shí)還另外 取決于在所產(chǎn)生的焦斑中正確設(shè)置的功率密度分布。在進(jìn)行激光焊接 時(shí)，例如在對(duì)塑料制成的工件進(jìn)行透射焊接時(shí)，通常必須產(chǎn)生具有多種 形狀的熱分布圖案或者焊縫。
激光源一般具有圓形的射束輪廓，該射束輪廓必須通過(guò)合適的措施 轉(zhuǎn)換成期望的大小和需要的形狀。這可以一方面通過(guò)固定的與特殊任務(wù) 相協(xié)調(diào)的鏡頭或掩模實(shí)現(xiàn)，該鏡頭或掩模的準(zhǔn)備通常是費(fèi)時(shí)的，而且大 多數(shù)鏡頭或掩模不可更改或者不能容易地更改。另一方面，眾所周知， 為了更大的靈活性以及由此帶來(lái)的更高的實(shí)用性，利用位置分辨的電子 射束調(diào)制器來(lái)轉(zhuǎn)換激光射束，該射束調(diào)制器能夠改變激光的振幅和/或 極性和/或相位。具有這種電子射束調(diào)制器的激光系統(tǒng)例如在公開說(shuō)明 書DE 100 07 391 Al和DE 10 2004 017 129 Al中公開。
DE 100 07 391 Al涉及用電磁輻射進(jìn)行材料加工的裝置和方法。在 該裝置中，通過(guò)使用位置分辨的電子射束調(diào)制器，可以在工件上的焦斑 內(nèi)產(chǎn)生可預(yù)設(shè)的功率密度分布。對(duì)該輻射的位置分辨的調(diào)制既可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)工件的連續(xù)加工，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的同步加工，同才羊可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同 步的加工方式。
DE 10 2004 017 129 Al描述了具有發(fā)出激光射束的激光源和電子 顯示裝置的激光繪圖裝置。該顯示裝置串聯(lián)在激光源的射出面之后。該 顯示裝置用于極化激光射束的各個(gè)片段，以定義已更改和未更改的片段。極化濾波器串聯(lián)在該顯示裝置之后，為的是選擇阻止激光射束的更 改片段還是未更改片段通過(guò)，從而產(chǎn)生具有預(yù)定輪廓圖案的繪圖射束。
在現(xiàn)有技術(shù)中優(yōu)選采用液晶裝置作為射束調(diào)制器或者顯示單元。液 晶被封閉在各個(gè)可控的液晶單元中，這些液晶單元在理想情況下以有規(guī) 律的樣式在平面上并排排列。這些單元由此形成了個(gè)體單調(diào)制器的陣 列。對(duì)出現(xiàn)在液晶單元上的激光射束區(qū)域的調(diào)制在此在這些單元內(nèi)利用 電光效應(yīng)通過(guò)有目的的影響實(shí)現(xiàn)。
由液晶單元形成的調(diào)制陣列能用于調(diào)制所出現(xiàn)的激光的相位和/或 振幅。與振幅調(diào)制相比，相位調(diào)制更好地使用了激光射束的能量，因?yàn)?原來(lái)未調(diào)制的激光射束的輻射部分沒有被遮擋。通過(guò)對(duì)激光相位的空間
調(diào)制，相位調(diào)制陣列可用作衍射光學(xué)元件(D0E)。
目前可使用的相位調(diào)制陣列具有5至IO微米的比較大的像素。通 常的激光源產(chǎn)生具有典型的幾百納米波長(zhǎng)的激光輻射。由此，根據(jù)衍射 定理針對(duì)激光的衍射得到大約5至10度的較小的最大偏轉(zhuǎn)角。該衍射 角對(duì)由經(jīng)過(guò)相位調(diào)制的激光射束在工件上產(chǎn)生的射束圖案的清晰度有 很大影響。已經(jīng)表明，利用由高功率二極管激光器或者由Nd-YAG固體 激光器輸出耦合的高能量激光，在激光裝置的加工頭和工件之間處于通 常的加工間距的情況下，只有寬度為幾個(gè)毫米的線條能夠清晰地繪制在 工件上。然而經(jīng)常期望或者需要在工件上產(chǎn)生具有更高能量密度以及清 晰邊沿的更細(xì)的圖案。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，從所述的現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)提供這樣 一種可能性，即能夠在工件上清晰地繪制尤其是具有較窄寬度的線條。 該技術(shù)問題根據(jù)本發(fā)明通過(guò)具有本發(fā)明特征的激光裝置解決。 本發(fā)明的基本思路是，不需要在相位調(diào)制陣列之后設(shè)置附加的光學(xué) 輔助工具就可以將激光射束更為清晰地聚焦在工件上。已經(jīng)示出，工件 上射束圖案的清晰度不僅僅通過(guò)取決于相位調(diào)制陣列的像素大小和所 采用的激光波長(zhǎng)的激光射束衍射來(lái)確定，而且也通過(guò)產(chǎn)生該激光射束的 激光源的輻射角(Abstrahlwinkel )確定。激光射束的發(fā)散度，也就是 說(shuō)激光射束在從激光源射出之后隨著距離增加而產(chǎn)生的擴(kuò)展，是激光器 的品質(zhì)以及該激光器的射束質(zhì)量的度量。在射束直徑較小時(shí)的微小發(fā)散度代表良好的射束質(zhì)量，并且導(dǎo)致清晰的繪圖。
激光射束的可聚焦性按照IS0標(biāo)準(zhǔn)11146通過(guò)衍射值N^來(lái)描述。該 衍射值給出了與具有相同射束部分直徑的理想高斯射束的發(fā)散度相稱 的發(fā)散角。
因此，根據(jù)本發(fā)明的激光裝置具有這樣的相位調(diào)制陣列和激光源， 該相位調(diào)制陣列具有大于4微米、優(yōu)選4至IO微米的通常像素大小， 該激光源具有激光射束的高射束質(zhì)量。所述具有高射束質(zhì)量的激光源與 具有限制了最小像素大小的相位調(diào)制陣列的組合，使得具有小于2毫米 線寬的線條可以借助于具有短波長(zhǎng)的激光清晰地繪制在工件上。當(dāng)然也 可以用該新的激光裝置清晰地繪制具有更大線寬的圖案。對(duì)此相位調(diào)制
陣列可以用公知的方式透射或者反射地工作。
為此優(yōu)選使用 一種激光源，從該激光源中可以輸出耦合具有射束質(zhì) 量KX).5的激光射束，由此該激光源對(duì)應(yīng)于衍射值M2〈2。
由纖維激光器產(chǎn)生的激光射束具有突出的有益特性。這種纖維激光 器以出色的方式結(jié)合了二極管泵浦固體激光器與波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。在纖維的 核心區(qū)域中的光引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了貫穿整個(gè)纖維長(zhǎng)度的高功率密度以及高輸 出功率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了極好的射束質(zhì)量。高功率纖維激光器能夠發(fā)射幾個(gè) 微米的波長(zhǎng)，這可以得到明顯更小的最大偏轉(zhuǎn)角。
根據(jù)本發(fā)明的激光裝置尤其出色地適用于對(duì)塑料制成的工件進(jìn)行 透射焊接。該激光裝置使得對(duì)小批量生產(chǎn)或者樣品生產(chǎn)可以使用相位調(diào) 制陣列作為可變的衍射光學(xué)元件。因此該激光裝置在頻繁的改裝過(guò)程中
特別有益以及實(shí)用，因?yàn)樗黠@減少了由此帶來(lái)的裝調(diào)時(shí)間。
有益的是，遮蔽系統(tǒng)能夠使激光射束位置固定地作為固定圖案或者 位置變化地作為移動(dòng)圖案繪制在工件上。因此根據(jù)本發(fā)明的激光裝置類 似地適用于工件的同步加工和準(zhǔn)同步加工，或者類似地適用于工件的同 步連接和準(zhǔn)同步連接。因此除了同步焊接的標(biāo)準(zhǔn)使用之外，還可以使用 可變的可控相位調(diào)制陣列作為掃描器。為此產(chǎn)生鋸齒狀的空間調(diào)制，該 調(diào)制引起所出現(xiàn)的全部激光射束的偏轉(zhuǎn)。以這種模式，該激光裝置還可 以用于輪廓焊接。
相位調(diào)制的意義在于，這樣來(lái)調(diào)制激光的相位，即產(chǎn)生期望的干涉 圖案?；诰哂凶銐虻臋M向相干性的極化輻射場(chǎng)，所出現(xiàn)的激光射束的 各個(gè)子區(qū)域的相位可控地改變，從而在相位調(diào)制陣列之后的子區(qū)域以期
5望的方式發(fā)生干涉。通過(guò)液晶單元，出現(xiàn)的激光射束分成各個(gè)子射束。每一個(gè)子射束在此都在單獨(dú)可控的單元中以確定的方式得到相位調(diào)制。在從相位調(diào)制陣列射出之后，各個(gè)子射束整體形成新的激光射束。由此以特別簡(jiǎn)單、靈活，并且尤其不依賴于其它子射束的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)由各自的液晶單元確定的子射束的調(diào)制。
空間分辨率以及由此在工件上繪制的圖案的清晰度，決定性地取決于原來(lái)的輻射場(chǎng)的射束質(zhì)量以及各個(gè)液晶單元的幾何尺寸和數(shù)量。在實(shí)踐中可以通過(guò)由合適的電子控制設(shè)備發(fā)出并且施加在液晶單元上的電壓來(lái)改變液晶的折射率。由此又可以對(duì)進(jìn)入的激光的相位發(fā)生影響。在此，所述的折射率以及由此的光學(xué)相位延遲隨著電壓增加而連續(xù)改變。因此，通過(guò)將個(gè)別電壓有目的性地施加給從相位調(diào)制陣列中選出的確定的液晶單元，得到許多個(gè)別的相位。通過(guò)對(duì)各個(gè)子射束的相位進(jìn)行有目的性的調(diào)制，這些子射束在工件上發(fā)生干涉而形成所期望的圖案。
原則上也能夠由具有垂直可移動(dòng)反射鏡的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)來(lái)代替基于液晶的相位調(diào)制陣列。


下面借助實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明。該實(shí)施例是激光裝置，該激光裝置具有用于對(duì)工件進(jìn)行激光透射焊接的可變相位調(diào)制陣列。以示意圖示出
圖l 根據(jù)本發(fā)明針對(duì)同步焊接的工作方式的激光裝置；以及圖2 根據(jù)圖1中的激光裝置在準(zhǔn)同步焊接或者輪廓焊接的工作方式下工作的射束偏轉(zhuǎn)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的激光裝置1，包括纖維激光器2，連接到圖中沒有示出的加工頭的纖維光導(dǎo)體3，在該加工頭中設(shè)置有用于射束成型的光學(xué)透鏡4以及用于對(duì)激光射束6的輻射進(jìn)行相位改變的相位調(diào)制陣列5。從光導(dǎo)體3中導(dǎo)出的激光射束6由透鏡4成束地投射到在圖2中可見示出的相位調(diào)制陣列5的液晶單元7上。
相位調(diào)制陣列5的液晶單元7可分別借助于電子控制器8彼此獨(dú)立地受到控制，并且將出現(xiàn)的激光射束6的相位在確定位置上以預(yù)定的期望方式調(diào)制成相同和/或不同。相位調(diào)制陣列5在該示例中工作在透射 方式下，從而激光射束6穿過(guò)液晶單元7，其中產(chǎn)生確定的射束圖案， 該射束圖案同時(shí)被偏轉(zhuǎn)到要連接的工件9， 10上。
圖2示出沒有形成特殊圖案的激光射束6的偏轉(zhuǎn)。在此并排排列的 液晶單元7由控制器8以這種方式控制，即激光射束6經(jīng)受鋸齒狀的空 間相位調(diào)制，該空間相位調(diào)制導(dǎo)致射束6的連續(xù)射束偏轉(zhuǎn)。激光射束6 的光波在相位調(diào)制陣列5的入射面11之前和在相位調(diào)制陣列5的射出 面12之后，由于相位發(fā)生了變化而在不同的方向上傳播。
權(quán)利要求
1. 一種借助于電磁輻射來(lái)加工或者連接工件(9，10)的激光裝置(1)，該激光裝置具有發(fā)出激光射束(6)的激光源(2)，以及串聯(lián)在激光源(2)之后的用于工件(9，10)的電子遮蔽系統(tǒng)(5)，其中該電子遮蔽系統(tǒng)(5)將通過(guò)的激光射束(6)以可自由確定的圖案繪制在工件(9，10)上，其特征在于，相位調(diào)制陣列(5)作為遮蔽系統(tǒng)，該相位調(diào)制陣列(5)具有大于4微米的通常的像素大小，以及具有激光射束的高射束質(zhì)量的激光源(2)，該激光源(2)使得能夠在工件(9，10)上清晰地繪制具有小于2毫米線寬的圖案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光裝置，其特征在于，激光射束的射 束質(zhì)量K具有大于0. 5的值，并且衍射值M卩具有小于2的值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光裝置，其特征在于，激光源是纖維 激光器。
4. 根據(jù)上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光裝置，其特征在于，遮 蔽系統(tǒng)(5)將激光射束(6)位置固定地作為固定圖案繪制在工件(9， 10)上。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的激光裝置，其特征在 于，遮蔽系統(tǒng)(5)將激光射束(6)作為移動(dòng)圖案繪制在工件(9， 10) 上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助于電磁輻射來(lái)加工或者連接工件的激光裝置，該裝置具有發(fā)出激光射束的激光源，以及串聯(lián)在激光源之后的用于工件的電子遮蔽系統(tǒng)。該遮蔽系統(tǒng)將通過(guò)的激光射束以可自由確定的圖案繪制在工件上。作為遮蔽系統(tǒng)采用具有通常的像素大?。?μm的相位調(diào)制陣列，以及具有激光射束的高射束質(zhì)量的激光源，該相位調(diào)制陣列和該激光源共同實(shí)現(xiàn)了在工件上清晰地繪制具有線寬＜2mm的圖案。
文檔編號(hào)B23K26/06GK101486128SQ200910002569
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者R·澤布肯, U·古布勒 申請(qǐng)人:萊丹加工技術(shù)公司