[发明专利]用于改变激光束的光束参数积的光学器件和方法

说明书

本发明公开了一种用于材料激光加工系统的光传送波导，包括在传送波导的输出端处的小透镜，其将波导内部的激光束发散度转换成在透镜之后的光斑尺寸。通过改变发射到波导中的激光束的输入会聚角和/或发射角，可连续改变输出光斑尺寸，从而实现在工件上的连续和实时的激光光斑尺寸调节，而不必更换传送波导或加工头。激光束的发散度也可与光斑尺寸一致地被动态地调节。

技术领域

本发明涉及激光材料加工，且特别是涉及激光束传送(delivery)。

背景技术

激光材料加工具有很多优点，包括高生产率、加工的非接触性质、提高的质量、以及激光束传送点的高精确度和可移动性。激光束目前用于切割、钻孔、焊接、铜焊、表面退火、合金化、硬化和其它应用。光纤常常用于将高功率和/或高强度的激光束传送到目标。

光纤传送激光材料加工系统一般包括下面的部件：激光器，例如光纤激光器；光耦合器单元，其也被称为开关盒或快门盒；加工光纤(也被称为“传送光纤”)，其一般为10-50m长，在加强电缆中并且其两端是可插的；以及加工头。加工头是光学组件，该光学组件包括用于加工光纤的插座、用于投射激光功率的光学器件、和用于基于激光的加工的任何所需附件，例如辅助气体出口。激光发射通过自由空间或通过单独的光纤传输到光耦合器单元中。光耦合器单元将所述激光发射发射到加工光纤中，加工光纤将激光传输到加工头。加工头将激光投射到工件上，以执行所需的加工任务。

这样的系统与很多不同的加工类型(包括切割、焊接、热处理等)一起使用，并与很多不同的材料类型、厚度和几何结构一起使用。所期望的焦斑尺寸、发散度和在工件处的光束质量根据加工类型和相关的加工参数而发生广泛变化。因为加工头一般是成像设备，其被构造成使用最少的部件来产生最佳可能的光斑，所以，工件附近的光斑一般是该光斑的图像，或更具体地，是在加工光纤输出端处的通过加工头的放大率按比例调整的光束腰。光束腰半径和发散度(半角)的积是以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示的被称为光束参数积(BPP)的常量。

为了产生激光束的不同光斑尺寸和/或不同发散度，人们通常用不同芯尺寸的另一光纤置换加工光纤，或用不同放大率的另一个头置换加工头。传送光纤和/或加工头的物理置换的过程是耗时的和不方便的，并可导致敏感光纤尖端的污染或甚至损坏。

德国Ditzingen的通快公司(Trumpf GmbH)最近报告了包含两个不同尺寸的波导的特别构造的传送光纤，一个中心芯由包层、并接着由环形第二芯围绕，提供给用户圆光束或较大的圈饼状光束的选择(PCT专利申请WO 2011/124671A1)，从而提供两个离散的BPP值。通过这种技术可得到的粗略选择可以用于在例如切割和焊接之间切换，但对于精细调节在各种加工类型当中的加工或切换，具有连续BPP可变性则有用得多。

Ortiz在美国专利5,245,682中公开了光束质量控制系统，其中通过切换聚焦到传送光纤中的激光束的发散度来控制在传送光纤的输出端处的发散度。参考图1A到1C，Ortiz的光纤耦合激光系统100包括激光器101、具有不同的焦距的三个透镜102A-102C、以及分别具有输入端104和输出端105的传送光纤103。透镜102A-102C被安装在平移台110上，允许透镜102A-102C一次一个地插入由激光器101发射的激光束107的光束路径106中。例如，在图1A中，具有三个透镜102A-102C中的最大焦距的第一透镜102A被插入光束路径106中，导致聚焦在传送光纤103的输入端104上的会聚激光束108的最小光束会聚角α。在图1B和1C中，会聚激光束108的会聚角α随着第二透镜102B和第三透镜102C的焦距的逐步减小而分别增加。