[发明专利]用于工件的激光加工的光学单元和激光加工装置

说明书

公开了一种用于对工件进行激光加工的激光光束、特别是用于高功率激光光束的光学单元，该光学单元包括用于激光光束的光学成像的光学元件以及对于激光光束透明的两个防护玻璃，防护玻璃的外边缘由保持器以密闭的方式围封成使得防护玻璃与保持器形成内部空间，光学元件布置在该内部空间中。还公开了一种激光加工装置。

技术领域

本发明涉及用于对工件进行激光加工的激光光束的光学单元、激光加工装置以及光学单元或激光加工装置的用途。

背景技术

激光加工装置在工件的激光加工中使用，具体地，在借助于激光辐射进行的材料的热分离、比如激光切割的方法中使用。加工激光光束被引导到工件上、例如引导到待加工的金属片上。这通常通过使用一个或更多个光学元件将激光光束光学成像到待加工的工件上来完成。在本上下文中，光学成像理解成指的是例如通过折射、反射、衍射和/或光束成形而将激光光束引导到工件上。

通常地，由石英玻璃(熔融石英，FS)制成的光学元件比如透镜用于高功率激光加工。由石英玻璃制成的光学元件仅以较小的程度吸收激光功率、难以变热、可以被非常好地涂覆、具有非常良好的成像特性并且相对低廉。然而，石英玻璃光学元件的缺点是，石英玻璃光学元件对污垢非常敏感。如果光学元件上存在少量污染物，则光学元件由于激光功率而变热，并且由于石英玻璃难以导热，因此所产生的热不能充分地散发。用于高功率激光加工的石英玻璃光学元件因此可能被附着的污染物例如污垢颗粒或湿气损坏，并且/或者石英玻璃光学元件的成像特性可能受到损害。这特别地在工业环境中的高功率激光应用的情况下是不利的。因为工业环境在高功率激光应用中、特别是在对金属进行切割和焊接时通常与较高等级的污染相关联，所以将所使用的部件对污垢的敏感性考虑在内是有利的。例如，在由石英制成的聚焦透镜的情况下，污染区域中的局部变热可能引起不期望的焦点偏移、即焦点沿传播方向和/或与激光光束的传播方向成角度的偏移。激光加工系统通常由于石英玻璃光学元件被(即使非常轻微地)污染而失效。EP 2511040 A1描述了用于保持激光加工头中的光学元件的具有透明的防护装置的盒。

用于高功率激光光学元件的替代性材料是硫化锌(ZnS)。ZnS具有良好的导热性。然而，该材料不仅昂贵，而且还通常是晶体状且非均质的，并且具有相对高的激光吸收和约2％至3％的前向散射。这意味着2％至3％的所施用的激光功率不会按照预期进行成像、例如聚焦。更确切地说，2％至3％的激光功率或多或少在较大的散射锥形中以不可控的方式向前散射。其结果是，围绕ZnS光学元件的周围物体、例如光学元件保持器或整个激光加工头被加热。由于散射的光，激光加工过程还可能受到不利影响。

已经提出将蓝宝石作为用于高功率激光光学元件的另一种材料。该材料的散射程度小于ZnS(但是大于FS)并且具有可接受的导热性，所以轻微的污染不会立即导致光学元件或激光加工系统的失效。然而，蓝宝石是昂贵的并且由于蓝宝石的较高的硬度等级而难以进行加工(例如研磨、抛光)。在制造由蓝宝石制成的弯曲的光学元件时，还存在形状方面(例如边缘厚度、曲率半径)的限制。

蓝宝石还具有的缺点是，该材料是非均质的并且具有双折射性。因此，光根据通过由蓝宝石制成的弯曲的光学元件产生的偏振而不同地成像。由于激光光束在大多数情况下(特别是具有高功率激光的情况下)具有不同的或随机的偏振，因此该双折射性会导致成像误差(像散现象)。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有对表面污染物的低敏感性和良好的成像特性的光学单元。

该目的通过根据权利要求1的光学单元、根据权利要求11的激光加工装置以及根据权利要求14的光学单元或激光加工装置的用途来实现。

在实施方式中，本发明涉及一种用于对工件进行激光加工的激光光束、特别是用于高功率激光光束的光学单元，该光学单元包括：光学元件，该光学元件用于激光光束的光学成像；以及两个防护玻璃，防护玻璃对于激光光束是透明的，防护玻璃的外边缘由保持器以密闭的方式围封成使得防护玻璃与保持器形成内部空间，光学元件布置在内部空间中。