专利名称：具有两个旋转三棱镜的光束成型单元和具有一个这种光束成型单元并用于引入光线能量 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光束成型单元，本领域的技术人员已知这种单元适用于光束聚焦，以及一种由JP10244 386A已知的装置。
向一个由弱吸收材料构成的工件中引入强功率的电磁射线在材料处理中一直是一个中心问题。这里，特别是激光材料处理在相应的研究中占据着中心位置，因为已有一系列具有可用的特性的合适的光源，这些光源可有效地适用于广泛的应用领域。
为了能有效地利用所提供的能量，也就是说在位置和数量上最佳地将光线能量引到工件中，简单地将光线聚焦到工件表面上往往是不够的。已经开发了多种方法和装置，它们适应于专门的处理任务，起到最佳地引入能量的作用。主要由不同的处理任务(例如分离、拆除或钻孔)以及被处理工件的不同几何形状和不同材料所决定，这些方法和装置着眼于以不同方式形成和引导光线。
在现有技术的多种解决方案中，只有这种方案被视为与本发明相关它们使光束形成为一个光线环和/或多次引导光线通过工件。
在现有技术已知的解决方案中形成光线环只是为了以圆形照射工件表面，例如切割出一个透镜。理想方法是光线呈环形聚焦在工件表面上。为了将光束变换为一个光线环，已知方法是采用一个旋转三棱镜(Axicon)。
在US4456811(或EP0189027A1)中借助于一个聚光透镜-旋转三棱镜组合和锥形镜如此使激光光线形成为一个聚焦环使得一个弯曲的、旋转对称的工件表面被此聚焦环垂直照射并有效地处理。
US4623776描述了一个完全类似的装置，其中借助于所产生的聚焦光线环可以最佳地切割出例如塑料透镜。
旋转三棱镜-聚焦透镜组合的基本任务，即产生一个平面聚焦的光线环，是专利PS2821883(US4275288)和US3419321所做出的贡献，其中所产生的光线环被用于例如切割出具有规定直径的孔、熔焊出这样的外形等类似的激光材料处理工作。
以上所述解决方案与本发明的主题只有以下共同点即借助于一个旋转三棱镜形成一个光束。
此处与所提出的任务相关的是以下方案其中提出的措施用于提高能量的引入，引导光束多次通过工件，从而也能处理大量地穿透光线、而仅仅少量吸收光线的材料。
在GB2139614A中描述了一种系统，其主要目标一方面是特别形成聚焦在工件上的激光光线，其中在切割玻璃时要求确定地形成应力裂纹，目标的另一方面是通过一个安装在工件背面的第二个聚焦镜实现第二个聚焦通道穿过工件中相同的交替作用区。通过两次穿过工件的激光光线提高了被吸收的光线能量。
在日本公开的专利号10244386A的专利摘要中也描述了一种用于通过产生热应力裂纹来分离工件的方法。其中激光光线同时或在时间上先后沿着分离区基本上在相同的位置或具有小的相互间距的位置上至少两次穿过工件。在激光光线到达工件上之前，光线透过一个半透明的镜面。透射的光线部分穿过工件，被安装在工件下面的镜面反射回工件中，并再次射到半透明的镜面上，此镜面反射回一部分光线到工件上。放置在此镜面和第二个镜面之间的工件被光线反复穿透。然而这里能量损失是非常巨大的。在光线第一次到达时被半透明的镜面反射的光线部分和在再次到达半透明的镜面时所透射的光线部分一方面对工件已经失去了作用，另一方面被反射回光源。
现有技术中没有公开这样的解决方案，用此方案提供的光线能量可在一个部分透明的工件的小的交替作用区域中几乎被完全吸收。这个事实尤其被下述情况所说明一个光学单元(为上述目的它将光线至少第二次反射回交替作用区域中)始终处在光源和工件之间的光路中。因为没有包括光学薄膜在内的光学元件，这种光学元件在一个通过方向上完全透过一束未被改变的光线，而在另外的方向上完全反射光线，所以能量损失是不可避免的。本领域技术人员清楚，事实上每个位于光路中的光学元件也是始终有损耗的，即使是小的损耗也是有影响的。如果这种元件对于从不同方向来的、有时是反射有时又是透射的，如一个半透明的镜面或一个分配六面体(Teilerwürfel)的情况那样，这种损耗很高。
本发明的目的在于给出一种光束成型单元，它形成一个可点状聚焦的、环形的、并具有一个无光线的中心区的光束，在此中心区可以安置一个光学元件，此元件可以不受来自光源并穿透光束成型单元的光束的影响，从而不会引起损耗。
本发明的另一个任务是给出一种装置，用此装置在使用满足本发明的任务的光束成型单元的情况下可以借助于电磁射线，最好是强功率激光器的光线，如此处理相对弱吸收的、在很大程度上为透明的材料-通过多次的单次吸收最终实现材料中高的总吸收，从而有效地利用光线能量于处理过程，其中保证光线能量被引入到一个尽可能小的交替作用区(工件的区域，通过此区域时光线被吸收)，以实现高精度处理，并且-在很大程度上避免了未被吸收的光线反馈到光源。
本发明涉及光束成型单元的任务如权利要求1所述如此完成在光轴上在聚焦透镜之前设置第二个施转三棱镜，其锥形光学面背对着聚焦透镜，并且聚焦透镜和旋转三棱镜的参数以及它们相互之间的间距如此选择，使得从位于光轴上第二个旋转三棱镜之前的光源发出的并穿过光束成型单元的光束被成形为聚焦在第一聚焦点、接着发散成环形的、具有一个无光线中心区域的光束。
本发明关于装置的任务如权利要求2所述如此完成在谐振单元之前设置一个权利要求1所述的光束成型单元，并且第一个谐振镜位于第一聚焦点后面的无光线中心区域内，-设置一个聚焦透镜，它环绕第一个谐振镜并将入射到工件中的光束聚焦到第二个聚焦点，-第二个谐振镜位于第二个聚焦点之后的无光线中心区域内，被一个聚焦镜包围，聚焦镜将来自第二聚焦点的发散的光束成形为一个会聚的光束并反射到一个镜面上，此镜面被设置在聚焦镜和工件之间，并将光束反射到第二个谐振镜上，-镜面具有一个孔，它的大小恰好使得来自第二个聚焦点并在聚集焦镜的方向上前进的光束可无妨碍地通过，并且被第二谐振镜反射的光束无妨碍地通过，在接着入射到第一谐振镜上并由此谐振镜反射回工件之前第二次在工件内部被聚焦到第二个聚焦点上。
在从属权利要求中说明了具有优点的实施方式。
由于根据本发明的光线成型单元的性质完全确定了本发明所述装置的性质，本发明的本质在下面借助于此装置来说明。
本领域技术人员都清楚，仅当在介质的两侧都设置一个反射器时，即在光线方向上工件之前强制性地设置第一个反射器时，光线才能多次在相同的光路上通过介质(工件)(假设为了将光线能量引入到小的交替作用区域中)。此第一个反射器对于第一次将光线引入到工件中不起作用，并且应该能尽可能不影响光线的通过，只有在光线在第二个反射器上反射并第二次通过工件再次到达此第一反射器之后，第一个反射器应尽可能完全地反射入射的光线。
这里说明本发明的基本思路。为了使第一反射器在光线第一次入射到工件上之前能实际上不影响光线，应如此形成光束，使得第一反射器虽然在光路中，但是光束不通过该反射器，而是围绕着它。这种光束成型通过本发明的光束成型单元来实现。本发明的要点在于，此光束成型单元如此成形来自于光源的光束在光线方向上在该光束成型单元后面的全部光线被会聚到第一聚焦点并接着发散，使得光线被扩散为具有确定的无光线的中心区域的环，环的直径随着与第一聚焦点的距离线性增大。在此无光线的中心区域中设置第一个谐振镜，它属于设置在光束成型单元之后的谐振单元。该谐振单元如此形成并引导具有上述扩散特性的光线，使得第一聚焦点被成像为第二聚焦点到工件中，并从而使光线能量成点状集中到小的交替作用区域中，此作用区域多次，至少4次，被光线通过，并且以这种方式使被工件吸收的光线总量提高到单次吸收量的数倍。
为了使光线会聚到第一聚焦点并接着被扩展而形成一个光线环，像现有技术已知的方案那样只用一个聚焦透镜和一个旋转三棱镜工作是不够的，这通常在工件表面上产生一个聚焦环。这些方案的特征在于，由旋转三枝镜产生的环的中心光线的交叉点和这个环的单个光线段的聚焦点在所观察的光线扩散方向上相互偏移。如果如此适配聚焦透镜的参数、旋转三棱镜参数和它们之间的相互距离，使得所有光线入射在一点上，则其作用最终是一个等效的单个透镜，即从这一点出发的光线不能形成具有随着至焦点的距离成比例增大的无光线中心孔的环。这个问题可以通过如本发明所述将第二个旋转三棱镜引入到光路中而得到解决。这三个构件(两个旋转三棱镜+聚焦透镜)的总作用如下第一个旋转三棱镜用于形成所需要的环。聚焦透镜的作用是将光线会聚到已知的环形焦点中，此焦点在迭加由第二个旋转三棱镜所提供的合适的聚焦时蜕变为所需的第一聚焦点。这个第一聚焦点事实上是一个是有真正的无光线中心区域的环形扩散光线的输出点。这种特殊的光束成型使得借助于本发明所述谐振单元实现装置的本来目的成为可能。由于在光束成型单元后面所有的光线部分来自一个点，即来自第一个聚焦点，这些光线部分可以通过后续的会聚透镜或者凹镜重新“再聚焦”，即聚焦到另一个聚焦点上，同时在两个聚焦点之间的光路上始终保持环状特性。这是设置在后面的谐振单元可以完成其功能的先决条件。谐振单元主要有如下所述结构；谐振单元的输入元件是一个会聚透镜，它以这样的距第一聚焦点的距离被设置，使得光束的无光线中心区域足够大，以在那里放置一个凹镜，它作为第一谐振镜工作，而不遮挡光束部分。因此光束在进入谐振单元时完全通过会聚透镜，而第一谐振镜不影响此光束。第一个会聚透镜将此光线聚焦到被处理的工件—例如玻璃板—的交替作用区域中。直接在工件之后—其厚度可以为数毫米—设置一个具有中心孔的镜面。其中孔的大小必须足以使在工件后面重又发散的光束可以无损失地通过。光束在另一条光路上前进到一个聚焦镜上，此聚焦镜以这样的距具有中心孔的镜面的距离被设置，使得一方面在聚焦镜上也存在一个足够大的无光线中心区域，在此区域内可以放置另一个小的凹镜，它作为第二谐振镜工作，另一方面通过适当选择此聚焦镜的曲率半径使得在聚焦镜上反射后返回镜面方向且重又发散的光束被镜面完全反射并会聚到第三个聚焦点，此聚焦点位于此镜面与第二谐振镜之间，通常在第二谐振镜附近。光束现在以相对小的直径射到第二谐振镜上，此谐振镜的曲率半径如此设置，使得光线重又被聚焦并再次射到工件中的交替作用区域中，在第二谐振镜上反射后已经非常细窄的光束现在第二次通过工件并在朝着第一谐振镜的方向上前进。第一谐振镜的曲率半径被如此适配，使得它实现再次反射并精确聚焦到第三个聚焦点。从而使光束如此射在第二谐振镜上，使得第一个谐振循环的输出条件重又被给出，只是具有缩小了的光束直径。本发明的装置以这种方式解决了类似谐振器作用的任务，即光线多次通过工件中的交替作用区。光束由于工件中的吸收而“跑到死”，而没有光线部分返回到光源中。
系统的效率，即在工件中被吸收的光线能量与光源提供的输入能量之比仅由不可避免的原理上的损耗，尤其是光学元件中的吸收、衍射损耗和由成像误差和调整误差带来的损耗决定，并且在相对弱的吸收材料(每次通过的吸收率小于10％)的情况下效率大于50％。
在所描述的光线进程中容忍了在第一次通过之后的每次奇数次光束通过工件时光束不被聚焦在工件之内(第二聚焦点)，从而不在本来的交替作用区内，而是聚焦在工件附近(第三聚焦点)，因为只有以这种方式才能实现在第一和第二谐振镜之间稳定的谐振关系。这对于多数应用而言是无害的，特别是因为通过的光束直径随通过进程变小，且在合适的光学系统参数大小时在每种情况下光束直径为1毫米数量级并位于其下。未尖锐聚焦的光线部分在某些工作任务下可非常有效地起作用，因为这些光线部分可以有退火或减小温度梯度的作用。
也可以无问题地改变谐振单元的几何尺寸，从而最佳地适配于工件特性，尤其是可以适配于吸收性能和所要的处理结果，可以如此选择例如第一谐振镜的焦距，使得来自第二谐振镜的光束重又聚焦到交替作用区，即实际上返回其中。在从第二谐振镜、镜面和聚焦镜上反射之后，工件甚至第四次被光线聚焦穿过。如果吸收率不是太低(≥20％)，则光线能量的大部分在工作区域中被吸收。如果不采取特殊的措施，在交替作用区中没有被吸收的残留光线有可能反送到光源中。然而此问题可如此相对简单地解决，方法是在光源和光束成型单元之间的光路中采用一个光线去耦单元，它实际上完全排除了反向前进的光线。此去耦单元工作的先决条件是光线从光源出来时是线性极化的。然后光线去耦单元如此工作首先从光源来的线性极化光线通过一个极化镜，它被调整到完全通过，即光束只受到极小的损耗。接着光线在通过一个λ/4板时变换为圆极化光线。这种变换对于许多应用是需要的或者至少是有意义的，因为在利用圆极化光线对激光材料进行处理时不存在不希望有的处理效果对方向的依赖性。在另一条光路中继续保持圆极化，而且返回的光线部分也具有这种特性。现在光线以相反的方向通过光线去耦单元，结果是λ/4板如此“旋转”极化矢量，使得从圆极化重又形成线性极化光，而此线性极化光相对于入射的电磁射线场极化面旋转了90°。对于此光线现在极化镜不让它通过，也就是说，避免了反送到光源中去。
一般在本发明装置中可以通过沿着光轴移动工件在预定的光学参数下找到强度、光线直径和强度分布之间具有最适当的关系的位置，并且此位置可在相对宽的范围内自由选择。例如在借助于应力裂纹分割玻璃时这是一个重要的选择。特别是对于此任务可能需要产生一个起始裂纹。为此本发明提供例如下述的三种可能性；1)选择一个光源，它除了连续工作外还可以强提升的功率峰值脉冲工作(例如通过一个激光器的品质转换)，以在处理过程开始时用一个这样的脉冲在聚焦区产生材料组织的一个有意的精细“损坏”，它提供起始裂纹。接着光源切换到正常工作方式，并且起始裂纹以所希望的方式，即为了产生规定的分割过程，作为穿过工件的应力裂纹工作。
2)由于本发明的装置可以无问题地实现焦点和工件的相对位置的迅速变化，例如也可以如此进行(在连续工作的光源情况下)在开始处理时工件精确地位于焦点处。在足够的光线功率下可以产生所需的材料组织的精细损坏，即产生起始裂纹。为了进行进一步处理，其中熔化和汽化是不希望的，工件被从聚焦区移出，直到对于借助应力裂纹的分割达到最佳的强度关系。
3)为了产生起始裂纹或者一系列为了给出精确外形的这种“起始点”，以及在复杂的工件形状下应用一个附加的光源，提供了一种特别灵活的方案。此光源最好是一个脉冲激光器。在一个适宜的装置中可以例如直接在工件之前设置一个换向镜，它对于原来的(来自第一个会聚透镜的)工作光线是透明的，然而第二个激光器的光线被完全反射。第二个激光器的光线经过这个换向镜的90°转向尖锐聚焦到工件上。这里附加光源和用于其光线的聚焦光学系统在侧面设置在主光路之外。通过合适的调节元件——它可以例如借助于调节电机在处理过程中被起动——可以调节此尖锐焦点与本来的交替作用区之间的不同的所需相对位置。这样例如可以在处理过程的同时影响应力裂纹的方向。
在用NdYAG激光器或二极管激光器分割玻璃时例如一个小的TEA-CO2激光器被提供来作为附加光源，其光线被玻璃强吸收。一个尖锐聚焦在玻璃样品表面的这种激光脉冲足以产生所希望的起始裂纹。
本发明的装置允许其它的应用方式，这里仅仅提一下它们而不详细说明。例如可以在第三个聚焦点处安装一个非线性光学晶体，借助于它产生原光线的高次谐波。由于谐振装置和在此第三聚焦点处相对高的强度，高的转换率是可能的。以这种方式不仅可以用光线的基波，也可以用高次谐波处理工件，这可以产生有益的作用。
上面非常详细地说明了本发明的光束成型单元与本发明谐振单元的组合，其中第一谐振镜置于无光线的中心区域中。对于光束成型单元的其它应用，可以设置其它的光学元件来代替此第一谐振镜。例如一个换向镜可安放在此位置上，此换向镜必须不是半透明的镜，而是具有一个高度反射的涂层，以最大地反射进入的光线。以此方式可以无损耗地实现多个光束的无损耗迭加。
下面借助附图所示实施例详细说明本发明。附图中
图1示出通过一个旋转三棱镜的光线行程(现有技术)，图2示出通过一个会聚透镜和一个旋转三棱镜的光线行程(现有技术)，图3示出通过一个由两个旋转三棱镜和一个会聚透镜组成的光束成型单元的光线行程，图4示出图3所示光束成型单元后面的光锥扩散，图5示出谐振单元及详细的光路，图6示出具有光源、光束成型单元和谐振单元的完整装置，图7示出去耦单元，图8示出具有用于产生起始裂纹的附加光源的谐振单元。
本发明的装置主要由一个光源6、一个光束成型单元4和一个谐振单元5组成，其中置于光束成型单元4中的两个旋转三棱镜承担了中心功能。为了容易理解本发明，图1首先示出单个旋转三棱镜1的基本功能，此旋转三棱镜由圆锥角δ1表征。入射的光束—假设它是轻微发散的，并且在例如高斯或矩形(幅形)的强度横截面上旋转对称—精确地集中并垂直入射到第一个旋转三棱镜1的光线成形侧(锥形面)。在其锥形面上的折射使得光线作为发散的环离开第一个旋转三棱镜1。中心光线(用虚线表示)相交于光轴9(以点划线表示)上的一个点，同时光束始终保持旋转对称。
图2示出一个用于典型的、由现有技术已知的第一个旋转三棱镜1的应用情况，即用于产生一个环状焦点的情况。为此在第一个旋转三棱镜1之间设置一个聚焦透镜2，它将一个光束—它在图1中射到第一个旋转三棱镜上—成形为一个会聚的光束。通过已借助图1说明的第一旋转三棱镜1的作用，在通过第一旋转三棱镜后得到一个会聚的环状光线，其中心光线重又相交于第一旋转三棱镜1的光轴9上的一个点。对应于聚焦透镜2的焦距，一个环状焦点或聚焦的光线环10形成在一个确定的平面中。与聚焦透镜2的参数和第一旋转三棱镜1的参数无关，中心光线的交点和环形焦点相互间始终有一个间距a。
然而对本发明的装置功能的要求是a趋近于零，这仅仅意味着聚焦的光线环10趋于一个聚焦点，此聚焦点与中心光线的交点重合。这个第一要求与第二要求，即在聚焦点之后光线重又作为具有无光线中心区域的发散环向前行进，结合在一起可由按本发明串接的第二个旋转三棱镜3实现，如图3所示。
第一个旋转三棱镜1、聚焦透镜2和第二个旋转三棱镜3一起构成了光束成型单元4，它与后面说明的谐振单元5和一个光源6设置在一个公共的光轴9上，它们决定本发明的装置。完整的装置被示于图6中，然而借助于其主要构件，即图3的光束成型单元4和图5的谐振单元5来说明此装置。
具有圆锥角δ2的第二旋转三棱镜3用于像借助图1详细说明的那样首先如此对入射的光束进行成型，它已经以环形射到聚焦透镜2上，从而实现在聚焦透镜2之后的发散光束已经以具有无光线中心区域的环形射到第一个旋转三棱镜1上，接着通过它的作用光线被如此折射，使得整个发散的环形光束在第一个旋转三棱镜1后面确定距离处聚焦为第一个聚焦点8，并且接着作为具有愈来愈大的无光线中心区域的发散光线环10扩散。第一个旋转三棱镜1的圆锥角δ1和第二个旋转三棱镜3的圆锥角δ2以及两个旋转三棱镜相互间的距离和与聚焦透镜2的距离与聚焦透镜2的焦距如此确定，使得产生所需要的光路。
在所有光线的全部交点会聚到焦点8之后光束的扩散再次示于图4中。如上所述，第一个聚焦点8是以一定发散度扩展的环形光束。与上面说明的图(其中光束分别以光学系统通过中心光线和边缘光线的纵截面示出)不同，在图4中环形光束以垂直于光轴9的截面示出。在此截面上光束呈现为具有一个无光线中心区域的光线环10。
图5示出谐振单元5的原理结构，此单元由一个会聚透镜12，第一谐振镜13，一个具有孔16的镜面17，一个聚焦镜18和第二谐振镜19组成。元件相互间的位置将与谐振单元5的工作原理一起说明。
谐振单元5被如此设置在光线方向上光束成型单元4之后，使得其第一构件组—由一个会聚透镜12和第一谐振镜13组成—位于距第一聚焦点8这样的距离处，使得光线环10完全射到会聚透镜12上，并且第一谐振镜13完全位于无光线的中心区域内。这里会聚透镜12和第一谐振镜13不必一定要位于一个平面中(本领域技术人员知道，如果光学成像元件位于一个平面内，总是称其为主平面)。会聚透镜12将此环形光束聚集到一个工件14的表面上或一个工件14的内部(交替作用区)的第二聚焦点15，其中第二聚焦点15与工件14的最佳相对位置取决于相应的处理任务，在这个第一次穿过工件并且第一次部分吸收之后光束通过镜面17中的孔16，此孔恰好足以使得再度发散的光束可以无损耗地通过。为了能使这个孔16保持尽可能地小，镜面17以较小的距离置于工件14之后。
在其另一条光路上光束射到聚焦镜18上，此镜位于第二聚焦点15之后离工件14足够远，使得在这里重又得到一个具有足够大直径的无光线中心区域，以在那里放置第二谐振镜19。这个第二谐振镜19可以固定安装在聚焦镜18上或者为了保证装置的自由调节程度而是可自由调节的。在后一种情况下，聚焦镜18必须具有足够大的开孔，使得第二谐振镜19可以通过相应的调节单元21在需要时倾倒或沿着光轴9移动，调节单元21安装在聚焦镜18的后面，即安装在整个光线路径之外并因此而不带来损害。因此由第一谐振镜13和第二谐振镜19构成的本来的谐振器的精细调节是可能的。
在聚焦镜18上反射之后的后续光路使得镜面17的作用变得清晰了。此镜面是谐振器工作的基础，因为它使来自聚焦镜18重又会聚的光束换向到第三个聚焦点20。应该注意，镜面17不一定非得像图中所示那样是一个平面镜，而是在需要时也可以具有一个光学上有效的弯曲，例如当需要会聚作用时，它将光线会聚到第三个聚焦点20处，此弯曲将均匀分配给镜面17和聚焦镜18。以相对短的距离位于第二谐振镜19之前的第三聚焦点20对于谐振器来说起到中心作用。第二谐振镜19的焦距及其至第三聚焦点20的距离如此相互协调，使得光束第二次被聚焦到工件14中的交替作用区，且在那里完成第二次部分吸收之后作为细长的光束射到第一谐振镜13上。如此选择其焦距，使得反射的光线在第三次通过工件14之后重又精确地会聚在第三聚焦点20上，这是一个实际谐振器功能的先决条件，即在两个谐振镜13和19之间实现光线的多次来回往复。由于在每次通过工件时完成的吸收光束最终跑“死”了，并且即使在弱吸收的情况下，所提供的光线功率在被处理的材料中被大量吸收。
更加重要的第二个优点完全避免了部分光线返回到光源6，因而在本发明所述装置的具有优点的实施例中可以省去专门的用于光源6去耦的措施。
在本发明所述装置的第二个实施例中光束在每次通过工件14时都被聚焦在交替作用区域中，从而减小交替作用区域并且位置更集中地引入能量。第一谐振镜13的焦距为此必须如此选择，使得光束不被聚焦在第三聚焦点20上，而是第三次聚焦到工件14中第二聚焦点15上。然而这个优点是由未被吸收的残面光线朝光源6方向返回(同时第四次聚焦通过工件14)换来的，因为谐振器功能的先决条件不再被满足。在此情况下必须在光线方向上在光源6之后设置一个专门的去耦单元22，例如图7所示。
这里所示的光线去耦单元22假设光源6发出线性极化的电磁射线，对于大多数激光器而言这是符合实际情况的。在图7中假设其极化平面在示图平面中。此光线基本无损耗地通过放置在通道中的极化器23并接着射到直接安装在极化器23后面的λ/4板24上。此λ/4板如此影响极化由原来的线性极化光束变为一个圆极化光束，光束在另一条光路方向上前进。在多次通过工件14之后返回的光束基本上还具有相同的极化特性，即仍是圆极化的。现在此光束以相反方向射到λ/4板24上，极化状态如此变化由圆极化重又变为线性极化的光线，然而现在极化平面相对于原来的光束旋转了90°。现在极化器23对于垂直于示图平面被极化的光线处于阻断方向，因而此光线被阻止通过而不会返回到光源6中。
下面借助图8详细说明第三个实施例。与示在图6中的第一个实施例不同，在会聚透镜12和工件14之间安置了一个换向单元25，用此单元使通过透镜26聚焦的附加光源27的光线耦合到整个装置的光路中。这个附加光线用于在玻璃分割时产生一个起始裂纹。附加光源27最好是一个TEA-CO2激光器，其高脉冲功率和能量的脉冲光线被透镜26光锐地聚焦到工件14上，同时换向器25用于使附加焦点28精确地位于相对于交替作用区位置的所希望的地点上。为了能任意调节附加焦点28的位置，换向器25与一个调节装置29相连接。换向单元25可具有优点地由一个平行板构成，此板被如此涂层，使得它对于光源6的入射电磁射线的波长是完全透明的，而附加光源27的光线则被完全反射。
换向单元25也可以是一个用于附加光源27的光线的简单的镜面17，它为了产生起始裂纹而被推移或折叠到光线路径中，并且在工件14原来意义上的处理(与产生起始裂纹相关的分割)之前再从光线路径中离开。
所用附图标记列表1第一个旋转三棱镜2聚焦透镜3第二个旋转三棱镜4光束成型单元5谐振单元6光源8第一聚焦点9光轴10光线环12会聚透镜13第一谐振镜14工件15第二聚焦点16孔17镜面18聚焦镜19第二谐振镜20第三聚焦点21调节单元22光线去耦单元23极化器
24λ/4板25换向单元26透镜27附加光源28附加焦点29调节装置δ1第一旋转三棱镜的圆锥角δ2第二旋转三棱镜的圆锥角a间距
权利要求
1.用于产生一个环形光束的光束成型单元，它具有一个聚焦透镜(2)和一个置于其后的第一个旋转三棱镜(1)，它与聚焦透镜(2)都安置在一个公共的光轴(9)上，并且它的锥形光学表面对着聚焦透镜(2)，其特征在于，在聚焦透镜(2)之前在光轴(9)上安置第二个旋转三棱镜(3)，其锥形光学表面背对着聚焦透镜(2)，并且聚焦透镜(2)和旋转三棱镜(1)，(3)的参数及它们之间的相互距离如此选择，使得从位于光轴(9)上第二旋转三棱镜(3)之前的光源(6)发出的且通过光束成型单元(4)的光束被聚焦在第一聚焦点(8)上，接着成形为具有一个无光线中心区域的发散的环形光束。
2.用于将光线能量引入到由弱吸收材料构成的工件(14)中的装置，它具有一个光源(6)和一个谐振单元(5)，谐振单元包括第一谐振镜(13)和第二谐振镜(19)，在这两个谐振镜之间放置工件(14)，其特征在于-在谐振单元(5)之前安置一个如权利要求1所述的光束成型单元(4)，且第一谐振镜(13)位于第一聚焦点(8)后面的无光线中心区域中，-设置一个会聚透镜(12)，它包围着第一谐振镜(13)，并且入射到工件(14)中的光束聚焦在第二聚焦点(15)上，-第二谐振镜(19)位于第二聚焦点(15)后面的无光线中心区域中，被一个聚焦镜(18)包围，此聚焦镜将来自第二聚焦点(15)的发散光束成形为一个会聚的光束，并反射到一个镜面(17)上，此镜面(17)被安置在聚焦镜(18)和工件(14)之间并将光束反射到第二谐振镜(19)上，-镜面(17)具有一个孔(16)，此孔的大小恰好使得来自第二聚焦点(15)并朝着聚焦镜(18)的方向前进的光束可不受影响地通过，并且由第二谐振镜(19)反射的光束不受影响地通过此孔，并第二次被聚焦在工件(14)中第二聚焦点(15)上，接着此光束射到第一谐振镜(13)上，并从该谐振镜反射回工件(14)中。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，如此选择第二谐振镜(19)和聚焦镜(18)的参数，使得由聚焦镜(18)反射的光束在射到第二谐振镜(19)上之前被聚焦到第三聚焦点(20)，此聚焦点通过第二谐振镜(19)而成像在第二聚焦点上，并且如此选择第一谐振镜(13)的参数，使得来自第二聚焦点(15)并射到第一谐振镜(13)上的光束被聚焦到第三聚焦点(20)上。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，如此选择第二谐振镜(19)和聚焦镜(18)的参数，使得可选择有或没有中间聚焦地使由聚焦镜(18)所反射的光束进行下述在第二聚焦点(15)上的聚焦在第二谐振镜(19)上反射后第二次聚焦，在第一谐振镜(13)上反射后第三次聚焦，以及再次在第二谐振镜(19)上反射后第四次聚焦，并且在光源(6)和光束成型单元(4)之间安置一个光线去耦单元(22)，它阻止光线部分返回到光源(6)。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，光源(6)发出线性极化光线，并且光线去耦单元(22)由一个极化器(23)和一个λ/4板(24)构成。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，设置一个用于产生起始裂纹的附加光源(27)，附加光源的附加光线通过一个透镜(26)和一个换向单元(25)可以定时方式被聚焦到工件(14)中。
全文摘要
本发明涉及一种用于产生点状聚焦、具有无光线中心区域的环形扩散光束的光束成型单元，它由一个聚焦透镜(2)，第一个旋转三棱镜(1)和第二个旋转三棱镜(3)组成。本发明还涉及具有这种光束成型单元(4)并用于将光线能量引入到由弱吸收材料构成的工件(14)中的装置，工件被置于第一谐振镜(13)和第二谐振镜(19)之间，并且在光线方向上安置在工件(14)前面的第一谐振镜(13)位于无光线的中心区域中，通过多次通过工件(14)中相同的交替作用区，光线能量可以最大程度地被吸收。
文档编号B23K26/067GK1665637SQ03815274
公开日2005年9月7日 申请日期2003年8月25日 优先权日2002年8月28日
发明者吉斯贝特·施陶潘德尔, 斯特凡·阿克尔, 于斯根·魏瑟尔 申请人:詹诺普蒂克自动化技术有限公司