专利名称：用于用激光辐射进行材料加工的方法以及用于实施所述方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于用激光辐射进行材料加工的方法，其中未聚焦的典型地经过 准直处理的激光辐射通过聚焦光学器件聚焦到较小的射束横截面上，经过聚焦的激光辐射 的称为射束轴线的光学的轴线指向材料表面，其中射束轴线相对于材料是静止的或者沿加 工轨迹运动，经过聚焦的激光辐射的从聚焦中产生的射束收缩部保持在激光辐射与材料的 所构成的相互作用面的区域中，激光辐射在相互作用面上部分地被吸收，使得所述相互作 用面通过所诱发的材料侵蚀或者所诱发的材料挤出并且由此也通过激光辐射侵入到材料 中，其中所述射束收缩部距所述相互作用面的上侧面或者下侧面的沿轴向方向的间距最大 相当于所述相互作用面在材料中的侵入深度的三倍的数值。用于材料加工的激光辐射可以 由一股或者多股用一个或者多个辐射源产生的射束构成。此外，本发明涉及一种用于用激光辐射进行材料加工的相应的装置。
背景技术：
对于激光材料加工方法来说，经过聚焦的激光辐射侵入到材料中，所述激光材料 加工方法比如是钻孔、切削、切割和焊接。对于前三种所提到的方法来说相互作用面以及由 此激光辐射的在材料中的侵入过程通过熔化、汽化、升华或者分解的形式的材料侵蚀来进 行，而在使用激光束焊接的情况下则在材料的熔池中产生蒸汽毛细管，所述蒸汽毛细管排 挤熔池并且通过该蒸汽毛细管激光可以侵入材料中。在钻孔时，材料可以在必要时相对于 激光束保持不动；其它的方法则利用激光辐射相对于材料的相对运动。所有所提到的方法 都可以通过过程气流得到支持，所述过程气流不仅可以由反应的气体而且也可以由惰性气 体构成并且比如用于挤出熔化的或者得汽化的材料份额或者用于影响相互作用面或者抵 靠着的材料区域的表面性能。所有上面所提到的方法的共同点是，相互作用面典型地拥有超过1的入孔比例 (Schachtverhaltnis)，也就是说射束直径和相互作用面的宽度小于相互作用面的在材 料中的侵入深度。由此不仅-像在表面处理的激光方法中一样-在可能最小变形的材料 表面上的辐射性能而且在辐射的在相互作用面的上侧面与相互作用面的下侧面之间的整 个传播距离范围内在整个构成的侵入材料中的相互作用面上的辐射性能，都具有很高的意 义。以往为此作为重要的辐射性能-除了研究辐射功率-射束收缩部中的经常称为焦 点直径的射束直径以外，也研究辐射的在收缩部区域中的瑞利长度(RayleighlSnge)， 这种瑞利长度定义为射束收缩部开始测量沿射束轴线直到射束横截面面积翻了一倍的距 离。此外，射束横截面中的功率密度分布(也称为强度分布)尤其射束收缩部中的功率密 度分布的对加工结果的影响也被认为十分重要，即使强度分布的准确的影响尚为充分地为 人熟知。以往完全不加考虑的是不同的辐射份额的传播方向的在经过聚焦的激光辐射中的 分布及其对加工和加工结果的效率的影响。
已经知道，对于激光材料加工来说(举例用于Imm到30mm的板厚的宏 (Makro)-应用方案)在工业上使用具有大约10 μ m的辐射的波长以及l_15kW的激光功率 的高功率二氧化碳激光器(10 μ-辐射器)。除此以外，也使用具有大约Iym的辐射的波长 以及I-SkW的激光功率的棒形激光器、纤维激光器和盘形激光器(1 μ -辐射器)。恰好这 些辐射源提供经济上的优点，并且因此得到越来越多的使用。不过事实表明，尤其在用激光 辐射切割时，能够获得的加工质量比如依赖于所使用的辐射源(纤维激光器、盘形激光器 (1 μ -辐射器)、气体激光器10 μ -辐射器)并且比如依赖于有待切割的板厚和移动速度。激光材料加工中的当前的开发工作旨在进一步提高加工速度、扩大能够获得的加 工深度或者说能够加工的材料厚度、改进工艺耐用性、避免工艺不稳定性并且尤其进一步 提高能够获得的加工质量。因此在生产中采用越来越大的激光功率和具有一流的驱动技术 的设备。开发目的在于，拓宽工艺控制的技术上的限制。在切割实例上加工几何形状的质量除了很小的粗糙度和无毛刺的下侧面以及无氧化物之外，平整度和垂直度是对切 削棱边的主要质量要求。因此应该考虑到以下几点-在切削棱边上随着板厚的增加产生越来越粗的凹槽，这样的凹槽尤其出现在切 削棱边(或者说切削缝)的下面的部分中并且在切割气体压力太小、接缝太窄并且切割速 度太高时出现的频率越来越高。-尤其在进给速度很小和很大时，熔化液不完全从下棱边上脱落。附着的并且而后 凝固的熔化液形成不受欢迎的毛刺。这样的毛刺的产生的机制只是部分为人所理解。其中 它们与凹槽的形成相关联。从根据实验的观察中已经知道，不受欢迎的今天还无法避免的凹槽典型地在自一 个特定的切削深度(或者说切割深度)起的区域中会从小数值的粗糙深度转化为明显较大 的数值的粗糙深度。这种转化会出现在切割深度的比工件的厚度小的区域中。这个区域会 在切削过程中以变化的深度出现在切割棱边(或者说切削棱边)上。激光辐射的吸收已经知道，激光辐射在相互作用面上的吸收对工艺效率具有决定性的影 响，这种吸收可以根据所谓的菲涅耳公式(Fresnelformalismus)来计算(Petring, D :Anwendungsorientierte Modellierung desLaserstrahlschneidens zur rechnergestiitzten Prozessoptimierung。Shaker 出版社，亚琛 1995,第 22-29 页)。因 此，激光辐射的吸收度也就是说被吸收的入射到相互作用面上的功率密度的份额尤其依赖 于在相互作用面的入射点中在激光辐射与平面垂线之间的入射角。此外，吸收度依赖于激 光辐射的极化状态。在这些解释中，以圆周形的或者统计学上的极化为出发点。尽管如此， 要说明，该公开文献的结论也能够套用到其它的比如线性的径向的极化上。除了入射角和 极化之外，吸收度还仅仅依赖于材料的折射率，而折射率又依赖于材料温度和激光波长。附图中的图6示出了针对钢材料和典型的1 μ m和10 μ m激光波长的吸收度的 角度依赖关系。在此存在着相应表征的主吸收最大值。为将入射角调节到这个最大值上 或者至少调节到这个最大值附近，已经提出了使收缩部直径按比例地与板厚相匹配的方 案(Petring, D :Anwendungsorientierte Modellierung des Laserstrahlschneidens zurrechnergestiitzten Prozessoptimierung。Shaker 出片反社，亚探 1995，第 110-112 页)。
6这个方案首先旨在很高的工艺效率并且已经成功地得到验证。但是对于针对4mm的钢板厚 度使用Iym的激光波长的情况来说要求高达0. 9mm的射束收缩部直径(参见图6)，这又导 致在上面几点中已经提到的射束直径很大的缺点。
发明内容
本发明的任务是，说明一种用于材料加工的方法，其中激光辐射在相互作用面 上部分地被吸收，使得相互作用面通过所诱发的材料侵蚀或者所诱发的材料挤出并且也 通过激光辐射而侵入材料中，利用该方法可以超过现有技术的今天的极限来提高工艺效 率和工艺稳定性并且尤其改进从中产生的加工质量。在激光切割的实例上，根据现有技 术已经知道，对切割参数进行不恰当的调节会随着切削深度不必要地大大增加凹槽幅度 (Riefenamplitude)0这方面的事例是气体压力太小，切削缝太窄(比如在精密冲裁时) 或者移动速度太大。因此中心任务是，避免具有不必要大的幅值的凹槽的形成，所述幅值甚 至在恰当地使用已知的措施之后再也无法缩小。所述任务通过发明人的令人惊讶的观察借 助于现有技术得到证实在使用所选择的用于激光切割的辐射源比如1 μ辐射器(纤维激 光器、切割激光器等)时或者在切割很大的工件厚度时出现很大的用已知的措施无法避免 的凹槽幅度。已知的研究水平没有通过解释来提示，是哪些原因或者说哪种机制引起不受 欢迎的很大的凹槽幅度。此外尚不清楚，如何可以提高吸收并且同时可以避免太宽的相互 作用面。这些任务对于开头所说明的类型的方法来说通过以下方式得到解决，S卩如此进行 聚焦，使得激光辐射的不仅沿传播方向在射束收缩部后面的份额而且在射束收缩部中的份 额和/或沿传播方向在射束收缩部前面的份额发散并且由此偏离射束轴线，并且这些份额 和发散角大于那些用标准光学器件在无意产生并且堪于忍受的成像误差影响的份额和发 散角。在装置方面，所述任务通过一种用于材料加工的装置得到解决，该装置具有至少 一个激光辐射源和一个将激光辐射源的激光辐射聚焦的聚焦光学器件，其中经过聚焦的激 光辐射的也称为射束轴线的光学轴线指向加工面，其中经过聚焦的激光辐射的从聚焦中产 生的射束收缩部保持在由激光辐射和有待加工的材料所构成的相互作用面的区域中，并且 该装置还具有用于将经过聚焦的激光辐射的从聚焦中产生的射束收缩部保持在由激光束 和材料所构成的相互作用面的区域中的机构，其特征在于，如此设计所述聚焦光学器件和 射束整形的光学器件，使得激光辐射的不仅沿传播方向在射束收缩部后面的份额而且在射 束收缩部中的份额和/或沿传播方向在射束收缩部前面的份额发散并且由此偏离射束轴 线，并且使得这些份额和发散角大于那些用标准光学器件产生并且要忍受的成像误差影响 的份额和发散角。标准光学器件的如其这里所说明的一样的成像误差涉及这样的成像误差，它们在 无意之中也就是说非人所愿地用典型地所使用的标准光学器件产生并且对于这样的标准 光学器件来说要堪于忍受。利用所述按本发明的方法和所述按本发明的装置，可以在不考虑通过多次反射引 起的吸收份额的情况下提高激光辐射的基本吸收也就是吸收，并且更确切地说甚至在具有 很大的深度对宽度的入孔比的相互作用面上(切削正面、钻孔通道、焊接毛细管)，也就是说在陡峭的相互作用面上提高激光辐射的基本吸收，因为为此所必需的更小的入射角能够 通过更大的发散角来实现。菲涅耳吸收(Fresnelabsorption)只有在入射角较小时(比如 对于Iym波长和钢来说< 80° )才达到其最大值并且因此受益于更为平坦的相互作用对于更小的入射角来说，在相互作用面的形状和/或位置变化时并且由此在入射 角变化时也减少了吸收的变化，从而在加工过程中避免不稳定性的产生或加重。甚至在相 互作用面的上面的区域中仅仅稍许不稳定的入射点的反射就导致在所反射的辐射份额的 接下来的入射点中不稳定性的加重。这个问题通过在入射角更小时因吸收的提高而减少反 射的方式并且在入射角更小时通过吸收的更小的角度依赖性来得到解决。由此以双重方式 在加工时避免或者说抑制不稳定的过程的加重现象。也有利的是，通过在相应的部分射束的第一入射点中直接吸收的提高来减少多次 反射的份额，由此避免不稳定性的加重。最后比如对于切削缝和孔来说可以避免圆锥形的 或者倒圆的加工横截面，因为具有更大的发散角的辐射份额自相互作用面的上侧面起在激 光束的边缘区域中甚至在边缘区域中的功率密度低于射束中心中时引起从材料表面到相 互作用面中的比较陡峭的过渡带。本发明以该问题为基础，该问题以往在已知的现有技术中未得到处理。这同样适 用于按本发明的解决方案。发明人获得以下认识对于一些加工方法来说，激光辐射通过材料的熔化、汽化、升华或分解侵入有待加 工的材料中，比如通过钻孔、切削、切割、焊接来进行。对于这些加工方法来说，激光辐射典 型地以相互作用面的标准矢量与辐射的局部的传播方向(擦过的入射)之间的很大的角度 来入射。因为此外激光辐射的吸收在很大程度上依赖于这个角度，所以在依赖于材料和波 长的情况下可以通过这个角度的有针对性的调节来提高吸收并且调节一个角度范围，该角 度范围在几何关系在加工中不可避免地波动时稳定地影响着进一步的加工过程。尤其对于 用处于可见光的和接近的红外线的波长范围内的激光辐射来加工钢材料的过程来说，角度 的缩小起到提高吸收和稳定的作用。这两种效应提高所述方法的比如能够在加工速度和/ 或加工质量方面测量的效率。在那些对本发明来说重要的加工方法中典型地存在一些几何关系，对于这些几何 关系来说激光束的在与材料之间的相互作用的位置上的横截面明显小于沿射束的传播方 向的加工深度(很大的入孔比)。利用所提出的方法，尤其可以在射束轴线与工件之间具有 相对运动的方法中而且也在入孔比很大时通过具有发散的辐射份额的沿传播方向扩大的、 也将射束收缩部的范围内和/或里面的发散的份额围住的区域来调节所期望的很小的角 度。为提高加工方法的效率，根据现有技术通常如此设计由经过准直的激光束和聚焦 光学器件构成的光学系统的尺寸，从而结合适合于有待加工的材料厚度的瑞利长度来提供 尽可能小的焦点。所使用的光学器件通常因此如此得到校正，从而将成像误差减小到最低 限度。具有很高的射束质量的激光辐射的使用简化了具有很大的瑞利长度的很小的焦点的 产生过程。但是这种处理方式导致用由此产生的窄长的焦散点恰好特别少的辐射份额发散 地入射到相互作用面上。相反，利用按本发明提出的处理方式则会有发散的射束份额入射到相互作用面上。因此，与现有技术相反，不是提出成像质量的改进而是提出成像质量的变 差并且通过成像质量的变差的构成的特殊方式来获得比如在速度和/或加工质量方面有 利的工艺特性。所述按本发明的解决方案产生并且有意识地利用射束收缩部中的发散的射束份 额，并且尽管狭窄的相互作用面(正面、孔、毛细管)也实现更小的入射角、对应用情况来说 由此更大的基础吸收和更少的多次反射以及更陡峭的相互作用面，并且更确切地说没有加 工侧面的倒圆和斜切(AnschrSgung)。作为附加效应，比如可以调节和利用射束横截 面中的功率密度的再分布，这种再分布比如构造为环形的功率密度分布的陡峭的侧面的形 式。为在射束收缩部的上方和/或里面产生发散的射束份额，使用至少一个射束整形 的光学器件。这个射束整形的光学器件可以布置在聚焦光学器件的前面或后面或者所述射 束整形的光学器件同时也可以用于激光辐射的准值和/或聚焦。在一种实施方式中，所述辐射份额的更大的发散角用于缩小其在相互作用面上的 入射角并且由此用于提高在辐射份额的在相互作用面上的吸收并且用于在入射角波动时 减少吸收的变化，由此获得上面已经解释的效应。 为了在相互作用面上实现更小的入射角，在激光器内部或激光器外部用至少一个 射束整形的光学器件产生额外的发散的射束份额。这样的发散的射束份额也可以通过以下 方式来产生，即在所述射束整形的光学器件中产生或者扩大像差的数值。为缩小入射角，可以产生或者在数值方面扩大正的或者负的球面像差或者色像 差。优选的是可以用很大程度地过度校正的光学器件产生的负的像差。在使用负的像差的 情况下中心的射束份额已经在射束收缩部的前面发散并且在总体上在射束收缩部的区域 中和射束收缩部的下面更多的辐射份额在侵入材料中的相互作用面上产生更小的入射角。 这尤其适用于像切割和切削一样的方法，因为对于这样的方法来说沿进给方向在射束轴线 的后面也就是在背向相互作用面或者说正面的顶部的一侧上更多的辐射份额在其第一次 碰到相互作用面之前可以不受干扰地在材料中传播更长的距离。对于单色的辐射的在激光材料加工中经常出现的情况来说，使用球面的像差。在 一些辐射源中，辐射通过多个单个的具有不同的波长的辐射源的叠加来形成(比如二极管 激光器的几种结构形式)，对于这些辐射源或者对于以宽带形式的发射辐射的激光器来说， 色像差可以单独使用或者与球面像差组合使用。为在光学器件中产生像差，可以使用衍射的、折射的和/或散射的光学元件。在这 些光学器件中，如果向光学元件加载很高的激光辐射强度(> lkW/cm2的数量级)，那就优 选使用折射的光学元件。所述光学元件可以由具有发射的和/或反射的性能的固态的、液 态的和/或气态的材料或介质构成，比如构造为透镜、反射镜、纤维和波导管的形式。在前 面所说明的材料中，应该强调固态的材料，因为借助于透镜和反射镜的使用可以对在激光 材料加工中广泛的最为常用的实施方式进行检测。液态的和气态的介质通过光学性能的更 为灵活和动态的可调节性提供了用于射束成形的新颖的方案；这一点尤为适用，如果射束 整形的光学器件如此构造为自适应的光学器件，从而能够调节像差的数值和/或在侧向上 的分布和/或在轴向上的分布。光学器件中的像差也可以通过以下方式来实现，也就是使用由至少一个凹入的和一个凸出的光学的界面构成的组合，这一点而后是有利的，如果比如通过由一面凹透镜和 一面凸透镜构成的组合没有像通常一样将通过标准聚焦光学器件产生的正的球面像差校 正到最小的像差，而是过度校正为负的球面像差。在使用已经得到校正的聚焦光学器件时， 通过具有一面凹透镜和一面凸透镜构成的组合来有利地扩大像差的数值。利用实现像差的 光学器件，来优选同时实施激光辐射的准直和/或聚焦，从而可以必要时以更小数目的光 学元件来实现所述光学系统，该光学系统结构更小或者对校准更不敏感。光学器件中的像差可以通过以下方式来实现，即使用至少一个具有至少一个非球 面的表面的光学元件；这样的光学元件可以构造为轴棱镜或者构造为菲涅耳光学器件。轴 棱镜或者菲涅耳光学器件应该优选使用，如果应该进行辐射的明确的再分布，比如用于抑 制具有很小的发散角的辐射的近轴线的份额。如果应该利用具有很少的光学元件或者常规地难以产生的成像性能的光学器件， 也就是说比如用于灵活地调节发散角(辐射向量)的分布情况的调节并且同时调节沿轴向 方向和侧向方向的强度分布，那么光学器件中的像差应该通过至少一个具有在侧向和/或 轴向上变化的折射率的光学元件来产生。所述射束整形的光学器件可以通过光学元件的移动和/或变形来如此构造为自 适应的光学器件，从而能够调节所述像差的数值和/或在侧向上的和/或在轴向上的分布。 这样的调节为了与工艺参数如材料类型、材料厚度、加工速度和/或激光功率相匹配可以 在加工之前和/或加工过程中来控制或调整。可以额外地利用比如通过球面的像差对发散角进行的调节，用于用射束整形的光 学器件比如作为相互作用面的区域中环形分布或者平顶帽形分布(Tophat-Verteilimg) 产生指定的空间上的功率密度分布。这尤其有利地在根据相互作用面的几何形状不仅必须 调节局部入射到相互作用面上的辐射份额的发散度而且也必须调节局部的功率密度时进 行实施。比如在切割时，应该如此调节相互作用面的最上面部分中的功率密度，从而在以所 调节的发散角进行吸收的情况下避免切削棱边的倒圆。前面说明的按本发明的装置的有利的设计方案从从属权利要求中获得。
本发明的其它细节和特征从下面借助于附图对实施例所作的说明中获得。其中图1是材料部分的剖面以及激光辐射的走向的示意图，其中示出了激光辐射和材 料的相互作用面的用细节“A”表示的区域的放大的示意图，图2是辐射走向的在射束收缩部的区域中的放大的示意图，用于示出发散的辐射 份额，图3是按本发明的装置连同主要的光学组件的一个区域的示意图，其中放大示出 了细节“B”，图4是所述装置的相对于图3经过改动的结构，在该结构上使用了轴棱镜，图5是图表，用于示出作为入射角的函数为钢材料计算的具有1 μ m和10 μ m的波 长λ的辐射的吸收度，图6是一种用于相应地在没有射束发散度的情况下用用于1 μ m激光辐射的78° 的入射角且用用于10 μ m激光辐射的87°的入射角将入射角调节到靠近主吸收最大值的实例，图7是相应于图6的具有用于1 μ m激光辐射的78°的入射角的不过在使用12° 的射束发散度的情况下的示意图。
具体实施例方式图1示出了用激光辐射2加工的工件或者说材料1。未聚焦的激光辐射3的光学 的轴线(射束轴线)用4来表示，这种未聚焦的激光辐射3首先穿过射束整形的光学器件 5并且而后穿过聚焦用的光学器件(聚焦光学器件)6。经过聚焦的射束7而后入射到工件 或者说材料1上。如在放大的示意图中细节“A”示出的一样，在激光辐射2与材料之间形 成用附图标记8表示的相互作用面，其中这个相互作用面的下侧面9在这里处于工件或者 说材料中，不过当然也可能处于工件下侧面或者说材料下侧面上，而这个相互作用面的上 侧面10则处于材料表面11上。如图1示出的一样，不过也可以借助于图2更好地看出的一样，用射束整形的光学 器件5如此进行射束成形，使得聚焦光学器件6如此使激光辐射聚焦，从而所述激光辐射不 仅沿传播方向在图2中用附图标记12表示的射束收缩部后面而且在该射束收缩部12本身 中并且尤其在该射束收缩部的前面发散，因而所述激光辐射2偏离射束轴线4。发散的射束 份额的在射束收缩部前面的传播方向在图2中用附图标记13来表示。如此设计这些射束 份额及其发散角，使得其大于从聚焦光学器件6的成像误差中产生并且未在期望之列的也 就是说应该依据构件特点归因于所使用的标准光学器件的辐射份额和发散角。所述辐射份额的更大的发散角用于缩小其在相互作用面10上的入射角，从而由 此利用辐射2的辐射份额的在相互作用面8的区域中的提高了的吸收。这些更大的发散角 也用于在入射角波动时减小吸收的变化，因为在入射角很小时随变化的入射角吸收的变化 变得更小，这一点下面还要借助于图5到7进行详细解释。图3示意示出了一个用于实施所说明的按本发明的方法的装置的总结构。该装置作为辐射源可选包括一个激光器，该激光器具有纤维导引的普遍用箭头14 表示的激光辐射。由激光器或者说纤维光学器件发出的辐射的射束轴线如在图1和2中一 样用附图标记4来表示，这种辐射通过准直光学器件15得到准直，并且将经过准直的激光 束16输送给在所示出的实施方式中由凹凸光学器件组成的像差光学器件17。由像差光学器件17发出的辐射而后通过聚焦光学器件18聚焦到未详细示出的工 件或者说材料上，其中聚焦范围放大地作为细节“B”示出。借助于这个细节“B”围绕着所 示出的平面19可以看出具有偏差了的射束的射束收缩部，这与图2的示意图相类似。这些准直及聚焦光学器件15、18可以构造为单透镜的或者多透镜的系统。所述像 差光学器件17可以由其它的由凹入面和凸出面构成的组合构成，并且透射的光学器件也 可以被反射的和/或散射的光学器件所取代，但是也可以被散射的光学器件所取代。也可 以将聚焦光学器件18和/或准直光学器件15以及像差光学器件17放入一个或者两个光 学的系统中。图4示出了一种实施方式，在该实施方式中图3的像差光学器件17由两块轴棱镜 20、21构成。这些轴棱镜20、21拥有朝向彼此定向的外壳表面的相同的角度。图4聚焦光 学器件22通过一块唯一的透镜示意示出。
图4的像差光学器件的轴棱镜20、21可以具有外壳表面的相同的或者不同的角度 或者关于激光辐射的传播方向具有交换的定向。也可以使用一块或者两块以上的轴棱镜。 此外可以使用拥有弯曲的表面的轴棱镜，或者也可以使用这样的构造为反射的光学器件的 轴棱镜。图5的图解示意图应该作为入射角的函数示出具有Iym和10 μ m的波长的激光 辐射的吸收度，其中示范性地为钢材料计算了这些入射角。在此绘出了从0°也就是辐射的 垂直入射直到90°也就是辐射的擦过的入射的入射角。借助于该图形可以清楚地看出，在 主吸收最大值的右边在入射角很大时吸收变得特别小并且在那里的入射角变化时吸收的 变化变得特别大。这个效应会导致很低的效率和不稳定的工艺特性。现在借助于图6和7来说明用于将入射角调节到靠近主吸收最大值的方案。图6示出了两股不同的激光辐射23、24，所述激光辐射23、24入射到工件或者说 材料26的相互作用面25上，所述工件或者说材料25在所示出的实施例中是具有4mm厚度 的钢板。示意图仅仅应该理解为大为简化的原理草图。因此，相互作用面的轮廓通常是非 线性的轮廓并且许多具有不同的辐射向量也就是不同的功率密度和辐射方向或者发散角 的部分射束入射到相互作用面上，所述不同的辐射向量则导致不同的入射角。对于激光辐 射23来说，其中仅仅示出一股射束或者说一根射束轴线，该激光辐射23是没有射束发散的 ΙΟμπι的激光辐射，这种激光辐射应该以87°的入射角入射到相互作用面25上。这要求陡 峭而狭窄的200 μ m的用附图标记27表示的相互交换表面，用于实现相应于图5的主吸收 最大值。激光辐射24是没有射束发散的Iym的激光辐射，这种激光辐射应该以78°的入 射角入射到相互作用面25上。与10 μ m激光辐射相比，这要求更为平坦的更宽的900 μ m的 用附图标记28表示的相互作用面，用于实现相应于图5的主吸收最大值的很小的入射角。与图6相比，图7示出了具有4mm的板厚的工件或者说材料，1 μ m激光辐射29以 78°的入射角以12°的射束发散度入射到该工件或者说材料的相互作用面25上。由此获 得陡峭的狭窄的相互作用面，并且尽管如此实现相应于图5的主吸收最大值的更小的入射 角。通过发散的辐射份额(在图7的实施例中由于12°的射束发散度)对于1 μ m的激光 辐射来说尽管狭窄而陡峭的相互作用面也能够实现很高的吸收度以及稳定的工艺控制和 良好的能够实现的加工质量。
权利要求
用于用激光辐射进行材料加工的方法，其中未聚焦的激光辐射通过聚焦光学器件聚焦到较小的辐射横截面上，经过聚焦的激光辐射的称为射束轴线的光学轴线指向材料表面，经过聚焦的激光辐射的从聚焦中产生的射束收缩部保持在由激光辐射与材料所构成的相互作用面的区域中，激光辐射在相互作用面上部分地被吸收，使得所述相互作用面通过所诱发的材料侵蚀或者所诱发的材料挤出并且由此也通过激光辐射侵入到材料中，其中所述射束收缩部距所述相互作用面的上侧面或者下侧面的沿轴向方向的距离最大相当于所述相互作用面在材料中的侵入深度的三倍的数值，其特征在于，如此进行聚焦，使得激光辐射的不仅沿传播方向在射束收缩部后面的份额而且在射束收缩部中的份额和/或沿传播方向在射束收缩部前面的份额发散并且由此偏离射束轴线，并且这些份额和发散角大于那些用标准光学器件无意产生并且要堪于忍受的成像误差影响的份额和发散角。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使用辐射份额的更大的发散角以用于缩小 其在相互作用面上的入射角并由此用于提高辐射份额的在相互作用面上的吸收并用于减 少在入射角波动时吸收的变化。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述辐射份额的更大的发散角在激光器 内部或者激光器外部用至少一个射束整形的光学器件来产生。
4.按权利要求1到3所述的方法，其特征在于，通过在所述射束整形的光学器件中产生 或者扩大像差的数值来产生所述辐射份额的更大的发散角。
5.按权利要求1到4所述的方法，其特征在于，产生或者在数值方面扩大正的和/或负 的球面像差和/或色像差。
6.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过以下方式来实现光学器件中的像 差，即使用衍射的、折射的和/或散射的光学元件。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，使用由具有发射的和/或反射的性能的固态 的、液态的和/或气态的材料或介质构成的光学元件。
8.按权利要求4到7中任一项所述的方法，其特征在于，光学器件中的像差通过以下方 式来实现，即，使用由至少一个凹入的和一个凸出的光学的界面构成的组合。
9.按权利要求4到8中任一项所述的方法，其特征在于，用实现像差的光学器件同时实 施激光辐射的准直和/或聚焦。
10.按权利要求4到9中任一项所述的方法，其特征在于，光学器件中的像差通过以下 方式来实现，即，使用至少一个具有至少一个非球面的表面的光学元件。
11.按权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光学元件构造为轴棱镜或者构造为 菲涅耳光学器件。
12.按权利要求4到11中任一项所述的方法，其特征在于，光学器件中的像差通过至少 一个具有在侧向和/或轴向上变化的折射率的光学元件来实现。
13.按权利要求3到12中任一项所述的方法，其特征在于，所述射束整形的光学器件如 此构造为自适应的光学器件，从而能够调节所述像差的数值和/或在侧向和/或轴向上的 分布。
14.按权利要求13所述的方法，其特征在于，在加工之前和/或加工过程中有控制地或 者有调整地进行调节，以便与工艺参数如材料类型、材料厚度、加工速度和/或激光功率相 匹配。
15.按权利要求1到14中任一项所述的方法，其特征在于，使用辐射份额的更大的发散 角，以便在相互作用面的区域中产生指定的空间上的功率密度分布如环形分布或者平顶帽 形分布。
16.用于材料加工的装置，该装置具有至少一个激光辐射源和一个将激光辐射源的激 光辐射聚焦的聚焦光学器件，其中经过聚焦的激光辐射的称为射束轴线的光学轴线指向加 工平面，其中所述经过聚焦的激光辐射的从聚焦中产生的射束收缩部保持在由激光辐射和 有待加工的材料所构成的相互作用面的区域中，该装置还具有用于将所述经过聚焦的激光 辐射的从聚焦中产生的射束收缩部保持在由激光辐射和材料所构成的相互作用面的区域 中的机构，其特征在于，如此设计所述聚焦光学器件和射束整形的光学器件，使得激光辐射 的不仅沿传播方向在射束收缩部后面的份额而且在射束收缩部中的份额和/或沿传播方 向在射束收缩部前面的份额发散并且由此偏离射束轴线，并且使得这些份额和发散角大于 那些用标准光学器件无意产生并堪于忍受的成像误差影响的份额和发散角。
17.按权利要求16所述的装置，其特征在于，在激光器内部或者激光器外部设置了至 少一个射束整形的光学器件以用于产生射束份额的更大的发散角。
18.按权利要求16或17所述的装置，其特征在于，设置了至少一个射束整形的光学器 件以用于产生辐射份额的更大的发散角，其中在所述射束整形的光学器件中产生或者扩大 像差的数值。
19.按权利要求16到18所述的装置，其特征在于，在所述射束整形的光学器件中产生 或者在数值方面扩大正的和/或负的球面像差和/或色像差。
20.按权利要求18或19所述的装置，其特征在于，使用衍射的、折射的和/或散射的光 学元件以用于在光学器件中实现像差。
21.按权利要求20所述的装置，其特征在于，所述光学元件由具有发射的和/或反射的 性能的固态的、液态的和/或气态的材料或者介质构成。
22.按权利要求18到21中任一项所述的装置，其特征在于，在所述射束整形的光学器 件中使用由至少一个凹入的和一个凸出的光学的界面构成的组合。
23.按权利要求18到22中任一项所述的装置，其特征在于，产生像差的射束整形的光 学器件被设计为用于激光辐射的、准直的和/或聚焦的光学器件。
24.按权利要求18到23中任一项所述的装置，其特征在于，在所述射束整形的光学器 件中为产生像差而使用了至少一个具有至少一个非球面的表面的光学元件。
25.按权利要求24所述的装置，其特征在于，所述光学元件是轴棱镜或者菲涅耳光学 器件。
26.按权利要求18到23中任一项所述的装置，其特征在于，在所述射束整形的光学器 件中为产生像差而使用了至少一个具有在侧向和/或轴向上变化的折射率的光学元件。
27.按权利要求16到26中任一项所述的装置，其特征在于，所述射束整形的光学器件 构造为自适应的光学器件，借助于该光学器件能够调节所述像差的数值和/或在侧向和/ 或轴向上的分布。
28.按权利要求27所述的装置，其特征在于，设置了用于调节并且与工艺参数如材料 类型、材料厚度、加工速度和/或激光功率相匹配的控制和调整机构。
29.按权利要求16到28中任一项所述的装置，其特征在于，作为射束整形的光学器件设置了机构，该机构如此调节射束份额的更大的发散角，从而在相互作用面的区域中产生 指定的空间上的功率密度分布如环形分布或者平顶帽形分布。
全文摘要
本发明涉及一种用于用激光辐射进行材料加工的方法，其中未聚焦的激光辐射通过聚焦光学器件聚焦到较小的辐射横截面上，经过聚焦的激光辐射的称为射束轴线的光学轴线指向材料表面，经过聚焦的激光辐射的从聚焦中产生的射束收缩部保持在由激光辐射与材料所构成的相互作用面的区域中，激光辐射在相互作用面上部分地被吸收，使得所述相互作用面通过所诱发的材料侵蚀或者所诱发的材料挤出并且由此也通过激光辐射侵入到材料中，其中所述射束收缩部距所述相互作用面的上侧面或者下侧面的沿轴向方向的间距最大相当于所述相互作用面在材料中的侵入深度的三倍的数值，其特征在于，如此进行聚焦，使得激光辐射的不仅沿传播方向在射束收缩部后面的份额而且在射束收缩部中的份额和/或沿传播方向在射束收缩部前面的份额发散并且由此偏离射束轴线，并且这些份额和发散角大于那些用标准光学器件无意产生并且要堪于忍受的成像缺陷影响的份额和发散角。此外，本发明涉及一种用于实施所述方法的装置。
文档编号B23K26/06GK101883658SQ200880100360
公开日2010年11月10日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年5月25日
发明者D·佩特林, F·施奈德, M·尼森, W·舒尔茨 申请人:弗劳恩霍弗实用研究促进协会