专利名称：用于激光切割的聚焦光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件，例如一种可被用于对材料特别是金属或金属合金进行激光切割的特别的非球面透镜，还涉及一种使用这种光学元件的激光切割方法。
背景技术：
激光束切割是对材料特别是金属或金属合金，进行切割的一种方法，这种方法在工业上被广泛应用。
简言之，如图1示意性示出，上述方法应用一激光束2，该激光束由一种CO2激光器(λ＝10.6μm)或一种Nd:YAG(λ＝1.06μm)激光器输出，且被至少一个具有给定焦距1的透镜型或反射镜型光学元件3聚焦到待切割的工件6上。
一种辅助气体被注入到切缝中，从而去除熔融金属7，所述切缝由切割头相对于待切割的工件6进行的相对运动产生。
所述切割头包括所述光学聚焦元件3和一个切割喷管5，该喷管设有至少一个用于将切割气体引入该喷管5中的气体入口4。
被引入所述切割头5中的气体经由一个或多个面对待切割工件6的喷出通道或喷出孔从其中排出，由聚焦光学元件3在上游聚焦的激光束2通常也穿过所述通道或孔中的一个。
为了提高性能，可以采用各种形式的辅助气体喷出孔，例如，最小长度的拉瓦尔喷管或渐缩—渐扩喷管，和具有联合喷流(coalescent jets)和双气流装置(dual-gas-flow devices)的喷管。
透射聚焦光学元件，即光学透镜，是被非常广泛地应用于激光切割的光学元件，因为它们在切割头中形成所述辅助气体可以被引入，然后经由与激光束同轴的喷管5排出的一压力密闭空腔。
一聚焦透镜具有两个折射表面，即具有两个在其上沉积有抗反射处理材料或涂层从而限制由于反射而导致的功率损耗的表面。
对于CO2激光器，透镜中心部分的材料通常由硒化锌(ZnSe)构成，而对于Nd:YAG激光器，透镜中心部分的材料通常由“bk7”型玻璃构成。
在工业上主要使用的各种形式的透镜为-由一球面折射表面和一平面折射表面组成的平凸透镜；-由两个球面折射表面组成的弯月透镜/凹凸透镜。由于这种形状与平凸透镜相比具有使球面像差最小化的优点，因此，它们被非常广泛地应用于激光切割中；和-非球面透镜，对于该透镜，它们的第一折射表面的形状不再是具有固定半径的球状是最佳的，从而与具有球面折射表面的弯月透镜相比，进一步减小几何像差，并从而在焦点处获得较高的功率密度，特别是在短焦距的情况下，即焦距小于95.25mm(3.75″)的情况下。非球面透镜的出射折射表面通常为平面，这主要是为了减少它们的制造成本。
所有这些透镜均旨在将激光束聚焦到一最小尺寸的单个焦点上。
然而，在专利文件WO98/14302中介绍了一种基于该器件提高了激光切割方法的性能的具有若干焦点的光学元件的原理。
这些光学元件的形状，不论是透镜型或是反射镜型的，都使入射光束不再聚焦于单个点上，而是聚焦在两个或更多个焦点上，如图2示意性示出的。
根据该专利文件，当使用双聚焦透镜15时，位于外侧的具有直径11的部分入射光束16被聚焦在相应于主焦距13的第一焦点12处，而位于内侧的具有直径11的部分入射光束被聚焦在第二焦点14处，该第二焦点沿光束的光传播方向离第一焦点12一距离17。
该双聚焦透镜制造成其折射表面之一例如凸出表面的曲率半径在直径11内侧和直径11外侧不同。
这种类型的聚焦光学元件能够提高切割速度和/或质量，或者甚至能提高在所述透镜和工件之间的距离发生变化时进行加工的容许度，和/或切割较传统的具有单个焦点的透镜所能切割的材料更厚的材料的能力。
然而，由双焦点透镜给定的功率密度场的特征仍然受到焦点数目的离散选择的限制。
由于第一折射表面的曲率半径在不同部分保持不变，因此现有的双焦点或多焦点透镜和反射镜不能将透镜最佳地调节到符合光束的特征，和用户的应用。
与单焦点透镜即图1中的传统透镜相比生产率提高了，这是由于功率和功率密度在切缝中的分布沿着光轴存在两个或多个最大值，但是，该能量分布不是最理想的，因为它在工件的整个厚度上不是连续的。
此外，用于激光切割的双焦点或多焦点光学元件对光束直径的变化是敏感的，因为，各个焦点之间的功率分布取决于光束的直径。
单焦点光学元件对光束变化也是敏感的，因为入射光束的发散度的变化可能导致焦点的位置的变化。这使得加工的容许度变小，且例如当切割头移动时以及当激光器和切割头之间的光程的长度发生变化时，难于保持切割质量恒定。
然后产生的问题是，提出一种改进的聚焦光学元件，以便当其被应用于激光束切割工艺中时，能够将传递到待切割工件中即传递到所述切缝中的能量较好地进行分布，且因此与传统的单焦点和多焦点光学元件相比，能够提高生产率。
发明内容
因此，本发明的技术方案给出了一种光学元件，其能够被应用于材料的激光切割，该元件包括至少一个非球面折射表面，该表面成形为将入射光束的光线聚焦到落在所述光学元件的光轴上的一直线段上。
在本发明的上下文中-“直线段”被理解为是指，激光束被聚焦在一个由排成一条直线的无穷多个点组成的区域中，从而形成一连续线性聚焦区域，即，其端部由两点限定的其长度可以在0.01mm到50mm的范围内的直线的一部分；-术语“光轴”被理解为是指透镜的对称轴线，和入射激光束的对称轴线，它们通常是重合的且在空间中形成一条单独的直线，称为光轴。
根据该示例，本发明的光学元件可以包括以下一个或多个技术特征-该光学元件是透射型或反射型的；-根据材料的厚度和性质，其上聚焦有光束的直线段的长度为0.01到50mm，优选是约1到20mm；-该光学元件由一透镜形成，该透镜的非球面折射表面(即，在入射侧，换言之，光束首先到达的折射表面)由根据距透镜光轴的距离连续变化的一曲率半径限定；-该光学元件由一其出射折射表面为平面的透镜形成；-该光学元件由一其直径在4mm和60mm之间的透镜形成。
本发明还涉及一种使用激光束对材料进行切割的方法，其中，使用至少一个根据本发明的光学元件对所述激光束进行聚焦。
根据该示例，本发明的方法可以包括以下一个或多个技术特征-所述光学元件将激光束聚焦到落在所述光学元件的光轴上且在待切割的材料的厚度之内的一直线段上。
-所述直线段的长度等于或约等于待切割的材料的厚度；-到达透镜中心的入射光束的光线被聚焦到待切割材料的下侧附近，到达透镜边缘的光线被聚焦到待切割材料的上侧附近。以这种方式，能够实现在待切割材料的整个厚度上聚焦，然后，其上聚焦有激光束的光线的直线段与光学元件的轴线相重合，且该直线段的长度等于待切割工件的整个厚度；-入射光束的光线与光轴的交点的轨迹形成一聚焦段，激光束的能量沿着所述段连续地分布；和-所述激光束由辅助气体辅助，所述辅助气体包括选自以下组份中的至少一种气体，即，氮气，氧气，氦气，氩气以及它们的混合物，例如两元，三元，四元或其它混合物，如氮/氧混合物，氩/氦混合物，氮/氦混合物，氮/氩/氧混合物等，所述辅助气体还可包括其它成分，具体是，氢气，二氧化碳等，所使用的所述气体根据待切割的金属或合金的性质进行选择。
换言之，本发明涉及一种用于对材料进行激光切割的光学元件，其可以是透射型的，例如透镜，或反射型的，例如反射镜，并且其具有至少一个将入射光束的光线聚焦到一落在光轴上的直线段上的非球面折射表面。
本发明将通过附图和示例得到较详细的说明，其中图1是用于激光切割的传统透镜的视图；图2是用于激光切割的在先技术的透镜的视图；图3是用于激光切割的本发明的透镜的视图。
具体实施例方式
在透射光学元件的情况下，例如在图3中示意性示出的透镜21，折射表面22由曲率半径24限定，该曲率半径随着距透镜的光轴29的距离连续地变化，从而将到达透镜上的入射光线聚焦到一落在透镜的光轴29上的直线段25上。
所述直线段的长度可接近待切割材料26的厚度。为此，到达透镜中心的入射光束的光线29可以有利地被聚焦到待切割工件的下侧27附近，到达透镜边缘的光线30可被聚焦到待切割工件的上侧28附近。
入射光束的光线与光轴的交点的轨迹形成一聚焦段25，光束的能量沿着该聚焦段连续地分布。
为了减少制造成本，如图3所示示例的透镜的出射折射表面32可以是平面。
应当注意，根据本发明的线性聚焦光学元件与具有非球面折射表面的已知光学元件的不同之处在于，所追求的目标不是将光束聚焦到仅由衍射限制或由光束的性质限制的尽可能小的面积上，而是将入射光束沿着一落在光轴上的聚焦段连续地分布。
以这种方式，传递到待切割工件中的能量被较好地分布在切缝中，且与单焦点和多焦点光学元件相比，能够提高生产率。
同样，本发明与专利文件WO-A-98/14302中给出的多焦点光学元件的不同之处在于，本发明的光学元件产生一聚焦段，沿着该聚焦段，激光束的强度连续地分布，而不是逐个焦点的离散数目。
根据本发明，入射光束沿着所述聚焦段的分布由非球面折射表面的形状确定，特别是由确定其曲率半径的连续函数确定，该函数是距光轴的距离的函数。所述函数可以被设计成适合所述厚度，并适合待切割材料的性质，还适合入射光束的光功率密度的分布曲线。
具体地，可以以这样一种方式确定这种非球面折射表面，即，折射表面的曲率半径是入射光束的功率密度的径向分布的函数，从而获得-沿着所述聚焦段的均匀功率密度；或-沿着所述聚焦段的在靠近所述工件的上侧和下侧处均具有一最大值的功率密度。
在工业中使用的激光束的直径和发散度常常是可变的。特别是，在移动聚焦头/切割头的情况下，光程的长度以及因此光束的直径和发散度由切割头在切割台上的位置确定。
图3中示意性示出的本发明的光学元件的一个优点在于，与已知的双焦点或多焦点系统相比，光束直径的变化对在切缝中的功率分布和功率密度分布的影响较小。
这是因为，光束直径的变化使确定沿着聚焦段的功率分布的函数连续变化，并为该变量提供较大的容许范围。
与单焦点透镜相比，入射光束的发散度的变化对切割质量的影响也较小。
这是因为，由于能量连续地分布在一垂直线段上，该聚焦段在入射光束的发散度变化时沿着其光轴相对于工件的移动对传递到工件上的功率密度的影响较在能量被聚集在一个单独的焦点上时小，对于单个焦点，其相对于工件的位置是获得良好性能的一个关键参数。
因此，使用根据本发明的具有渐进曲率半径的光学元件可以进一步提高生产率，例如，提高切割速度，不用担心切割质量突然下降，或者甚至是在使用单焦点光学元件会发生切割完全失败，可达到切割加工的极限，其中，在使用双焦点或多焦点光学元件时切割完全失败的程度较小。
一般而言，本发明的光学元件可以由这样的透镜21构成，该透镜的非球面折射表面22由一个包括与距光轴29的距离对数相关的一项的等式确定，例如但不限于等式，其中，满足上述等式的(r，z)对构成在正交轴
的参考系中确定折射表面的点的坐标组，其中
为垂直于光轴的径向单位矢量，
为与光轴共线的轴向单位矢量，且其中A、B和C为与入射光束、材料以及应用相关的常数。
可选地，本发明的光学元件还可由这样的透镜21构成，该透镜的非球面折射表面22由一个二次曲线等式确定，例如但不限于等式r2+Pz2-2Rz＝0，其中，满足上述等式的(r，z)对构成在正交轴
的参考系中确定折射表面的点的坐标组，其中
为垂直于光轴的径向单位矢量，
为与光轴共线的轴向单位矢量，且其中P和R为与入射光束、材料以及应用相关的常数。
在上述两种情况下，按照以下方式选择解出上述一个或另一个等式的数值，即所述非球面折射表面导致沿着一条根据本发明的连续线段聚焦。
在本发明的上下文中，由下表给出的气体或混合气体可以被用于切割指定材料，特别是用于实现切割速度或切割质量的积极效果。
表待切割材料/气体组合物
当然，还可以使用某些气体混合物来代替上表列出的气体以利用如此获得的混合物的组分的特性。例如，为了切割不锈钢，当希望与单独使用氮气或单独使用氧气相比提高切割速度和质量时，可以使用氧/氮混合物。
同样，上表中给出的气体还可以与其它气体混合物组合，这种方式对于切割特定材料是有益的。例如，加入氢气(小于30vol％)的氮/氩混合物可以被用于切割不锈钢，从而获得无毛刺和有光泽的切割面(无氧化物沉积)，即高质量的切割面。
在本发明的上下文中，用于分配提高切割性能的上述辅助气体的各种方法均可以采用。
说明性示例在以下示例中，按照本发明的一透镜用于利用4KW功率的CO2激光束对6mm厚的AUG4等级的铝板进行切割，在直径为14mm的入射光以86％功率射在透镜上的情况下，横向强度分布模式(00电磁横向模式)为高斯型的。
该透镜具有一平面出射折射表面，和一非球面入射折射表面，后者为将入射光束聚焦在一长度约5mm的直线段上的回转椭圆面。
该线段的下端距透镜的出射折射表面约127mm，该透镜的直径约38.1mm，且边缘处的厚度约为7.6mm。
所述透镜的表面涂覆有一种根据现有技术的抗反射处理材料。
用于切割的气体为氮气，该气体在15bar的相对压力下被引入2mm直径的喷管中。
与传统的190mm焦距的单焦点透镜相比，这种透镜的使用能够实现约2.4m/min的切割速度，较使用单焦点透镜所获得的1.8m/min的切割速度增加了约33％。
与外径为38.1mm，主焦距为190mm，两个焦点之间的距离为7.5mm，且切割速度为2.15m/min的双焦点透镜(将光束聚焦在彼此间隔开的两个分开的点上)相比，切割速度增加了约12％。
权利要求
1.可以被用于对材料进行激光切割的光学元件(21)，该光学元件包括至少一个非球面折射表面(22)，该表面成形为将入射光束的光线(30)聚焦到一落在所述光学元件(21)的光轴(29)上的一直线段(25)上。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该光学元件是透射型的(21)或反射型的。
3.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述直线段(25)的长度为0.01mm到50mm，优选为约1mm到20mm。
4.如权利要求1至3中的一项所述的光学元件，其特征在于，该光学元件由其非球面折射表面(22)由一随着距该透镜的光轴(29)的距离连续地变化的曲率半径(24)确定的一透镜(21)构成。
5.如权利要求1至4中的一项所述的光学元件，其特征在于，该光学元件由一其出射折射表面(32)为平面的透镜(21)构成。
6.如权利要求1至5中的一项所述的光学元件，其特征在于，该光学元件由一其直径在4mm和60mm之间的透镜(21)构成。
7.用于对材料进行激光切割的方法，其中，使用根据权利要求1至6中的一项所述的至少一个光学元件对所述激光束进行聚焦。
8.如权利要求7所述的切割方法，其特征在于，所述光学元件(21)将所述激光束聚焦到一落在所述光学元件(21)的光轴(29)上且处于待切割材料(26)的厚度之中的直线段(25)上。
9.如权利要求7或8所述的切割方法，其特征在于，所述直线段(25)的长度等于或约等于待切割材料(26)的厚度。
10.如权利要求7至9中的一项所述的切割方法，其特征在于，到达所述透镜(21)的中心(29)的入射光束的光线被聚焦到待切割材料(26)的下侧(27)附近，到达所述透镜(21)的边缘的光线(30)被聚焦到待切割材料(26)的上侧(28)附近。
11.如权利要求7至10中的一项所述的切割方法，其特征在于，所述入射光束的光线与该光轴(29)的交点的轨迹形成一聚焦段(25)，所述激光束的能量沿着所述聚焦段(25)连续地分布。
12.如权利要求7至11中的一项所述的切割方法，其特征在于，所述激光束由辅助气体辅助，所述辅助气体包含从以下气体中选择的至少一种组分，即，氮气，氧气，氦气，氩气以及它们的混合物。
全文摘要
本发明涉及一种光学元件(21)，其可被用于对材料(26)进行激光切割，该光学元件包括至少一个非球面折射表面(22)，该表面成形为将入射光束的光线(30)聚焦到一落在所述光学元件(21)的光轴(29)上的直线段(25)上。该光学元件(21)是透射型的(21)或反射型的。例如，该光学元件由这样一种透镜(21)形成，该透镜的非球面折射表面(22)由一曲率半径(24)确定，该曲率半径随着距透镜的光轴(29)的距离连续地变化。所述激光束由辅助气体辅助，所述辅助气体包含从以下气体中选择的至少一种组分，即，氮气，氧气，氦气，氩气以及它们的混合物。
文档编号G02B3/10GK1573364SQ20041004244
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月21日 优先权日2003年5月22日
发明者F·卡米－佩雷 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司