[发明专利]用于激光材料加工的经过色彩校正的F-θ物镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种F-θ物镜，这种F-θ物镜对于宽带激光辐射进行了色彩校正以便用于将一个大功率扫描激光束聚焦到平面的像场之中，并且它具有沿光轴设置的不同材料的透镜，而这些材料在大于1kW的激光输出下是有抗性的。

背景技术

在激光材料加工中，越来越多地将具有高输出的激光器用于焊接或切断零件。这些激光器的一个缺点是它们相对较大的色彩带宽以及由F-θ物镜中的这些透镜对激光辐射的吸收和因此使其产生的发热。

色彩带宽和发热影响了激光辐射的可聚焦性。

通常用于激光材料加工的F-θ物镜是针对单色辐射进行适配的。因此，焦平面的位置和扫描场的几何形状取决于唯一的一个波长。如果使用在色彩上宽带的激光辐射，则得到对于每个波长的一个分离的焦平面以及根据每个波长而彼此不同的一种扫描几何形状。对于激光材料加工而言的效果是这样一种激光聚焦，它与使用单色辐射相比在空间深度（纵向）并且还在与其垂直的方向（横向）上都是显著地更大的。因此，在有待加工的材料上接受激光辐射的加工表面的面积更大、功率密度相应地更小、并且实现所希望的加工效果必需的功率更大。

在将F-θ物镜与大功率激光辐射一起使用时的另一效果是在光学系统中引入的热量。其结果是，焦平面的位置随F-θ物镜的温度变化而改变。然而，F-θ物镜与加工平面之间的距离通常是保持恒定的，并且因此焦点相对于加工平面在纵向上移动，并且激光辐射不再聚焦于加工平面中，而是在此处成像为一个散焦的光斑。对加工平面进行温度受控的跟踪将是极为复杂的。就材料加工而言，这意味着在加工平面上成像的光斑较大并因此功率密度较低。在最坏的情况下，不再对材料进行加工，因为功率密度已降至加工阈值以下

因此，必要的是针对色彩带宽来对焦平面的位置以及扫描几何形状二者进行校正。此外，如果可能的话，在物镜中不应引入任何热量或仅引入少量热量，或者物镜温度的变化应当不影响焦平面的位置、或影响极小。

从现有技术中已知对于分离的波长（例如对于808nm和940nm）的用于激光应用的色彩校正的F-θ物镜。这些物镜是针对两个或更多个波长进行校正的，但仅仅用于多个分离的单色发射谱线。

此外，人们已知多种色彩校正的F-θ物镜，它们是针对一种加工激光器的特定单色发射谱线而设计的、并且为此目的而具有一个经校正的波长范围以便观察该工作区域。

从专利申请EP1477258A1中已知这种类型的物镜。这里披露的F-θ物镜是一种用于局部热处理的装置的一个部件，其意图是借助该物镜来使之有可能实现精确到点的热处理连同一体化的对工作区域的监控。为了实现工作区的清晰成像，除了针对加工激光器的波长之外、还必须针对光照辐射的波长范围对物镜进行校正。

发明内容

这里披露的F-θ物镜包括三个元件，其中两个元件具有收集作用而一个元件具有发散作用，其中这些收集元件之一是一个用于实现必要的成像质量的透镜部件。通过将这些元件的玻璃类型适当地进行组合（对此并未提供进一步的信息），其意图是实现针对这些相应波长范围的色彩校正。

作为一种加工激光器，所提及的实例是作为固态激光器的Nd-YAG激光器、纤维激光器、圆盘激光器或半导体激光器。此类激光器具有一个或多个单色发射谱线，而这种F-θ物镜是针对这些谱线进行校正的。

本发明的目的是发现一种F-θ物镜，该F-θ物镜针对在1065nm到1075nm范围内的一种大功率色彩宽带激光辐射是经过色彩校正的，并且相对于大于1kW的激光输出是热稳定的。对于具有权利要求1的这些特征的F-θ物镜而言实现了这个目的。在从属权利要求中描述了多个有利实施方案。

附图说明

以下将参阅附图来更详细的说明本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的一个物镜的几何光学图。

具体实施方式

根据本发明的F-θ物镜具有设置在该F-θ物镜上游一定距离处的一个入射光瞳（Eintrittspupile）EP，该入射光瞳可安排在一个平面中，该平面中定位了一个扫描器反射镜（或者，如果使用了两个扫描器反射镜，则是在对其计算出的一个替代平面中）；并且该F-θ物镜包括六个独立的透镜L₁到L₆，它们被设置在一个公共的光轴A上。

从该入射光瞳EP的方向将一个激光束朝向该F-θ物镜中耦合，其结果是限定了光束穿过的方向。