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CN109791303A - 利用可变光束形状的激光的材料加工 - Google Patents

利用可变光束形状的激光的材料加工 Download PDF

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CN109791303A
CN109791303A CN201780043627.7A CN201780043627A CN109791303A CN 109791303 A CN109791303 A CN 109791303A CN 201780043627 A CN201780043627 A CN 201780043627A CN 109791303 A CN109791303 A CN 109791303A
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CN
China
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workpiece
optical element
light beam
lens
laser output
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P·塔耶巴提
F·维拉里尔-绍塞多
周望龙
B·陈
R·黄
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Panasonic Corp of North America
Original Assignee
Teradiode Inc
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Abstract

在各个实施例中，工件例如通过焊接或切割进行加工，同时可改变所述激光加工束的形状和/或一个或多个其它参数。所述激光加工束的形状和/或一个或多个其它参数可基于工件的一个或多个特性来改变。

Description

利用可变光束形状的激光的材料加工
相关申请
本申请要求2016年7月15日提交的美国临时专利申请号62/362,824和2016年9月9日提交的美国专利申请序列号15/261,096的权益和优先权，两者的全部公开内容通过引用纳入本文。
技术领域
在各个实施例中，本发明涉及采用具有可成形的光束和/或可变光束偏振的大功率激光器进行材料加工(例如焊接或切割)。
背景技术
大功率激光器用于许多不同的应用例如切割、蚀刻、退火、焊接、钻孔和锡焊。如在任意材料加工操作中，效率是花费和时间的关键限制因素；效率越低，成本越高和/或加工给定材料所采用的激光操作越慢。激光束的亮度和偏振会影响效率，不同的材料(如铜、铝、钢等)在被加工时对光束偏振的反应不同。另外，这些材料的厚度会影响它们的偏振反应。也就是切口或焊缝的性质根据材料及其厚度会随着光束偏振改变。例如，线性偏振的加工光束可根据光束偏振相对于切口前方的取向被有差异地吸收。由此，激光加工系统有时采用循环或随意偏振的激光输出以避免依赖于方向的偏振反应。虽然那种方式避免了不利的偏振取向的降低效率的后果，但是其同样排除了有利取向的益处。
另外，大功率激光系统常包括激光发射器，来自激光发射器的激光耦合入光学纤维(或简称为“光纤”)，还包括将来自光纤的激光聚焦到待处理的工件上的光学系统。光学系统通常设计用于产生最高质量的激光束，或者等价地，产生具有最低光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)和光束在其最窄点处(即光束腰部，最小光斑尺寸)的半径的乘积。BPP量化了激光束的质量以及它能够如何良好地聚焦到小的点，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示(本文公开的BPP值在没有另外表示的情况下以mm-mrad为单位)。高斯光束具有最低可能的BPP，由激光的波长除以π(pi)得出。在相同波长下实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP之比被表示为M2，其是光束质量的波长无关度量。
虽然诸如WBC的技术成功地生产用于各种应用的基于激光的系统，但是材料加工的挑战仍然存在。例如，具有为切割特定厚度的特定材料优化的光束形状的激光可能不适用于不同材料、具有不同厚度的材料和具有可变厚度的材料。焊接加工存在相同的挑战。另外，由于传统的、高度聚焦的激光束的有限空间范围，焊接工艺通常需要激光束和被焊接部件之间的相对运动，此运动可能需复杂的和昂贵的机器人、可移动的台架和/或其它装备。采用多个具有可移动光束的激光系统的技术已经得到发展(例如见专利号为9,335,551的美国授权专利，其整个公开通过参考援引入本文)，但是使用多个激光系统常常是过分昂贵的。因此，存在使单个激光系统能够进行更广泛的材料加工的需求。
在许多激光加工应用中，期望的光斑尺寸、发散度以及光束质量可根据例如加工类型和/或被加工材料的类型变化。为了使激光束的BPP和/或形状做出此种改变，光学输出系统或光纤通常必须与其他部件置换和/或重新对准，这是一个耗时且昂贵的过程，甚至可能导致无意中损坏激光系统的脆弱光学元件。
相应地，为了提高激光加工操作的效率还需要改进系统和技术，其利用了对光束偏振和/或表征不同材料和材料厚度的其它光束特性(例如BPP和/或光束形状)变化反应。
发明内容
根据本发明的实施例，采用具有可成形输出光束的激光系统来优化并且简化材料加工任务，比如金属材料的切割和焊接。例如，根据本发明的实施例，激光系统的输出光束形状随着呈现给激光束的部件的厚度和/或部件的角度的改变而变化(例如从高斯状、聚焦的点光束至更大面积的环形光束)。在其它示例实施例中，在激光束和(多个)待加工工件之间没有任何(或有最小的)相对移动的情况下，激光系统的输出光束在焊接过程(例如点焊、对焊或搭焊)中变化以形成大面积的焊缝。
本发明的实施例也提供了用于在加工过程中改变和优化光束的偏振和/或其它特性(例如BPP、形状)并且在整个加工过程中维持光束的最佳性能(例如即使光束路径变化或材料的性质或厚度变化)的系统和技术。
本发明的实施例可随着工件厚度的改变和/或为不同厚度的工件改变光束的偏振。例如，可改变光束偏振的圆度(即从线形到椭圆到圆形的程度的变化，其中在完全线形和完全圆形之间可能有任意数量的不同尺寸和曲率的椭圆)以随着工件厚度的增加使光束更圆(例如线形到椭圆、更不圆的椭圆到更圆的椭圆、椭圆到圆形等)。(在各个实施例中，偏振的圆度与椭圆偏振的偏心度成反比，其中偏心度为0表示圆形偏振，偏心度为1表示线性偏振。)在各个实施例中，光束的偏振状态通过采用巴比涅-索来补偿器而至少部分被改变，该巴比涅-索来补偿器实现了任意偏心程度的连续可变偏振。本发明的实施例也可将光束的偏心从线形变为径向以例如能够将光束聚焦到更小的光斑尺寸。
与仅通过光来探测表面的光学技术(例如反射率测量)相比，通常采用本发明的实施例来处理工件，以物理改变工件表面和/或在表面之上或之内形成特征。根据本发明的实施例的示例加工包括切割、焊接、钻孔和锡焊。本发明的各个实施例还在一个或多个点处或沿着一维加工路径加工工件，而非采用激光束的辐射布满所有或基本所有的工件表面。
本发明的实施例采用能够成形激光束的光学元件以得到修改光束质量(尤其是BPP)和/或光束形状的期望空间光束轮廓。更具体地，可采用通过将光学元件的位置横向或纵向移位至激光束的光轴而改变光学元件的光学几何尺寸以改变形状和/或BPP。在本发明的实施例中，光学元件以可切换状态位于光束路径中，根据它们的位置产生不同的光束偏转或衍射。根据本发明的实施例利用光学元件能够与(多束)输入激光束的光束的形状、质量、长度、波长、带宽无关地改变形状和/或BPP。可采用具有受控可变的形状和/或BPP的输出光束以在例如为焊接、切割、钻孔等应用中加工工件。如本文所用，改变激光束的“形状”是指改变光束的形状和几何范围(例如在光束与表面相交的位置处)。形状的改变可通过改变光束尺寸、光束的角度强度分布和BPP来实现，但是光束BPP的改变不一定足以改变激光束形状，反之亦然(例如见图21，其示出了具有不同形状但是具有相同BPP的两个光束)。
可变形状和/或BPP的一个优势是提升了不同类型的加工技术或不同类型的加工材料的激光应用性能。本发明的实施例也可采用改变BPP和/或激光束的形状的各项技术，其描述在以下专利文献中：2015年2月26日提交的美国专利申请序列号14/632,283、2015年6月23日提交的美国专利申请序列号14/747,073、2015年9月14日提交的美国专利申请序列号14/852,939、2016年6月21日提交的美国专利申请序列号15/188,076和2017年4月5日提交的美国专利申请序列号15/479,745等专利文献中，每个专利文献所公开的内容通过引用整体并入本文。另外，由光学元件(折射光学器件)引起的不同光束强度分布改变了光束质量并且由此改变了BPP。通过采用在光束路径中平移具有不同有效的光学几何尺寸的光学元件(例如机动平移)，可实现形状和/或BPP的实时动态改变。
激光束成形是重新分布光束的强度(辐射照度)和相位的过程。强度分布限定了光束轮廓，比如高斯分布、贝塞尔形状、环形、多模、矩形、顶帽形、椭圆或圆形，并且不同的强度分布对于特定激光材料加工技术而言可能是关键且必须的。(如本文所用，“环形”光束是指环形，即在被较强光束强度区域所围绕的中心部分没有或基本没有光束强度，但是不一定为圆形，即“环形”光束可为椭圆形或是近环形)。在本发明的实施例中，光学元件位于传输系统中，该传输系统将激光束传递至工件并且聚焦激光。该传输系统可被构造和/或封装作为例如切割头或焊接头的至少一部分。本发明的实施例改变了光束质量以在工作站处(和/或在布置其上的工件处)实现受控可变的形状和/或BPP。可变形状和/或BPP模块可包括一个或多个光学元件、机动平移台、准直透镜和聚焦透镜。本发明的实施例的特征是用于光学元件的多种类型的折射光学器件中的任意一个或多个被用于改变形状和/或BPP。
本发明的实施例通过动态地改变一个或多个光学元件在激光束的光学路径中的位置来改变光束质量。在一个实施例中，通过调节光束在光学元件上的指向位置来定制光束轮廓。该光学元件可根据期望的光束轮廓而具有不同的几何形状并且由此具有不同的BPP。根据本发明的实施例的一个光学元件具有平坦表面和平顶(即截顶的)圆锥形表面。根据本发明的实施例的另一个光学元件具有平坦表面和平顶球形表面。根据本发明的实施例的又一个光学元件为凹凸透镜。来自光束传输光纤的发散光线被引向(多个)光学元件以在光学元件内重新分布光束强度。根据本发明的实施例的其它光学元件包括成对的正锥透镜和负锥透镜。在其它实施例中，光学元件包括成对的、互补的相位板透镜，其中一个具有部分凸出的表面并且其中一个具有互补的部分凹入的弯曲表面。光学元件的边缘可被修圆以抑制衍射效应。BPP随着光学元件的自动移动而产生动态变化的优势在于可例如应用于圆形切削或方形切削角上的激光切割应用，其中在自由形式切割的过程中需要BPP变化。此种优势也可应用于激光钻孔应用，其可以利用改变BPP和焦距两者的能力。根据本发明实施例的光学元件的自动闭环电机控制产生可靠和可重复性能并且能够对光学器件位置的精确控制，由此提供了精确的BPP变化。
本文中，除非另外指明，“光学元件”可表示透镜、反射镜、棱镜、光栅等中的任一种，其重定向、反射、弯曲或以任意其它方式可选地操作电磁辐射。本文中，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任意电磁光束发生装置，比如半导体元件，其生成电磁光束但是可能是或可能不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固体激光器等。通常情况下，每个发射器都包括背反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。该光学增益介质增加了电磁辐射的增益，其不限于电磁光谱中的任意特定部分，但是可为可见光、红外光和/或紫外光。发射器可包括或基本包含多个光束发射器，该光束发射器比如为构造为发出多个光束的二极管条。在本文的实施例中接收的输入光束可为结合使用现有技术中已知的各种技术的单波长光束或多波长光束。另外，本文所提到的“激光器”、“激光发射器”或“光束发射器”不仅包括单个二极管激光器还包括二极管条、激光阵列、二极管条阵列和竖向腔表面发射激光器(VCSELs)的单个或阵列。
本发明的实施例可与波长光束组合(WBC)系统一起使用，该波长光束组合系统包括多个发射器，比如一个或多个二极管条，其采用色散元件进行组合以形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器都单独谐振并且通过来自共用部分反射输出耦合器的波长特定反馈被稳定化，该输出耦合器沿着光束组合尺寸被色散元件滤波。示例WBC系统详细描述在以下文件中：2000年2月4日提交的美国专利号6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利号6,208,679，2011年8月25日提交的美国专利号8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利号8,559,107，其全部公开内容通过引用并入本文。WBC系统的多波长输出光束可以结合本发明的实施例用作输入光束，例如用于BPP、形状和/或偏振控制。
一方面，本发明的实施例的特征是工件的加工方法。加工路径通过引起激光输出束和所述工件表面之间的相对运动来限定。工件的厚度沿着平行于激光输出束的方向沿着加工路径变化。所述激光输出束沿着至少一部分所述加工路径物理地改变所述工件的表面。在激光输出束和工件表面之间产生相对运动的过程中，至少部分基于所述工件的厚度来改变激光输出束的形状。
本发明的实施例以多种组合的任一种包括以下内容中的一个或多个。所述激光输出束的形状随着所述工件厚度的增加而在焦斑和环带之间变化。所述激光输出束的形状可随着工件厚度的增加而在焦斑和漫斑(例如，直径大于焦斑直径的斑点)之间变化。激光输出束的直径和/或BPP可随着工件厚度的增加而增加。激光输出束和工件表面之间的角度可以改变(例如通过倾斜进入的激光输出束、倾斜工件和/或通过工件表面上的角度构相)以由此改变工件沿着平行于激光输出束的方向的厚度。工件的厚度沿着平行于激光输出束的方向至少部分由于激光输出束和工件表面之间的角度改变(例如通过倾斜进入的激光输出束、倾斜工件和/或通过工件表面上的角度构相)而变化。激光输出束的形状可在维持激光输出束和工件表面之间的角度基本恒定(例如激光输出束不会相对于工件表面倾斜或者工件表面的构相与进入的激光输出束存在基本恒定的角度)的同时得到改变。工件的厚度可在激光输出束和工件表面之间相对移动的过程中进行测量。激光输出束的形状可基于工件的组成来改变。该激光输出束可由多个波长组成。
另一方面，本发明的实施例的特征是工件的加工系统。该系统包括、基本包含或包含以下内容：用于发出激光输出束的光束发射器、用于改变所述激光输出束的一部分相对于所述工件的位置的定位装置、用于改变所述激光输出束的形状的机构、联接至所述定位装置和所述形状改变机构的控制器，该控制器用于(i)操作所述光束发射器，引起所述激光输出束移动穿过至少一部分工件的路径以物体改变工件表面，(ii)至少部分基于所述工件沿所述路径的厚度改变所述激光输出束的形状。
本发明的实施例以多种结合中的任一种包括以下内容中的一个或多个。该光束发射器可包括、基本包含、包含布置其中或与其联接(例如通过光纤)的加工头，激光输出束从该加工头发出。该形状改变机构可包括、基本包含或包含(i)位于加工头内的一个或多个光学元件和(ii)用于改变加工头内的至少一个光学元件的位置的第二控制器。第二控制器可为分立元件并且与控制器分开，或者该控制器和该第二控制器可为单个控制系统的多个部件。该控制器可被构造为沿着路径改变光束发射器的输出功率。该控制器可被构造为基于工件的组成改变激光输出束的形状。该系统可包括数据库，该数据库含有多项记录，每项记录都将激光输出束形状与工件参数相关联。工件参数可包括、基本包含或包含工件厚度和/或工件组成。该光束发射器可包括、基本包含或包含发出多个离散输入束的光束源、用于将多个输入光束聚焦至色散元件上的聚焦光学器件、用于接收和色散接收到的聚焦光束的色散元件和定位为接收已色散的光束的部分反射输出耦合器，所述输出耦合器使已色散的光束的一部分作为激光输出束传输通过并且将已色散的光束的第二部分反射回色散元件。该激光束可由多个波长组成。
另一方面，本发明的实施例的特征是在加工位置处连接第一工件和第二工件的方法。该第一工件和第二工件在加工位置处重叠和/或彼此靠近。在所述加工位置附近聚焦和/或布置激光输出束以使第一或第二工件中至少一个的一部分熔化，由此将该第一和第二工件连接在一起。在连接过程中，在不引起所述激光输出束和该第一和第二工件之间产生相对运动的条件下改变所述激光输出束的形状。
本发明的实施例以多种结合中的任一种包括以下内容中的一个或多个。激光输出束的形状可在焦斑和环带之间变化。所述激光输出束形状在焦斑和漫斑(例如，直径大于焦斑的直径的斑点)之间变化。所述激光输出束由多个波长组成。
另一方面，本发明的实施例的特征是使用能够聚焦至最小光斑尺寸的激光输出束经由焊点连接第一工件和第二工件的方法，其中焊点具有大于所述最小光斑尺寸的空间范围。将所述激光输出束聚焦和/或布置在该第一和/或第二工件之上以使其至少部分熔化和/或使布置在第一和第二工件之间或之上的粘合剂(例如钎料、焊锡材料或助熔剂材料)至少部分熔化。在不引起所述激光输出束和该第一和第二工件之间产生相对运动的条件下，改变所述激光输出束的形状以增加焊点或接点的尺寸。
本发明的实施例可包括以各种组合中的任一种的下列项中的一个或多个。激光输出束的形状可在焦斑和环带之间变化。所述激光输出束形状可在焦斑和漫斑(例如直径大于焦斑的直径的斑点)之间变化。所述激光输出束由多个波长组成。
一个方面，本发明的实施例的特征是工件的加工系统。该系统包括、基本包含或包含光束发射器、用于改变所述光束发射器的光束相对于所述工件的位置的定位装置、用于改变所述光束的偏振的可变偏振器、用于改变所述光束的形状的光束成形器和联接至所述定位装置、所述偏振器和所述光束成形器的控制器，其用于操作所述光束发射器，以使所述光束移动穿过所述工件的至少一部分的路径以加工工件，并且至少部分基于所述工件的一个或多个性能沿着路径改变光束的偏振和/或形状。
本发明的实施例以多种结合中的任一种包括以下内容中的一个或多个。所述控制器可被构造为维持所述光束的线性偏振，所述光束的线性偏振的偏振方向随着所述光束经过所述路径接近平行于所述路径。所述控制器被构造为至少部分基于所述工件的厚度改变所述光束的偏振的偏心度。所述控制器被构造为使所述光束的偏振在线性偏振状态和径向偏振状态之间改变。可变的偏振器可包括、基本包含或包含波片。可变的偏振器可包括、基本包含或包含波片和旋转元件，所述旋转元件被所述控制器操作。波片可包括、基本包含或包含半波片和/或四分之一波片。所述光束可为线性偏振。所述控制器可操作所述旋转元件以维持偏振方向平行于所述路径。可变偏振器可包括、基本包含或包含补偿板、布置在所述补偿板上方的固定双折射光楔，布置在所述固定双折射光楔上方的可移动双折射光楔。可变偏振器可包括、基本包含或包含补偿板、布置在所述补偿板上方的固定双折射光楔，布置在所述固定双折射光楔上方的可移动双折射光楔以及平移元件，所述平移元件被所述控制器操作。可变偏振器可包括、基本包含或包含径向偏振转换器。
该系统可包括能够由所述控制器访问且储存与所述路径对应的数据的存储器和用于存储多种材料的偏振数据的数据库。所述控制器可被构造为查询所述数据库以得到工件材料的偏振数据并且至少部分基于偏振数据改变所述光束的偏振。所述路径可包括至少一次方向改变。所述工件可具有至少两个具有不同厚度的部分。该工件可具有至少两个包括、基本包含或包含不同材料的部分。光束发射器可包括、基本包含或包含发出多个离散输入束的光束源、用于将多个输入束聚焦至色散元件上的聚焦光学器件、用于接收和色散所接收到的聚焦光束的色散元件、定位为接收已色散的光束的部分反射输出耦合器，其使已色散的光束的一部分作为激光发射器的光束传递通过并且色散光束的第二部分反射回色散元件。所述光束发射器的光束(例如输出加工光束)由多个波长组成。光束成形器可包括、基本包含或包含用于使从所述光束发射器处接收到的光束准直的准直透镜、用于接收所述准直光束并且将所述光束朝向所述工件聚焦的聚焦透镜、布置在所述光束源和所述准直透镜之间用于接收所述光束以及改变光束形状的光学元件、以及用于改变所述光学元件在所述光束路径内的位置的透镜操作系统。所述控制器可被构造为控制所述透镜操作系统以改变所述光束的形状。所述光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截锥形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。所述光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截头球形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。所述光学元件包括、基本包含或包含凹凸透镜。所述透镜操作系统可被构造为将所述光学元件横向偏心地布置在所述光束的路径内。所述系统可包括布置在所述聚焦透镜和所述工件之间的第二光学元件。所述透镜操作系统可被构造为改变该第二光学元件在所述光束路径中的位置。该第二光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截锥形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面第二表面。该第二光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截头球形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。第二光学元件可包括、基本包含或包含凹凸透镜。
所述光束成形器可包括、基本包含或包含用于使从所述光束发射器处接收到的光束准直的准直透镜、用于接收所述准直光束并且将所述光束朝向所述工件聚焦的聚焦透镜、布置在所述光束源和所述准直透镜之间的用于接收所述光束以及调整光束形状的第一和第二光学元件以及透镜操作系统，所述透镜操作系统用于改变(i)该第一光学元件在所述光束路径内的位置，(ii)该第二光学元件在所述光束路径内的位置，和/或(iii)该第一光学元件和该第二光学元件之间的距离。所述控制器可被构造为控制所述透镜操作系统以改变所述光束的形状。第一光学元件可包括、基本包含或包含双凹锥透镜。该第二光学元件可包括、基本包含或包含双凸锥透镜。所述透镜操作系统可被构造为使该第一光学元件和该第二光学元件之间的距离在约0毫米至约20毫米的范围内变化。该第一光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)基本为平面的第一表面和(ii)与该第一表面相背的第二表面，该第二表面具有(a)凸出弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分。该第二光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)基本为平面的第一表面和(ii)与该第一表面相背的第二表面，该第二表面具有(a)凹入弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分。所述透镜操作系统可被构造为将该第一光学元件和/或该第二光学元件横向偏心地定位在所述光束路径内。
一方面，本发明的实施例涉及工件的加工系统。在各个实施例中，该系统包括光束发射器、用于改变所述光束发射器的光束相对于所述工件的位置的定位装置、用于改变所述光束的偏振的可变偏振器和联接至所述定位装置和偏振器的控制器，其用于操作所述光束发射器，以使所述光束移动穿过所述工件的至少一部分的路径以对工件进行加工并且维持光束相对于工件沿着路径的恒定偏振。
在各个实施例中，可变偏振器包括波片和旋转元件，所述旋转元件被所述控制器操作。例如，所述波片可为一个或多个半波片、一个或多个四分之一波片或它们的一些组合。所述光束可例如被线性地偏振并且所述控制器操作所述旋转元件以维持偏振方向平行于所述路径。
在一些实施例中，该系统还包括能够由控制器访问以储存与所述路径对应的数据的存储器和用于存储多种材料的偏振数据的数据库。所述控制器被构造为查询所述数据库以得到工件材料的偏振数据，该偏振数据决定了光束的恒定偏振。所述路径包括至少一次方向改变。
该光束发射器可包括多条光束。该光束发射器可为至少一个激光器和/或至少一个偏振光纤。
另一方面，本发明涉及工件的加工方法。在各个实施例中，该方法包括光束发射器的操作步骤以导向光束沿着工件经过路径从而加工工件，在工件处所述光束具有输出偏振；并且沿着至少一部分路径改变输出偏振从而在工件的整个加工过程中维持光束相对于工件的恒定偏振。
工件的加工步骤可包含工件的切割、焊接、锡焊、钻孔或蚀刻中的一个或多个。改变步骤可包括导向所述光束穿过波片并且改变所述波片相对于所述光束的旋转角度。例如，该波片可为一个或多个半波片和/或一个或多个四分之一波片。该光束可例如为线性偏振，并且该改变步骤维持了所述光束的偏振方向平行于路径。
在一些实施例中，所述方法还包括以下步骤：存储与路径相关的数据、存储多种材料的偏振数据和查询数据库以得到工件材料的偏振数据，该偏振数据决定了光束的恒定偏振。该路径可包括至少一次方向改变。
一方面，本发明的实施例的特征在于激光传输系统，其用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并且将具有改变空间功率分布的辐射聚焦至工件上。该激光系统包括或基本包含用于使辐射光束准直的准直透镜、用于接收所述准直光束并且将所述光束朝向所述工件聚焦的聚焦透镜、用于接收所述辐射光束并改变其空间功率分布的光学元件、用于改变该光学元件在所述辐射光束路径内的位置的透镜操作系统以及用于控制该透镜操作系统以得到工件上目标改变的空间功率分布的控制器。该光学元件可布置在光束源和准直透镜之间(即光束源的光学下游和准直透镜的光学上游)。
本发明的实施例以多种结合中的任一种包括以下内容中的一个或多个。该光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截锥形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。该第一表面可面向光束源。该第一表面可背离光束源。该光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截头球形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。该第一表面可面向光束源。该第一表面可背离光束源。该光学元件可包括、基本包含或包含凹凸透镜。所述凹凸透镜可为正凹凸透镜。所述凹凸透镜可为负凹凸透镜。该光学元件可包括、基本包含或包含熔融硅和/或硫化锌。该透镜操作系统可被构造为将光学元件横向偏心地定位在辐射光束的路径中。
该激光传输系统可包括布置所述辐射光束的路径内的第二光学元件。该第二光学元件可布置在聚焦透镜和工件之间(即布置在所述聚焦透镜的光学下游以及布置在所述工件的光学上游)。该透镜操作系统可被构造为改变第二光学元件在所述辐射光束的路径内的位置。第二光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截锥形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面第二表面。第一表面可面向光束源。第一表面可背离光束源。该第二光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截头球形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。该第一表面可面向光束源。该第一表面可背离光束源。该第二光学元件可包括、基本包含或包含凹凸透镜。所述凹凸透镜可为正凹凸透镜。所述凹凸透镜可为负凹凸透镜。该第二光学元件可包括、基本包含或包含熔融硅和/或硫化锌。
该光束源可包括或基本包含发出多个分立光束的光束发射器、用于将多个光束聚焦至色散元件上的聚焦光学器件、用于接收和色散所述接收到的聚焦光束的色散元件和定位为接收所述色散光束的部分反射输出耦合器，其使已色散的光束的一部分作为激光输出束传输通过，将色散光束的第二部分反射回色散元件。该辐射光束可由多个辐射波长组成。该聚焦光学器件可包括或基本上包括一个或多个圆柱形透镜、一个或多个球形透镜、一个或多个球形镜片和/或一个或多个圆柱形镜片。该色散元件可包括或基本包含衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)。
另一方面，本发明的实施例的特征在于激光传输系统，其用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦至工件。该激光传输系统包括或基本包含用于使辐射光束准直的准直透镜、用于接收准直光束并将该光束朝向所述工件聚焦的聚焦透镜、用于接收所述辐射光束以及改变其空间功率分布的第一和第二光学元件、用于改变以下内容的透镜操作系统：(i)该第一光学元件在所述辐射光束的路径内的位置，(ii)该第二光学元件在所述辐射光束的路径内的位置和/或(iii)该第一和第二光学元件之间的距离，以及用于控制所述透镜操作系统以得到工件上目标改变的空间功率分布的控制器。第一和/或第二光学元件可布置在光束源和准直透镜之间(即布置在光束源的光学下游和准直透镜的光学上游)。
本发明的实施例以多种结合中的任一种包括以下内容中的一个或多个。该第一光学元件可包括、基本包含或包含双凹锥透镜。该第二光学元件可包括、基本包含或包含双凸锥透镜。该第一光学元件可被布置在该第二光学元件的光学上游。该第一光学元件可被布置在该第二光学元件的光学下游。该透镜操作系统可被构造为使该第一光学元件和该第二光学元件之间的距离在约0mm至约50mm的范围内变化、在约0mm至约20mm的范围内变化、在约2mm至约50mm的范围内变化、在约2mm至接近20mm的范围内变化。该第一光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)基本为平面的第一表面和(ii)与第一表面相背的第二表面，第二表面具有(a)凸出弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分。该第二光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)基本为平面的第一表面和(ii)与该第一表面相背的第二表面，该第二表面具有(a)凹入弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分。该第一光学元件可布置在该第二光学元件的光学上游。该第一光学元件可布置在该第二光学元件的光学下游。该第一光学元件的第二表面可面向该第二光学元件的第二表面。该第一光学元件的第一表面可面向该第二光学元件的第一表面。该第一光学元件的第一表面可面向该第二光学元件的第二表面。该第一光学元件的第二表面可面向该第一光学元件的第一表面。所述透镜操作系统可被构造为将第一光学元件和/或第二光学元件横向偏心地定位在所述辐射光束的路径内。该第一光学元件可包括、基本包含或包含熔融硅和/或硫化锌。该第二光学元件可包括、基本包含或包含熔融硅和/或硫化锌。
所述光束源可包括或基本上包括发出多个分立光束的光束发射器、用于将多个输入光束聚焦至色散元件的聚焦光学器件、用于接收和色散所述接收到的聚焦光束的色散元件和定位为接收所述色散光束的部分反射输出耦合器，所述输出耦合器使已色散的光束的一部分作为激光输出束传输通过，而将色散光束的第二部分反射回色散元件。该激光束可由多个辐射波长组成。该聚焦光学器件可包括或基本上包括一个或多个圆柱形透镜、一个或多个球形透镜、一个或多个球形镜片和/或一个或多个圆柱形镜片。该色散元件可包括或基本包含衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)。
另一方面，本发明的实施例的特征在于激光传输系统，其用于接收和改变来自光束源的辐射光束的空间功率分布并且将具有改变的空间功率分布的辐射聚焦至工件上。该激光传输系统包括或基本包含用于增强辐射光束的色散的一个或多个色散增强光学元件、用于接收所述辐射光束并且将所述光束朝向所述工件聚焦的聚焦透镜、用于接收所述辐射光束并且改变其空间功率分布的至少一个光学元件、用于改变所述至少一个光学元件在所述辐射光束路径内的位置的透镜操作系统以及用于控制所述透镜操作系统以得到工件上目标改变的空间功率分布的控制器。
本发明的实施例以多种结合中的任一种包括以下内容中的一个或多个。该聚焦透镜可布置在一个或多个色散增强光学元件的光学下游。该至少一个光学元件可布置在所述聚焦透镜的光学上游。该一个或多个色散增强光学元件可包括、基本包含或包含三合准直器。该三合准直器可包括、基本包含或包含(i)第一平凹透镜、(ii)第二凹凸透镜和(iii)第三平凸透镜。该第一平凹透镜可布置在第二凹凸透镜的光学上游。该第二凹凸透镜可布置在第三平凸透镜的光学上游。该至少一个光学元件可布置在第一平凹透镜的光学下游。该至少一个光学元件可布置在第二凹凸透镜和/或第三平凸透镜的光学上游。该至少一个光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截锥形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本呈平面状的第二表面。该至少一个光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)具有截头球形的第一表面和(ii)与该第一表面相背的、基本呈平面状的第二表面。该至少一个光学元件可包括、基本包含或包含凹凸透镜(即正凹凸透镜或负凹凸透镜)。透镜操作系统可被构造为将至少一个所述光学元件横向偏心地定位在所述辐射光束的路径内。
该至少一个光学元件可包括、基本包含或包含第一光学元件和第二光学元件。该第一光学元件和第二光学元件可由其间的间隔分开。该透镜操作系统可被构造为改变(i)第一光学元件在辐射光束的路径内的位置，(ii)第二光学元件在辐射光束的路径内的位置和/或(iii)该第一和第二光学元件之间的距离。第一光学元件可包括、基本包含或包含双凹锥透镜。该第二光学元件可包括、基本包含或包含双凸锥透镜。该第一光学元件可被布置在该第二光学元件的光学上游。该第一光学元件可被布置在该第二光学元件的光学下游。该透镜操作系统可被构造为使该第一光学元件和该第二光学元件之间的距离在约0mm至约50mm的范围内变化、在约0mm至约20mm的范围内变化、在约2mm至接近50mm的范围内变化、在约2mm至约20mm的范围内变化。该第一光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)基本为平面的第一表面和(ii)与第一表面相背的第二表面，第二表面具有(a)凸出弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分。该第二光学元件可包括、基本包含或包含透镜，所述透镜具有(i)基本为平面的第一表面和(ii)与该第一表面相背的第二表面，该第二表面具有(a)凹入弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分。该第一光学元件可布置在该第二光学元件的光学上游。该第一光学元件可布置在该第二光学元件的光学下游。该第一光学元件的第二表面可面向该第二光学元件的第二表面。该第一光学元件的第一表面可面向该第二光学元件的第一表面。该第一光学元件的第一表面可面向该第二光学元件的第二表面。该第一光学元件的第二表面可面向该第一光学元件的第一表面。所述透镜操作系统可被构造为将第一光学元件和/或第二光学元件横向偏心地定位在所述辐射光束的路径内。该第一光学元件可包括、基本包含或包含熔融硅和/或硫化锌。该第二光学元件可包括、基本包含或包含熔融硅和/或硫化锌。
该光束源可包括或基本上由如下组成：发出多个分立光束的光束发射器、用于将多个光束聚焦至色散元件的聚焦光学器件、用于接收和色散所接收到的聚焦光束的色散元件和定位为接收所色散的光束的部分反射输出耦合器，其使已色散的光束的一部分作为激光输出束传输通过，将色散光束的第二部分反射回所述色散元件。该辐射光束可由多个波长的辐射组成。该聚焦光学器件可包括或基本上包括一个或多个圆柱形透镜、一个或多个球形透镜、一个或多个球形镜片和/或一个或多个圆柱形镜片。该色散元件可包括或基本上由衍射光栅(例如透射衍射光栅或反射衍射光栅)组成。
通过参考下面的描述、附图和权利要求，在此公开的本发明的这些和其它目的连同优点和特征将变得更明显。此外，应理解，本文所述的各种实施方式的特征并不是相互排他的，且可以以各种组合和排列存在。如在本文使用的，术语“基本上”意指±10％，且在一些实施例中意指±5％。术语“基本包含”意指排除有助于功能的其它材料，除非在本文另有规定。然而，这样的其它材料可以共同或单独地以微量存在。在本文，术语“辐射”和“光”可互换地被利用，除非另有指示。本文中，“下游”或“光学下游”用于表明光束在遇到第一元件之后射到的第二元件的相对布置，第一元件在第二元件的“上游”或“光学上游”。本文中，在两个部件之间的“光程”是在光束实际上所行进的两个部件之间的距离；由于例如来自反射镜的反射或从部件之一行进到另一部件的光所经历的传播方向的其它变化，光程可以但不一定等于两个部件之间的物理距离。
附图说明
在附图中，相似的附图标记通常在不同的视图中指相同的部分。此外，附图不一定按比例绘制，而是着重于说明本发明的原理。在下面的描述中，参照附图描述本发明的各个实施例，其中：
图1示出了采用固定的切割光束的偏振从材料中切取曲线的传统方法；
图2A示出了根据本发明的各个实施例的根据材料中的切取路径对偏振进行示例调节；
图2B示出了根据本发明的各个实施例的根据材料厚度对偏振进行示例调节；
图2C示出了根据本发明的各个实施例的将偏振从线性偏振到径向偏振的示例调节。
图3A-图3G示出了根据本发明的各个实施例的至少部分基于加工方向或材料厚度的用于改变光束偏振的示例系统；
图4A示出了根据本发明的各个实施例的采用自动调节的偏振光束来切割或焊接材料的方法；
图4B-图4D是切割速度随工件厚度变化的曲线图，其是根据本发明的各个实施例的具有受控偏振的激光束与传统非偏振的光束进行对比；
图5是根据本发明的各个实施例的激光束传输系统的示意图；
图6是根据本发明的各个实施例的平顶锥形光学元件的示意图；
图7A是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着熔融硅平顶锥形光学元件距光束源的距离变化的曲线图；
图7B是根据本发明的各个实施例的BPP变化随着硫化锌平顶锥形光学元件距光束源的距离变化的曲线图；
图8A是根据本发明的各个实施例的具有偏心光学元件的激光传输系统的示意图；
图8B-图8D示出了光束轮廓随着图8A的激光传输系统形成的偏心距离的变化；
图8E是辐射照度随着图4D中示出的双峰光束轮廓的位置变化的曲线图；
图9是根据本发明的各个实施例的平顶球形光学元件的示意图；
图10A是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着熔融硅平顶球形光学元件距光束源的距离变化的曲线图；
图10B是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着硫化锌平顶球形光学元件距光束源的距离变化的曲线图；
图11A-图11C示出了根据本发明的各个实施例的光束轮廓随着包含图9的光学元件的激光传输系统形成的偏心距离的变化；
图11D是辐射照度随着图11C所示的双峰光束轮廓的位置变化的曲线图；
图12A是根据本发明的各个实施例的具有两个锥透镜光学元件的一部分激光传输系统的示意图；
图12B和图12C示出根据本发明的各实施例的锥透镜几何设计参数；
图13是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着正锥透镜和负锥透镜之间的间隙距离变化的曲线图；
图14示出了根据本发明的各个实施例的位于正锥透镜和负锥透镜之间的不同间隙距离处的光束轮廓。
图15示出了根据本发明的各个实施例的沿光束路径横向偏心的正锥透镜和负锥透镜之间的不同间隙距离处的光束轮廓。
图16A是根据本发明的各个实施例的具有成对相位板透镜的激光传输系统的一部分的示意图；
图16B和图16C示出了根据本发明的各个实施例的相位板透镜的几何设计参数；
图16D是根据本发明的各个实施例的BPP随着成对相位板的内径变化的曲线图；
图16E是根据本发明的各个实施例的成对相位板的优化内径随着与输入光纤端盖的分离的变化曲线图；
图16F是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着成对相位板透镜之间的间隙距离变化的曲线图；
图16G示出了根据本发明的各个实施例的成对相位板透镜之间的不同间隙距离处的光束轮廓。
图17A是根据本发明的各个实施例的凹凸透镜光学元件的示意图；
图17B是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着熔融硅凹凸透镜光学元件与光束源之间的距离变化的曲线图；
图18A是根据本发明的各个实施例的包含用于增加光束发散的三合准直器的部分激光束传输系统的示意图；
图18B是是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着平顶球形光学元件与图18A的激光传输系统中的光束源之间的距离变化的曲线图；
图18C是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着凹凸透镜光学元件与图18A的激光传输系统中的光束源之间的距离变化的曲线图；
图18D是根据本发明的各个实施例包含用于增加光束发散的三合准直器和成对的相位板光学元件的部分激光束传输系统的示意图；
图18E是根据本发明的各个实施例的BPP改变随着图18D的激光束传输系统中的成对相位板透镜之间的间隙距离变化的曲线图；
图19是根据本发明的实施例的可用于为激光束传输系统供给输入光束的波长光束组合激光系统的示意图；
图20是根据本发明的各个实施例的激光系统的示意图；
图21是根据本发明的各个实施例的示出了采用的示例光束形状的一系列图像；
图22A和图22B是根据本发明的实施例的采用具有不同形状的激光束加工的工件的示意图；和
图23A-图23D是根据本发明的各个实施例的采用具有多种不同光束形状的激光束的焊接工艺的一系列示意图。
具体实施方式
多个方面和实施例通常涉及调节用于加工的激光束的偏振和/或形状的领域，从而产生更好的加工结果，包括更少的浮渣以及干净的切口和焊点。由此，在各个实施例中，本发明涉及相对于正在加工的材料来优化激光束的偏振和/或形状。更具体地，用于调节偏振的系统和方法可涉及例如基于正在加工的材料的几何尺寸、材质和厚度以及光束相对于波片的瞬时取向来改变波片的取向，光束穿过该波片以选择性地改变其偏振。本文描述的方法和实施例可应用于单光束和双光束输出系统，该系统使用保偏光纤以将输出光束从激光系统传输至激光头。在一些情况下，这些激光系统可为波长光束组合系统，其产生多波长输出光束。
由此，本发明的实施例为给定材料建立最优偏振方向，并且随着加工进行相对于加工方向维持这个方向。这与在图1中示例的不改变偏振方向的现有技术系统的性能形成对比。在图1中，材料片100通过线性偏振光束加工，该线性偏振光束遵循期望的切割路径102(其可为弯曲的)。该线性偏振(在图104处示出)维持固定的取向，忽略光束相对于材料100的变化取向。在许多系统中，最优光束偏振平行于加工方向。在图1中，这仅发生一次，然而实际上在多数位置处，偏振不利地垂直于该加工方向。这会阻碍加工、生成浮渣、形成不完美切口等。
在图2A中示出了示例系统的一个最优性能：加工光束的偏振取向204在整个加工路径102与加工方向保持平行。在图2B中示出了示例系统的另一个最优性能：加工光束的偏振状态210随着材料100厚度的增加从线性偏振变为椭圆偏振变为圆形偏振。在另一个实施例中，在图2C中示出，加工光束的偏振状态210沿着加工路径102从线性偏振变为径向偏振。虽然图2B和2C中的加工路径基本为线形，但是在本发明的实施例中的加工路径可包括如在图2B中示出的一个或多个方向改变。通常情况下，加工路径可为曲线形或线形的，该“线形”加工路径的特征可为具有一个或多个方向变化，即线形加工路径可由两个或更多不一定彼此平行的基本直的部段构成。
在图3A-图3C中示出了根据本发明的实施例的用于完成偏振变化的代表性系统。参照图3A，该系统300包括激光器(或其它光束发射器，比如为偏振光纤)305和控制器310。该控制器310控制激光器305的操作(即其启动激光器305并且在加工过程中适当情况下控制光束参数，比如强度)。该控制器还操作传统定位系统315和偏振控制器320。该定位系统315可为任意可控的光学、机械或光机系统以引导光束沿着二维或三维工件穿过加工路径。在加工过程中，控制器310可操作定位系统315和激光器305，以使激光束沿着工件经过加工路径。该加工路径可由用户提供并且存储在板载存储器或远程存储器324内，该板载存储器或远程存储器324还可存储关于实施该加工所必需的加工类型(切割、焊接等)和光束参数的参数。由此，本地或远程数据库330可维护将由系统300加工的材料和厚度的库，并且在用户选择材料参数(材料类型、厚度等)时，该控制器310查询该数据库330以得到对应的参数值。该存储的值可包括适用于材料的偏振取向和/或状态。
如在绘图和扫描领域中所熟知地，光束和工件之间的必要相对运动可通过以下方式形成：采用可移动镜片使光束光学偏转、使用台架、导向螺杆或其它机构使激光器物理移动和/或用于移动工件而非(或还有)光束的机械机构。控制器310可在一些实施例中从反馈单元335接收关于光束相对于工件的位置和/或加工效能的反馈，该反馈单元335将连接至适用的监测传感器。控制器310响应于来自反馈单元335的信号改变光束的路径、组成和/或偏振。
在图3B和图3C示出的一个实施例中，偏振调节在激光头组件350内完成，该激光头组件350通常为发射加工中使用的光束的激光系统的最后的光机部分。激光头350包括准直透镜355、调节/旋转波片360和聚焦透镜365以将光束370导向到工件的表面上。该波片360可为四分之一波片、半波片或用于旋转光束370的偏振的其它波片。参照图3A-3C，传统的电力-机械旋转装置375在控制器310的控制下随着光束移动穿过加工路径102使波片360旋转，由此强制光束370相对于路径102具有一致的偏振方向。在其它构造中，可采用多个波片并且其可被单个旋转装置375单独旋转。使用多个波片可提高反应时间。该光束370的偏振被示为在接触波片360之前为第一取向380a，在穿过波片360后为第二取向380b。
在图3D和图3E示出的一个实施例中，偏振调节也在激光头组件350内完成。该激光头350包括准直透镜355和聚焦透镜365以将光束370引导至工件的表面上，正如在图3B中示出的激光头350那样。在图3D的实施例中，激光头350包括位于准直透镜355和聚焦透镜365之间的巴比涅-索来补偿器385。如本领域已知，巴比涅-索来补偿器385是连续可变的光学延迟器，其能够将穿过的光的偏振从其线形变到圆形以及它们之间的任何椭圆偏振状态。在各个实施例中，巴比涅-索来补偿器385包括、大致包含或包含：补偿板386、固定双折射光楔387和可移动双折射光楔388。该补偿板386的长轴线通常垂直于光楔387、388的长轴线。光楔388相对于板386和光楔377的移动将光束370的偏振状态变为线形和圆形之间的任意椭圆形状态。参照图3A、3D和3E，传统的机电转换装置389在控制器310的控制下随着光束移动穿过加工路径102(例如随着工件的厚度改变)平移巴比涅-索来补偿器385的可移动光楔388，由此根据工件沿着路径102厚度改变偏振状态。例如，光束370的偏振状态的圆度(即从线形过渡为椭圆形或圆形)可随着工件厚度的增加而增加。该工件370的偏振被示为在接触巴比涅-索来补偿器385之前处于第一状态390a，在穿过巴比涅-索来补偿器385之后处于第二状态390b。
在图3F和图3G示出的另一个实施例中，偏振调节也在激光头组件350内完成。该激光头350包括准直透镜355和聚焦透镜365以将光束370引导至工件的表面上，正如在图3B和3D中示出的激光头350那样。在图3F的实施例中，激光头350包括位于准直透镜355和聚焦透镜365之间的径向偏振转换器391。如现有技术中已知，径向偏振转换器391可包括、基本包含或包含将线性偏振转换成径向偏振或方位角偏振的玻璃波片。例如，径向偏振转换器391可为具有连续变化的慢轴方向的半波片或具有径向对称加工的空间变化的四分之一波片。径向偏振转换器391可包括、基本包含或包含在其上具有纳米结构光栅的玻璃片，例如能够从立陶宛维尔纽斯的UAB Altechna(UAB Altechna of Vilnius，Lithuania)购得的S波片径向偏振转换器或者能够从新泽西州巴灵顿爱特蒙特光学(Edmund Optics Inc.ofBarrington，New Jersey)购得的其中一个径向偏振转换器。在其它实施例中，该径向偏振转换器391可包括或已基本包含或包含液晶，其中的液晶分子被特别对齐以形成期望的径向或方位角偏振，例如能够从瑞士纳沙泰尔的Arcopix(Arcopix of Neuchatel，Switzerland)购得的Arcopix径向偏振转换器。径向偏振转换器391在光束370的路径内的移动将光束370的偏振状态从线形变为径向或方位角，反之亦然。在各个实施例中，径向偏振的光束370能够聚焦成比具有线性偏振的光束370更小的光斑尺寸。参照图3A、3F和3G，传统的机电转换装置389在控制器310的控制下随着光束移动通过加工路径102平移径向偏振转换器391，由此改变了沿路径102的偏振状态。该光束370的偏振被示出为在接触径向偏振转换器391之前处于第一状态392a(即线性偏振)，在穿过该径向偏振转换器391之后处于第二状态392b(即径向偏振)。
图4A示出了系统300的代表性操作方法400以执行切割操作。在第一步410中，用户采用任意适用的输入装置或借助于文件传送将期望路径预先编程入系统300中。在步骤420中，控制器310分析路径的曲线、特征(例如厚度)和切割方向，按需查询数据库330，确定以多快的速度进行切割，并且确定激光束相对于切割方向的最优的偏振方向和/或状态。在操作时，在步骤430示出，控制器330操作激光器305和子系统315、320以沿着预编程路径切割，维持适当偏振。如果被加工材料的组成和/或厚度变化，那么该变化的位置和性质可被预先编程，并且控制器310可相应地调节激光束参数(包括偏振和/或光束形状)。应注意的是，因为无论如何都需要加工过程中的额外步骤(例如去毛刺、研磨和/或抛光)，所以最优的切割方式、焊接方式或加工方式不一定为最干净的切口或焊点。由此全局优化可能基于期望的输出，本方法和系统被构造为产生那些期望的结果，无论它们是什么。如更早所述，切割仅为可受益于本发明的实施例的方法的激光加工的一个示例。
控制器310可被提供为软件、硬件或者它们的组合。例如，该系统可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司制造的Pentium或Celeron系列的处理器、由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列的处理器、和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列的处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与如上所述方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，其驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑装置(PLD)或只读存储器装置(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储装置)来提供程序。对于其中功能被提供为一个或多个软件程序的实施例，程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用涉及驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言实现；例如，如果软件被配置为在IBM PC或PC兼容机上运行，则可以用Intel 80×86汇编语言实现。该软件可以体现在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
虽然本文描述的用于改进加工的方法对于线性偏振光束(通过自由空间的激光或保偏光纤传输)作用良好，但是该技术也对椭圆偏振的光束(以一个偏振为主导)作用良好。例如，来自标准多模式光纤的光束将可能被椭圆形偏振并且可受益于本文描述的方法。
本发明的实施例可有利地用于各种材料(例如金属材料)的更加高效的切割。图4B是在氮气流下由304不锈钢制成的工件的可实现切割速度与工件厚度的函数关系图。采用四个不同的激光系统来进行切割。第一，采用根据本发明实施例的激光系统沿着平行于和垂直于偏振方向的方向切割工件，该激光系统在1kW的功率下运行并采用58μm的保偏输出光纤以产生线性偏振的激光输出束。趋势线440示出了平行于切割方向偏振的光束可实现的切割速度，趋势线445示出了垂直于切割方向偏振的光束可实现的切割速度。如图所示，尤其对于更薄的工件而言，平行偏振的光束的切割速度能够远高于垂直偏振的光束。趋势线450和455示出了对于具有非偏振输出光束(即利用非保偏光纤的输出光缆)的两种不同的市售1kW激光系统的数据。如图所示，非偏振光束与趋势线445的垂直偏振光束相比能够更快速地切割，但是相较于为趋势线440的平行偏振光束更慢地切割。趋势线460示出具有100μm输出光纤但也产生非偏振光束的2kW激光器的数据。如所预期，这个功率更大的激光系统能够比更低功率的激光系统具有更快的切割速度，虽然对于较薄工件而言优势会减少并且甚至消失，尽管在低功率下运行且具有更小的输出光纤，为趋势线440的平行偏振光束也能以更快的速度进行切割。
图4C是在氮气流下作为由3003铝制成的工件厚度的函数的可实现的切割速度的曲线图。所采用的激光系统与上文图4B描述的相同。如图所示，由趋势线440表示的平行偏振光束呈现出最佳切割性能，并且平行偏振光束的性能尤其对于更薄的工件厚度而言甚至优于趋势线460的2kW、100μm的非偏振光束。如在图4B中，为趋势线445的垂直偏振光束示出最差性能，凸显了其中偏振方向与切割方向保持平行的本发明的实施例的有利效果。
图4D是在氮气流下作为由黄铜制成的工件的工件厚度的函数的可实现的切割速度的曲线图。所采用的激光系统与上文图4B描述的相同。如图所示，由趋势线440表示的平行偏振光束尤其对于更薄的工件厚度呈现快速切割性能。该由趋势线440表示的平行偏振光束还呈现出比由趋势线450表示的可比较的1kW非偏振光束更快的切割速度。如图4B和4C，为趋势线445的垂直偏振光束示出了最差性能，并且实际上对于具有3mm厚度的工件而言没有令人满意的切割速度。
本发明的实施例通过成形光束和/或调节光束的BPP的技术响应于工件材料和/或物理特性来组合或替换光束的偏振调节。图5示出了根据本发明的实施例的激光束传输系统500的示意图，其包含光束操纵光学元件。在各个实施例中，激光束传输系统500可被例如布置在基于激光的切割头或焊头(例如切割头350)内并且可与其中采用的各个部件(例如光学元件、控制器等)组合以调节输出光束的偏振。该光束传输系统500的特征为终止于连接至激光生成系统(例如WBC激光系统，在图5中未示出)的剩余部分的光纤端盖505的光束传输光纤、准直透镜510、聚焦透镜515以及定位在端盖505和准直透镜510之间的光学元件520。本发明的各个实施例的特征在于结合光束成形和偏振调节的功能，这些功能可共用元件比如准直透镜510和聚焦透镜515，即各个实施例中的激光束传输系统可具有既有利于光束成形又有利于偏振调节的各种光学元件。在各个实施例中，光学元件520靠近第一端盖505布置以最小化照射光学元件520的光束尺寸。更小光束的折射可采用具有更小光学器件几何尺寸的光学器件来执行并且可以更高的灵敏度来改变输出分布。图5也示出了布置在聚焦透镜515和工件530之间可选的第二光学元件525。该工件530可包括或基本由例如待由聚焦透镜515聚焦的光束焊接、钻孔和/或切割的一个或多个部件(例如金属部件)组成。在各个实施例中，第一光学元件530布置在聚焦透镜515和工件530之间，省略第二光学元件525。光学元件520、525都可包括或基本上由例如相位板组成。
第一光学元件520和/或第二光学元件525的位置可通过采用透镜操作系统而在光束轮廓内平移，该透镜操作系统可包括或基本上由例如一个或多个能够沿着两个或三个轴线移动的机械式或机动化的平移台535组成。该透镜操作系统可响应于控制器540。该控制器540可响应于期望的目标辐射功率分布和/或BPP或其它光束质量的程度(例如，由用户输入和/或基于待加工工件的一个或多个性质，比如距离工件的距离，工件组成、工件形貌、工件厚度等)，并且被构造为定位光学元件520和/或光学元件525以使得操作光束545以目标辐射功率分布或光束质量照射工件530。可对控制器540编程以通过如本文详述定位的特定光学元件得到期望的功率分布和/或输出BPP和/或光束质量。控制器540可被提供为软件、硬件或它们的一些结合。例如，该系统可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的制造的Pentium或Celeron系列的处理器、由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列的处理器、和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列的处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本文描述的方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，其驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑装置(PLD)或只读存储器装置(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储装置)来提供程序。对于其中为一个或多个软件程序提供功能的实施例，可以用许多高级语言中的任何一种来编写程序，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用涉及驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言实现；例如，如果软件被配置为在IBM PC或PC兼容机上运行，则可以用Intel 80x86汇编语言实现。该软件可以体现在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
图6是根据本发明的实施例具有截锥形(平顶锥形或渐缩圆柱形)的光学元件600的示意图。例如，可将光学元件600用作为传输系统500中的光学元件520和/或光学元件525。参数D、d、θ和H分别为以下内容的几何设计参数：外径、内径(其可对应于光束在其照射光学元件时的光束尺寸)、限定了最大弓形高(或“下垂度”h)以及光束外环与光斑中心的间距的倾角以及光学元件600的厚度。基于能量守恒定律、光路长度恒定和斯涅尔定律，可以使用几何光学器件的光线跟踪来设计根据本发明实施例的光学元件。该透镜设计及其表面轮廓可例如将光束轮廓从高斯分布转变为具有期望强度分布的贝塞尔激光束。
表1提供了示例光学元件600的示例设计值，该光学元件600包括或基本包含或包含两种不同材料，熔融硅和硫化锌(例如可从宾夕法尼亚州萨克森堡II-VI公司购得的ZnS多光谱)。
表1
光学元件材料 熔融硅 硫化锌
D(mm) 25 25
d(mm) 8 8
H(mm) 2 0.85
h(μm) 50 17
θ(mrad) 5.9 2
图7A和图7B是自光纤端盖505至具有在表1中提供的设计参数的示例熔融硅(图7A)和硫化锌(图7B)光学元件600的不同距离处的BPP曲线图。在图中，光学元件600的初始位置假定为距端盖505的距离是25mm。如图所示，在两种情况下，光束的BPP通过光学元件600移位约30mm而从约4增长至约12。作为位移函数的BPP变化的斜率可通过改变在端盖505处输出的光纤的数值孔径的变化而改变。在图7A和7B中还示出了在光学元件600距光纤端盖505距离50mm处的光束轮廓。
如图8A所示，通过将光学元件600(或其它本文所详述的光学元件)横向偏心定位在光束路径中(即将其部分置入输入激光束)可得到在一个轴线中具有两个峰的定制光束轮廓。根据置入程度，输出激光束的光束轮廓可被优化适应于各种激光器应用。在图8B-8D中示出在距端盖505距离40mm的光学元件600在不同偏心距离处(0mm、2mm和4mm)的光束轮廓。图8E是辐射照度随着图8D所示光束轮廓的位置变化的曲线图，清楚地示出了光束轮廓的双峰性质。在各实施例中，在光学元件600的不同偏心位置处的BPP的变化也接近为零，即使辐射照度在整个光束轮廓中随位置而变化。
根据本发明的实施例的光学元件也可具有截顶球形(即平顶球形)构造并且也可被用于形成贝塞尔光束轮廓。在图9中示意性示出了根据此实施例的光学元件900的几何设计。光学元件900可被作为传输系统500中的光学元件520和/或光学元件525。除了也限定了最大下垂度(h)和所得环形光束环与光斑中心的间距的曲率半径R之外，设计参数与上文对于平顶锥形光学元件600的详细描述一致。
表2提供了示例光学元件900的示例设计值，该光学元件900包括或基本包含或包含两种不同材料熔融硅和硫化锌。
表2
光学元件材料 熔融硅 硫化锌
D(mm) 25 25
d(mm) 8 8
H(mm) 2 0.85
h(μm) 58 23
R(mm) 1200 3000
图10A和图10B是自光纤端盖505至具有在表2中提供的设计参数的示例熔融硅(图10A)和硫化锌(图10B)光学元件900在不同距离处的BPP曲线图。在图中，光学元件900的初始位置假定距端盖505距离25mm。如图所示，在两种情况下，光束的BPP可通过光学元件900移位约30mm(例如约28mm-约32mm)从约4增长至约12。作为移位函数的BPP的斜率变化可通过改变端盖505处输出的光纤的数值孔径而变化。在图10A和10B中还示出了在光学元件900距光纤端盖505距离50mm处的光束轮廓，示出为它们的辐射照度随着光学元件900和端盖505之间的50mm间距的位置变化的曲线图。
在图11A-图11C中示出了在距端盖505距离40mm的光学元件900(如为图6A中的光学元件600所示)在不同偏心距离处(0mm、2mm和4mm)的光束轮廓。图11D是辐射照度随着在图11C中示出的光束轮廓的位置变化的曲线图，清楚地示出了光束轮廓的强度的双峰性质。在各个实施例中，在光学元件900的不同偏心位置处的BPP的变化也接近为零，即使辐射照度在整个光束轮廓中随位置而变化。
本发明的实施例采用光学元件形成环形光束形状。本发明的实施例的特征是包括、基本包含或包含锥透镜的一个或多个光学元件。如本领域已知，锥透镜为具有至少一个锥形表面的透镜，此种透镜可用于将点光源成像为沿着光轴的线段内。该锥形旋转表面能够通过反射或折射或通过二者弯曲来自旋转轴线上的点光源的光。本发明的实施例采用位于如图12A所示的光纤端盖505和准直透镜510之间的双正(即双凸)锥透镜1200和双负(即双凹)锥透镜1210的组合，并且工件处的光束尺寸可采用这个透镜系统改变。如图所示，透镜1200、1210在光束路径中由间隙距离1220分开。如图12B和图12C示意性所示，θ1和θ2是限定最大下垂度(h1和h2)和环形光束环与光斑中心的距离的锥形表面的斜率变化量。在本发明的各个实施例中，透镜1200、1210中的一个或两者的锥形表面具有光滑边缘以及约小于5μm的曲率半径。
图13是示出控制激光传输系统的BPP随着两个锥透镜1200、1210之间的间隙距离1220变化的曲线图。如图13所示，间隙距离1220的约7mm的变化使得BPP从4增加至12，证明由本发明的此实施例实现的BPP宽范围控制。图14示出光束轮廓随着透镜1200、1210之间的间隙距离1220的变化，其中间隙距离以毫米为单位。如图所示，间隙距离1220的调节可将具有单峰的光束轮廓转变为具有双峰或三个峰或具有更多个峰的光束轮廓。图15示出在其中两个锥透镜1200、1210沿光束路径横向偏心4mm并且被列出的间隙距离1220分开(间隙距离以毫米为单位)的情况下的类似光束轮廓。
本发明的实施例的特征在于包括、基本包含或包含相位板的一个或多个光学元件，该相位板具有一个平坦表面和相对表面，该相对表面的至少一部分凸出或凹入地弯曲。图16A示出了特征为由间隙Z分开的两个此板1600、1610的部分光束传输系统。如图所示，板1600与光纤端盖505相隔距离S。图16B和16C更详细地示出了板1600、1610。如图所示，板1600、1610具有外径D，它们表面的凸出或凹入部分具有内径d，其限定了最大下垂度h(与R结合，下文详述)。该板在其外边缘处的厚度(即它们相对两表面的平坦部分之间的厚度)由H表示，该凸出/凹入部分的曲率半径由R表示。如在图16B和16C中示出，板1600、1610具有几乎相同的H、D、d和R，虽然本发明的各个实施例的特征为与那些参数中的一个或多个不同的双板(即一个具有部分凹入的表面，一个具有部分凸出的表面)。
表3提供了示例光学元件1600、1610的示例设计值，该光学元件包括或基本包含或包含两种不同材料，熔融硅和硫化锌。
表3
光学元件材料 熔融硅 硫化锌
D(mm) 25 25
d(mm) 5 5
H(mm) 2 1
h(μm) 25 9.3
R(mm) 500 1350
根据本发明的实施例，图16D和图16E示出了板1600和1610的内径d可被优化以使激光传输系统的输出BPP随着激光传输系统距光纤端盖505的距离S的变化最大化。图16D是BPP随着板1600、1610的内径d变化的曲线图，该板1600、1610的距离S为40mm，间隙距离Z为10mm，曲率半径R为500。如图所示，所得BPP在内径d约为5mm处最大化；这个BPP与间隙距离Z和曲率半径R中的变化基本无关。图16E是优化的内径d(即最大化输出BPP的内径d)随着端盖505与板1600之间的距离S变化的曲线图。如图所示，可选择优化的内径d以使输出光束的BPP随着距离S的变化最大化。
图16F是在板1600、1610(具有表3的设计参数，熔融硅板和硫化锌板1600、1610提供了相同的结果)之间的不同间隙距离Z的BPP曲线图，板1600、1610具有表3中提供的设计参数。在图中，与端盖505的距离S假定为40mm。如图所示，在两种情况下，光束的BPP通过板1600、1610之间的间隙Z接近9mm的变化从约4增长至约12。在图16G中示出了输出光束的各个光束轮廓随着间隙Z(以mm表示)的变化，如它们的辐射照度随着位置变化的曲线图。如图所示，随着光束BPP增加，该光束形状从具有单个峰的辐射分布继续变为具有更宽的、多个峰的辐射分布。
根据本发明实施例的光学元件也可包括、基本包含或包含凹凸透镜。在图17A中示意性地示出了根据此实施例的光学元件1700的几何设计；如图所示，在各个实施例中，光学元件1700的一个表面基本在整个表面上凸出弯曲，同时相对表面在部分表面上凹入弯曲，限定出内径d。光学元件1700可用作传输系统500中的光学元件520和/或光学元件525。如图所示，光学元件1700可具有外径D、内径d、厚度H、凸出弯曲表面的最大下垂度h1以及部分凹入弯曲表面的最大下垂度h2。曲率半径R(其可与光学元件1700的两个表面的曲率半径近似相等)限定了最大下垂度h1和h2以及所得环形光束环与光斑中心的距离。
表4提供了示例光学元件1700的示例设计值，该光学元件包括或基本包含或包含两种不同材料，熔融硅和硫化锌。
表4
光学元件材料 熔融硅 硫化锌
D(mm) 25 25
d(mm) 8 8
H(mm) 3 1.8
h1(μm) 87 31
h2(μm) 9 3.2
R(mm) 900 2500
图17B是自光纤端盖505至具有表4中提供的设计参数的示例熔融硅光学元件1700的不同距离处的BPP曲线图。在图中，光学元件1700的初始位置假定为距端盖505距离25mm。如图所示，光束的BPP可通过光学元件1700移位约24mm从约4增长至约12。在图17B中还示出了在光学元件1700距光纤端盖505距离46mm处的光束轮廓，其作为辐射照度随着光学元件1700和端盖505之间的46mm间距的位置变化的曲线图。
根据本发明实施例的激光束传输系统还可采用各种透镜布置，以形成随着光学元件移动的BPP变化的更大、更发散的输入光束。图18A示出了激光传输系统1800的部分，其包含用于BPP变化的可移动光学元件1805和用于增加激光束发散三合准直器。如图所示，三合准直器将光束的发散从角度α增加到角度β。在各个实施例中，β与α的比值在约2和约1.5之间，例如约为1.74。如下文更加详细地描述，这个增加的发散实现了通过更少地移动光学元件1805来更大地控制BPP。在各个实施例中，该光学元件1805包括、基本包含或包含光学元件600、光学元件900、光学元件1700、相位板1600/1610或锥透镜1200、1210。
根据本发明的用于增加光束发散的三合准直器可由各种透镜的组合构成。图18A示出了一个这样的实施例，其包括平凹透镜1810、凹凸透镜1815(例如正凹凸透镜)和平凸透镜1820。在本发明的各个实施例中，光学元件1805被布置在平凹透镜1810和凹凸透镜1815之间的光束路径中。在其它实施例中，光学元件1805可被布置在凹凸透镜1815和平凸透镜1820之间的光束路径中或者甚至布置在平凸透镜1820的光学下游。
图18B是当结合用于增加光束发散的三合准直器采用激光束传输系统1800时自光纤端盖505至具有表1提供的设计参数的示例熔融硅光学元件600的不同距离处的BPP的曲线图。在图中，光学元件600的初始位置假定为距端盖505距离25mm。如图所示，光束的BPP可通过光学元件600仅移位约16mm或者在与缺少图18A中的三合准直器的光束传输系统(见图7A)相比时约减少2倍的移位(即更大的控制)而从约4增长至约12。在图18B中还示出了光学元件600与光纤端盖505距离21mm的光束轮廓。
图18C是当结合用于增加光束发散的三合准直器采用激光束传输系统1800时自光纤端盖505距具有表4提供的设计参数的示例熔融硅光学元件1700的不同距离处的BPP的曲线图。在图中，光学元件1700的初始位置假定为距端盖505距离25mm。如图所示，光束的BPP可通过光学元件600仅移位约12mm或者在与缺少图18A中的三合准直器的光束传输系统(见图17B)相比时约减少2倍的移位(即更大的控制)而从约4增长至约12。在图18C中还示出了光学元件1700与光纤端盖505距离17.5mm的光束轮廓。
图18D是部分激光束传输系统1800示意图，该系统包含在光束路径内以间隙距离Z分开上述成对的相位板光学元件1600、1610。图18E是当结合用于增加光束发散的三合准直器采用激光束传输系统1800时在具有表3提供的设计参数的示例熔融硅光学元件1600、1610的不同间隙间隔Z的BPP的曲线图。在图中，光学元件1600的位置假定为距端盖505距离25mm。如图所示，光束的BPP可通过将光学元件1600、1610之间的间隙距离Z仅增加约3mm或者在与缺少图18A中的三合准直器的光束传输系统(见图16F)相比时通过减少约3倍的移位(即较大的控制)而从约4增长至约12。在图18C中还示出了光学元件1600、1610之间的间隙距离为3mm的光束轮廓。
根据本发明的实施例并且在本文中详细描述的激光系统和激光传输系统可用于WBC激光系统或者与WBC激光系统一起使用。具体地，在本发明的各个实施例中，WBC激光系统的多波长输出光束可被用作激光束传输系统的输入光束以如本文详细所述改变BPP、光束形状和/或偏振。图19示出了采用一个或更多个激光器1905的示例WBC激光系统1900。在图19的示例中，激光器1905的特征是具有发射光束1910的四个光束发射器(见放大输入视图1915)的二极管条，但是本发明的实施例可采用发射任意数量的单个光束的二极管条或二极管或二极管条的二维阵列或叠层。参见1915，每个光束1910由线表示，其中线的长度或较长的尺寸代表了光束的慢发散尺寸，高度或较短的尺寸代表了快发散尺寸。准直光学器件1920可用于使每个光束1910沿快尺寸准直。(多个)转换光学器件1925(其可包括或基本包含一个或多个圆柱形或球形透镜和/或镜片)用于沿着WBC方向1930组合每个光束1910。接下来转换光学器件1925将组合光束叠加到色散元件1935(其可包括或基本包含例如反射或透射衍射光栅、色散棱镜、棱栅(棱镜/光栅)、透射光栅或中阶梯光栅)，接下来将组合光束作为单个输出分布传递至输出耦合器1940上。该输出耦合器1940接下来如输出主视图1950上所示传输组合的光束1945。该输出耦合器1940通常部分反射并且用作这个外腔系统1900中所有激光元件的共用前小面。外腔是一种激光系统，其中副镜远离每个激光发射器的发射孔口或前小面移位。在一些实施例中，附加光学器件被布置在发射孔口或前小面和输出耦合器或部分反射表面之间。由此输出光束1945为多波长光束(组合单个光束1910的波长)，并且可被用作本文详细描述的激光束传输系统中的输入光束和/或可被耦合入光纤中。
图20示出了激光系统2000，其具有根据本发明的各个实施例所采用的可变形输出光束。如图所示，激光系统2000可包括联接至光纤2020的激光源2010(例如形成了由多个波长组成的输出光束的WBC激光系统1900)。位于光纤2020的远端处的是加工头或激光束传输系统2030。加工头2030可包括、基本包含或包含例如上文所述的激光束传输系统500的所有或一些部件。例如，加工头2030可包含和/或响应于控制器(例如控制器540)，该控制器控制工件表面处或附近的聚焦位置2040处的输出光束形状。在各个实施例中，如本文详细描述，加工头2030可包括或基本包含成形的和或可相对彼此移动的各种光学元件，以形成具有可变输出光束形状的输出激光束。图21示出了能够由根据本发明实施例的激光系统2000形成的一系列不同的输出光束形状。如图所示，输出光束形状根据施加入加工头2030的控制电压(例如通过控制器来控制其内一个或多个光学元件的位置)涵盖高度聚焦的点光束到扩散的、离焦的较大光斑到环形光束。同样在图21中示出，光束的BPP也可随着光束形状的变化而变化。
在各个实施例中，激光系统2000包括控制器(例如如上文所述的控制器540)和/或定位系统(例如定位系统315)。该控制器控制激光系统的运行(即其启动激光器并且在加工过程中的适当情况下控制光束参数，比如强度和/或输出光束形状)。该控制器也可操作定位系统。该定位系统可为用于引导光束沿着两维或三维工件穿过加工路径的任意受控的光学、机械或光机系统。在加工过程中，控制器可操作定位系统和激光系统2000，以使激光束沿着工件经过加工路径和/或以使激光器输出光束被定位在待加工的工件上的特定位置(例如用于焊接的位置)。该加工路径和/或一个或多个加工位置可由用户提供并且存储在板载存储器或远程存储器内，该板载存储器或远程存储器还可存储关于实施该加工所必需的加工类型(切割、焊接等)和光束参数(例如输出光束形状)的参数。由此，本地或远程数据库可维护激光系统将加工的材料和厚度的库，并且在用户选择材料参数(材料类型、厚度等)时，该控制器可查询该数据库以得到对应的参数值。
如在测绘和扫描领域中所熟知的，输出光束和工件之间的任何必要相对运动可通过以下方式产生：采用可移动镜片使光束光学偏转、使用台架、导向螺杆或其它机构使激光器物理移动和/或用于移动工件而非(或还有)光束的机械机构。该控制器可在一些实施例中从反馈单元处接收关于光束相对于工件的光束位置和/或加工效能的反馈，该反馈单元将连接至适用的监测传感器。控制器响应于来自反馈单元的信号改变光束的路径、位置、BPP和/或形状。
另外，该激光系统可包含一个或多个系统以检测工件厚度和/或工件特性中的高度。例如，该激光系统可包含用于工件的干涉深度测量的系统(或其部件)，如2015年4月1日提交的美国专利申请序列号14/676,070中详细描述的，其整个公开内容通过引用并入本文。控制器可利用此深度或厚度信息来控制输出光束形状以(例如根据对应于正在加工的材料类型的数据库中的记录)优化工件的加工(例如切割或焊接)。
图22A和22B示出了根据本发明的实施例的示例切割方案。在本发明的各个实施例中，采用激光系统2000在工件2200内制造不同深度和/或不同尺寸的切口和/或在具有变化厚度的工件2200内制造一致尺寸的切口。如图所示，输出光束形状可对于浅切口具有高度焦斑并且对于工件2200上较厚区域所需的更深切口和/或加工头2030和工件2200之间的角度改变逐渐地或基本上突然地变为具有离焦点和/或呈环形(和/或具有两个或更多不同峰值强度的点)。例如，如图22A所示，输出光束可以基本垂直于工件2200的表面的角度照射工件2200，输出光束可具有高度焦斑的形状以在工件2200的所有厚度或一部分厚度上制造相对浅的切口。在图22A中还示出，光束形状可变为离焦点或呈环形以在工件2200中制成更大宽度的切口和/或当输出光束与工件2200的表面之间的角度改变时(例如减小)使得沿着输出光束穿过工件2200的距离增加。
在各个实施例中，如图22B所示，加工头2030的角度(以及由此输出光束)可随着在光束和工件2200相对运动过程中工件2200的构相、厚度和/或表面角度的变化而保持不变(例如基本竖向)，并且控制器根据在各个加工位置处或在加工路径上位于加工头2030处的工件2200的有效厚度(即切透或切至工件2200内特定距离处所需的切口深度)来控制光束形状。例如，由于例如表面的构相，在图22B的左侧位于加工头处的工件2200的厚度大于图22B右侧处的厚度，并且对光束形状进行相应调整。此种布置避免需要对加工头2030和/或输出光束进行重新定位以在光束和工件表面之间存在一致角度。由此可避免使用对加工头的角度重新定位的复杂机器人和/或其它设备并且避免了伴随产生的成本和复杂性。
在本发明的各个实施例中，利用激光系统来焊接一个或多个工件，同时最小化或者基本上消除了在(多个)工件的表面上扫描输出光束的需求。图23A-23D示出了根据本发明的实施例的示例焊接顺序。如图所示，在点焊过程中，输出光束形状2300从较大面积环形(图23A)变化至较小环形(图23B)至大焦斑(图23C)至较小面积的焦斑(图23D)以在无需输出光束和工件之间的相对运动的条件下将两个工件2310、2320焊接在一起。通过这种方式，无需光束沿着工件2310、2320表面进行扫描就能在两个工件2310、2320之间形成大于图23D中光斑尺寸2300(和/或至少与图23A中的光斑尺寸2300的外边缘一样大)的均匀焊点。在各个实施例中，在焊接过程中，控制器除了可改变输出光束的形状之外还可改变光束的输出功率和/或BPP。例如，可降低高度聚焦的光束形状的输出功率以基本上匹配于更加离焦的和/或环形的光束以便于形成空间均匀的多个焊点。通过这种方式，仅通过改变光束的形状(并且在一些实施例中改变光束功率)就能在工件上形成大尺寸的单个均匀焊点，无需在相同区域上形成多个更小焊点(以及相对于每个焊点的光束移动工件的需要)。虽然图23A-23D示出了示例点焊接过程，但是本发明的实施例包括其它加工技术和焊接类型，例如搭接焊和点焊。另外，在图23A-23D中示出的采用不同光束形状的各种焊接步骤可根据本发明的实施例以任意顺序执行。虽然图23A-23D示出了用于焊点的一系列四个不同的光束形状，但是本发明的实施例可在焊接工件时采用两个、三个或大于四个的不同光束形状。
在本文使用的术语和表达用作描述而不是限制的术语，且在这样的术语和表达的使用没有排除所示和所述特征的任何等价物或其部分的意图，但应认识到，在所要求保护的本发明的范围内可进行各种修改。

Claims (46)

1.一种工件的加工方法，所述方法包括：
使激光输出束和所述工件的表面之间产生相对运动以限定加工路径，使工件的沿着平行于激光输出束的方向的厚度沿该加工路径变化，其中所述激光输出束沿着至少一部分所述加工路径物理地改变所述工件的表面；和
其间，至少部分基于所述工件的厚度改变所述激光输出束的形状。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述激光输出束的形状随着所述工件的厚度的增加而在焦斑和环带之间变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，至少部分归因于所述激光输出束和所述工件的表面之间角度的变化，使所述工件的沿着平行于所述激光输出束的方向的厚度变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在维持所述激光输出束和所述工件的表面之间的角度基本不变的情况下改变所述激光输出束的形状。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述激光输出束和所述工件的表面相对运动的过程中对所述工件的厚度进行测量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述工件的组成改变所述激光输出束的形状。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，该激光输出束由多个波长组成。
8.一种工件的加工系统，所述系统包括：
光束发射器，其用于发出激光输出束；
定位装置，其用于改变所述激光输出束相对于所述工件的位置；
用于改变所述激光输出束的形状的机构；和
控制器，其联接至所述定位装置和所述形状改变机构并且用于(i)操作所述光束发射器，使所述激光输出束移动穿过至少一部分工件的路径以物理地改变工件表面，和(ii)至少部分基于所述工件沿所述路径的厚度改变所述激光输出束的形状。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光束发射器包括加工头，所述激光输出束从所述加工头发出，所述形状改变机构包括(i)位于所述加工头内的一个或多个光学元件和(ii)用于改变在所述加工头内的至少一个所述光学元件的位置的第二控制器。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器被构造为沿着所述路径改变所述光束发射器的输出功率。
11.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器被构造为基于所述工件的组成改变所述激光输出束的形状。
12.根据权利要求8所述的系统，还包括数据库，所述数据库包括多项记录，每项记录都将激光输出束形状与工件参数相关联。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述工件参数包括工件厚度和工件组成中的至少一个。
14.根据权利要求8所述的系统，其中，所述光束发射器包括：
光束源，其发出多个离散输入束；
聚焦光学器件，其用于将多个输入束聚焦至色散元件上；
色散元件，其用于接收和分散接收到的已聚焦的光束；和
部分反射输出耦合器，其定位为接收已色散的光束，将已色散的光束的一部分作为激光输出束传输通过并将已色散的光束的第二部分反射回所述色散元件，
其中所述激光输出束由多个波长组成。
15.一种在加工位置连接第一工件和第二工件的方法，其中，该第一工件和该第二工件在加工位置处重叠和/或彼此靠近，所述方法包括：
在所述加工位置附近聚焦激光输出束以使第一工件或第二工件中的至少一个的一部分熔化，由此将该第一工件和第二工件连接在一起；和
其间，在所述激光输出束和该第一工件和该第二工件之间没有产生相对运动的情况下改变所述激光输出束的形状。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该激光输出束的形状在焦斑和环带之间变化。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，该激光输出束由多个波长组成。
18.一种使用能够聚焦至最小光斑尺寸的激光输出束经由焊点连接第一工件和第二工件的方法，其中所述焊点的空间范围大于所述最小光斑尺寸，所述方法包括：
将所述激光输出束聚焦在该第一工件或该第二工件中的至少一个之上以使其熔化；和
在所述激光输出束和该第一工件和该第二工件没有产生相对运动的情况下，改变所述激光输出束的形状以增大所述焊点的尺寸。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，该激光输出束的形状在焦斑和环带之间变化。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，该激光输出束由多个波长组成。
21.一种工件的加工系统，所述工件包括：
光束发射器；
定位装置，其用于改变所述光束发射器的光束相对于所述工件的位置；
可变偏振器，其用于改变所述光束的偏振；
光束成形器，其用于改变所述光束的形状；和
控制器，其连接至所述定位装置、所述偏振器和所述光束成形器以操作所述光束发射器，以使所述光束移动穿过所述工件的至少一部分的路径来加工工件，并且至少部分基于所述工件的一个或多个性质沿该路径改变所述光束的偏振和/或形状。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器被构造为在所述光束经过所述路径时维持具有接近平行于所述路径的偏振方向的所述光束的线性偏振。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器被构造为至少部分基于所述工件的厚度改变所述光束的偏振的偏心度。
24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述控制器被构造为使所述光束的偏振在线性偏振状态和径向偏振状态之间变化。
25.根据权利要求21所述的系统，其中，该可变偏振器包括波片和旋转元件，所述旋转元件由所述控制器操作。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述波片包括半波片或四分之一波片中的至少一个。
27.根据权利要求25所述的系统，其中，所述光束被线性偏振并且所述控制器操作所述旋转元件以维持偏振方向平行于所述路径。
28.根据权利要求21所述的系统，其中，所述可变偏振器包括补偿板、布置在所述补偿板上方的固定双折射光楔、布置在所述固定双折射光楔上方的可移动双折射光楔以及平移元件，所述平移元件由所述控制器操作。
29.根据权利要求21所述的系统，其中，所述可变偏振器包括径向偏振转换器。
30.根据权利要求21所述的系统，还包括：
可由所述控制器访问的存储器，其用于储存与所述路径对应的数据；和
数据库，其用于存储多种材料的偏振数据，
其中，所述控制器被构造为查询所述数据库以得到工件材料的偏振数据并且至少部分基于所述偏振数据改变所述光束的偏振。
31.根据权利要求21所述的系统，其中，该路径包括至少一次方向改变。
32.根据权利要求21所述的系统，其中，所述光束发射器包括：
光束源，其发出多个离散输入束；
聚焦光学器件，其用于将所述多个输入束聚焦至色散元件；
色散元件，其用于接收和分散接收到的已聚焦的光束；和
部分反射输出耦合器，其定位为接收已色散的光束，使已色散的光束的一部分作为激光输出束传输通过并且将已色散的光束的第二部分反射回所述色散元件，
其中所述光束发射器的光束由多个波长组成。
33.根据权利要求21所述的系统，其中，所述光束成形器包括：
准直透镜，其用于使从所述光束发射器处接收到的光束准直；
聚焦透镜，其用于接收已准直的光束并将所述光束朝向所述工件聚焦；
光学元件，其布置在所述光束源和所述准直透镜之间用于接收所述光束并改变光束的形状；和
透镜操作系统，其用于改变所述光学元件在所述光束的路径内的位置，
其中所述控制器被构造为控制所述透镜操作系统以改变光束形状。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)呈截锥形的第一表面，和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。
35.根据权利要求33所述的系统，其中，所述光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)呈截头球形的第一表面，和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。
36.根据权利要求33所述的系统，其中，所述光学元件包括凹凸透镜。
37.根据权利要求33所述的系统，其中，所述透镜操作系统被构造为将所述光学元件横向偏心地定位在所述光束的路径内。
38.根据权利要求33所述的系统，还包括第二光学元件，该第二光学元件布置在所述聚焦透镜和所述工件之间，其中所述透镜操作系统被构造为改变该第二光学元件在所述光束的路径中的位置。
39.根据权利要求38所述的系统，其中，该第二光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)呈截锥形的第一表面，和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。
40.根据权利要求38所述的系统，其中，该第二光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)呈截头球形的第一表面，和(ii)与该第一表面相背的、基本为平面的第二表面。
41.根据权利要求38所述的系统，其中，该第二光学元件包括凹凸透镜。
42.根据权利要求21所述的系统，其中，所述光束成形器包括：
准直透镜，其用于使从所述光束发射器处接收到的光束准直；
聚焦透镜，其用于接收已准直的光束并将所述光束朝向所述工件聚焦；
第一光学元件和第二光学元件，其布置在所述光束源和所述准直透镜之间用于接收所述光束以及改变光束的形状；和
透镜操作系统，其用于改变以下内容中的至少一个：(i)该第一光学元件在所述光束的路径内的位置，(ii)该第二光学元件在所述光束的路径内的位置，或(iii)该第一光学元件和该第二光学元件之间的距离，
其中所述控制器被构造为控制所述透镜操作系统以改变光束形状。
43.根据权利要求42所述的系统，其中，(i)该第一光学元件包括双凹锥透镜和(ii)该第二光学元件包括双凸锥透镜。
44.根据权利要求42所述的系统，其中，所述透镜操作系统被构造为使该第一光学元件和该第二光学元件之间的距离在大约0毫米至大约20毫米的范围内变化。
45.根据权利要求42所述的系统，其中，
该第一光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)第一表面，其基本为平面，和(ii)第二表面，其与该第一表面相背，具有(a)凸出弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分；和
该第二光学元件包括透镜，所述透镜具有(i)第一表面，其基本为平面，和(ii)第二表面，其与该第一表面相背，具有(a)凹入弯曲的第一部分和(b)基本为平面的第二部分。
46.根据权利要求42所述的系统，其中，所述透镜操作系统被构造为将该第一光学元件或该第二光学元件中的至少一个横向偏心地定位在所述光束的路径内。
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