用于激光加工机的、在光导线缆插接装置中具有光学元件的光学系统的制作方法
【专利摘要】一种用于激光加工机的光学系统，包括光导线缆，具有用于将经耦合输入的激光射线传输到加工头的光导纤维和用于连接光导纤维与加工头的插接装置；加工头，具有用于容纳插接装置的插接装置容纳部和成像光学器件，成像光学器件在插接装置插入的情况下将从光导纤维出射的激光射线沿射线传播方向聚焦在加工头后面、尤其工件表面上用于加工工件；在光导线缆的插接装置中布置光学元件，其将光导纤维的纤维端面成像到中间焦点处；纤维端面在中间焦点处的成像小于纤维端面，从中间焦点出发的激光射线的发散度大于从纤维端面出射的激光射线的发散度；在插接装置插入的情况下加工头的成像光学器件将从中间焦点出发的激光射线沿射线传播方向聚焦在加工头后面。
【专利说明】
用于激光加工机的、在光导线缆插接装置中具有光学元件的 光学系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于激光加工机的光学系统，其包括
[0002] a)光导线缆，其具有用于将经耦合输入的激光射线传输到加工头的光导纤维并且 具有用于连接所述光导纤维与所述加工头的插接装置；
[0003] b)加工头，其具有用于容纳所述插接装置的插接装置容纳部并且具有成像光学器 件，所述成像光学器件在所述插接装置插入的情况下将从所述光导纤维出射的激光射线沿 射线传播方向聚焦在所述加工头后面、尤其聚焦在工件的表面上用于加工所述工件。
【背景技术】
[0004] 这种光学系统由WO 2006/015795A1获知。
[0005] 通过激光加工方法、尤其激光切割和激光焊接可以高精度地加工工件、尤其板材。
[0006] 在具有作为射线源的固体激光器的激光加工机的情况下，激光射线通常通过光导 纤维(也称传输纤维)从激光器到达激光加工机的激光加工头中。加工头对在纤维端面处从 光导纤维(或其纤维芯）出射的激光射线进行成像，尤其其中，激光射线被聚焦到待加工工 件的表面上。在此，在加工头中的成像光学器件与用于调节在加工过程的应用技术观点下 合适的焦点大小的成像关系相协调。待加工工件和加工头在激光加工期间精确地相对地互 相定位，以便确保高的加工质量。
[0007] 根据所希望的工件加工，对于使用者提供具有不同功率的激光器。近些年，在实际 中越来越多地希望，以更高的激光功率、例如大于5kW加工工件。
[0008] 纤维芯直径确定在光导纤维内的激光射线的辐射场的尺寸。待传输功率越高，在 光导纤维内的和在纤维端面处的功率密度就越高。在超出确定的边界值的情况下出现所不 希望的非线性效应，例如受激拉曼散射或受激布里渊散射。这可能影响功率传输的效率并 且导致光导纤维的损毁。
[0009] 因此，在用于激光加工机的现有的光学系统中，以加工头和所连接的光导线缆，不 可以任意提高所传输的激光功率;相反，在更高的所希望的激光功率的情况下必须转换到 更大的纤维芯直径。为了得到射线质量，在纤维芯直径增大的情况下可以减少到光导纤维 中的耦合发散度。但是一般而言，由于改变了的纤维芯直径，必须匹配在加工头中布置的成 像光学器件的成像关系，尤其以便保持在工件处所希望的射线直径。通常在增大结构长度 的情况下，这要求加工头的成像光学器件的费事的重新构造。
[0010] 由W0 2006/015795 A1获知一种具有激光工具的激光装置，激光射线通过具有纤 维插接装置的光波导体馈入到该激光工具中。激光射线通过散射光学器件、镜、准直光学器 件以及聚焦光学器件朝工件定向。在光波导体的端部处的导体耦合输出点与准直光学器件 的相对位置通过调节装置可调节。散射光学器件还通过调节装置在激光工具中可移动。借 助所述激光装置可以追踪焦斑并且保持所希望的大小的焦斑。
[0011] W0 2012/156678 A1描述了一种用于从激光器隔离光射线的设备。来自纤维线缆 的激光射线经过入口透镜通过光学隔离器被引导到出口插接装置，该出口插接装置在其端 部处设有第一透镜装置。出口插接装置插入到准直器中，在准直器的端部处设有第二透镜 装置，第二透镜装置产生经准直的具有预先确定的射线直径的激光射线。该设备可以与用 于经准直的激光射线的不同射线直径的不同准直器一起使用。
[0012] 由W0 2007/061543 A2获知，在光学纤维的端部处布置负透镜，尤其在端盖中，并 且在其后布置正透镜。由此，提供紧凑的准直透镜装置。
【发明内容】
[0013] 发明任务
[0014] 本发明基于以下任务:可以通过简单的方式将用于激光加工机的光学系统的加工 头与更高功率的激光器连接地使用，所述加工头设置用于对所插入的光导线缆的纤维端面 进行成像。
[0015] 发明的简短说明
[0016] 通过开始时提到的类型的光学系统解决该任务，其特征在于，在所述光导线缆的 插接装置中布置有光学元件，所述光导纤维的纤维端面成像到中间焦点处;所述纤维端面 在所述中间焦点处的成像小于所述纤维端面，并且从所述中间焦点出发的激光射线的发散 度DIVZW大于从所述纤维端面出射的激光射线的发散度DIVFE;并且在插接装置插入的情况 下，所述加工头的成像光学器件将从所述中间焦点出发的激光射线沿射线传播方向聚焦在 所述加工头后面。
[0017] 在本发明的范围内设置，通过插接装置的（至少一个)光学元件如此匹配从光导线 缆的插接装置中的光导纤维的纤维端面出发的激光射线，使得纤维端面在中间焦点处的成 像相应于定位在中间焦点处的虚拟光导纤维的特性，所述定位在中间焦点处的虚拟光导纤 维具有更小的纤维端面(也就是说具有更小直径的纤维芯)并且具有在虚拟光导纤维中引 导的激光射线的更大的发散度。
[0018] 通过根据本发明的系统，设计用于具有更小的纤维芯和激光射线的更大的发散度 的光导纤维的加工头也可以与具有更大的纤维芯、激光射线的更小的发散度的光导纤维以 及具有光学元件的插接装置一起使用，其中，不必改变加工头中的成像光学器件。尤其可以 在相同地定位在加工头后方的工件处得到相同的射线直径。
[0019] 纤维芯的直径和在其中引导的激光射线的发散度作为因子被采用到激光射线的 射线参数积(其是用于激光射线的光学亮度和衍射限制性的尺度）中。相应地，借助根据本 发明的光学系统可能的是，在保持射线参数积的情况下从在插接装置处光导纤维的不同的 纤维芯直径出发调节虚拟纤维尺寸。基于在具有光学元件的插接装置中的光导纤维中的更 大的纤维芯，可以传输所连接的激光器的更大的功率并且将其用于工件加工。
[0020] -般而言，在根据本发明的光学系统中，可以在同一加工头上应用具有不同直径 的纤维芯的并且因此适合于不同激光功率的光导线缆，而不改变整个系统的成像特性、尤 其在通过激光射线照射工件时的几何关系。所述光学系统能即插即用，也就是说，可以在加 工头处简单地换插具有不同纤维芯直径的光导线缆。注意到，在此尤其所述光学系统关于 焦距和在插接装置中的位置以及纤维端面关于纤维端面在插接装置中的位置必须互相协 调或者必须匹配于相应的应用，尤其匹配于所连接的光导线缆的纤维芯直径。
[0021]可以替代设置用于保护光导纤维以防污垢的平的保护窗地或者也可以对于平的 保护窗附加地使用在插接装置处的光学元件。
[0022]优选地，所述光学元件不引起激光射线的射线质量的改变。为了获得衍射受限的 发散度转换，在光学元件处可以应用非球化曲率半径。特别优选地，应用具有高热导性和小 热光学系数的高折射衬底。
[0023]所述加工头包括一个或多个光学元件、尤其透镜。插接装置的光学元件通常由石 英、蓝宝石、CaF2、BaF2或ZnS制造。插接装置通常包括恰好一个光学元件;但也可能的是，设 置另外的光学元件(在所述光学元件前方），其在纤维端面的成像中共同起作用。
[0024]发明的优选实施方式
[0025]在根据本发明的光学系统的一种特别有利的实施方式中，中间焦点是在所述光导 线缆的插接装置内的虚拟中间焦点。因此，所述中间焦点位于光学元件的与纤维端面相同 的一侧。通过这种方式，实现插接装置的小的结构大小。
[0026]也优选的是一种实施方式，其设置，加工头的所述成像光学器件包括准直透镜或 准直透镜组和聚焦透镜或聚焦透镜组，并且在插接装置插入的情况下所述中间焦点以一距 离AB位于所述准直透镜或准直透镜组的前方，所述距离相应于所述准直透镜的或准直透镜 组的焦距BW。同样优选的是一种实施方式，其设置，加工头的成像光学器件包括准直透镜或 准直透镜组和聚焦透镜或聚焦透镜组，其中，所述准直透镜或准直透镜组和/或所述聚焦透 镜或聚焦透镜组能够在所述加工头中移动，并且在插接装置插入的情况下所述中间焦点在 准直透镜或准直透镜组和聚焦透镜或聚焦透镜组的至少一个位置处以一距离位于所述准 直透镜或准直透镜组前方，所述距离相应于所述准直透镜或准直透镜组的焦距。准直透镜 或准直透镜组在该定位的情况下产生平行射线，平行射线通过聚焦透镜或聚焦透镜组聚 焦，通常聚焦在待加工工件的表面处或在表面略下方。
[0027] 有利地，在光学系统的一种实施方式中，在插接装置中设置有恰好一个光学元件。 由此，插接装置的结构变得特别简单;尤其插接装置中的仅仅该一个光学元件(附加于纤维 端面)需要相对于加工头(或加工头的成像光学器件)定位。在实际中，在插接装置的参考面 处实现定位，参考面在插入的状态下贴靠插接装置容纳部的或通常加工头的对应面(止挡 面)。
[0028] 在一种有利的实施方式中，光学元件是发散透镜或会聚透镜。这种透镜是成本有 利的、稳健的且可以容易地集成在插接装置中。借助发散透镜可以调节虚拟中间焦点并且 因此可以调节特别紧凑的结构。
[0029]也优选是一种实施方式，其设置，如此选择插接装置中的光学元件的焦距f和光学 元件相对于纤维端面的距离a，使得对于从所述中间焦点出发的激光射线的发散度DIVZW适 用：
[0031] 该用于DIVZW的上边界被证明对于成像误差的避免是有利的，从而可以确保在工 件处的良好的加工质量。
[0032] 同样优选的是一种实施方式，其中，对于所述插接装置的光学元件的焦距f以及所 述光学元件相对于所述纤维端面的距离a适用：
[0033] -1000mm<f<-4mm，并且
[0034] 6mm<a< 100mm
[0035]负焦距f表示，光学元件具有发散特性(并且例如构造成负透镜）。这些范围同样在 实际中被证明是有利的，以便在激光射线的纤维出射发散度的、同时衍射受限的变换的情 况下得到紧凑的插接装置。在这些范围中还可以实现与多种类型的加工头的兼容性。
[0036]根据本发明的组合部件
[0037] 在本发明的范围内，也涉及用于组装用于激光加工机的光学系统的组合部件，所 述组合部件包括：
[0038] a)不同类型TLKi的光导线缆，其中，i:类型索引，分别具有用于将经耦合输入的激 光射线传输到加工头的光导纤维和用于连接所述光导纤维与所述加工头的插接装置， [0039]其中，所述类型TLKi的光导线缆的至少一部分在所述插接装置中具有光学元件， 其中，所述不同类型TLKi的光导线缆具有不同的纤维芯直径DMFKi ;
[0040] b) -种类型TBK的加工头，其具有用于容纳所有类型TLKi的光导线缆的插接装置 的插接装置容纳部并且具有成像光学器件，所述成像光学器件在插接装置插入的情况下将 从所述相应的光导纤维出射的激光射线沿射线传播方向聚焦在所述加工头后面；
[0041] C)对于每种类型TLKi的光导线缆一种独特的、所分配的类型TEKi的耦合输入装 置，借助所述耦合输入装置激光器的激光辐射耦合输入到所述光导线缆的光导纤维中，并 且借助所述耦合输入装置所述光导纤维中得到在经耦合输入的激光辐射的独特的发散角 DIVFEi,
[0042] 其中，在所有类型TLKi的光导线缆中所述纤维端面在所述插接装置中的位置和/ 或所述光学元件在所述插接装置中的位置和/或所述插接装置中的光学元件的焦距fi如此 选择，使得
[0043] -相对于所述插接装置(6)的参考面(9)得到所述光导纤维（5)的纤维端面（12)的 或所述纤维端面的通过所述插接装置(6)中的光学元件（13)在中间焦点（14)处的成像的相 同位置P0S);
[0044]-在所述位置P0S处得到所述纤维端面的相同大小DMFKi或在所述位置P0S处得到 所述纤维端面的成像的相同大小DMZWi ;
[0045] -以及得到在所述位置P0S处从所述纤维端面出射的激光射线的相同发散度 DIVFEi或得到在所述位置P0S处从所述中间焦点出发的激光射线的相同发散度DIVZWi。
[0046] 由所述组合部件尤其可组装在上面示出的、根据本发明的光学系统。由所述组合 部件，可以根据需要(也就是说根据用于传输所希望的激光功率的纤维芯的需要的直径)选 择一种合适的类型TLKi的光导线缆并且以其插接装置插入到加工头的插接装置容纳部中。 对于所选择的类型TLKi的光导线缆选择适配类型TEKi的耦合输入装置，借助所述类型TEKi 的耦合输入装置将激光射线耦合输入到光导纤维中。借助不同的、借助组合部件组装的光 学系统(包括所属耦合输入装置），在确定的边界值内得到激光射线的相似的射线质量，从 而这不显著地影响在工件处的激光射线的射线几何尺寸。真实纤维端面的或虚拟纤维端面 的位置和大小以及从纤维端面或从中间焦点出发的激光射线的发散度是统一的。因此，对 于所有所组装的光学系统，激光射线可以以几乎相同的射线几何形状成像在工件处。对于 所有类型TLKi的光导线缆，尤其可以如此选择所属类型TEKi的耦合输入装置，使得在纤维 端面处得到激光射线的相同的射线质量SPP，其中，DIVFE i *DMFK i * 1 /4 = SPP。
[0047] 因此，基于所述类型的光导线缆的和所属耦合输入装置的选择(或基于其之间的 更换），在加工头的成像光学器件方面或对于加工头的相对于工件的加工位置不需要后调 准或重新设计。由此，通过简单的方式，加工头可以广泛地与不同的纤维芯直径或者与不同 的激光功率一起应用。
[0048] 在根据本发明的组合部件的一种优选的实施方式中，所述组合部件还包括：
[0049] d)不同类型TLAi的激光器，其中，i:类型索引，尤其其中，对于每种类型TLKi的光 导线缆设置一种由类型TLAi的激光器与类型TEKi的耦合输入装置组成的独特的、所分配的 组合，其中，所述不同类型TLAi的激光器至少在其激光功率方面不同。
[0050] 那么，对于具有不同激光功率的激光器可以组装不同的光学系统，尤其以便避免 光导纤维的通过非线性效应引起的传输损耗或损害。更大的激光功率的激光器通常以具有 更大的纤维芯直径的光导纤维的光导线缆运行。在本发明的范围内，也可以应用具有高于 5kW、尤其为8kW或更高的激光功率的激光器。
[0051] 优选的是一种实施方式，其中，在一种类型TLKi的光导线缆的情况下，所述插接装 置不具有光学元件地构造，并且所述纤维端面相对于所述插接装置的参考面布置在所述位 置P0S处。对于这种类型，加工头通常设计成原始的。插接装置在此特别简单，因为不需要用 于成像纤维端面的光学元件。但可能的是，在这种插接装置中设置非光学有效的、平面平行 的保护窗。通常，在这种类型的光导线缆中不安装光导纤维的最小直径的纤维芯。
[0052]同样优选的是一种实施方式，其中，至少两种类型TLKi的光导线缆在所述插接装 置中构造有光学元件。在这种情况下，这种类型的光导线缆可以更精确地匹配待使用的激 光功率。
[0053]还优选的是一种实施方式，其中，在具有光学元件的所有类型TLKi的光导线缆的 情况下，为了调节从所述中间焦点出发的激光射线的发散度DIVZWi，所述光学元件在所述 插接装置中如此定位并且所述光学元件的焦距fi以及所述光学元件相对于所述纤维端面 的距离ai如此选择，使得对于从所述中间焦点出发的激光射线的发散度DIVZWi适用：
[0055] 该用于DIVZW的上边界被证明对于成像误差的避免是有利的，从而可以确保在工 件处的良好的加工质量。
[0056] 在本发明的范围内，还涉及一种根据本发明的组合部件的应用，所述组合部件用 于组装根据本发明的光学系统。
[0057] 本发明的另外的优点从说明书和附图中得到。同样，上面提到的和再列举的特征 根据本发明分别单独地或以多个任意组合地使用。所示出的和描述的实施方式不应理解穷 举，而是具有对于本发明的描述而言的示例性的特性。
【附图说明】
[0058]在附图中示出并且根据实施例详细阐述本发明。附图示出：
[0059] 图1:在插接装置插入的情况下根据本发明的光学设备的示意性横截面；
[0060] 图2:图1的光学设备的示意性横截面，所述光学设备连接到具有耦合输入装置的 激光器上；
[0061] 图3:三个光学系统的示意性的横截面示图，所述三个光学系统由根据本发明的组 合部件组装。
【具体实施方式】
[0062] 图1在截面图中沿激光射线1的传播方向（在图1中从左向右)示出根据本发明的用 于激光加工机的光学系统2,其包括光导线缆3和加工头4。光导线缆3包括光导纤维5和插接 装置6，其中，光导纤维5在插接装置6中例如通过夹紧来固定。
[0063] 插接装置6保持在加工头4的插接装置容纳部8中，其中，参考面9在插接装置6的肩 部处贴靠加工头4的止挡面10并且由此插接装置6相对于加工头4限定地定位。
[0064] 在光导纤维5的纤维端面12处，激光射线la从光导纤维5的纤维芯11出射，所述激 光射线在此具有发散度DIVFE。
[0065]通过固定地布置在插接装置6中的光学元件13(在此负透镜)将激光射线la扩展成 激光射线lb。经扩展的激光射线lb具有发散度DIVZW，其大于在从纤维端面12出射时的发散 度DIVFE。光学元件13将纤维端面12成像在中间焦点14处。因为该中间焦点14位于光学元件 13前方，即位于光学元件的与纤维端面12相同的一侧，所以将该中间焦点14称为虚拟中间 焦点14。对于在光学元件13后方的观察者而言，激光射线lb好像从中间焦点14出发。成像在 虚拟中间焦点14处的纤维端面在此显得相比真实纤维端面12具有比更小的直径;优选地， 成像尺度是1/3或更大(在图1中未详细图示，但对此见图3)。
[0066] 光学元件13以一距离a沿射线传播方向位于纤维端面12后面。中间焦点14以一距 离A z位于纤维端面12后方。
[0067]加工头6在其内部具有在该例子中固定地布置的准直透镜15,其将激光射线lb改 型成经准直的激光射线lc。为此，准直透镜15布置在离中间焦点14的距离AB处，该距离相应 于准直透镜15的焦距。然后借助在此固定地布置的聚焦透镜16,将经准直的激光射线lc改 型成经聚焦的激光射线Id。准直透镜15和聚焦透镜16构成加工头4的成像光学器件18。激光 射线Id的焦点（焦斑）17沿射线传播方向位于加工头4后方，通常在待加工工件（未详细示 出）的表面处。观察到，替代地，准直透镜15和/或聚焦透镜16也可以移动地沿加工头6的光 学轴线0A支承，其中，在图1中示出的定位可以通过合适的机械装置调节(未详细示出）。 [0068]发明概要
[0069] 在本发明的范围内，光学元件13布置在光导线缆3的插接装置6中，例如其方式是， 为在插接装置6中布置的保护窗给定光学作用，尤其通过设置在保护窗的面上的曲率半径、 通过施加衍射结构或通过改变在所述面上的折射率。由此，如此变换从纤维端面12出发的 辐射la，使得不必改变激光加工头4的设计用于更小的纤维芯直径的成像光学器件18。光学 元件13在插接装置出口处产生激光射线lb，正如其从具有更小的纤维芯直径的纤维出射一 样，也就是说，通过根据本发明的具有光学元件13的纤维插接装置6模仿从具有更小的纤维 芯直径的纤维5出射的射线的射线特性。通过这种方式，根据本发明的光学系统2变得能"即 插即用"，也就是说，具有不同纤维芯直径的光导线缆3或光导纤维5可以在加工头4处简单 地被换插。
[0070] 在光学元件13后面的射线lb的远场发散度DIVZW与从纤维5出射的射线la的发散 度DIVFE且与光学元件13的焦距f?以及与光学元件13相对于纤维端面12的距离a相关：
[0072]从(虚拟）中间焦点14出发的激光射线lb如同从具有更小的纤维芯直径出发的射 线那样作用于加工头4中的成像光学器件18。
[0073]激光射线1的射线参数积SPP--其通过纤维芯直径DMFK和不具有光学元件时射 出的远场发散度DIVFE依据 [0074] DIVFE*DMFK*1/4 = SPP
[0075]确定，在从DIVFE到DIVZW的发散度转换之后保持：
[0076] SPP = DIVFE*DMFK*1/4 = DIVZff*DMZff*1/4
[0077] 其中，DMZW表示纤维芯在中间焦点14处的成像的直径。
[0078] (虚拟）中间焦点14与真实纤维端面不位于同一地点，而是具有离纤维端面12的距 离A z〇
[0080]这在纤维端面12和光学元件13布置在纤维插接装置6内时必须被考虑。纤维插接 装置6必须足够长，以便能够实现:纤维端面12从设计位置移动A z，加工头4的结构从所述 设计位置出发。因此，以下优选地适用于在设计位置前方的长度1，在纤维插接装置6的设计 中必须提供该长度：
[0082] 如果具有不同纤维芯直径的光导纤维（传输纤维）5在自身的加工头4处应能够简 单地更换，则纤维插接装置6必须具有参考面9，当插接装置6固定在加工头4处时，该参考面 相对于布置在加工头4中的光学元件(透镜15、16)总是具有相同的距离。相对于该参考面9， 纤维端面(在不具有光学有效保护窗的情况下)或者虚拟中间焦点14(在插接装置中使用光 学元件的情况下）同样总是具有相同的距离。
[0083] 具有耦合输入装置和激光器的光学系统的实施方式
[0084] 图2示出如同例如在图1中示出的根据本发明的光学系统2,其连接到激光器20(在 此，固体激光器)上。激光器20发射激光射线le，该激光射线通过耦合输入装置21耦合输入 到光导纤维5的前端部22中。通过耦合输入装置21在此确定经耦合输入的激光辐射If?的发 散度，所述发散度相应于在光导纤维5的纤维端面12处的发散度DIVFE(对比图1)。发散度 DIVFE在此与光导纤维的纤维芯的直径相协调，以便在光导纤维5中和在光导纤维5后方得 到激光射线的确定的射线参数积SPP。
[0085]因此对于确定类型TLKi的光导线缆3,分别设置一种独特类型TEKi的耦合输入装 置21。通常，也还对于每种类型TLKi的光导线缆3设置一种独特的类型TEKi、TLAi的耦合输 入装置21和激光器20,激光器的激光功率与在所属类型TLKi的光导线缆3中的纤维芯直径 相协调。
[0086] 根据本发明的组合部件和由此可组装的光学系统
[0087] 根据本发明，对于确定的加工头提供多种类型的光导线缆和耦合输入装置、通常 地也提供激光器，其可以和加工头一起使用，而不改变在以加工头在工件处进行激光加工 时的几何辐射关系。
[0088] 图3示意性地示出具有不同类型TLK1、TLK2、TLK3的光导线缆3的三个不同的光学 系统，所述三个光学系统可以与同样类型TBK的加工头4 一起使用。
[0089] 在第一类型TLK1的光导线缆3的情况下，成像系统18的准直透镜15直接成像光导 线缆5的纤维端面12。在具有直径DMFK1的纤维芯11的纤维端面12处出射的、具有发散度 DIVFE的激光射线la不经过插接装置6中的光学有效元件地到达准直透镜15。纤维端面12在 此位于轴向位置P0S处(该位置在此与插接装置6的参考面9的轴向位置重合，参考面贴靠加 工头4的止挡面10)。位置P0S还以一距离AB布置在准直透镜15前方，该距离相应于准直透镜 15的焦距。
[0090] 与第一类型TLK1的光导线缆3连接的激光器例如具有3kW的激光功率。
[0091] 在第二类型TLK2的光导线缆3的情况下，纤维端面12由具有焦距f2的光学元件13 成像到虚拟中间焦点14处。光导纤维5的或者说其纤维芯11的纤维芯直径DMFK2大于第一类 型TLK1的纤维芯直径DMFK1。
[0092]代替在纤维端面12处的发散度DIVFE2(其通过在此未示出的用于类型TLK2的耦合 输入装置确定，对比图2 )，在中间焦点14处出发的激光射线lb具有更大的发散度DIVZW2。然 而，发散度DIVZW2等于第一类型TLK1的发散度DIVFE1。
[0093]纤维端面在中间焦点14处的成像的大小(直径)DMZW2还等于第一类型TLK1的纤维 芯直径DMFK1。
[0094]中间焦点14位于轴向位置P0S处(该轴向位置在此如同已经提及的那样相应于参 考面9的轴向位置）。纤维端面12以一距离A Z2位于位置P0S前方，并且在光学元件13与纤维 端面12之间存在距离a2。
[0095]与第二类型TLK2的光导线缆3连接的激光器例如具有6kW的激光功率。
[0096]在第三类型TLK3的光导线缆3的情况下，纤维端面12由具有焦距f3的光学元件13 成像到中间焦点14处。光导纤维5的或者说其纤维芯11的纤维芯直径DMFK3大于第二类型 TLK2的纤维芯直径DMFK2。
[0097]代替在纤维端面12处的发散度DIVFE3(其通过在此未示出的用于类型TLK3的耦合 输入装置确定，对比图2 )，在中间焦点14处出发的激光射线lb具有更大的发散度DIVZW3。发 散度DIVZW3又等于第一类型TLK1的发散度DIVFE1。
[0098]纤维端面在中间焦点14处的成像的大小(直径)DMZW3还又等于第一类型TLK1的纤 维芯直径DMFK1。
[0099]中间焦点14同样位于轴向位置P0S处（该轴向位置在此如同已经提及的那样相应 于参考面9的轴向位置）。纤维端面12以一距离A Z3位于位置P0S前方处，并且在光学元件13 与纤维端面12之间存在距离a3。
[0100] 与第三类型TLK3的光导线缆3连接的激光器例如具有9kW的激光功率。
[0101] 加工头4通常原始地设计用于具有纤维芯直径DMFK1的第一类型TLK1的光导线缆 3;在此通过未示出的、第一类型TEK1的耦合输入装置确定发散度DIVFE1 (对比图2)。在这些 条件下，得到借助成像光学器件18确定的、在工件30处的成像关系，整个激光加工机设置到 该成像关系上，例如涉及待加工工件相对于加工头4的定位。
[0102] 相对小的纤维芯直径DMFK1限制了在工件30的激光加工时可用的激光功率。对于 更高的激光功率或对于更大纤维芯直径DMFK2或DMFK3的使用，根据本发明过渡到类型TLK2 或TLK3的光导线缆3中的一种，其中，相应的插接装置6设有光学元件13。在此可以根据本发 明如下进行相应的插接装置6的设计：
[0103] 在恒定的、已知的射线参数积SPP的情况下，在所希望的更大的纤维芯直径DMFKi (其中，i = 2或者3)的情况下，通过以下关系得到比在第一类型TLK1的光导线缆3的情况下 更小的所属发散度DIVFEi。
[0104] DIVFEl*DMFKl*l/4 = DIVFEi*DMFKi*l/4。
[0105]该发散度DIVFEi必须通过相应类型TEKi的耦合输入装置提供并且因此已知。
[0106]通过光学元件13的成像，在中间焦点14处应得到激光射线lb的（增大的）发散度 DIVZWi，其等于发散度DIVFE1。在此存在对于距离ai与焦距f i的根据以下的关系：
[0108] 以及相应地
（1)
[0109]此外，光学元件13在插接装置6中如此定位并且光学元件13的焦距fi和光学元件 13相对于纤维端面12的距离ai如此选择，使得对于从中间焦点出发的激光射线lb适用：
(2)
[0111] 在通过这两个数学关系确定的值空间内例如如此选择距离ai，使得激光射线lb在 光学元件13上的功率密度与激光射线la在插接装置6中在用于第一类型TLK1的光导线缆3 的非光学有效的平面平行的保护窗(未示出）上的功率密度一样高。通过确定距离ai，由等 式1得到光学元件13的所属焦距fi。
[0112] 必须如此确定插接装置6的长度，使得类型TLK2、TLK3的光导线缆3的纤维端面12 在相对于位置P0S移动根据
[0114]的A Zi后还总是布置在插接装置6内。
[0115]在插接装置中具有光学元件的相应地构造的类型TLKi的光导线缆、通常与在插接 装置中不具有光学元件的第一类型TLK1、还与所属类型TEKi的耦合输入装置、优选也与所 属类型TLAi的激光器、以及与一种类型TBK的加工头一起构成组合部件，由所述组合部件可 以组装不同的光学系统，借助所述组合部件可以加工工件，其中，始终能够应用相同类型 TBK的加工头。
[0116]配备有光学系统的激光加工机一一其由根据本发明的组合部件组装，尤其可以用 于切割和焊接金属工件，例如板材。
[0117] 附图标记列表
[0118] 1 激光射线
[0119] la 在纤维端面后面的激光射线
[0120] lb 在中间焦点后面的激光射线、
[0121] lc 在准直透镜后面的激光射线
[0122] Id 在聚焦透镜后面的激光射线
[0123] le 在激光器后面的激光射线
[0124] If 在耦合输入装置后面的激光射线
[0125] 2 光学系统
[0126] 3 光导线缆
[0127] 4 加工头
[0128] 5 光导纤维
[0129] 6 插接装置
[0130] 8 插接装置容纳部
[0131] 9 参考面
[0132] 1〇 止挡面
[0133] 11 纤维芯
[0134] 12 纤维端面
[0135] 13 光学元件
[0136] 14 中间焦点
[0137] 15 准直透镜
[0138] 16 聚焦透镜
[0139] 17 焦点/焦斑
[0140] 18 成像光学器件
[0141] 20 激光器
[0142] 21 耦合输入装置
[0143] 22 光导纤维前端面
[0144] 30 工件
[0145] a 纤维端面相对于光学元件的距离(必要时有索引）
[0146] AB 中间焦点相对于准直透镜的距离
[0147] BW 准直透镜的焦距
[0148] DIVFE 在纤维端面后面的发散度/在耦合输入装置后面的发散
[0149] 度(必要时有索引）
[0150] DIVZW 在中间焦点后面的发散度(必要时有索引）
[0151] DMFK 纤维芯的直径/大小(必要时有索引）
[0152] DMZW 在中间焦点处的所成像的纤维芯直径/大小(必要时有
[0153] 索引）
[0154] f 光学元件的焦距(必要时有索引）
[0155] i 类型索引
[0156] 〇A 光学轴线
[0157] TBK 加工头类型
[0158] TEKi 耦合输入装置类型（i = l，2,3)
[0159] TLAi 激光器类型（i = l，2,3)
[0160] TLKi 光导线缆类型（i = l，2,3)
[0161] P〇S 纤维端面(不具有光学元件的类型）的或中间焦点(具有
[0162] 光学元件的类型）的统一位置
[0163] AZ 纤维端面相对于中间焦点的距离(必要时有索引）
【主权项】
1. 一种用于激光加工机的光学系统(2)，其包括 a) 光导线缆(3)，其具有用于将经耦合输入的激光射线（l，lf)传输到加工头(4)的光导 纤维(5)并且具有用于连接所述光导纤维(5)与所述加工头(4)的插接装置(6); b) 加工头(4)，其具有用于容纳所述插接装置(6)的插接装置容纳部(8)并且具有成像 光学器件（18)，所述成像光学器件（18)在所述插接装置(6)插入的情况下将从所述光导纤 维（5)出射的激光射线（Ia)沿射线传播方向聚焦在所述加工头(4)后面、尤其聚焦在工件 (30)的表面上用于加工所述工件， 其特征在于， 在所述光导线缆(3)的插接装置(6)中布置有光学元件（13)，所述光导纤维（5)的纤维 端面(12)成像到中间焦点（14)处； 所述纤维端面在所述中间焦点（14)处的成像小于所述纤维端面（12)，并且从所述中间 焦点（14)出发的激光射线（Ib)的发散度DIVZW大于从所述纤维端面（12)出射的激光射线 (Ia)的发散度DIVFE; 并且在插接装置(6)插入的情况下，所述加工头(4)的成像光学器件（18)将从所述中间 焦点（14)出发的激光射线（Ib)沿射线传播方向聚焦在所述加工头(4)后面。2. 根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(2)，其特征在于，所述中间焦点（14)是 在所述光导线缆(3)的插接装置(6)内的虚拟中间焦点（14)。3. 根据以上权利要求中任一项所述的光学系统（2)，其特征在于，所述加工头(4)的所 述成像光学器件（18)包括准直透镜（15)或准直透镜组和聚焦透镜（16)或聚焦透镜组，并且 在插接装置(6)插入的情况下所述中间焦点（14)以一距离(AB)位于所述准直透镜（15)或准 直透镜组的前方，所述距离相应于所述准直透镜（15)的或准直透镜组的焦距(BW)。4. 根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(2)，其特征在于， 所述加工头(4)的成像光学器件（18)包括准直透镜（15)或准直透镜组和聚焦透镜（16) 或聚焦透镜组， 其中，所述准直透镜（15)或准直透镜组和/或所述聚焦透镜（16)或聚焦透镜组能够在 所述加工头中移动， 并且在插接装置(6)插入的情况下所述中间焦点（14)在准直透镜（15)或准直透镜组和 聚焦透镜（16)或聚焦透镜组的至少一个位置处以一距离(AB)位于所述准直透镜（15)或准 直透镜组前方，所述距离相应于所述准直透镜（15)或准直透镜组的焦距(BW)。5. 根据以上权利要求中任一项所述的光学系统（2)，其特征在于，在所述插接装置(6) 中设置有恰好一个光学元件(13)。6. 根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(2)，其特征在于，所述光学元件（13)是 发散透镜或会聚透镜。7. 根据以上权利要求中任一项所述的光学系统(2)，其特征在于，如此选择所述插接装 置(6)中的所述光学元件（13)的焦距f和所述光学元件相对于所述纤维端面（12)的距离a， 使得对于从所述中间焦点（14)出发的激光射线（Ib)的发散度DIVZW适用：8. 根据以上权利要求中任一项所述的光学系统（2)，其特征在于，对于所述插接装置 (6)的光学元件（13)的焦距f以及所述光学元件（13)相对于所述纤维端面（12)的距离a适 用，9. 一种用于组装用于激光加工机的光学系统(2)的组合部件，所述组合部件包括： a) 不同类型TLKi (TLKl，TLK2，TLK3)的光导线缆(3)，其中，i:类型索引，分别具有用于 将经耦合输入的激光射线（l，lf)传输到加工头(4)的光导纤维(5)和用于连接所述光导纤 维(5)与所述加工头(4)的插接装置(6)， 其中，所述类型TLKi (TLK2，TLK3)的光导线缆(3)的至少一部分在所述插接装置(6)中 具有光学元件（13)，其中，所述不同类型TLKi (TLKl，TLK2，TLK3)的光导线缆(3)具有不同的 纤维芯直径DMFKi(DMFK1，DMFK2，DMFK3); b) -种类型TBK的加工头(4)，其具有用于容纳所有类型TLKi (TLKl，TLK2，TLK3)的光导 线缆(3)的插接装置(6)的插接装置容纳部(8)并且具有成像光学器件（18)，所述成像光学 器件在插接装置(6)插入的情况下将从所述相应的光导纤维(5)出射的激光射线（Ia)沿射 线传播方向聚焦在所述加工头(4)后面； c) 对于每种类型TLKi(TLKl，TLK2，TLK3)的光导线缆（3)-种独特的、所分配的类型 TEKi的耦合输入装置(21 )，借助所述耦合输入装置激光器(20)的激光辐射（I e)耦合输入到 所述光导线缆(3)的光导纤维(5)中，并且借助所述耦合输入装置在所述光导纤维(5)中得 到经耦合输入的激光辐射(If)的独特的发散角DIVFEi(DIVFEl，DIVFE2，DIVFE3)， 其中，在所有类型TLKi (TLKl，TLK2，TLK3)的光导线缆(3)中所述纤维端面（12)在所述 插接装置(6)中的位置和/或所述光学元件（13)在所述插接装置(6)中的位置和/或所述插 接装置(6)中的光学元件(13)的焦距fi如此选择，使得 -相对于所述插接装置(6)的参考面(9)得到所述光导纤维(5)的纤维端面（12)的或所 述纤维端面的通过所述插接装置(6)中的光学元件（13)在中间焦点（14)处的成像的相同位 置POS); -在所述位置POS处得到所述纤维端面（12)的相同大小DMFKi (DMFK1)或在所述位置POS 处得到所述纤维端面的成像的相同大小DMZWi (DMZW2，DMZW3); -以及得到在所述位置POS处从所述纤维端面（12)出射的激光射线（Ia)的相同发散度 DIVFEi (DIVFE1)或得到在所述位置POS处从所述中间焦点（14)出发的激光射线（Ib)的相同 发散度 DIVZWi (DIVZW2，DIVZW3)。10. 根据权利要求9所述的组合部件，其中，对于具有所属类型TEKi的耦合输入装置 (21)的所有类型TLKi (TLKl，TLK2，TLK3)的光导线缆(3)在所述纤维端面（12)处得到所述激 光射线（Ia)的相同射线质量SPP，其中，DIVFEi*DMFKi*l/4 = SPP。11. 根据权利要求9或10所述的组合部件，其特征在于，所述组合部件还包括： d) 不同类型TLAi的激光器（20)，其中，i:类型索引，尤其其中，对于每种类型TLKi (TLKl，TLK2，TLK3)的光导线缆(3)设置一种由类型TLAi的激光器(20)与类型TEKi的耦合输 入装置(21)组成的独特的、所分配的组合，其中，所述不同类型TLAi的激光器(20)至少在其 激光功率方面不同。12. 根据权利要求9、10或11所述的组合部件，其特征在于，在一种类型TLKi (TLKl)的光 导线缆（3)的情况下，所述插接装置(6)不具有光学元件（13)地构造，并且所述纤维端面 (12) 布置在相对于所述插接装置(6)的参考面(9)的位置POS处。13. 根据以上权利要求9至12中任一项所述的组合部件，其特征在于，至少两种类型 TLKi (TLK2，TLK3)的光导线缆(3)在所述插接装置(6)中构造有光学元件(13)。14. 根据以上权利要求9至13中任一项所述的组合部件，其特征在于，在具有光学元件 (13) 的所有类型TLKi (TLK2，TLK3)的光导线缆(3)的情况下，为了调节从所述中间焦点（14) 出发的激光射线（Ib)的发散度DIVZWi(DIVZW2，DIVZW3)，所述光学元件（13)在所述插接装 置(6)中如此定位并且所述光学元件（13)的焦距fi以及所述光学元件（13)相对于所述纤维 端面(12)的距离ai如此选择，使得对于从所述中间焦点（14)出发的激光射线（Ib)的发散度 DIVZWUDTVZW2,DTVZW3)话用，15. -种根据权利要求9至14中任一项所述的组合部件的应用，所述组合部件用于组装 根据权利要求1至8中任一项所述的光学系统(2)。
【文档编号】B23K26/064GK106001916SQ201610166440
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】J·M·魏克, J·布劳恩, D·韦斯, D·布格尔, A·保罗
【申请人】通快机床两合公司