用于使具有未限定的偏振状态的激光束偏振的设备和方法与流程

本发明涉及激光加工领域。本发明尤其涉及一种用于使激光束偏振的设备和方法、以及一种包括该设备的激光加工设施。

背景技术：

1、当利用激光束加工材料时，所述激光束的偏振起到重要作用。通过激光束的限定的偏振状态，能够以有针对性的方式利用激光束与工件之间的某些相互作用，例如以便通过经匹配的(例如，增加的)激光辐射吸收来优化输入到工件中的能量。

2、目前在通过固态激光器进行在材料加工时，大多利用非偏振辐射。这尤其是因为以下事实：将原始激光束从激光源引导到加工光学单元并且典型地具有至少20m的长度的传输光纤不能够传输限定的偏振状态。

3、尽管激光加工设施的加工光学单元中的激光束的偏振可以是非偏振的或随机偏振的，但这通常伴随着显著的能量损失。例如，没有限定的偏振状态的激光束可以通过分束器分成两个偏振的部分射束。由于不能够容易地将两个部分射束组合成偏振的加工射束(或输出激光束)，因此仅使用部分射束之一作为工作射束。因此，输入激光束的能量的大约50％损失掉。

4、cn 1484065 a描述了一种设备，其中入射的非偏振光束被分成两个不同偏振的部分射束，这两个部分射束通过光学元件重新组合。入射的光束通过双折射元件分束。部分射束之一的偏振状态被波片(wellenplatte，也写作)旋转，使得两个部分射束具有相同的偏振状态。然后，这两个部分射束经由透镜和k形棱镜重新组合。

5、该设备的主要缺点在于所得的输出射束不具有限定的、均匀的射束剖面。本质上，这两个部分射束继续以空间相邻或部分重叠的方式存在，而不“混合”以形成共同的输出射束。

6、本发明的任务是改进现有技术。尤其应当能够以不损失功率的方式修改不具有限定的偏振状态的输入激光束，使得所述输入激光束具有限定的偏振状态。

技术实现思路

1、为了解决本发明所基于的问题，根据一个方面，提供了一种用于使输入激光束偏振的设备，其中输入激光束具有未限定的偏振状态。该设备包括分束器装置，该分束器装置构造用于将输入激光束分成具有第一限定的偏振状态的第一部分射束和具有第二限定的偏振状态的第二部分射束。进一步地，该设备包括偏振改变元件，该偏振改变元件用于改变这些偏振的部分射束之一的偏振状态，使得这两个部分射束具有相同的限定的偏振状态。该设备包括聚焦元件和导光元件(lichtleitelement)。聚焦元件构造用于将这两个部分射束输入耦合到导光元件中，以便将这些部分射束(通过导光元件)组合成输出激光束，同时维持(部分射束的)限定的偏振状态。

2、名称“输入激光束”、“第一部分射束”、“第二部分射束”和“输出激光束”可以优选地涉及相同的激光束在激光束的射束路径中的不同位置处的不同状态。在这方面的不同名称仅用于区分激光束在通过根据本发明的设备之前或之后的各种状态或特性。

3、令人惊讶的是，已经确定，当穿过导光元件时，部分射束混合而在部分射束的偏振状态方面基本上没有损失地形成共同的激光束(输出激光束)，该导光元件优选地被设计为光纤段。因此，具有未限定的偏振状态的激光束可以通过上文披露的设备被偏振而基本上没有功率损失。

4、具有未限定的偏振状态的激光束的示例包括非偏振激光束或偏振状态未知的随机偏振激光束。

5、应当理解，设备的部件优选地以所描述的顺序沿输入激光束的传播方向相继布置。

6、还应当理解，输入激光束或部分射束必须适合于通过光波导(比如导光元件)进行射束传输。特别地，输入激光束可以是固态激光束。激光束(即，作为输入激光束、作为部分射束、以及作为输出激光束)可以具有例如在200nm和1300nm之间、例如515nm或1030nm的波长。

7、输入激光束可以优选地以准直状态被引导至分束装置处。替代地，输入激光束也可以稍微发散或稍微会聚地延伸。出于提供准直的输入激光束的目的，可以提供准直装置(例如，透镜或反射镜(spiegel)的形式)，该准直装置在输入激光束进入根据本发明的设备之前对输入激光束进行准直。

8、在输出激光束中维持部分射束的偏振状态应当理解为是指，输出激光束的大部分(即，至少50％)具有部分射束的限定的偏振状态、或者稍微偏离前述限定的偏振状态的限定的(例如，稍微旋转的)偏振状态。根据优选的变体，输出激光束中限定的偏振状态的比例可以是至少90％，优选至少95％，更优选至少98％。例如，如果输出激光束仍然是98％的s偏振，则应当认为输出激光束中的(完全)s偏振的部分射束的偏振状态得以维持。

9、出于本发明的目的，输出激光束的偏振状态与部分射束的限定的偏振状态的对应关系可以特别地基于输出激光束的偏振度来确定。这里，可以假设部分射束的偏振度(p)为p＝1。偏振度可以基于斯托克斯参数(stokes parameter)来确定，例如edward collett(2005)的field guide to polarization,spie press,p.39ff[偏振场指南，spie出版社，第39页及以后]中所描述的。

10、导光元件优选地具有以下长度，该长度足够大，以将两个部分射束组合，从而在导光元件内形成输出激光束，和/或该长度足够小，以在输出激光束中维持两个部分射束的限定的偏振状态。

11、部分激光束组合成输出激光束可以被理解为部分激光束在穿过导光元件时混合，使得输出激光束优选地沿着其外周具有均匀的强度分布。根据导光元件的几何形状，输出激光束可以具有不同的截面形状。例如，当使用具有圆形截面的光纤时，输出激光束可以具有径向对称的射束剖面。如果使用多边形(例如矩形)或椭圆形的光纤段，则输出激光束还可以具有多边形(例如矩形)或椭圆形的射束剖面。例如，具有限定的偏振状态的输出激光束可以容易地被波片旋转，使得偏振方向可以匹配于材料加工期间的进给方向。

12、优选地，分束装置可以还构造用于使第一部分射束和/或第二部分射束如此偏转，使得这两个部分射束基本上彼此平行地延伸。在这种情况下，术语“基本上平行”应当被理解为包括与精确平行位置具有偏差，只要这两个部分射束能够通过聚焦元件输入耦合到导光元件中即可。例如，该术语可以包括高达2°的偏差。

13、根据一个变体，导光元件的长度可以不大于500mm，优选地不大于100mm，更优选地不大于50mm。

14、在一些应用领域中，导光元件具有一米或几米的长度可能是进一步有利的。在此情形中需要考虑的是，输出激光束中部分射束的限定的偏振状态随着导光元件的长度的增加而逐渐损失。导光元件越短，部分射束的限定的偏振状态在输出激光束中维持得就越好。例如，当导光元件具有50mm的长度时，输出激光束的偏振状态仍可以对应于部分射束的限定的偏振状态的大约98％。当导光元件长度为1m时，该值仍可能高于90％。因此，应当理解，本发明的有利效果(尽管以减弱的形式)在使用具有几米长度(例如，长达10m)的导光元件时仍然明显地发挥作用。

15、进一步地，导光元件的长度可以是至少15mm，优选地是至少20mm。根据所使用的导光元件，需要导光元件的可指定的最小长度以确保输出激光束的均匀射束剖面，特别是沿着输出激光束的外周具有均匀的强度分布。

16、因此，总体上可以有利的是，导光元件的长度尽可能短以便最大可能地在输出激光束中维持两个部分射束的限定的偏振状态，并且根据需要足够长以确保输出激光束的足够均匀性。

17、聚焦元件和导光元件可以对称地布置在部分射束的射束路径中，使得部分射束以相同的角度输入耦合到导光元件中。

18、换言之，聚焦元件和光纤二者可以布置在射束路径中的中心轴线上，该中心轴线在部分射束之间居中且平行于部分射束延伸。如果这两个部分射束以相同的角度输入耦合到导光元件中，则在输出激光束的远场中出现环形射束剖面。

19、根据替代变体，聚焦元件和导光元件可以不对称地布置在部分射束的射束路径中，使得部分射束以不同角度输入耦合到导光元件中。

20、在该变体中，聚焦元件和导光元件可以相对于中心轴线具有轴向偏移。在最大偏移的情况下，聚焦元件和导光元件可以位于部分射束中的一个部分射束的射束轴线上，使得该部分射束以直角输入耦合到导光元件中。相应地，另一部分射束以相对尖锐的角输入耦合到导光元件中。这两个部分射束输入耦合到导光元件的这种最大不对称性在聚焦的输出激光束的远场中产生具有中心光斑和外环的射束剖面。应当理解，聚焦元件和导光元件的其他不对称布置可以在对称布置和最大不对称布置之间，并且引起相应的射束剖面。

21、应当进一步理解的是，部分射束进入导光元件的入射角还可以通过部分射束之间的间距以及聚焦元件与光纤之间的距离来调节。

22、因此，为了调节输出激光束的射束剖面，可以提出，聚焦元件和导光元件沿着和/或横向于部分射束的射束传播方向可移位地布置。

23、根据变体，分束装置可以包括薄膜偏振器和反射镜。薄膜偏振器可以成角度地布置在输入激光束的射束路径中，使得输入激光束的具有第一限定的偏振状态的第一部分作为第一部分射束透射通过薄膜偏振器，并且输入激光束的具有第二限定的偏振状态的第二部分作为第二部分射束在薄膜偏振器的表面上被反射。反射镜可以成角度地布置在部分射束中的一个部分射束的射束路径中，以便反射入射的部分射束，使得入射的部分射束基本上平行于另一部分射束取向。

24、薄膜偏振器(dünnfilmpolarisator)(也称为薄层偏振器，dünnschichtpolarisator)的使用特别适合于高激光功率。

25、应当理解，单独的反射镜还可以布置在这些部分射束中的每个部分射束中，相应的反射镜将相应的部分射束反射或偏转，使得部分射束基本上彼此平行地延伸。

26、针对分束装置使用薄膜偏振器和反射镜具有的优点是，可以根据需要设置部分射束之间的空间距离，而与输入激光束的激光功率无关。

27、根据替代变体，分束装置可以是双折射光学元件，该双折射光学元件对于第一限定的偏振状态和第二限定的偏振状态具有不同的折射率，使得输入激光束在入射到双折射元件中时被分成第一部分射束和第二部分射束，其中部分射束在从双折射元件出射时通过折射效应而彼此(基本上)平行地取向。

28、该变体的结构特别简单。然而同样，部分射束的空间偏移直接取决于双折射元件的厚度并且不能够容易地根据需要而进行设置。

29、偏振改变元件可以是波片(wellenplatte或)，特别是λ/2板(λ/2-platte或)。以这种方式，入射部分射束的偏振状态可以旋转90°。

30、改变部分射束中的至少一个部分射束的偏振的目的在于使部分射束的(限定的)偏振状态一致。应当理解，在此过程中出现了关于部分射束的偏振状态如何可以彼此一致的多种可能的组合。简单的示例在于，输入激光束被分成两个线性偏振的部分射束，其中第一部分射束具有p偏振并且第二部分射束具有s偏振。然后，部分射束中的一个部分射束的偏振方向可以例如通过λ/2板旋转，使得其偏振状态与另一部分射束的偏振状态匹配。例如，第二部分射束的偏振状态可以从s偏振的部分射束旋转到p偏振的部分射束。然而，应当理解，部分射束还可以具有不同限定的偏振状态。例如，部分射束可以是或变成椭圆偏振，更具体地是圆偏振。

31、聚焦元件可以优选地是光学透镜。根据一个基本变体，可以提供透镜作为聚焦元件，该聚焦元件将第一部分射束和第二部分射束聚焦在导光元件的端部处。然而，应当理解，根据替代变体，部分射束中的每个部分射束还可以通过用于输入耦合目的的单独透镜被聚焦到导光元件中。在这种情况下，两个部分射束不必彼此平行地延伸。为了输入耦合到导光元件中，部分射束还可以各自最初聚焦到(短)连接光纤中，其中，连接光纤可以通过拼接(splicing)而焊接到导光元件(例如，同样是光纤)。在这种情况下，部分射束到达导光元件，部分射束在那里经由连接光纤混合而形成输出激光束。

32、导光元件可以优选地具有圆形截面。替代地，导光元件还可以具有多边形(例如矩形)或椭圆形截面。例如，导光元件可以是光纤，特别是阶跃折射率光纤(stufenindexfaser)。然而，也可使用其他光纤类型，例如渐变光纤(gradientenindexfaser)或空芯光纤。光纤的数值孔径(na)和芯直径对于本发明产生的效果的有效性仅起次要作用。例如，根据本发明的导光元件可以是阶跃折射率光纤，其中芯直径为至例如并且数值孔径为na＝0.065至na＝0.22(例如na＝0.11)。根据替代变体，导光元件也可以是圆柱形或圆锥形的玻璃棒。光纤的数值孔径越大，部分射束传播通过光纤时相对于光纤纵向轴线的角度就越大。

33、进一步地，导光元件可以具有渐缩的(verjüngenden)截面。例如，导光元件可以构造为圆锥形光纤，具体是所谓的渐缩光纤。也就是说，光纤芯的截面在光纤的长度上从进入端到射出端减小(圆锥形光纤)。与具有不变截面的光纤(圆柱形光纤)相比，使用这种光纤可以提高输出激光束的射束品质。然而值得注意的是，在相同的光纤长度的情况下，偏振状态的保持可能随着光纤直径的减小而减少，因为在直径减小的情况下，入射激光束在光纤内相应地更频繁地被反射。

34、为了解决本发明所基于的问题，根据另一方面，提供了一种用于使具有未限定的偏振状态的输入激光束偏振的方法。该方法包括，在第一步骤中，将输入激光束分成具有第一限定的偏振状态的第一部分射束和具有第二限定的偏振状态的第二部分射束。该方法包括，在第二步骤中，改变偏振的部分射束之一的偏振状态，使得这两个部分射束具有相同的限定的偏振状态。该方法包括，在第三步骤中，将这两个部分射束输入耦合到导光元件中，以便将部分射束组合成输出激光束，同时维持(部分射束的)限定的偏振状态。应理解，这些方法步骤按所描述的顺序执行。

35、例如，该方法能够通过根据上述变体之一的根据本发明的设备来执行。特别地，该方法可以具有上述设备的一个或多个特征和/或优点。

36、为了解决本发明所基于的问题，根据另一方面，提供了一种激光加工设施。激光加工设施包括：激光射束源，该激光射束源用于产生输入激光束；传输光纤，该传输光纤具有数米、特别是超过10m的长度，并且在其端部中的第一端处与激光射束源连接；以及加工光学单元，该加工光学单元与传输光纤的第二端连接。加工光学单元包括：准直装置，该准直装置用于将从传输光纤入射到加工光学单元中的输入激光束准直；根据上述变体中任一项所述的用于使输入激光束偏振的设备；以及聚焦装置，该聚焦装置用于将经偏振的输出激光束聚焦在待加工对象上。

37、例如，激光加工设施可以是用于切割优选金属工件的激光切割设施。

38、加工光学单元可以进一步包括波片，特别是λ/2板，该波片可旋转地布置在输出激光束的射束路径中，确切地说，优选地布置在根据本发明的偏振设备与聚焦设备之间。通过波片的适当旋转，输出激光束的偏振方向可以匹配于激光的切割方向或进给方向。

39、总之，上述设备基于至少两个激光束的偏振维持组合的原理，通过聚焦装置，该至少两个激光束输入耦合到导光元件中，该导光元件优选地具有以下长度：该长度足够长，使得该至少两个激光束在导光元件内组合或混合从而形成输出激光束，和/或该长度足够短，以在输出激光束中维持该至少两个激光束的偏振状态。