專利名稱：具有兩個旋轉三棱鏡的光束成型單元和具有一個這種光束成型單元并用于引入光線能量 ...的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光束成型單元，本領域的技術人員已知這種單元適用于光束聚焦，以及一種由JP10244 386A已知的裝置。
向一個由弱吸收材料構成的工件中引入強功率的電磁射線在材料處理中一直是一個中心問題。這里，特別是激光材料處理在相應的研究中占據著中心位置，因為已有一系列具有可用的特性的合適的光源，這些光源可有效地適用于廣泛的應用領域。
為了能有效地利用所提供的能量，也就是說在位置和數量上最佳地將光線能量引到工件中，簡單地將光線聚焦到工件表面上往往是不夠的。已經開發了多種方法和裝置，它們適應于專門的處理任務，起到最佳地引入能量的作用。主要由不同的處理任務(例如分離、拆除或鉆孔)以及被處理工件的不同幾何形狀和不同材料所決定，這些方法和裝置著眼于以不同方式形成和引導光線。
在現有技術的多種解決方案中，只有這種方案被視為與本發明相關它們使光束形成為一個光線環和/或多次引導光線通過工件。
在現有技術已知的解決方案中形成光線環只是為了以圓形照射工件表面，例如切割出一個透鏡。理想方法是光線呈環形聚焦在工件表面上。為了將光束變換為一個光線環，已知方法是采用一個旋轉三棱鏡(Axicon)。
在US4456811(或EP0189027A1)中借助于一個聚光透鏡-旋轉三棱鏡組合和錐形鏡如此使激光光線形成為一個聚焦環使得一個彎曲的、旋轉對稱的工件表面被此聚焦環垂直照射并有效地處理。
US4623776描述了一個完全類似的裝置，其中借助于所產生的聚焦光線環可以最佳地切割出例如塑料透鏡。
旋轉三棱鏡-聚焦透鏡組合的基本任務，即產生一個平面聚焦的光線環，是專利PS2821883(US4275288)和US3419321所做出的貢獻，其中所產生的光線環被用于例如切割出具有規定直徑的孔、熔焊出這樣的外形等類似的激光材料處理工作。
以上所述解決方案與本發明的主題只有以下共同點即借助于一個旋轉三棱鏡形成一個光束。
此處與所提出的任務相關的是以下方案其中提出的措施用于提高能量的引入，引導光束多次通過工件，從而也能處理大量地穿透光線、而僅僅少量吸收光線的材料。
在GB2139614A中描述了一種系統，其主要目標一方面是特別形成聚焦在工件上的激光光線，其中在切割玻璃時要求確定地形成應力裂紋，目標的另一方面是通過一個安裝在工件背面的第二個聚焦鏡實現第二個聚焦通道穿過工件中相同的交替作用區。通過兩次穿過工件的激光光線提高了被吸收的光線能量。
在日本公開的專利號10244386A的專利摘要中也描述了一種用于通過產生熱應力裂紋來分離工件的方法。其中激光光線同時或在時間上先后沿著分離區基本上在相同的位置或具有小的相互間距的位置上至少兩次穿過工件。在激光光線到達工件上之前，光線透過一個半透明的鏡面。透射的光線部分穿過工件，被安裝在工件下面的鏡面反射回工件中，并再次射到半透明的鏡面上，此鏡面反射回一部分光線到工件上。放置在此鏡面和第二個鏡面之間的工件被光線反復穿透。然而這里能量損失是非常巨大的。在光線第一次到達時被半透明的鏡面反射的光線部分和在再次到達半透明的鏡面時所透射的光線部分一方面對工件已經失去了作用，另一方面被反射回光源。
現有技術中沒有公開這樣的解決方案，用此方案提供的光線能量可在一個部分透明的工件的小的交替作用區域中幾乎被完全吸收。這個事實尤其被下述情況所說明一個光學單元(為上述目的它將光線至少第二次反射回交替作用區域中)始終處在光源和工件之間的光路中。因為沒有包括光學薄膜在內的光學元件，這種光學元件在一個通過方向上完全透過一束未被改變的光線，而在另外的方向上完全反射光線，所以能量損失是不可避免的。本領域技術人員清楚，事實上每個位于光路中的光學元件也是始終有損耗的，即使是小的損耗也是有影響的。如果這種元件對于從不同方向來的、有時是反射有時又是透射的，如一個半透明的鏡面或一個分配六面體(Teilerwürfel)的情況那樣，這種損耗很高。
本發明的目的在于給出一種光束成型單元，它形成一個可點狀聚焦的、環形的、并具有一個無光線的中心區的光束，在此中心區可以安置一個光學元件，此元件可以不受來自光源并穿透光束成型單元的光束的影響，從而不會引起損耗。
本發明的另一個任務是給出一種裝置，用此裝置在使用滿足本發明的任務的光束成型單元的情況下可以借助于電磁射線，最好是強功率激光器的光線，如此處理相對弱吸收的、在很大程度上為透明的材料-通過多次的單次吸收最終實現材料中高的總吸收，從而有效地利用光線能量于處理過程，其中保證光線能量被引入到一個盡可能小的交替作用區(工件的區域，通過此區域時光線被吸收)，以實現高精度處理，并且-在很大程度上避免了未被吸收的光線反饋到光源。
本發明涉及光束成型單元的任務如權利要求1所述如此完成在光軸上在聚焦透鏡之前設置第二個施轉三棱鏡，其錐形光學面背對著聚焦透鏡，并且聚焦透鏡和旋轉三棱鏡的參數以及它們相互之間的間距如此選擇，使得從位于光軸上第二個旋轉三棱鏡之前的光源發出的并穿過光束成型單元的光束被成形為聚焦在第一聚焦點、接著發散成環形的、具有一個無光線中心區域的光束。
本發明關于裝置的任務如權利要求2所述如此完成在諧振單元之前設置一個權利要求1所述的光束成型單元，并且第一個諧振鏡位于第一聚焦點后面的無光線中心區域內，-設置一個聚焦透鏡，它環繞第一個諧振鏡并將入射到工件中的光束聚焦到第二個聚焦點，-第二個諧振鏡位于第二個聚焦點之后的無光線中心區域內，被一個聚焦鏡包圍，聚焦鏡將來自第二聚焦點的發散的光束成形為一個會聚的光束并反射到一個鏡面上，此鏡面被設置在聚焦鏡和工件之間，并將光束反射到第二個諧振鏡上，-鏡面具有一個孔，它的大小恰好使得來自第二個聚焦點并在聚集焦鏡的方向上前進的光束可無妨礙地通過，并且被第二諧振鏡反射的光束無妨礙地通過，在接著入射到第一諧振鏡上并由此諧振鏡反射回工件之前第二次在工件內部被聚焦到第二個聚焦點上。
在從屬權利要求中說明了具有優點的實施方式。
由于根據本發明的光線成型單元的性質完全確定了本發明所述裝置的性質，本發明的本質在下面借助于此裝置來說明。
本領域技術人員都清楚，僅當在介質的兩側都設置一個反射器時，即在光線方向上工件之前強制性地設置第一個反射器時，光線才能多次在相同的光路上通過介質(工件)(假設為了將光線能量引入到小的交替作用區域中)。此第一個反射器對于第一次將光線引入到工件中不起作用，并且應該能盡可能不影響光線的通過，只有在光線在第二個反射器上反射并第二次通過工件再次到達此第一反射器之后，第一個反射器應盡可能完全地反射入射的光線。
這里說明本發明的基本思路。為了使第一反射器在光線第一次入射到工件上之前能實際上不影響光線，應如此形成光束，使得第一反射器雖然在光路中，但是光束不通過該反射器，而是圍繞著它。這種光束成型通過本發明的光束成型單元來實現。本發明的要點在于，此光束成型單元如此成形來自于光源的光束在光線方向上在該光束成型單元后面的全部光線被會聚到第一聚焦點并接著發散，使得光線被擴散為具有確定的無光線的中心區域的環，環的直徑隨著與第一聚焦點的距離線性增大。在此無光線的中心區域中設置第一個諧振鏡，它屬于設置在光束成型單元之后的諧振單元。該諧振單元如此形成并引導具有上述擴散特性的光線，使得第一聚焦點被成像為第二聚焦點到工件中，并從而使光線能量成點狀集中到小的交替作用區域中，此作用區域多次，至少4次，被光線通過，并且以這種方式使被工件吸收的光線總量提高到單次吸收量的數倍。
為了使光線會聚到第一聚焦點并接著被擴展而形成一個光線環，像現有技術已知的方案那樣只用一個聚焦透鏡和一個旋轉三棱鏡工作是不夠的，這通常在工件表面上產生一個聚焦環。這些方案的特征在于，由旋轉三枝鏡產生的環的中心光線的交叉點和這個環的單個光線段的聚焦點在所觀察的光線擴散方向上相互偏移。如果如此適配聚焦透鏡的參數、旋轉三棱鏡參數和它們之間的相互距離，使得所有光線入射在一點上，則其作用最終是一個等效的單個透鏡，即從這一點出發的光線不能形成具有隨著至焦點的距離成比例增大的無光線中心孔的環。這個問題可以通過如本發明所述將第二個旋轉三棱鏡引入到光路中而得到解決。這三個構件(兩個旋轉三棱鏡+聚焦透鏡)的總作用如下第一個旋轉三棱鏡用于形成所需要的環。聚焦透鏡的作用是將光線會聚到已知的環形焦點中，此焦點在迭加由第二個旋轉三棱鏡所提供的合適的聚焦時蛻變為所需的第一聚焦點。這個第一聚焦點事實上是一個是有真正的無光線中心區域的環形擴散光線的輸出點。這種特殊的光束成型使得借助于本發明所述諧振單元實現裝置的本來目的成為可能。由于在光束成型單元后面所有的光線部分來自一個點，即來自第一個聚焦點，這些光線部分可以通過后續的會聚透鏡或者凹鏡重新“再聚焦”，即聚焦到另一個聚焦點上，同時在兩個聚焦點之間的光路上始終保持環狀特性。這是設置在后面的諧振單元可以完成其功能的先決條件。諧振單元主要有如下所述結構；諧振單元的輸入元件是一個會聚透鏡，它以這樣的距第一聚焦點的距離被設置，使得光束的無光線中心區域足夠大，以在那里放置一個凹鏡，它作為第一諧振鏡工作，而不遮擋光束部分。因此光束在進入諧振單元時完全通過會聚透鏡，而第一諧振鏡不影響此光束。第一個會聚透鏡將此光線聚焦到被處理的工件—例如玻璃板—的交替作用區域中。直接在工件之后—其厚度可以為數毫米—設置一個具有中心孔的鏡面。其中孔的大小必須足以使在工件后面重又發散的光束可以無損失地通過。光束在另一條光路上前進到一個聚焦鏡上，此聚焦鏡以這樣的距具有中心孔的鏡面的距離被設置，使得一方面在聚焦鏡上也存在一個足夠大的無光線中心區域，在此區域內可以放置另一個小的凹鏡，它作為第二諧振鏡工作，另一方面通過適當選擇此聚焦鏡的曲率半徑使得在聚焦鏡上反射后返回鏡面方向且重又發散的光束被鏡面完全反射并會聚到第三個聚焦點，此聚焦點位于此鏡面與第二諧振鏡之間，通常在第二諧振鏡附近。光束現在以相對小的直徑射到第二諧振鏡上，此諧振鏡的曲率半徑如此設置，使得光線重又被聚焦并再次射到工件中的交替作用區域中，在第二諧振鏡上反射后已經非常細窄的光束現在第二次通過工件并在朝著第一諧振鏡的方向上前進。第一諧振鏡的曲率半徑被如此適配，使得它實現再次反射并精確聚焦到第三個聚焦點。從而使光束如此射在第二諧振鏡上，使得第一個諧振循環的輸出條件重又被給出，只是具有縮小了的光束直徑。本發明的裝置以這種方式解決了類似諧振器作用的任務，即光線多次通過工件中的交替作用區。光束由于工件中的吸收而“跑到死”，而沒有光線部分返回到光源中。
系統的效率，即在工件中被吸收的光線能量與光源提供的輸入能量之比僅由不可避免的原理上的損耗，尤其是光學元件中的吸收、衍射損耗和由成像誤差和調整誤差帶來的損耗決定，并且在相對弱的吸收材料(每次通過的吸收率小于10％)的情況下效率大于50％。
在所描述的光線進程中容忍了在第一次通過之后的每次奇數次光束通過工件時光束不被聚焦在工件之內(第二聚焦點)，從而不在本來的交替作用區內，而是聚焦在工件附近(第三聚焦點)，因為只有以這種方式才能實現在第一和第二諧振鏡之間穩定的諧振關系。這對于多數應用而言是無害的，特別是因為通過的光束直徑隨通過進程變小，且在合適的光學系統參數大小時在每種情況下光束直徑為1毫米數量級并位于其下。未尖銳聚焦的光線部分在某些工作任務下可非常有效地起作用，因為這些光線部分可以有退火或減小溫度梯度的作用。
也可以無問題地改變諧振單元的幾何尺寸，從而最佳地適配于工件特性，尤其是可以適配于吸收性能和所要的處理結果，可以如此選擇例如第一諧振鏡的焦距，使得來自第二諧振鏡的光束重又聚焦到交替作用區，即實際上返回其中。在從第二諧振鏡、鏡面和聚焦鏡上反射之后，工件甚至第四次被光線聚焦穿過。如果吸收率不是太低(≥20％)，則光線能量的大部分在工作區域中被吸收。如果不采取特殊的措施，在交替作用區中沒有被吸收的殘留光線有可能反送到光源中。然而此問題可如此相對簡單地解決，方法是在光源和光束成型單元之間的光路中采用一個光線去耦單元，它實際上完全排除了反向前進的光線。此去耦單元工作的先決條件是光線從光源出來時是線性極化的。然后光線去耦單元如此工作首先從光源來的線性極化光線通過一個極化鏡，它被調整到完全通過，即光束只受到極小的損耗。接著光線在通過一個λ/4板時變換為圓極化光線。這種變換對于許多應用是需要的或者至少是有意義的，因為在利用圓極化光線對激光材料進行處理時不存在不希望有的處理效果對方向的依賴性。在另一條光路中繼續保持圓極化，而且返回的光線部分也具有這種特性。現在光線以相反的方向通過光線去耦單元，結果是λ/4板如此“旋轉”極化矢量，使得從圓極化重又形成線性極化光，而此線性極化光相對于入射的電磁射線場極化面旋轉了90°。對于此光線現在極化鏡不讓它通過，也就是說，避免了反送到光源中去。
一般在本發明裝置中可以通過沿著光軸移動工件在預定的光學參數下找到強度、光線直徑和強度分布之間具有最適當的關系的位置，并且此位置可在相對寬的范圍內自由選擇。例如在借助于應力裂紋分割玻璃時這是一個重要的選擇。特別是對于此任務可能需要產生一個起始裂紋。為此本發明提供例如下述的三種可能性；1)選擇一個光源，它除了連續工作外還可以強提升的功率峰值脈沖工作(例如通過一個激光器的品質轉換)，以在處理過程開始時用一個這樣的脈沖在聚焦區產生材料組織的一個有意的精細“損壞”，它提供起始裂紋。接著光源切換到正常工作方式，并且起始裂紋以所希望的方式，即為了產生規定的分割過程，作為穿過工件的應力裂紋工作。
2)由于本發明的裝置可以無問題地實現焦點和工件的相對位置的迅速變化，例如也可以如此進行(在連續工作的光源情況下)在開始處理時工件精確地位于焦點處。在足夠的光線功率下可以產生所需的材料組織的精細損壞，即產生起始裂紋。為了進行進一步處理，其中熔化和汽化是不希望的，工件被從聚焦區移出，直到對于借助應力裂紋的分割達到最佳的強度關系。
3)為了產生起始裂紋或者一系列為了給出精確外形的這種“起始點”，以及在復雜的工件形狀下應用一個附加的光源，提供了一種特別靈活的方案。此光源最好是一個脈沖激光器。在一個適宜的裝置中可以例如直接在工件之前設置一個換向鏡，它對于原來的(來自第一個會聚透鏡的)工作光線是透明的，然而第二個激光器的光線被完全反射。第二個激光器的光線經過這個換向鏡的90°轉向尖銳聚焦到工件上。這里附加光源和用于其光線的聚焦光學系統在側面設置在主光路之外。通過合適的調節元件——它可以例如借助于調節電機在處理過程中被起動——可以調節此尖銳焦點與本來的交替作用區之間的不同的所需相對位置。這樣例如可以在處理過程的同時影響應力裂紋的方向。
在用NdYAG激光器或二極管激光器分割玻璃時例如一個小的TEA-CO2激光器被提供來作為附加光源，其光線被玻璃強吸收。一個尖銳聚焦在玻璃樣品表面的這種激光脈沖足以產生所希望的起始裂紋。
本發明的裝置允許其它的應用方式，這里僅僅提一下它們而不詳細說明。例如可以在第三個聚焦點處安裝一個非線性光學晶體，借助于它產生原光線的高次諧波。由于諧振裝置和在此第三聚焦點處相對高的強度，高的轉換率是可能的。以這種方式不僅可以用光線的基波，也可以用高次諧波處理工件，這可以產生有益的作用。
上面非常詳細地說明了本發明的光束成型單元與本發明諧振單元的組合，其中第一諧振鏡置于無光線的中心區域中。對于光束成型單元的其它應用，可以設置其它的光學元件來代替此第一諧振鏡。例如一個換向鏡可安放在此位置上，此換向鏡必須不是半透明的鏡，而是具有一個高度反射的涂層，以最大地反射進入的光線。以此方式可以無損耗地實現多個光束的無損耗迭加。
下面借助附圖所示實施例詳細說明本發明。附圖中
圖1示出通過一個旋轉三棱鏡的光線行程(現有技術)，圖2示出通過一個會聚透鏡和一個旋轉三棱鏡的光線行程(現有技術)，圖3示出通過一個由兩個旋轉三棱鏡和一個會聚透鏡組成的光束成型單元的光線行程，圖4示出圖3所示光束成型單元后面的光錐擴散，圖5示出諧振單元及詳細的光路，圖6示出具有光源、光束成型單元和諧振單元的完整裝置，圖7示出去耦單元，圖8示出具有用于產生起始裂紋的附加光源的諧振單元。
本發明的裝置主要由一個光源6、一個光束成型單元4和一個諧振單元5組成，其中置于光束成型單元4中的兩個旋轉三棱鏡承擔了中心功能。為了容易理解本發明，圖1首先示出單個旋轉三棱鏡1的基本功能，此旋轉三棱鏡由圓錐角δ1表征。入射的光束—假設它是輕微發散的，并且在例如高斯或矩形(幅形)的強度橫截面上旋轉對稱—精確地集中并垂直入射到第一個旋轉三棱鏡1的光線成形側(錐形面)。在其錐形面上的折射使得光線作為發散的環離開第一個旋轉三棱鏡1。中心光線(用虛線表示)相交于光軸9(以點劃線表示)上的一個點，同時光束始終保持旋轉對稱。
圖2示出一個用于典型的、由現有技術已知的第一個旋轉三棱鏡1的應用情況，即用于產生一個環狀焦點的情況。為此在第一個旋轉三棱鏡1之間設置一個聚焦透鏡2，它將一個光束—它在圖1中射到第一個旋轉三棱鏡上—成形為一個會聚的光束。通過已借助圖1說明的第一旋轉三棱鏡1的作用，在通過第一旋轉三棱鏡后得到一個會聚的環狀光線，其中心光線重又相交于第一旋轉三棱鏡1的光軸9上的一個點。對應于聚焦透鏡2的焦距，一個環狀焦點或聚焦的光線環10形成在一個確定的平面中。與聚焦透鏡2的參數和第一旋轉三棱鏡1的參數無關，中心光線的交點和環形焦點相互間始終有一個間距a。
然而對本發明的裝置功能的要求是a趨近于零，這僅僅意味著聚焦的光線環10趨于一個聚焦點，此聚焦點與中心光線的交點重合。這個第一要求與第二要求，即在聚焦點之后光線重又作為具有無光線中心區域的發散環向前行進，結合在一起可由按本發明串接的第二個旋轉三棱鏡3實現，如圖3所示。
第一個旋轉三棱鏡1、聚焦透鏡2和第二個旋轉三棱鏡3一起構成了光束成型單元4，它與后面說明的諧振單元5和一個光源6設置在一個公共的光軸9上，它們決定本發明的裝置。完整的裝置被示于圖6中，然而借助于其主要構件，即圖3的光束成型單元4和圖5的諧振單元5來說明此裝置。
具有圓錐角δ2的第二旋轉三棱鏡3用于像借助圖1詳細說明的那樣首先如此對入射的光束進行成型，它已經以環形射到聚焦透鏡2上，從而實現在聚焦透鏡2之后的發散光束已經以具有無光線中心區域的環形射到第一個旋轉三棱鏡1上，接著通過它的作用光線被如此折射，使得整個發散的環形光束在第一個旋轉三棱鏡1后面確定距離處聚焦為第一個聚焦點8，并且接著作為具有愈來愈大的無光線中心區域的發散光線環10擴散。第一個旋轉三棱鏡1的圓錐角δ1和第二個旋轉三棱鏡3的圓錐角δ2以及兩個旋轉三棱鏡相互間的距離和與聚焦透鏡2的距離與聚焦透鏡2的焦距如此確定，使得產生所需要的光路。
在所有光線的全部交點會聚到焦點8之后光束的擴散再次示于圖4中。如上所述，第一個聚焦點8是以一定發散度擴展的環形光束。與上面說明的圖(其中光束分別以光學系統通過中心光線和邊緣光線的縱截面示出)不同，在圖4中環形光束以垂直于光軸9的截面示出。在此截面上光束呈現為具有一個無光線中心區域的光線環10。
圖5示出諧振單元5的原理結構，此單元由一個會聚透鏡12，第一諧振鏡13，一個具有孔16的鏡面17，一個聚焦鏡18和第二諧振鏡19組成。元件相互間的位置將與諧振單元5的工作原理一起說明。
諧振單元5被如此設置在光線方向上光束成型單元4之后，使得其第一構件組—由一個會聚透鏡12和第一諧振鏡13組成—位于距第一聚焦點8這樣的距離處，使得光線環10完全射到會聚透鏡12上，并且第一諧振鏡13完全位于無光線的中心區域內。這里會聚透鏡12和第一諧振鏡13不必一定要位于一個平面中(本領域技術人員知道，如果光學成像元件位于一個平面內，總是稱其為主平面)。會聚透鏡12將此環形光束聚集到一個工件14的表面上或一個工件14的內部(交替作用區)的第二聚焦點15，其中第二聚焦點15與工件14的最佳相對位置取決于相應的處理任務，在這個第一次穿過工件并且第一次部分吸收之后光束通過鏡面17中的孔16，此孔恰好足以使得再度發散的光束可以無損耗地通過。為了能使這個孔16保持盡可能地小，鏡面17以較小的距離置于工件14之后。
在其另一條光路上光束射到聚焦鏡18上，此鏡位于第二聚焦點15之后離工件14足夠遠，使得在這里重又得到一個具有足夠大直徑的無光線中心區域，以在那里放置第二諧振鏡19。這個第二諧振鏡19可以固定安裝在聚焦鏡18上或者為了保證裝置的自由調節程度而是可自由調節的。在后一種情況下，聚焦鏡18必須具有足夠大的開孔，使得第二諧振鏡19可以通過相應的調節單元21在需要時傾倒或沿著光軸9移動，調節單元21安裝在聚焦鏡18的后面，即安裝在整個光線路徑之外并因此而不帶來損害。因此由第一諧振鏡13和第二諧振鏡19構成的本來的諧振器的精細調節是可能的。
在聚焦鏡18上反射之后的后續光路使得鏡面17的作用變得清晰了。此鏡面是諧振器工作的基礎，因為它使來自聚焦鏡18重又會聚的光束換向到第三個聚焦點20。應該注意，鏡面17不一定非得像圖中所示那樣是一個平面鏡，而是在需要時也可以具有一個光學上有效的彎曲，例如當需要會聚作用時，它將光線會聚到第三個聚焦點20處，此彎曲將均勻分配給鏡面17和聚焦鏡18。以相對短的距離位于第二諧振鏡19之前的第三聚焦點20對于諧振器來說起到中心作用。第二諧振鏡19的焦距及其至第三聚焦點20的距離如此相互協調，使得光束第二次被聚焦到工件14中的交替作用區，且在那里完成第二次部分吸收之后作為細長的光束射到第一諧振鏡13上。如此選擇其焦距，使得反射的光線在第三次通過工件14之后重又精確地會聚在第三聚焦點20上，這是一個實際諧振器功能的先決條件，即在兩個諧振鏡13和19之間實現光線的多次來回往復。由于在每次通過工件時完成的吸收光束最終跑“死”了，并且即使在弱吸收的情況下，所提供的光線功率在被處理的材料中被大量吸收。
更加重要的第二個優點完全避免了部分光線返回到光源6，因而在本發明所述裝置的具有優點的實施例中可以省去專門的用于光源6去耦的措施。
在本發明所述裝置的第二個實施例中光束在每次通過工件14時都被聚焦在交替作用區域中，從而減小交替作用區域并且位置更集中地引入能量。第一諧振鏡13的焦距為此必須如此選擇，使得光束不被聚焦在第三聚焦點20上，而是第三次聚焦到工件14中第二聚焦點15上。然而這個優點是由未被吸收的殘面光線朝光源6方向返回(同時第四次聚焦通過工件14)換來的，因為諧振器功能的先決條件不再被滿足。在此情況下必須在光線方向上在光源6之后設置一個專門的去耦單元22，例如圖7所示。
這里所示的光線去耦單元22假設光源6發出線性極化的電磁射線，對于大多數激光器而言這是符合實際情況的。在圖7中假設其極化平面在示圖平面中。此光線基本無損耗地通過放置在通道中的極化器23并接著射到直接安裝在極化器23后面的λ/4板24上。此λ/4板如此影響極化由原來的線性極化光束變為一個圓極化光束，光束在另一條光路方向上前進。在多次通過工件14之后返回的光束基本上還具有相同的極化特性，即仍是圓極化的。現在此光束以相反方向射到λ/4板24上，極化狀態如此變化由圓極化重又變為線性極化的光線，然而現在極化平面相對于原來的光束旋轉了90°。現在極化器23對于垂直于示圖平面被極化的光線處于阻斷方向，因而此光線被阻止通過而不會返回到光源6中。
下面借助圖8詳細說明第三個實施例。與示在圖6中的第一個實施例不同，在會聚透鏡12和工件14之間安置了一個換向單元25，用此單元使通過透鏡26聚焦的附加光源27的光線耦合到整個裝置的光路中。這個附加光線用于在玻璃分割時產生一個起始裂紋。附加光源27最好是一個TEA-CO2激光器，其高脈沖功率和能量的脈沖光線被透鏡26光銳地聚焦到工件14上，同時換向器25用于使附加焦點28精確地位于相對于交替作用區位置的所希望的地點上。為了能任意調節附加焦點28的位置，換向器25與一個調節裝置29相連接。換向單元25可具有優點地由一個平行板構成，此板被如此涂層，使得它對于光源6的入射電磁射線的波長是完全透明的，而附加光源27的光線則被完全反射。
換向單元25也可以是一個用于附加光源27的光線的簡單的鏡面17，它為了產生起始裂紋而被推移或折疊到光線路徑中，并且在工件14原來意義上的處理(與產生起始裂紋相關的分割)之前再從光線路徑中離開。
所用附圖標記列表1第一個旋轉三棱鏡2聚焦透鏡3第二個旋轉三棱鏡4光束成型單元5諧振單元6光源8第一聚焦點9光軸10光線環12會聚透鏡13第一諧振鏡14工件15第二聚焦點16孔17鏡面18聚焦鏡19第二諧振鏡20第三聚焦點21調節單元22光線去耦單元23極化器
24λ/4板25換向單元26透鏡27附加光源28附加焦點29調節裝置δ1第一旋轉三棱鏡的圓錐角δ2第二旋轉三棱鏡的圓錐角a間距
權利要求
1.用于產生一個環形光束的光束成型單元，它具有一個聚焦透鏡(2)和一個置于其后的第一個旋轉三棱鏡(1)，它與聚焦透鏡(2)都安置在一個公共的光軸(9)上，并且它的錐形光學表面對著聚焦透鏡(2)，其特征在于，在聚焦透鏡(2)之前在光軸(9)上安置第二個旋轉三棱鏡(3)，其錐形光學表面背對著聚焦透鏡(2)，并且聚焦透鏡(2)和旋轉三棱鏡(1)，(3)的參數及它們之間的相互距離如此選擇，使得從位于光軸(9)上第二旋轉三棱鏡(3)之前的光源(6)發出的且通過光束成型單元(4)的光束被聚焦在第一聚焦點(8)上，接著成形為具有一個無光線中心區域的發散的環形光束。
2.用于將光線能量引入到由弱吸收材料構成的工件(14)中的裝置，它具有一個光源(6)和一個諧振單元(5)，諧振單元包括第一諧振鏡(13)和第二諧振鏡(19)，在這兩個諧振鏡之間放置工件(14)，其特征在于-在諧振單元(5)之前安置一個如權利要求1所述的光束成型單元(4)，且第一諧振鏡(13)位于第一聚焦點(8)后面的無光線中心區域中，-設置一個會聚透鏡(12)，它包圍著第一諧振鏡(13)，并且入射到工件(14)中的光束聚焦在第二聚焦點(15)上，-第二諧振鏡(19)位于第二聚焦點(15)后面的無光線中心區域中，被一個聚焦鏡(18)包圍，此聚焦鏡將來自第二聚焦點(15)的發散光束成形為一個會聚的光束，并反射到一個鏡面(17)上，此鏡面(17)被安置在聚焦鏡(18)和工件(14)之間并將光束反射到第二諧振鏡(19)上，-鏡面(17)具有一個孔(16)，此孔的大小恰好使得來自第二聚焦點(15)并朝著聚焦鏡(18)的方向前進的光束可不受影響地通過，并且由第二諧振鏡(19)反射的光束不受影響地通過此孔，并第二次被聚焦在工件(14)中第二聚焦點(15)上，接著此光束射到第一諧振鏡(13)上，并從該諧振鏡反射回工件(14)中。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，如此選擇第二諧振鏡(19)和聚焦鏡(18)的參數，使得由聚焦鏡(18)反射的光束在射到第二諧振鏡(19)上之前被聚焦到第三聚焦點(20)，此聚焦點通過第二諧振鏡(19)而成像在第二聚焦點上，并且如此選擇第一諧振鏡(13)的參數，使得來自第二聚焦點(15)并射到第一諧振鏡(13)上的光束被聚焦到第三聚焦點(20)上。
4.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，如此選擇第二諧振鏡(19)和聚焦鏡(18)的參數，使得可選擇有或沒有中間聚焦地使由聚焦鏡(18)所反射的光束進行下述在第二聚焦點(15)上的聚焦在第二諧振鏡(19)上反射后第二次聚焦，在第一諧振鏡(13)上反射后第三次聚焦，以及再次在第二諧振鏡(19)上反射后第四次聚焦，并且在光源(6)和光束成型單元(4)之間安置一個光線去耦單元(22)，它阻止光線部分返回到光源(6)。
5.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，光源(6)發出線性極化光線，并且光線去耦單元(22)由一個極化器(23)和一個λ/4板(24)構成。
6.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，設置一個用于產生起始裂紋的附加光源(27)，附加光源的附加光線通過一個透鏡(26)和一個換向單元(25)可以定時方式被聚焦到工件(14)中。
全文摘要
本發明涉及一種用于產生點狀聚焦、具有無光線中心區域的環形擴散光束的光束成型單元，它由一個聚焦透鏡(2)，第一個旋轉三棱鏡(1)和第二個旋轉三棱鏡(3)組成。本發明還涉及具有這種光束成型單元(4)并用于將光線能量引入到由弱吸收材料構成的工件(14)中的裝置，工件被置于第一諧振鏡(13)和第二諧振鏡(19)之間，并且在光線方向上安置在工件(14)前面的第一諧振鏡(13)位于無光線的中心區域中，通過多次通過工件(14)中相同的交替作用區，光線能量可以最大程度地被吸收。
文檔編號B23K26/067GK1665637SQ03815274
公開日2005年9月7日 申請日期2003年8月25日 優先權日2002年8月28日
發明者吉斯貝特·施陶潘德爾, 斯特凡·阿克爾, 于斯根·魏瑟爾 申請人:詹諾普蒂克自動化技術有限公司