專利名稱：自適應(yīng)透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于尤其是至少大約IkW的大功率范圍中的激光材料加工的自適應(yīng)透鏡。
背景技術(shù)：
廣泛已知的是用于CO2或Nd: YAG激光器的自適應(yīng)鏡形式的自適應(yīng)光學(xué)器件，借助所述自適應(yīng)光學(xué)器件可以實(shí)時(shí)地實(shí)施激光束的焦點(diǎn)位置和射束直徑的校正，以便例如能夠?qū)崿F(xiàn)工件上的受控制的激光加工。自適應(yīng)鏡具有可變形的鏡板，其例如由壓電致動(dòng)器快速且有針對(duì)性地形變，從而可以無極地調(diào)節(jié)自適應(yīng)鏡的焦距。通過CO2激光器(10. 6 μ m)或NdiYAG激光器(I. 06 μ m)的高反射性涂層來獲得鏡板
發(fā)明內(nèi)容
與其相比，本發(fā)明的任務(wù)是說明另一種自適應(yīng)光學(xué)器件，尤其是也用于以下波長(zhǎng)對(duì)于所述波長(zhǎng)不存在高反射性涂層。所述任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過如下自適應(yīng)透鏡來解決，所述自適應(yīng)透鏡包括兩個(gè)彼此在光軸方向上間隔開的可變形的透鏡面，在兩個(gè)透鏡面之間構(gòu)造的、以流體填充的腔室以及用于改變兩個(gè)透鏡面沿著光軸彼此間的距離的裝置。通過對(duì)于激光輻射(光學(xué)上)透明的流體填滿包含在兩個(gè)透鏡面之間的腔室體積。通過兩個(gè)透鏡面中的至少一個(gè)相對(duì)于其他透鏡面的運(yùn)動(dòng)局部在運(yùn)動(dòng)的范圍上距離和(因此)提供給流體的體積發(fā)生變化。由此，在兩個(gè)透鏡面的局部距離減小的情況下流體作用在透鏡面上的壓力升高，由此透鏡面彈性變形。在所描述的壓力升高的情況下，透鏡面形成凸的輪廓，由此穿過自適應(yīng)透鏡的激光束經(jīng)歷其焦點(diǎn)位置的改變。如果兩個(gè)透鏡面在邊緣側(cè)相對(duì)于光軸對(duì)稱夾緊，則流體中的壓力變化相對(duì)于光軸對(duì)稱地施加到透鏡面上。為了補(bǔ)償由熱引起的熱膨脹，具有流體的腔室連接到壓力平衡元件(例如壓力平衡容器)上，從而平衡低頻的體積變化或壓力變化并且焦點(diǎn)位置保持穩(wěn)定。除被動(dòng)地進(jìn)行的實(shí)際壓力平衡以外，也可以通過壓力平衡容器借助觸發(fā)進(jìn)行主動(dòng)的壓力控制。為此可以使用主動(dòng)的壓力控制，以便低頻地或者靜態(tài)地預(yù)給定透鏡面的形狀。如果不追求高頻焦點(diǎn)振蕩，則可以由此調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置。通過用于改變兩個(gè)透鏡面之間的距離的裝置的振蕩運(yùn)動(dòng)引起的高頻體積變化導(dǎo)致高頻焦點(diǎn)振蕩。此外，通過中間的流體壓力可以調(diào)節(jié)激光束在工件上的中間的焦點(diǎn)位置，以便焦點(diǎn)位置在需要時(shí)圍繞所述中間的焦點(diǎn)位置振蕩。優(yōu)選借助于壓電的致動(dòng)器來進(jìn)行兩個(gè)透鏡面的距離改變，所述致動(dòng)器特別有利地實(shí)施為環(huán)形致動(dòng)器，以便關(guān)于光軸確保均勻的壓力施加并且因此確保透鏡面的軸向?qū)ΨQ的輪廓配置。環(huán)形致動(dòng)器優(yōu)選設(shè)置在兩個(gè)透鏡面中的一個(gè)的背離腔室的外側(cè)或朝著腔室的內(nèi)側(cè)上，其中在第一種情況下在腔室中可以產(chǎn)生過壓并且因此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)透鏡面的凸的拱形結(jié)構(gòu)，而在后一情況下在腔室中可以產(chǎn)生欠壓并且因此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)透鏡面的凹的拱形結(jié)構(gòu)。特別優(yōu)選地，設(shè)有至少兩個(gè)環(huán)形致動(dòng)器，其中一個(gè)設(shè)置在兩個(gè)透鏡面中的一個(gè)的背離腔室的外側(cè)上而另一個(gè)設(shè)置在兩個(gè)透鏡面中的一個(gè)的朝著腔室的內(nèi)側(cè)上。通過這些措施可以在腔室中選擇性地實(shí)現(xiàn)過壓或欠壓，并且因此選擇性地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)透鏡的凸的或凹的拱形結(jié)構(gòu)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，透鏡面被構(gòu)造為平面平行的板，其在腔室中具有過壓或欠壓時(shí)彈性變形并且在不施加壓力的情況下(近似在其“靜止位置”)不影響(或僅僅較小地影響)射束引導(dǎo)和激光束成形。在一個(gè)替代的實(shí)施方式中，透鏡面通過從一開始、即已經(jīng)在未施加壓力的狀態(tài)中的相應(yīng)輪廓配置參與射束成形。特別優(yōu)選地，透鏡面由對(duì)于激光輻射(光學(xué)上)透明的材料、尤其是玻璃形成，其具有與激光功率匹配的損壞閾。根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)透鏡尤其適于固體激光器的基本波長(zhǎng)，即大約I μ m范圍中 的波長(zhǎng)。此外，自適應(yīng)透鏡也適于所述基本波長(zhǎng)的諧波(頻率轉(zhuǎn)換)。在另一優(yōu)選實(shí)施方式中，透鏡面分別在其背離腔室的(外)側(cè)上和/或在其朝著腔室的(內(nèi))側(cè)上具有尤其不同的涂層，所述涂層使相應(yīng)介質(zhì)彼此間的過渡處的透射最大化。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)由權(quán)利要求、說明書和附圖得出。同樣，前面提到的并且仍要進(jìn)一步提到的特征分別單獨(dú)地或多個(gè)任意組合地應(yīng)用。所示出的和所描述的實(shí)施方式不應(yīng)理解為窮盡的列舉，而是更確切地說具有用于描述本發(fā)明的示例性特征。


附圖示出圖I :通過根據(jù)本發(fā)明的自適應(yīng)透鏡的縱截面；以及圖2 :圖I的壓電環(huán)形致動(dòng)器的俯視圖。
具體實(shí)施例方式在圖I中示出的自適應(yīng)透鏡I用于激光射束2的焦點(diǎn)位置的匹配和改變，更確切地說，尤其在至少大約IkW的大功率范圍中的激光材料加工中。自適應(yīng)透鏡I包括兩個(gè)彼此在光軸3的方向上間隔開的可變形的透鏡面4a、4b以及在兩個(gè)透鏡面4a、4b之間構(gòu)造的腔室5以及用于改變兩個(gè)透鏡面4a、4b沿著光軸3彼此間的距離的裝置7，其中所述腔室以對(duì)于激光輻射透明的流體6 (例如基于硅油)填充。兩個(gè)透鏡面4a、4b由對(duì)于激光輻射透明的材料、尤其是玻璃構(gòu)成，其具有與激光功率匹配的損壞閾，并且兩個(gè)透鏡面4a、4b例如可以是面平行的板。兩個(gè)透鏡面4a、4b和設(shè)置在其間的中間環(huán)8在邊緣側(cè)在殼體(環(huán)形框架)10的兩個(gè)環(huán)形臺(tái)肩9之間軸向夾緊并且在此通過未示出的密封件彼此密封。則腔室5通過兩個(gè)透鏡面4和中間環(huán)8限定。用于兩個(gè)透鏡面4a、4b的距離改變的裝置7具有兩個(gè)在軸向方向上起作用的壓電環(huán)形致動(dòng)器lla、llb，其設(shè)置在圖I中下方的透鏡面4b的兩側(cè)上并且其軸向長(zhǎng)度在其觸發(fā)的情況下分別增大。在圖I中上方的環(huán)形致動(dòng)器Ila在腔室5內(nèi)設(shè)置在下方的透鏡面4b的朝著腔室5的內(nèi)側(cè)上并且支承在中間環(huán)8的環(huán)形臺(tái)肩上，而下方的環(huán)形致動(dòng)器Ilb設(shè)置在下方的透鏡面4b的背離腔室5的外側(cè)上并且支承在殼體10的環(huán)形臺(tái)肩上。通過觸發(fā)上方的環(huán)形致動(dòng)器Ila可以使上方的透鏡面4a在邊緣側(cè)相對(duì)于下方的透鏡面4b在軸向上向外(在圖I中向下)運(yùn)動(dòng)或偏轉(zhuǎn)，而通過觸發(fā)下方的環(huán)形致動(dòng)器Ilb可以使上方的透鏡面4a相對(duì)于下方的透鏡面4b在軸向上向內(nèi)(在圖I中向上)運(yùn)動(dòng)或偏轉(zhuǎn)。通過下方的透鏡面4b的局部運(yùn)動(dòng)或偏轉(zhuǎn)，在所述區(qū)域中與上方的透鏡面4a的局部距離和(因此)提供給流體6的體積改變。由此，在兩個(gè)透鏡面4a、4b的局部距離減小的情況下，流體作用在透鏡面4a、4b上的壓力升高，由此透鏡面彈性向外變形并且分別形成凸的透鏡輪廓。在兩個(gè)透鏡面4a、4b的局部距離增大的情況下，流體作用在透鏡面4a、4b上的壓力減小，由此透鏡面彈性向內(nèi)變形并且分別形成凹的透鏡輪廓。在兩種情況下，穿過自適應(yīng)透鏡I的激光束7經(jīng)歷其焦點(diǎn)位置的改變。因?yàn)閮蓚€(gè) 透鏡面4a、4b和環(huán)形致動(dòng)器IlaUlb相對(duì)于光軸3對(duì)稱地夾緊,所以流體中的壓力變化導(dǎo)致兩個(gè)透鏡面4a、4b相對(duì)于光軸3對(duì)稱變形。壓力的減小不一定導(dǎo)致凹的變形，因?yàn)槔缫矁H僅減小了之前出現(xiàn)的凸的拱形結(jié)構(gòu)。隨著達(dá)到欠壓才形成凹的變形或者當(dāng)應(yīng)力比得出凹的變形。如在圖2中示出的那樣，環(huán)形致動(dòng)器IlaUlb分別具有一些在徑向上向內(nèi)突出的突起部12，借助這些突起部使下方的透鏡面4b分別在軸向上偏轉(zhuǎn)。為了補(bǔ)償由熱造成的熱膨脹，具有流體6的腔室5通過管路13連接到壓力平衡元件14上，如本領(lǐng)域技術(shù)人員在許多應(yīng)用中已知的那樣。壓力平衡元件14例如可以是壓力平衡容器，其具有兩個(gè)通過膜片分開的腔室，其中一個(gè)腔室以氣體填充而另一個(gè)腔室以液體填充。填充液體的腔室通過管路13連接到通過透鏡面4a、4b和中間環(huán)8形成的腔室5上，從而由于在壓力平衡容器中建立壓力和消除壓力的較長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間而平衡低頻的體積變化和壓力變化并且焦點(diǎn)位置保持穩(wěn)定。此外，通過控制裝置15來觸發(fā)壓力平衡元件14，從而可以主動(dòng)地調(diào)節(jié)腔室5中的壓力并且因此可以由此主動(dòng)地調(diào)節(jié)透鏡面4a、4b的拱形結(jié)構(gòu)。由此可以限定靜止位置，或者從所述靜止位置出發(fā)進(jìn)行進(jìn)一步的焦點(diǎn)位置改變，所述靜止位置可以理解為初始位置或中間位置?？梢酝ㄟ^相應(yīng)的致動(dòng)器使所述靜止位置與高頻的焦點(diǎn)位置振蕩疊加。附加地或替代地，也可以在上方的透鏡面4a上設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)環(huán)形致動(dòng)器。此外，兩個(gè)透鏡面4a、4b在其背離腔室5的外側(cè)上和/或在其朝著腔室5的內(nèi)側(cè)上可以具有不同的涂層，所述涂層使相應(yīng)介質(zhì)一如空氣與玻璃、玻璃于流體、流體與玻璃和玻璃與空氣彼此間的過渡處的透射最大化。
權(quán)利要求
1.用于尤其是至少大約Ikw的大功率范圍中的激光材料加工的自適應(yīng)透鏡(1)，其包括 兩個(gè)彼此在光軸(3)的方向上間隔開的、可變形的透鏡面(4a，4b)， 在所述兩個(gè)透鏡面(4a，4b)之間構(gòu)造的、以流體(6)填充的腔室(5)，以及 用于改變所述兩個(gè)透鏡面(4a，4b )沿著所述光軸(3 )彼此間的距離的裝置(7 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，具有所述流體(6)的腔室(5)連接到壓力平衡元件(14)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，所述壓力平衡元件(14)被構(gòu)造用于低頻壓力變化的壓力平衡。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，用于改變所述兩個(gè)透鏡面(4)的距離的裝置(7)具有至少一個(gè)尤其是壓電的環(huán)形致動(dòng)器(11a，lib)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，至少一個(gè)尤其是壓電的環(huán)形致動(dòng)器(Ilb)設(shè)置在所述兩個(gè)透鏡面(4a，4b)中的一個(gè)的背離所述腔室(5)的外側(cè)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，至少一個(gè)尤其是壓電的環(huán)形致動(dòng)器(Ila)設(shè)置在所述兩個(gè)透鏡面(4a，4b)中的一個(gè)的朝著所述腔室(5)的內(nèi)側(cè)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，設(shè)置至少兩個(gè)尤其是壓電的環(huán)形致動(dòng)器(11a，11b)，其中一個(gè)設(shè)置在所述兩個(gè)透鏡面(4a，4b)中的一個(gè)的背離所述腔室(5)的外側(cè)上而另一個(gè)設(shè)置在所述兩個(gè)透鏡面(4)中的一個(gè)的朝著所述腔室(5)的內(nèi)側(cè)上。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，所述透鏡面(4a，4b)分別通過尤其平面的或彎曲的板形成。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的自適應(yīng)透鏡，其特征在于，所述透鏡面(4a，4b)由對(duì)于激光輻射透明的材料、尤其是玻璃形成，其具有與激光功率匹配的損壞閾。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的用于尤其是至少大約1kW的大功率范圍中的激光材料加工的自適應(yīng)透鏡(1)，包括兩個(gè)彼此在光軸(3)的方向上間隔開的可變形的透鏡面(4a，4b)、在所述兩個(gè)透鏡面(4a，4b)之間構(gòu)造的以流體(6)填充的腔室(5)以及用于改變所述兩個(gè)透鏡面(4a，4b)沿著所述光軸(3)彼此間的距離的裝置(7)。
文檔編號(hào)G02B3/14GK102792192SQ201180012041
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者A·恩茨曼, D·布格爾, F·澤普, W·安德烈施 申請(qǐng)人:通快激光與系統(tǒng)工程有限公司