專利名稱：具有電子遮蔽系統(tǒng)的激光裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種借助于電磁輻射來加工或者連接工件的激光裝置， 該激光裝置具有發(fā)出激光射束的激光源，以及串聯(lián)在激光源之后的用于
工件的電子遮蔽系統(tǒng)(Maskierungssystem)，其中該遮蔽系統(tǒng)將通過的 激光射束以可自由確定的圖案繪制在工件上。
背景技術：
在用電磁輻射、尤其是用激光射束加工或者連接工件時，聚焦在該 工件上的射束輪廓的大小和形狀起著重要的作用。在激光加工時還另外 取決于在所產(chǎn)生的焦斑中正確設置的功率密度分布。在進行激光焊接 時，例如在對塑料制成的工件進行透射焊接時，通常必須產(chǎn)生具有多種 形狀的熱分布圖案或者焊縫。
激光源一般具有圓形的射束輪廓，該射束輪廓必須通過合適的措施 轉換成期望的大小和需要的形狀。這可以一方面通過固定的與特殊任務 相協(xié)調的鏡頭或掩模實現(xiàn)，該鏡頭或掩模的準備通常是費時的，而且大 多數(shù)鏡頭或掩模不可更改或者不能容易地更改。另一方面，眾所周知， 為了更大的靈活性以及由此帶來的更高的實用性，利用位置分辨的電子 射束調制器來轉換激光射束，該射束調制器能夠改變激光的振幅和/或 極性和/或相位。具有這種電子射束調制器的激光系統(tǒng)例如在公開說明 書DE 100 07 391 Al和DE 10 2004 017 129 Al中公開。
DE 100 07 391 Al涉及用電磁輻射進行材料加工的裝置和方法。在 該裝置中，通過使用位置分辨的電子射束調制器，可以在工件上的焦斑 內產(chǎn)生可預設的功率密度分布。對該輻射的位置分辨的調制既可以實現(xiàn) 對工件的連續(xù)加工，又可以實現(xiàn)對工件的同步加工，同才羊可以實現(xiàn)準同 步的加工方式。
DE 10 2004 017 129 Al描述了具有發(fā)出激光射束的激光源和電子 顯示裝置的激光繪圖裝置。該顯示裝置串聯(lián)在激光源的射出面之后。該 顯示裝置用于極化激光射束的各個片段，以定義已更改和未更改的片段。極化濾波器串聯(lián)在該顯示裝置之后，為的是選擇阻止激光射束的更 改片段還是未更改片段通過，從而產(chǎn)生具有預定輪廓圖案的繪圖射束。
在現(xiàn)有技術中優(yōu)選采用液晶裝置作為射束調制器或者顯示單元。液 晶被封閉在各個可控的液晶單元中，這些液晶單元在理想情況下以有規(guī) 律的樣式在平面上并排排列。這些單元由此形成了個體單調制器的陣 列。對出現(xiàn)在液晶單元上的激光射束區(qū)域的調制在此在這些單元內利用 電光效應通過有目的的影響實現(xiàn)。
由液晶單元形成的調制陣列能用于調制所出現(xiàn)的激光的相位和/或 振幅。與振幅調制相比，相位調制更好地使用了激光射束的能量，因為 原來未調制的激光射束的輻射部分沒有被遮擋。通過對激光相位的空間
調制，相位調制陣列可用作衍射光學元件(D0E)。
目前可使用的相位調制陣列具有5至IO微米的比較大的像素。通 常的激光源產(chǎn)生具有典型的幾百納米波長的激光輻射。由此，根據(jù)衍射 定理針對激光的衍射得到大約5至10度的較小的最大偏轉角。該衍射 角對由經(jīng)過相位調制的激光射束在工件上產(chǎn)生的射束圖案的清晰度有 很大影響。已經(jīng)表明，利用由高功率二極管激光器或者由Nd-YAG固體 激光器輸出耦合的高能量激光，在激光裝置的加工頭和工件之間處于通 常的加工間距的情況下，只有寬度為幾個毫米的線條能夠清晰地繪制在 工件上。然而經(jīng)常期望或者需要在工件上產(chǎn)生具有更高能量密度以及清 晰邊沿的更細的圖案。

發(fā)明內容
因此本發(fā)明要解決的技術問題是，從所述的現(xiàn)有技術出發(fā)提供這樣 一種可能性，即能夠在工件上清晰地繪制尤其是具有較窄寬度的線條。 該技術問題根據(jù)本發(fā)明通過具有本發(fā)明特征的激光裝置解決。 本發(fā)明的基本思路是，不需要在相位調制陣列之后設置附加的光學 輔助工具就可以將激光射束更為清晰地聚焦在工件上。已經(jīng)示出，工件 上射束圖案的清晰度不僅僅通過取決于相位調制陣列的像素大小和所 采用的激光波長的激光射束衍射來確定，而且也通過產(chǎn)生該激光射束的 激光源的輻射角(Abstrahlwinkel )確定。激光射束的發(fā)散度，也就是 說激光射束在從激光源射出之后隨著距離增加而產(chǎn)生的擴展，是激光器 的品質以及該激光器的射束質量的度量。在射束直徑較小時的微小發(fā)散度代表良好的射束質量，并且導致清晰的繪圖。
激光射束的可聚焦性按照IS0標準11146通過衍射值N^來描述。該 衍射值給出了與具有相同射束部分直徑的理想高斯射束的發(fā)散度相稱 的發(fā)散角。
因此，根據(jù)本發(fā)明的激光裝置具有這樣的相位調制陣列和激光源， 該相位調制陣列具有大于4微米、優(yōu)選4至IO微米的通常像素大小， 該激光源具有激光射束的高射束質量。所述具有高射束質量的激光源與 具有限制了最小像素大小的相位調制陣列的組合，使得具有小于2毫米 線寬的線條可以借助于具有短波長的激光清晰地繪制在工件上。當然也 可以用該新的激光裝置清晰地繪制具有更大線寬的圖案。對此相位調制
陣列可以用公知的方式透射或者反射地工作。
為此優(yōu)選使用 一種激光源，從該激光源中可以輸出耦合具有射束質 量KX).5的激光射束，由此該激光源對應于衍射值M2〈2。
由纖維激光器產(chǎn)生的激光射束具有突出的有益特性。這種纖維激光 器以出色的方式結合了二極管泵浦固體激光器與波導的優(yōu)點。在纖維的 核心區(qū)域中的光引導實現(xiàn)了貫穿整個纖維長度的高功率密度以及高輸 出功率，同時實現(xiàn)了極好的射束質量。高功率纖維激光器能夠發(fā)射幾個 微米的波長，這可以得到明顯更小的最大偏轉角。
根據(jù)本發(fā)明的激光裝置尤其出色地適用于對塑料制成的工件進行 透射焊接。該激光裝置使得對小批量生產(chǎn)或者樣品生產(chǎn)可以使用相位調 制陣列作為可變的衍射光學元件。因此該激光裝置在頻繁的改裝過程中
特別有益以及實用，因為它明顯減少了由此帶來的裝調時間。
有益的是，遮蔽系統(tǒng)能夠使激光射束位置固定地作為固定圖案或者 位置變化地作為移動圖案繪制在工件上。因此根據(jù)本發(fā)明的激光裝置類 似地適用于工件的同步加工和準同步加工，或者類似地適用于工件的同 步連接和準同步連接。因此除了同步焊接的標準使用之外，還可以使用 可變的可控相位調制陣列作為掃描器。為此產(chǎn)生鋸齒狀的空間調制，該 調制引起所出現(xiàn)的全部激光射束的偏轉。以這種模式，該激光裝置還可 以用于輪廓焊接。
相位調制的意義在于，這樣來調制激光的相位，即產(chǎn)生期望的干涉 圖案。基于具有足夠的橫向相干性的極化輻射場，所出現(xiàn)的激光射束的 各個子區(qū)域的相位可控地改變，從而在相位調制陣列之后的子區(qū)域以期
5望的方式發(fā)生干涉。通過液晶單元，出現(xiàn)的激光射束分成各個子射束。每一個子射束在此都在單獨可控的單元中以確定的方式得到相位調制。在從相位調制陣列射出之后，各個子射束整體形成新的激光射束。由此以特別簡單、靈活，并且尤其不依賴于其它子射束的方式，實現(xiàn)了對由各自的液晶單元確定的子射束的調制。
空間分辨率以及由此在工件上繪制的圖案的清晰度，決定性地取決于原來的輻射場的射束質量以及各個液晶單元的幾何尺寸和數(shù)量。在實踐中可以通過由合適的電子控制設備發(fā)出并且施加在液晶單元上的電壓來改變液晶的折射率。由此又可以對進入的激光的相位發(fā)生影響。在此，所述的折射率以及由此的光學相位延遲隨著電壓增加而連續(xù)改變。因此，通過將個別電壓有目的性地施加給從相位調制陣列中選出的確定的液晶單元，得到許多個別的相位。通過對各個子射束的相位進行有目的性的調制，這些子射束在工件上發(fā)生干涉而形成所期望的圖案。
原則上也能夠由具有垂直可移動反射鏡的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)來代替基于液晶的相位調制陣列。


下面借助實施例進一步闡釋本發(fā)明。該實施例是激光裝置，該激光裝置具有用于對工件進行激光透射焊接的可變相位調制陣列。以示意圖示出
圖l 根據(jù)本發(fā)明針對同步焊接的工作方式的激光裝置；以及圖2 根據(jù)圖1中的激光裝置在準同步焊接或者輪廓焊接的工作方式下工作的射束偏轉。
具體實施例方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的激光裝置1，包括纖維激光器2，連接到圖中沒有示出的加工頭的纖維光導體3，在該加工頭中設置有用于射束成型的光學透鏡4以及用于對激光射束6的輻射進行相位改變的相位調制陣列5。從光導體3中導出的激光射束6由透鏡4成束地投射到在圖2中可見示出的相位調制陣列5的液晶單元7上。
相位調制陣列5的液晶單元7可分別借助于電子控制器8彼此獨立地受到控制，并且將出現(xiàn)的激光射束6的相位在確定位置上以預定的期望方式調制成相同和/或不同。相位調制陣列5在該示例中工作在透射 方式下，從而激光射束6穿過液晶單元7，其中產(chǎn)生確定的射束圖案， 該射束圖案同時被偏轉到要連接的工件9， 10上。
圖2示出沒有形成特殊圖案的激光射束6的偏轉。在此并排排列的 液晶單元7由控制器8以這種方式控制，即激光射束6經(jīng)受鋸齒狀的空 間相位調制，該空間相位調制導致射束6的連續(xù)射束偏轉。激光射束6 的光波在相位調制陣列5的入射面11之前和在相位調制陣列5的射出 面12之后，由于相位發(fā)生了變化而在不同的方向上傳播。
權利要求
1. 一種借助于電磁輻射來加工或者連接工件(9，10)的激光裝置(1)，該激光裝置具有發(fā)出激光射束(6)的激光源(2)，以及串聯(lián)在激光源(2)之后的用于工件(9，10)的電子遮蔽系統(tǒng)(5)，其中該電子遮蔽系統(tǒng)(5)將通過的激光射束(6)以可自由確定的圖案繪制在工件(9，10)上，其特征在于，相位調制陣列(5)作為遮蔽系統(tǒng)，該相位調制陣列(5)具有大于4微米的通常的像素大小，以及具有激光射束的高射束質量的激光源(2)，該激光源(2)使得能夠在工件(9，10)上清晰地繪制具有小于2毫米線寬的圖案。
2. 根據(jù)權利要求1所述的激光裝置，其特征在于，激光射束的射 束質量K具有大于0. 5的值，并且衍射值M卩具有小于2的值。
3. 根據(jù)權利要求1所述的激光裝置，其特征在于，激光源是纖維 激光器。
4. 根據(jù)上述任意一項權利要求所述的激光裝置，其特征在于，遮 蔽系統(tǒng)(5)將激光射束(6)位置固定地作為固定圖案繪制在工件(9， 10)上。
5. 根據(jù)上述權利要求1至3中任一項所述的激光裝置，其特征在 于，遮蔽系統(tǒng)(5)將激光射束(6)作為移動圖案繪制在工件(9， 10) 上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種借助于電磁輻射來加工或者連接工件的激光裝置，該裝置具有發(fā)出激光射束的激光源，以及串聯(lián)在激光源之后的用于工件的電子遮蔽系統(tǒng)。該遮蔽系統(tǒng)將通過的激光射束以可自由確定的圖案繪制在工件上。作為遮蔽系統(tǒng)采用具有通常的像素大小＞4μm的相位調制陣列，以及具有激光射束的高射束質量的激光源，該相位調制陣列和該激光源共同實現(xiàn)了在工件上清晰地繪制具有線寬＜2mm的圖案。
文檔編號B23K26/06GK101486128SQ200910002569
公開日2009年7月22日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權日2008年1月17日
發(fā)明者R·澤布肯, U·古布勒 申請人:萊丹加工技術公司