(57)【要約】  少なくとも１つの電磁放射線ビーム源と、放射線を可変整形および合焦するビーム整形光学系とを有する材料加工用の装置。放出された放射線は、第１のビームパラメータ積を有し、放射線が材料と相互作用する加工ゾーン内の放射線が、第２のビームパラメータ積を有する。作動装置が、少なくとも１つの光学素子の位置または光学特性の変化によって第２のビームパラメータ積を変化させる。この場合、ビーム整形光学系の少なくとも１つの第１の光学素子が、収差量を生み出す、かつ／または大きくし、ビーム整形光学系の少なくとも１つの第２の光学素子が、量として生み出されたかまたは大きくされた収差を、作動装置の設定によって、加工ゾーン内の放射線が、設定すべき第２のビームパラメータ積を有するように、少なくとも第１の光学素子または第２の光学素子の位置または光学特性を変化させることにより変化させる。さらに、相応の材料加工用の方法が提供される。
2020532431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある一定の出力密度分布を有する放射線（２）を放出する少なくとも１つの電磁放射線ビーム源（１）と、
前記ビーム源（１）の放射線（２）を可変整形および合焦するビーム整形光学系（５）であって、ビーム軸（３）と呼ばれる、合焦放射線（２）の光学軸が、加工ゾーン（１０）の方を向いている、ビーム整形光学系（５）と、
前記加工ゾーン（１０）内に形成されかつ移動する、放射線（２）と材料（９）との相互作用面（１４）の範囲に前記放射線（２）を維持する装置と、
を有する材料加工用の装置であって、
放出された前記放射線（２）が、第１のビームパラメータ積（ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ−ＢＰＰ１）を有し、
前記放射線（２）が前記材料（９）と相互作用する前記加工ゾーン（１０）内の前記放射線（２）が、第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を有する、
装置において、
少なくとも１つの光学素子（６；７）の位置または光学特性の変化によって前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を変化させる作動装置（１５）が設けられており、前記ビーム整形光学系（５）の少なくとも１つの第１の光学素子（６）が、収差量を生み出す、かつ／または大きくし、前記ビーム整形光学系（５）の少なくとも１つの第２の光学素子（７）が、量として生み出されたかまたは大きくされた収差を、前記作動装置（１５）の設定によって、前記加工ゾーン（１０）内の前記放射線（２）が、設定すべき前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を有するように、少なくとも前記第１の光学素子（６）または前記第２の光学素子（７）の位置または光学特性を変化させることにより変化させることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記ビーム整形光学系（５）の前記少なくとも１つの第１の光学素子（６）が、負の収差量を生み出すか、または大きくし、前記ビーム整形光学系（５）の前記少なくとも１つの第２の光学素子（７）が、量として生み出されたかまたは大きくされた負の収差を、前記作動装置（１５）の設定によって、前記加工ゾーン（１０）内の前記放射線（２）が、設定すべき前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を有するように、少なくとも前記第１の光学素子（６）または前記第２の光学素子（７）の位置または光学特性を変化させることにより変化させることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記作動装置（１５）を用いて最小限設定可能な前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２ｍｉｎ）が、前記第１のビームパラメータ積（ＢＰＰ１）の値を下回らず、かつ好ましくは、前記第１のビームパラメータ積（ＢＰＰ１）と同じであるか、または前記第１のビームパラメータ積（ＢＰＰ１）をわずかにしか上回らず、前記作動装置（１５）を用いて最大限設定可能な前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２ｍａｘ）が、前記作動装置（１５）を用いて最小限設定可能な前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２ｍｉｎ）の少なくとも２倍、好ましくは５倍から２０倍であることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記ビーム整形光学系（５）が、前記放射線（２）の伝播方向に見てビームコリメーティング光学系（４）の出口側に配置されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記ビーム整形光学系（５）へと、前記第１のビームパラメータ積（ＢＰＰ１）で入射する放射線が、コリメートされていない放射線であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）の変化時に、前記合焦放射線（２）のビームウエスト（１１）の、前記ビーム整形光学系（５）の固定基準面（１３）までのウエスト距離（１２）が一定であるか、または設定されたゲート（１８）内で変化することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記合焦放射線（２）の前記ビームウエスト（１１）の、前記ビーム整形光学系（５）の前記固定基準面（１３）までの前記ウエスト距離（１２）が変化して前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）が変化する際、前記ウエスト距離（１２）が、少なくとも前記第１の光学素子（６）または前記第２の光学素子（７）の少なくとも１つの位置または光学特性が変化する際に、前記設定されたゲート（１８）内に前記ウエスト距離（１２）が留まるように少なくとも前記第１の光学素子（６）および前記第２の光学素子（７）が設計されていることにより、設定されたゲート（１９）内で変化することを特徴とする、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記ビーム整形光学系（５）が、その位置またはその光学特性の点で可変である第３の光学素子（８）を有するため、前記ウエスト距離（１２）が、前記設定されたゲート（１８）内で可変に設定可能であるか、または一定であることを特徴とする、請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
前記ビーム整形光学系（５）の前記少なくとも１つの第１の光学素子（６）および／または前記少なくとも１つの第２の光学素子（７）が、球面を有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記ビーム整形光学系（５）の前記少なくとも１つの第１の光学素子（６）および／または前記少なくとも１つの第２の光学素子（７）が、非球面を有することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの第１の光学素子（６）の光学特性および／または前記少なくとも１つの第２の光学素子（７）の光学特性が、その屈折率の変化、その屈折率勾配の変化、またはその形の変化によって可変であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの第１の光学素子（６）および／または前記少なくとも１つの第２の光学素子（７）が、負の光学焦点距離を有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記作動装置（１５）の制御モジュール（１６）を介して、前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）が、必要な加工結果または少なくとも１つの設定済みもしくは生じるプロセスパラメータに依存して、所定の特性曲線または所定の特性マップ（１７）に応じて設定可能であることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記作動装置（１５）の前記制御モジュール（１６）を介して、前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）が、加工時間に依存して（時間依存性）、かつ／または加工位置に依存して（空間依存性）、所定の特性曲線または所定の特性マップ（１７）に応じて可変であることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の光学素子（６）または前記第２の光学素子（７）の少なくとも１つの位置または光学特性が、所定の特性曲線に沿ってまたは所定の特性マップ（１７）内で変化する際に、前記設定されたゲート（１８）内に前記ウエスト距離（１２）が留まることを特徴とする、請求項６から１４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
少なくとも１つの電磁放射線ビーム源、特にレーザビーム源（１）を使用して、材料加工用の方法であって、前記ビーム源が、第１のビームパラメータ積（ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ−ＢＰＰ１）を有する放射線（２）を、ある一定の出力密度分布で放出し、かつ前記ビーム源（１）の前記放射線（２）が、ビーム整形光学系（５）によって可変整形および合焦され、ビーム軸（３）と呼ばれる、合焦放射線（２）の光学軸が、加工ゾーン（１０）の方を向いており、該加工ゾーン（１０）内に形成されかつ移動する、放射線（２）と材料（９）との相互作用面（１４）の範囲に前記放射線（２）が維持され、前記放射線（２）が前記材料（９）と相互作用する前記加工ゾーン（１０）内の前記放射線が、第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を有する、方法において、
少なくとも１つの光学素子（６；７）の位置または光学特性の変化によって前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を変化させ、前記ビーム整形光学系（５）の少なくとも１つの第１の光学素子（６）を用いて、収差量を生み出すかまたは大きくし、前記ビーム整形光学系（５）の少なくとも１つの第２の光学素子（７）を用いて、量として生み出されたかまたは大きくされた収差を、作動装置（１５）の設定によって、前記加工ゾーン（１０）内の前記放射線（２）が、設定すべき前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を有するように、少なくとも前記第１の光学素子（６）または前記第２の光学素子（７）の位置または光学特性を変化させることにより変化させることを特徴とする、方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第１の光学素子（６）を用いて、負の収差量を生み出すか、または大きくし、前記少なくとも１つの第２の光学素子（７）を用いて、量として生み出されたかまたは大きくされた負の収差を、前記加工ゾーン（１０）内の前記放射線（２）が、設定すべき前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を有するように、少なくとも前記第１の光学素子（６）または前記第２の光学素子（７）の位置または光学特性を変化させることにより変化させることを特徴とする、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を、必要な加工結果または少なくとも１つの設定済みもしくは生じるプロセスパラメータに依存して、所定の特性曲線または所定の特性マップ（１７）に応じて設定することを特徴とする、請求項１６または１７記載の方法。
【請求項１９】
前記合焦放射線（２）の出力密度分布が、前記合焦放射線（２）の使用時に前記加工ゾーン（１０）を貫通するかまたは前記加工ゾーン（１０）と交差する、光学軸に対して垂直な各面上で、前記材料（９）（ワークピース）が光線路にない自由伝播において、それぞれ、２次モーメント法に基づいて定義した第１の半径ｒ１により定義され、かつそれぞれ、第２の半径ｒ２を有し、第２の半径ｒ２を有する円の範囲内には、レーザビーム出力の少なくとも９０％、好ましくは９５％が、さらに好ましくは９９％から１００％の間で内含され、第２の半径ｒ２が、第１の半径ｒ１の最大限１．５倍の値、好ましくは１．１倍から１．３倍の間の値へと設定されることを特徴とする、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記合焦放射線（２）の出力密度分布を、前記合焦放射線（２）の使用時に前記加工ゾーン（１０）を貫通するかまたは前記加工ゾーン（１０）と交差する、光学軸に対して垂直な各面上で、前記材料（９）（ワークピース）が光線路にない自由伝播において、それぞれ、ビーム軸に対して垂直なそれぞれの面上の、２次モーメント法に基づいて定義した半径ｒ１を有する円に内含されている面積上にある平均出力密度（ｌｍｅａｎ）の５倍の値よりも小さい、好ましくは２倍から３倍の値よりも小さい最大出力密度（ｌｍａｘ）により定義することを特徴とする、請求項１６から１９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記作動装置（１５）の制御モジュール（１６）を介して、前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を、必要な加工深さ（ＢＴ）に依存して、所定の特性曲線または所定の特性マップ（１７）に応じて、ある所定の加工限界深さ（ＢＧＴ）から、またはある所定の加工限界深さ（ＢＧＴ）の上側では、必要な加工深さ（ＢＴ）が増すにつれて逐次的に大きくすることを特徴とする、請求項１６から２０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
前記作動装置（１５）の前記制御モジュール（１６）を介して、前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）の変化時に、前記合焦放射線（２）のＦ値（前記ビーム整形光学系の出口にある最後の光学素子までのビームウエスト（１１）の距離と、当該素子でのビーム直径との比率）も、所定の特性曲線または所定の特性マップ（１７）に基づき設定することを特徴とする、請求項１６から２１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２３】
前記所定の特性曲線または前記所定の特性マップ（１７）に基づき、前記第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）がより大きい場合に、Ｆ値が一定に保たれるかまたは大きくなるように、前記合焦放射線（２）のＦ値（絞り値）を設定することを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載の材料加工用の装置、ならびに請求項１６の前提部に記載の方法に関する。
【０００２】
そのような材料加工用の装置は、ある一定の出力密度分布を有する放射線を放出する少なくとも１つの電磁放射線ビーム源を有する。ビーム源の放射線は、放射線を可変整形および合焦するビーム整形光学系を介して案内される。ビーム軸とも呼ばれる、合焦放射線の光学軸は、加工ゾーンの方を向いている。さらに、加工ゾーン内で形成されかつ移動する、放射線と材料との相互作用面の範囲に放射線を維持する装置が存在する。放出される放射線は、第１のビームパラメータ積（ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ）を有し、放射線が材料と相互作用する加工ゾーン内の放射線は第２のビームパラメータ積を有する。
【０００３】
その際、放射線の可変整形とは、ワークピース内での放射線効果を、つまり、例えば、ドリル穴内または溶接キャピラリ内の切断フロントに沿って、ないしは切断フロント上で適切に設定するために、放射線を、そのビームパラメータ積に関して、特にその、半径方向および軸方向の出力密度分布に関して整形するということを意味する。
【０００４】
材料加工用の公知の適切な方法は、少なくとも１つの電磁放射線ビーム源、特にレーザビーム源を使用し、ただし、そのビーム源は、第１のビームパラメータ積（ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ）を有する放射線を、ある一定の出力密度分布で放出し、かつビーム源の放射線は、ビーム整形光学系によって可変整形および合焦される。すでに言及したように、ビーム軸と呼ばれる、合焦放射線の光学軸は、加工ゾーンの方を向き、放射線は、加工ゾーン内で形成されかつ移動する、放射線と材料との相互作用面の範囲に維持される。放射線が材料と相互作用する加工ゾーン内の放射線は、第２のビームパラメータ積を有する。
【０００５】
電磁放射線ビーム源に含まれるのは、特にレーザビーム源であるが、ＭＡＳＥＲ（コヒーレントマイクロ波源）、または極端紫外線波長域もしくはＸ線波長域の極短波長コヒーレントビーム源も含まれる。
【０００６】
前記の、ＢＰＰと呼ばれるビームパラメータ積は、放射線のビーム品質ならびにその合焦性に関し、以下の式で定義されている：
ＢＰＰ＝φ・ｒ０＝Ｍ２・λ／π
式中、
φ＝遠視野での放射線の半開口角
ｒ０＝ビームウエスト半径
Ｍ２＝ビーム品質因子
λ＝ビームの波長
ビームウエスト半径は、焦点半径に相当する。ビームの合焦性は、ビーム品質因子Ｍ２が高まるにつれて悪化し、ビーム品質因子は、常に１以上である。
【０００７】
それらの装置は、材料を加工するために少なくとも１つのビーム源の放射線が使用される至る所、および材料と放射線との相互作用が、ビーム分布とも呼ばれる、ビーム出力密度の３次元的な広がりおよび分布によって影響される至る所で有利に使用される。放射線のこの特性が特に重要である加工方法は、ビーム・材料相互作用により相互作用面が材料内に侵入するような方法である。これに数えられるのは、例えば、切断、剥削、ドリル加工、スクラッチ加工（Ｒｉｔｚｅｎ）、パーフォレーション加工、および深溶込み溶接（Ｔｉｅｆｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ）である。適用される方法、およびその方法が目指す特性に応じて、ビーム出力密度の３次元的な広がりおよび分布を、ならびに場合によっては電磁場のエネルギー輸送の密度および方向、つまり出力密度を指定するポインティングベクトルの局所的方向の分布も適切に設定するべきである。
【０００８】
従来技術では、レーザ放射線を利用する、レーザビーム分布の特性が設定可能である、材料加工用の様々な装置および方法が公知である。
【０００９】
欧州特許出願公開第０７２３８３４号明細書は、可変直径を有する合焦レーザビームを、定められた焦点面で生み出すレーザ系を記載する。特に、結像倍率の変化を介して相互作用領域でのビーム直径を調整するズーム光学系を使用する。
【００１０】
従来技術では、本来のレーザビームの、複合コア・リングファイバ（ｋｏｍｂｉｎｉｅｒｔｅ  Ｋｅｒｎ−Ｒｉｎｇ−Ｆａｓｅｒ）への結合により、またはファイバ出口でのビーム発散角およびビーム分布を変化させるための、調整ファイバのファイバ入口でのビーム結合位置およびビーム方向の操作により、ビーム品質（合焦性）および／またはビームプロファイルを調整するファイバ光学系も公知である。
【００１１】
独国特許出願公開第１０２００７０２４７００号明細書は、レーザ放射線を用いた材料加工用の方法および装置を記載し、その方法では、レーザ放射線の画分が、ビームウエスト後方の伝播方向でのみならず、ビームウエスト内でも、かつ／またはビームウエスト前方の伝播方向でも離れ去る方に向かうようにレーザ放射線の合焦が行われ、ならびにその画分および発散角が、標準的光学系を用いると予期せずに生じ甘受される収差の影響による画分および発散角よりも大きいようにレーザ放射線の合焦が行われる。ビーム整形光学系の円錐面積分率により、リング状ビームプロファイルを生み出すアキシコン、およびウェーブフロントへの影響によりビーム分布を調整する回折光学系も記載される。
【００１２】
独国特許出願公開第１０２０１５１０１２６３号明細書は、レーザ放射線を合焦するための設定光学系が、強度分布（出力密度分布）を設定するために、レーザビームの光線路において順番に配置されており互いに周方向に回転可能である少なくとも２つの板状光学素子を有する、レーザ放射線を利用した材料加工用の装置を記載する。
【００１３】
欧州特許第２３３４４６５号明細書は、ワークピース上に入射するレーザビームの品質係数（ＢＰＰ）が、光学装置を利用して設定または修飾される、ワークピースのレーザビーム切断法に関する。それにより、入射するレーザビームのＢＰＰとは異なる、修飾されたビームパラメータ積（ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ−ＢＰＰ）を有する合焦レーザビームが得られることになる。そのための該当する装置は、少なくとも１つの透過型または反射型の回折光学素子を含み、ただし、合焦レーザビームの修飾されたＢＰＰは、入射レーザビームのＢＰＰから、乗算係数１．２以上または５以下分だけ異なる。その光学装置の表面は、動作波長の範囲において様々な深さで光学装置の基材内へと彫り込まれた微細構造を有する。したがって、ビーム分布を調整するための回折光学系は、ウェーブフロントへの影響により記載される。
【００１４】
国際公開第２０１６／２０９８００号は、加工対象ワークピース上へと放射線を合焦し、かつワークピース上で空間的エネルギー分布を変化させるレーザ系を記載する。そのためには、コリメーティングレンズ、集束レンズ、放射線経路の範囲内で光学素子の位置を変化させるための系、ならびにその系を制御するための制御ユニットを有する可動型光学系を使用する。可動光学系は、空間的出力分布に影響を及ぼすために、コリメーティング光学系の前方に配置されている。
【００１５】
米国特許出願公開第２０１５／０３７８１８４号明細書は、ビーム源からのビームの空間的出力分布を変化させるため、かつ変化した空間的出力分布を有する放射線をワークピース上へと合焦するために、ビームパラメータ調整系・合焦系を記載する。放射線を吸収し、かつワークピースへと転送するための熱光学素子が使用され、ただし、その熱光学素子は、屈折率を変化させるために、熱源により加熱される。熱光学素子および熱源は、ワークピース上での必要な空間的出力分布を達成するために、制御ユニットを介して制御される。
【００１６】
独国特許出願公開第１０２０１４２０７６２４号明細書は、材料加工用の装置および方法を記載する。その装置は、レーザビーム出口を有するファイバレーザ系を含み、さらにファイバレーザ系のレーザビームのビーム方向において、レーザビーム出口、例えばファイバ末端と材料加工領域、例えば作業面との間に配置されているズーム光学系を含む。
【００１７】
従来技術に伴う本質的な不利点は、以下のようにまとめることができる。
【００１８】
使用されるズーム光学系は、結像倍率（それゆえ、焦点距離（ｆ）の、有効入射瞳の直径（Ｄ）に対する比率として定義されるＦ値）のみ、それゆえワークピース上またはワークピース内のスポットサイズのみに決定的な影響を及ぼすが、ビーム品質および／またはビームプロファイルには影響を及ぼさない。したがって、そのようなズーム光学系は、有効焦点距離ないしは結像倍率の変化によって焦点直径の変化を可能にする。光学系の結像原理によると、焦点直径は、ビーム発散角に対して反比例で変化する。その積は一定に保たれる。２つの量は可変であるが、互いに独立にではない。
【００１９】
ファイバ光学系（またはウェーブガイド）は、その入口および出口において、各末端面での、使用される放射線の高出力密度ゆえ、非常に高感度であり、かつ高精度で調整可能な高価な結合光学系を必要とする上、限定的な、部分的にはしかも不連続的なビーム整形可変性しか許容しない。
【００２０】
円形放射線をリングへと変換させるアキシコン、つまり円錐研磨された特殊なレンズまたはミラーは、周方向にジグザグ状に延在するラジアルファセットから構成されているため同じくリング状であるものの、リング円周に沿って断続的な放射線再分布をもたらす、いわゆるジーメンススター光学系と同様に、製造プロセス、特に、形状製作、光沢およびコーティングに関して非常に手間がかかり、かつ調整に非常に反応しやすい。
【００２１】
従来技術で使用されるような可変回折光学系は、低出力範囲でのみ可変ビーム整形ないしは空間光位相変調（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を可能にするが、なぜなら今日利用できる、位相シフトを局所的に変化させるための半導体素子が、より高い出力密度では機能不良から高感度光学系の破壊までをもたらす高すぎる熱損失を生み出すためである。しかも、前記の文書は、「スクラッチ加工した」、つまり固定型不変回折光学系のみに限定され、その回折光学系の出力定格も同じくきわめて限られており、かつすべての回折光学系と同様に系内在性の回折損失を引き起こす。
【００２２】
コリメーティング光学系および合焦光学系からなる標準的光学系への付加光学系は、コリメーティング光学系の前方に配置され、光学系全体を大きくし光学素子の数を不必要に増やす。その上、標準的構成が想定する制約条件に起因し、正当化できる労力で生み出せるビーム整形変動範囲が不必要に制限される。
【００２３】
従来技術によって使用される熱光学素子は、ビーム分布の、緩慢でありかつ比較的不正確な変化しか可能にしない。
【００２４】
不連続的な光学的状態間のみを切り替える、例えば、レボルバー型光学系または異なるファイバ上で切り替わる光学系の形の段階的、不連続的な可動光学系は、それゆえ、その可変性に関して明らかに限定的である。
【００２５】
本発明の課題は、従来技術に基づき前記で列挙した不利点を少なくとも部分的に取り除くことである。特に、ワークピースの表面を起点に、プロセス最適化された３次元吸収面を、ワークピース内までまたはワークピースを通過して形成する装置を提示することになる。
【００２６】
その課題は、請求項１の特徴部分を有する装置によって解決される。方法的には、課題は、請求項１６の特徴部分による方法によって解決される。装置および方法の好ましい変形形態は、それぞれの従属請求項において記載されている。
【００２７】
冒頭で記載した特徴部分を有する本発明による装置は、少なくとも１つの光学素子の位置または光学特性の変化によって第２のビームパラメータ積を変化させる作動装置が設けられていることを特徴とする。ビーム整形光学系は、少なくとも１つの第１の光学素子および第２の光学素子を有する。少なくとも１つの第１の光学素子は、収差量を生み出す、かつ／または収差量を大きくするのに対して、ビーム整形光学系の少なくとも１つの第２の光学素子は、量として生み出されたか、または大きくされた収差を、作動装置の設定を介して少なくとも第１の光学素子または第２の光学素子の位置または光学特性の変化により、加工ゾーン内の放射線が、設定すべき第２のビームパラメータ積を有するように変化させる。
【００２８】
本発明による方法は、第２のビームパラメータ積が、少なくとも１つの光学素子の位置または光学特性の変化によって変わることで傑出している。その上、ビーム整形光学系の少なくとも１つの第１の光学素子を用いて、収差量を生み出すか、または大きくし、かつビーム整形光学系の少なくとも１つの第２の光学素子を用いて、量として生み出されたか、または大きくされた収差を、作動装置の設定を介して少なくとも第１の光学素子または第２の光学素子の位置または光学特性を、加工ゾーン内の放射線が、設定すべき第２のビームパラメータ積を有するように変えることで変化させる。
【００２９】
本発明によるそのような装置ならびに方法を用いることで、ビーム整形のために、壊れやすいファイバ光学系および回折光学系を省略でき、ビーム品質の連続的な変化、それゆえビーム分布の連続的な変化も高い可変性で可能になり、さらには安価に製造可能な、高価値の基材からなる上に優れたコーティング特性を有する光学系が使用できるようになる。
【００３０】
好ましくは、ビーム整形光学系の少なくとも１つの第１の光学素子が、負の収差量を生み出すか、または大きくし、かつビーム整形光学系の少なくとも１つの第２の光学素子が、量として生み出されたか、または大きくされた負の収差を、加工ゾーン内の放射線が、設定すべき第２のビームパラメータ積を有するように変化させるように装置を設計する。そのためには、作動装置の設定を介して少なくとも第１の光学素子または第２の光学素子の位置または光学特性を変化させる。この措置により、市販の光学系プログラムを使用して望みのビーム特性を設定する中で、少数の光学素子しか計算上最適化する必要がなくなることが達成される。
【００３１】
装置のさらなる一形態では、作動装置を用いて最小限設定可能な第２のビームパラメータ積が、第１のビームパラメータ積の値を下回らない。好ましくは、小さいスポット直径および高い出力密度を達成するために高いビーム品質も利用可能なままであるように、最小限設定可能な第２のビームパラメータ積が、第１のビームパラメータ積と同じであるか、または第１のビームパラメータ積をわずかにしか上回らない。さらに、作動装置を用いて最大限設定可能な第２のビームパラメータ積が、作動装置を用いて最小限設定可能な第２のビームパラメータ積の少なくとも２倍、好ましくは５倍から２０倍であることが望ましい。第１のビームパラメータ積と第２のビームパラメータ積との間のこの相違によって、例えば、高出力レーザ切断装置の典型的な適用範囲を完全にカバーできる。
【００３２】
場合によっては存在するビームコリメーティング光学系を引き続き、すでに一装置内で使用できるように、コリメートされた入射放射線に対して相応に設計されたビーム整形光学系を、放射線の伝播方向に見てビームコリメーティング光学系の出口側に配置する。
【００３３】
本発明による装置は、特に、ビーム整形光学系へと、第１のビームパラメータ積で入射する放射線がコリメートされていない放射線であっても使用可能である。その結果、コリメーティング光学系が不必要になるが、ビーム整形光学系の光学素子の寸法取りにかかる技術上の手間がさほど高まることはない。しかも、本発明による装置を用いると、原則的には、通常の放射線平行化を省略できるため手間はより少ないかもしれない。
【００３４】
ビーム整形光学系の必要作動距離ないしは許容作動距離を使用者が望む範囲へと技術上有意義に設定するため、または長さおよび動力学に関して手間がかかりすぎる付加軸を回避するためには、第２のビームパラメータ積の変化時に、合焦放射線のビームウエストの、ビーム整形光学系の固定基準面までのウエスト距離を一定に設定するか、または不動に設定されたゲート（Ｓｃｈｒａｎｋｅ）内で変化させる。ゲートは、望ましい作動距離、加工空間内もしくはワークピース内のウエスト位置、または可能な系寸法を考慮しつつ指定し、かつ相応に設定する。
【００３５】
合焦放射線のビームウエストの、ビーム整形光学系の固定基準面までのウエスト距離が変化して第２のビームパラメータ積が変化する際、そのウエスト距離は、少なくとも、第１または第２の光学素子のうちの少なくとも１つの光学素子の位置または光学特性が変化する際に、設定されたゲート内にウエスト距離が留まるように、少なくとも第１および第２の光学素子が設計されているというやり方により、設定されたゲート内で変化する。
【００３６】
ビーム整形光学系には、ウエスト距離を、設定されたゲート内で可変に設定するか、または一定に保つために、その位置またはその光学特性の点で可変である第３の光学素子が帰属してもよい。ウエスト距離の一定な設定用と同様に可変の設定用に、第３の光学素子を配置する。
【００３７】
ビーム整形光学系の少なくとも１つの第１の光学素子および／または少なくとも１つの第２の光学素子が、またはさらなる１つの光学素子も球面を有してもよく、それにより製造コストが著しく下がる。
【００３８】
望みの光学系設計に適した球面収差が、十分な変動範囲を要求しないか、または例えば、光学素子を構成するために必要な光学コンポーネントのサイズおよび数に関して系にかかる手間が大きすぎる場合、ビーム整形光学系の少なくとも１つの第１の光学素子および／または少なくとも１つの第２の光学素子が、またはさらなる１つの光学素子も非球面を備えてもよい。
【００３９】
少なくとも１つの第１の光学素子の光学特性および／または少なくとも１つの第２の光学素子の光学特性が、またはさらなる１つの光学素子の光学特性も、その屈折率の変化、その屈折率勾配の変化、またはその形の変化、つまり光学素子の表面の形の変化によって可変である。それぞれ、ビームパラメータ積の望みの変化を最適にかつ最も低価格で可能にする変化法を使用することが有利である。つまり、１００Ｗａｔｔ未満の低出力範囲に関しては、半導体材料または液体（いわゆる液体レンズ）を基盤とする、可変の屈折率または屈折率勾配を有する光学系が使用可能であるのに対して、５ｋＷ超の範囲の高出力に関しては、ピエゾドライブを介するか、または内部媒体（水、空気、オイル）の変圧を介して変形可能な、放射線を反射する膜を有するミラー光学系が有利であるかもしれない。
【００４０】
負の光学焦点距離は、少なくとも１つの第１の光学素子または少なくとも１つの第２の光学素子に関して、またはさらなる１つの光学素子に関しても放射線の広がりをもたらし、かつ正の光学素子と協力してその場合は放射線のウェーブフロントのより容易に可変である位相シフトゆえ、収差をより能率的に生み出し変化させることができる。
【００４１】
作動装置の制御モジュールを介して、第２のビームパラメータ積を、必要な加工結果または少なくとも１つの設定済みもしくは生じるプロセスパラメータに依存して、起用できる少なくとも１つの所定の特性曲線または少なくとも１つの所定の特性マップに応じて設定できる。最も単純な特性曲線は、光学素子のどの設定においてどのビームパラメータ積が生み出されるかを指定する。さらなる設定、例えば、第２の光学素子の付加的な位置調整が必要である場合はすでに特性マップが存在する。２つの制御変数、例えば、第１および第２の光学素子の位置（ただし、番号付けは光学素子の順番については何も記載しない）を用いて、加工プロセス、例えば、切断すべき板厚、または少なくとも１つの設定済みもしくは生じるプロセスパラメータ、例えばビーム出力、加工速度、もしくはプロセス温度の要件に応じて、ビームパラメータ積を設定することが有利であると分かった。適切なビームパラメータ積の依存関係は、経験的知識、一連の実験、またはプロセスシミュレーションに基づき生じ得て、前記の特性マップ中にトラジェクトリとして保存できる。
【００４２】
さらに、作動装置の制御モジュールは、第２のビームパラメータ積を、加工時間に依存して、つまり時間依存性、および／または加工位置に依存して、つまり空間依存性に、所定の特性曲線または所定の特性マップに応じて変化できる。その場合、制御モジュール中では、付加的に、設定すべきビームパラメータ積の時間依存性（例えば、ランプ関数または変調関数）および／または空間依存性（例えば、現在の加工トラジェクトリの位置での曲率半径に応じて）を、場合によってはさらにＦ値の時間依存性（例えば、ランプ関数または変調関数）および／または空間依存性（例えば、現在の加工トラジェクトリの位置での曲率半径に応じて）も特性曲線ないしは特性マップ中に保存し、それらの依存性に関しても再び、作動装置の制御変数に対する適切なトラジェクトリを保存してある。
【００４３】
さらなる一形態では、第１または第２の光学素子の少なくとも１つの位置または光学特性が、所定の特性曲線に沿ってか、または所定の特性マップ内で変化する際に、ウエスト距離が、設定されたゲート内に留まるか、または一定に設定される。該当する制約条件は、市販の光学系プログラムを用いて光学素子の特性および位置を計算上で設計および最適化する際に、いわゆる「ｍｅｒｉｔ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ」（評価関数）への適切なエントリにより考慮される。
【００４４】
作動装置の制御モジュールは、第２のビームパラメータ積を、以下の基準、つまり加工対象材料、実施すべき加工プロセス、加工対象形状、必要な品質、設定済みもしくは生じるプロセスパラメータ、例えば、加工速度、ビーム出力、プロセスガス種、プロセスガス圧、ウエスト位置の少なくとも１つ、または加工ゾーンの特性に依存する少なくとも１つのセンサ信号に依存しても、少なくとも１つの所定の特性曲線または少なくとも１つの所定の特性マップに応じて、加工前または加工最中に、開放型または閉鎖型の制御ループにおいて変化できる。
【００４５】
方法によると、少なくとも１つの第１の光学素子を用いて、（さらなる一形態では負の）収差量を生み出すか、または大きくし、かつ少なくとも１つの第２の光学素子を用いて、量として生み出されたか、または大きくされた（さらなる一形態では負の）収差を、少なくとも第１の光学素子または第２の光学素子の位置または光学特性の変化によって、加工ゾーン内の放射線が、設定すべき第２のビームパラメータ積を有するように変化させる。
【００４６】
好ましくは、合焦放射線の出力密度分布が、合焦放射線の使用時に加工ゾーンを貫通するか、または加工ゾーンと交差する、光学軸に対して垂直な各面上で、材料（ワークピース）が光線路にない自由伝播において、それぞれ、２次モーメント法に基づいて定義した第１の半径ｒ１により定義され、かつそれぞれ、第２の半径ｒ２を有する。第２の半径ｒ２を有する円の範囲内には、レーザビーム出力の少なくとも９０％、好ましくは９５％が、さらに好ましくは９９％から１００％の間で内含され、ただし、第２の半径ｒ２は、第１の半径ｒ１の最大限１．５倍の値、好ましくは１．１倍から１．３倍の間の値へと設定される。
【００４７】
合焦放射線の出力密度分布を、合焦放射線の使用時に加工ゾーンを貫通するか、または加工ゾーンと交差する、光学軸に対して垂直な各面上で、材料（ワークピース）が光線路にない自由伝播において、それぞれ、ビーム軸に対して垂直なそれぞれの面上の、２次モーメント法に基づいて定義した半径ｒ１を有する円に内含されている面積上にある平均出力密度の５倍の値よりも小さい、好ましくは２倍から３倍の値よりも小さい最大出力密度により定義することも想定されている。
【００４８】
ビーム源の最小限利用可能なビームパラメータ積に応じて、より均等、より高品質の加工結果を達成するためには、ある特定の加工深さから、加工深さが増すにつれて、ビームパラメータ積を大きくすることが有利であると判明した。加工深さとは、ここでは、例えば、切断すべき材料厚さ、金属結合に向けて必要な溶接深さ、またはレーザ穴あけ加工の目標深さと理解される。前記の特定加工深さの下側では、最小限利用可能なビームパラメータ積を超えたビームパラメータ積の増加は不利であろう。なぜなら、例えば、可能な加工速度が低下するであろうからである。したがって、作動装置の制御モジュールを介して、第２のビームパラメータ積を、必要な加工深さに依存して、少なくとも１つの所定の特性曲線または少なくとも１つの所定の特性マップに応じて、ある所定の加工限界深さから、またはある所定の加工限界深さの上側では、必要な加工深さが増すにつれて逐次的に大きくする。逐次的な増加とは、ここでは、第２のビームパラメータ積の増加が、加工深さの関数として、不連続ステップ（階段関数）で、または連続的（連続関数）にも起こることを意味し得る。
【００４９】
作動装置の制御モジュールを介して、第２のビームパラメータ積の変化時に、少なくとも１つの所定の特性曲線または少なくとも１つの所定の特性マップに基づき、合焦放射線のＦ値も設定できる。２つの制御変数、例えば、第１および第２の光学素子の位置（ただし、番号付けは光学素子の順番については何も記載しない）を用いて、ビームパラメータ積と同様にＦ値も、加工プロセス、例えば、切断すべき板厚、または少なくとも１つの設定済みもしくは生じるプロセスパラメータ、例えばビーム出力、加工速度、またはプロセス温度の要件に応じて設定することが有利であると分かった。適切なビームパラメータ積および適切なＦ値の、前記の要件への依存関係は、経験的知識、一連の実験、またはプロセスシミュレーションに基づき生じ得て、かつビームパラメータ積およびＦ値の、作動装置の制御変数への依存関係を記載する特性マップの上位にある特性マップ中に保存できる。その上、所定の特性曲線または所定の特性マップに基づき、第２のビームパラメータ積がより大きい場合にＦ値が一定に保たれるか、または大きくなるように、合焦放射線のＦ値を設定してもよい。
【００５０】
発明対象は、回転対称に作用する光学系を用いた回転対称な入力ビーム分布または出力ビーム分布のみに限定されるのではなく、同じやり方で、別の対称のビーム分布または非対称ビーム分布、ならびに別の対称の光学系、例えば、一方の軸でのみ球面または非球面にカーブさせたシリンダレンズにも、本発明による装置または方法において使用するために利用できるということを指摘する。その際、本発明による特徴部分は、同じく、好ましくは放射線の矢状面にのみ適用してもよい。
【００５１】
本発明のさらなる詳細および特徴部分は、例示的実施形態の以下の記載から、図面に基づきもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施形態による本発明の装置を図示する。
【図２】第２の実施形態による本発明の装置を図示する。
【図３】さらなる第３の実施形態による本発明の装置を図示する。
【図４】第４の実施形態による本発明の装置を図示する。
【図５】第１の光学素子の位置に依存した、ビームパラメータ積（ＢＰＰ２）およびＦ値の相対的変化を表すグラフを示す。
【図６】第１および第２の光学素子の位置に依存した、ビームウエスト半径、ビームパラメータ積（ＢＰＰ２）およびＦ値の相対的変化、ならびに調整トラジェクトリ、ならびにビームウエスト半径（ｒＦ）、ビームパラメータ積（ＢＰＰ２）およびＦ値の増大方向を表すグラフを示す。
【図７】２次モーメント法に基づいて定義した第１の半径ｒ１および第２の半径ｒ２に関連付けた、ビーム半径座標の関数としての、合焦放射線の出力密度分布に関する３つのグラフＡ、ＢおよびＣを示し、ただし、グラフＡは、ビーム断面をラスターパターン（その密度は、出力密度データ、および対応する、出力密度スケールの出力密度０からｌｍａｘに帰属する）により示し、グラフＢは、ビーム半径ｒ１およびビーム半径ｒ２を標識したビーム半径座標に依存する出力密度を表し、グラフＣは、半径ビーム座標に依存した内含エネルギー分率を、特にビーム半径ｒ１およびビーム半径ｒ２に対して示す。
【図８Ａ】ビーム整形光学系のＢＰＰｍｉｎ用設定におけるビームプロファイルの実際のビーム測定を示し、ただし、左側には、ビーム軸に沿って再現されたビーム焦線を示し、右側には、２つの特徴的な測定位置での２つのビーム断面をラスターパターンにより示し、その密度は、出力密度を表し、かつ対応する、出力密度スケールの出力密度０からｌｍａｘに帰属する。
【図８Ｂ】ビーム整形光学系のＢＰＰｍａｘ用設定におけるビームプロファイルの実際のビーム測定を示し、ただし、左側には、ビーム軸に沿って再現されたビーム焦線を示し、右側には、２つの特徴的な測定位置での２つのビーム断面をラスターパターンにより示し、その密度は、出力密度を表し、かつ対応する、出力密度スケールの出力密度０からｌｍａｘに帰属する。
【００５３】
第１の実施形態による図１中に示される本発明の装置は、電磁放射線２を放出するビーム源１を含み、その電磁放射線のビーム軸は、符号３で表示されている。放射線２は、第１のビームパラメータ積（ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ）ＢＰＰ１を有するある一定の出力密度分布を有する。ビーム源１の発散放射線２は、コリメートされていない放射線としてビーム整形光学系５に入射する。
【００５４】
ビーム整形光学系５は、放射線２を可変整形および合焦するために利用され、少なくとも１つの第１の光学素子６および少なくとも１つの第２の光学素子７を有する。そのビーム整形光学系５の第１の光学素子６は、示す例では、メニスカスレンズであるのに対して、放射線２の方向に見て第１の光学素子６の後方に配置されている、ビーム整形光学系５の第２の光学素子７は、両凸集束レンズである。
【００５５】
したがって、図１の第１の実施形態では、ビーム整形光学系５の第１の光学素子６および第２の光学素子７が球面を有する。球面を有する光学素子６または７は、非球面を備えた、ないしはその屈折率または形が可変に変更可能かつ設定可能である光学素子６または７と比べて製造コストが明らかに低いという利点を有する。
【００５６】
少なくとも１つの第１の光学素子６は、収差量を生み出す、かつ／または大きくするのに対して、ビーム整形光学系５の少なくとも１つの第２の光学素子７は、量として生み出されたか、または大きくされた収差を、少なくとも第１の光学素子６または第２の光学素子７の位置を変化させるというやり方で変化させる結果、ビーム整形光学系５から放出される、加工対象ワークピース９の方向に合焦する放射線２が、第２のビームパラメータ積（ｂｅａｍ  ｐａｒａｍｅｔｅｒ  ｐｒｏｄｕｃｔ）ＢＰＰ２を有するようになる。
【００５７】
ビーム整形光学系５ないしは第２の光学素子７から放出される合焦放射線２は、ビームウエスト１１を有する。ウエスト距離１２は、ビームウエスト１１とビーム整形光学系５の固定基準面１３との間に指定されている。基準面１３は、ビーム軸３に対して垂直な、ウエスト距離１２の測定に適切である、ビーム整形光学系の一面であり、任意に、ただし不動に定めることができる。
【００５８】
ビーム整形光学系５の少なくとも１つの第１の光学素子６は、（図２の詳細図Ｂに示される）負の収差量を生み出すか、または大きくすることができ、その場合、ビーム整形光学系５の少なくとも１つの第２の光学素子７は、量として生み出されたか、または大きくされた負の収差を、作動装置１５の設定を介して少なくとも第１の光学素子６または第２の光学素子７の位置の変化により、加工ゾーン１０内の放射線２が、設定すべき第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を有するように変化させることができる。（負の）収差の生成および量的な増大により、ビームパラメータ積（ＢＰＰ２）を調整する。例えば、ビームパラメータ積ＢＰＰ２を大きくするためには、第１の光学素子６と第２の光学素子７との間の距離を大きくし、ビームパラメータ積ＢＰＰ２を小さくするためには小さくする。
【００５９】
加工ゾーン１０は、レーザ材料加工（例えば、切断、剥削、ドリル加工、スクラッチ加工、パーフォレーション加工、または深溶込み溶接）を空間的に行うゾーンと定義されている。
【００６０】
さらに、図１中には、ワークピース９の加工深さＢＴ、ならびに相互作用面１４、つまり、放射線２がワークピース９と相互作用する領域を示し、ただし、示す例では、加工深さＢＴが、加工対象ワークピース９の厚さに相当する。
【００６１】
ビーム整形光学系５の第１の光学素子６と同様に第２の光学素子７も、制御モジュール１６を介して制御される作動装置１５により、それぞれ両向き矢印１９で示されるように、ビーム軸３の方向にシフト可能である。このシフト可能性により、第１の光学素子６と第２の光学素子７との互いの距離、および第１の光学素子６または第２の光学素子７の、ビーム源１までの距離が可変である。位置調整の種類および程度が、ビームパラメータ積ＢＰＰ２、合焦放射線２のＦ値、およびそのウエスト距離１２に影響を及ぼす。
【００６２】
様々な実施形態では、ビーム整形光学系５が、破線で囲まれており、図１から４中で示される様々な実施形態においてサイズの点で異なる。ビーム軸３の方向でのそれぞれのサイズにより、ビーム整形光学系５に帰属する光学素子、つまり、少なくとも第１の光学素子６および第２の光学素子７が、ビーム軸３の方向でシフト可能な範囲を示し、それは、図１にしか示さないが、両向き矢印１９でも示されている。ウエスト距離１２の指定に決定的であるのは、基準面１３の位置であり、その基準面は、すでに前記したように、ビーム軸に対して垂直な、ビーム整形光学系の一面上に位置するというやり方で、任意であるものの一定に指定されており、個々の図中では、その面を基準にウエスト距離を指定する面として示されている。
【００６３】
好ましくは、合焦放射線２のビームウエスト１１の、ビーム整形光学系５の基準面１３までのウエスト距離が、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２の変化時に一定であるか、または以下で図２に基づきさらに詳細に説明するように、設定されたゲート内で変動するように、合焦放射線２のビームウエスト１１の、ビーム整形光学系５の基準面１３までのウエスト距離１２を設定する。
【００６４】
制御モジュール１６は、保存された特性曲線または保存された特性マップ１７を起用できる。そのような特性曲線またはそのような特性マップ１７を介して、合焦放射線の特性値（ＢＰＰ２、Ｆ値、ウエスト半径（ｒＦ））とビーム整形光学系の素子の位置または光学特性値との間の関係を指定する上に必要な加工結果または少なくとも１つの設定済みもしくは生じるプロセスパラメータに依存した第２のビームパラメータ積（ＢＰＰ２）の設定用に援用されるデータを起用できる。
【００６５】
作動装置１５の制御モジュール１６を介して、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２を、さらには加工時間に依存して（時間依存性）かつ／または加工位置に依存して（空間依存性）、所定の特性曲線または所定の特性マップ１７に応じて変化させることができる。
【００６６】
第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２の時間依存性変化を行いたい場合、少なくとも１つの光学素子の位置または光学特性を、必要な加工結果に応じて、または設定済みもしくは生じるプロセスパラメータに依存して変化させるか、または時間的に調整する。
【００６７】
第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２の空間依存性変化は、例えば、著しいカーブ経路上で材料加工を行うか、または例えば、局所的に変化する材料特性もしくは変化する加工深さに起因してプロセスパラメータの局所的調整が必要である場合に行うのに対して、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２の時間依存性変化は、加工最中に一時的過程、例えば、ワークピースまたは光学系の発熱を考慮すべきである、ないしはビーム特性のランピングにより補整すべきである場合に使用する。
【００６８】
作動装置１５の制御モジュール１６を介して、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２を、必要な加工深さＢＴに依存して、所定の特性曲線または所定の特性マップ１７に応じて、ある所定の加工限界深さＢＧＴから、またはある所定の加工限界深さＢＧＴの上側では、必要な加工深さＢＴが増すにつれて逐次的に大きくしてもよい。加工限界深さＢＧＴとは、その深さからビームパラメータ積ＢＰＰ２の逐次的な変化を行って加工深さに合わせる所定の加工深さＢＴである。
【００６９】
図２には、本発明の第２の実施形態による装置を示す。図２に基づき、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２およびウエスト距離１２の変化に関する本発明の特性および特徴部分をさらに詳細に説明する。
【００７０】
図２の実施形態においても、ビーム整形光学系５は、メニスカスレンズの形の第１の光学素子６と両凸レンズの形の第２の光学素子７とから構成されている。２つの光学素子６と７との小さい距離に起因し、放出される放射線２の低収差の合焦がもたらされるため、詳細図Ａに基づき示されるように、ウエスト距離１２において、わずかな広がりを有する、合焦放射線のビームウエスト１１が生じる。この場合、ビーム整形光学系５の出口側の放射線２には、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２として定義されている、ビームウエスト半径（ｒＦ）とビーム発散角とからなる積が最小値を取るため理想的にはＢＰＰ２＝ＢＰＰ１が当てはまる第２の最小ビームパラメータ積ＢＰＰ２ｍｉｎが帰属する。
【００７１】
第１の光学素子６とビーム源１との距離の短縮、ならびに第１の光学素子６と第２の光学素子７との間の距離の延長により、図２に示すように、球面収差量が生み出される。収差が起きたビームは、第２の光学素子７によって合焦するため、詳細図Ｂに基づき示されるように、全体としては、ウエスト距離１２において、合焦放射線の広がったビームウエスト１１が生じる。特に、詳細図Ｂには、負の収差が量的に大きくなった場合の典型的なビーム推移を示す。
【００７２】
さらに、図２は、ビーム整形光学系５、ならびに第１の光学素子６および第２の光学素子７の異なる配置を利用して、合焦放射線２のビームウエスト１１の、ビーム整形光学系５に帰属する固定基準面１３までのウエスト距離１２が、設定されたゲート１８の範囲内、つまり、図２中の両向き矢印によって指定される範囲内で変化することを明らかにする。光学コンポーネントの形状または光学特性の適切な構成により、設定されたゲートが固定する領域を小さくまたは大きくできる。
【００７３】
さらに、光学コンポーネントの形状または光学特性の構成と、光線路に沿った適切な配置とにより、加工ゾーンの方を向いた放射線のビームパラメータ積を可変に設定できることを達成することができる。
【００７４】
図２は、最小ビームパラメータ積ＢＰＰ２ｍｉｎおよび最大ビームパラメータ積ＢＰＰ２ｍａｘが設定されている、ビーム整形光学系の光学コンポーネントの２つの極端位置を示す。その際、ＢＰＰｍｉｎおよびＢＰＰｍａｘの値は、ビーム整形光学系の本発明による実施形態に依存し、その実施形態は、作動装置１５を用いて最小限設定可能な第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２ｍｉｎが、第１のビームパラメータ積ＢＰＰ１の値を下回らず、かつ好ましくは、第１のビームパラメータ積ＢＰＰ１と同じであるか、または第１のビームパラメータ積ＢＰＰ１をわずかにしか上回らないこと、および作動装置１５を用いて最大限設定可能な第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２ｍａｘが、作動装置１５を用いて最小限設定可能な第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２ｍｉｎの少なくとも２倍、好ましくは５倍から２０倍であることを想定する。
【００７５】
ビーム整形光学系の必要作動距離ないしは許容作動距離の、使用者が望む範囲の技術上有意義な設定に向けて、または長さおよび動力学に関して手間がかかりすぎる付加軸を回避するためには、ビーム整形光学系を計算上で設計および最適化する際に、設定されたゲートを制約条件として定義するというやり方で、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２の変化時に、合焦放射線２のビームウエスト１１の、ビーム整形光学系５の固定基準面１３までのウエスト距離１２が、設定されたゲートの範囲内で変化するか、または一定に保たれるように光学コンポーネントを構成する。
【００７６】
図２の実施形態では、第１の光学素子６が負の焦点距離を有し、その負の焦点距離は、放射線の広がりをもたらし、かつ正の光学素子７と協力してその場合は放射線のウェーブフロントのより容易に可変である位相シフトゆえ、収差を生み出し変化させることができる。
【００７７】
少なくとも第１の光学素子６または少なくとも第２の光学素子７のいずれか一方の位置の変化時、つまり、ビームパラメータ積ＢＰＰ２の変化時に、ウエスト距離１２がその範囲では設定されたゲート１８内に留まる特性マップ範囲のみを設定するように、特性マップ１７中に、作動装置１５の制御変数に対する調整トラジェクトリを保存するというやり方で、ウエスト距離１２が、設定されたゲート１８内に留まることを確保できる。
【００７８】
第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２の変化時に、作動装置１５の制御モジュール１６を介して、Ｆ値、つまり、ビーム整形光学系５の出口にあるビーム整形光学系５の最後の光学素子までのビームウエスト１１の距離と、合焦放射線２のその素子でのビーム直径との比率も、所定の特性曲線または所定の特性マップ１７に基づき設定できる。
【００７９】
合焦放射線２のＦ値は、所定の特性曲線または所定の特性マップ１７に基づき、第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２がより大きい場合にＦ値が一定に保たれるか、または大きくなるように設定してもよい。ビーム発散角が一定に保たれるようにするには、Ｆ値を一定の値に保つのに対して、ビーム発散角を大きくするためにはＦ値を小さくする。
【００８０】
それぞれの設定パラメータおよびそれらの互いの依存関係は、以下でさらに、図５および６に基づき記載し明らかにする。
【００８１】
本発明による装置の第３の実施形態を示す図３では、ビーム整形光学系５が、第１の光学素子６および第２の光学素子７に加えて、第２の光学素子７の出口側に、第３の光学素子８を有し、その光学素子はその位置の点で可変であり、それは、作動装置１５を介して行われ得る。図３中、第３の光学素子８は、凸凹レンズであり、かつ例えば、基準面１３の近くに配置されているのに対して、第１および第２の光学素子６、７は、図３の上図が示すように、互いに小さい距離を有する。ビーム整形光学系５の第３の光学素子８は、第１および第２の光学素子６および７のシフトによるビームパラメータ積ＢＰＰ２の変化時に起こる、ウエスト距離１２の変化を再調整するため、かつ理想的には一定に保つために利用される。ビーム整形光学系５内での光学素子６、７および８の配置により、図３の上図で示されるように、ビームパラメータ積ＢＰＰ２の最小値を設定する。
【００８２】
それに対して、図３の下図が示すように、第３の光学素子８を、第２の光学素子７の直後にシフトし、かつ第１の光学素子６を、第２の光学素子７に対して大きな距離を置くと同時にビーム源１に対してより近くにも配置すると、同じウエスト距離１２において、最大限の第２のビームパラメータ積ＢＰＰ２ｍａｘを有する、ビーム軸３に対して垂直な広がりを有するビームウエスト１１が得られ、それは、前記で図２中の詳細図Ｂに基づき示されている。
【００８３】
図３の描写は、ビーム整形光学系５によりウエスト距離１２は、図２に基づき説明されているように、設定されたゲート１８内で可変に設定可能であるのみならず、一定に保つことも可能であることを明らかにする。
【００８４】
図４は、ビームコリメーティング光学系４がビーム整形光学系５の前方に配置されているため、コリメートされたビームがビーム整形光学系に入射する一例示的実施形態を記載する。ビーム整形光学系５は、図１から３中の例に応じて実施されていてもよく、または図４に示されているように、１つまたは複数の非球面レンズを装備していてもよい。
【００８５】
図４のビーム整形光学系５中で図示されるような非球面レンズを利用する利点は、一方では、球面レンズを用いたビーム整形光学系と比べて、非球面を有する光学素子を用いると、ビームパラメータ積ＢＰＰ２の大きい変動範囲を達成できることにある。他方では、非球面を介したより能率的な位相面変形ゆえ、ビームパラメータ積の限界値を生み出すために光学コンポーネントを互いに配置する必要がある距離がより小さいことから、ビーム整形光学系をよりコンパクトに構成できる。
【００８６】
第１および／または第２の光学素子６、７の位置の変化によってビームパラメータ積ＢＰＰ２、Ｆ値、およびビームウエスト１１の半径に影響を及ぼすための方法を、以下で図５および６に基づき記載する。
【００８７】
異なる図中で示されている異なる例示的実施形態の記載において、別の一実施形態に基づきすでに記載または説明されている場合には、全部品を、改めて一実施形態に関して記載はしないということを指摘する。相応に、一実施形態に関する、異なる部品またはそれらの作用機序の記載は、明らかに言及することなく、別の一実施形態のそれぞれの部品に転用可能である。
【００８８】
図５のグラフは、ビームパラメータ積ＢＰＰ２およびＦ値の、第１の光学素子６の位置への依存関係を表し、ただし、すべての軸には任意単位を使用する。
【００８９】
ビームパラメータ積ＢＰＰ２の、第１の光学素子６の位置への依存関係は、破線の曲線で示し、Ｆ値の、第１の光学素子６の位置への依存関係は、点線の曲線で示す。第１の光学素子６の位置０は、光学軸に沿ったその前の光学素子までの最小限設定可能な距離を表すのに対して、第１の光学素子６の位置１は、基準面１３までの、最大限設定可能な距離に関する。光学素子６をシフトすると、ビームパラメータ積ＢＰＰ２と同様にビームのＦ値も変わる。この特性曲線を利用して、ビームパラメータ積ＢＰＰ２またはＦ値の望みの値を設定できるものの、それらの値は連関しているため、単に第１の光学素子６の位置の変化によって互いに独立には設定されない。
【００９０】
次いで図６は、特性マップを表すグラフを示す。第１の光学素子（横座標）および第２の光学素子（縦座標）の位置に依存して、一定のウエスト半径（実線）、一定のＢＰＰ２（破線）および一定のＦ値（点線）の各線をプロットしてある。等値線の増大方向は、矢印で標識してある。図５で示す実施形態とは異なり、ここでは、２つの光学素子の位置を変化させることで、それぞれ、３つの量のうちの２つ、例えば、ビームパラメータ積ＢＰＰ２およびＦ値を、ビーム整形光学系５の位置調整性が許容する限り、互いに独立に設定できるようになる。位置０および位置１に関しては、同じく、前記の図５に対するデータおよび説明が当てはまる。
【００９１】
一点鎖線により、調整トラジェクトリを表す。この調整トラジェクトリにより、加工課題（例えば、加工の種類、加工深さ、または品質）の要件、プロセスパラメータ、または加工時間に依存して、つまり時間依存性に、かつ／または加工位置に依存して、つまり空間依存性に、ビームパラメータ積ないしはＦ値を変化させる、作動装置用の制御変数を示し、ただし、０．１の近くの始点を菱形で表し、１．０の近くの終点を正方形で表す。
【００９２】
図７は、加工ゾーン内の任意の位置、例えばビームウエストでの、光学軸に対して垂直な一面上における、材料を伴わない自由伝播時の、合焦放射線の出力密度分布に関する３つのグラフＡ、ＢおよびＣを示す。
【００９３】
その際、半径ｒ１は、２次モーメント法を利用して定義した半径であるのに対して、半径ｒ２は、補助量であり、かつほぼ全エネルギー分率（少なくとも９０％、好ましくは９５％から１００％の間）が内含されている、ｒ＞ｒ１を有する円に帰属する。
【００９４】
グラフＡでは、ビームウエストの位置での、放射線２のビーム断面を表し、ただし、ビーム断面にわたって示すラスターパターンは、対応する、出力密度スケールの出力密度０からｌｍａｘに帰属する。最大出力密度ｌｍａｘは、ビーム断面の中心、つまり図１から４の描写に関するビーム軸３の領域およびビーム半径座標０にあるのに対して、ｒ１ないしはｒ２の方向にビーム半径座標が大きくなるにつれて出力密度は低下する（暗色の密なラスターパターンから明色のあまり密でないラスターパターンに向かって）。
【００９５】
それは、出力密度分布をビーム半径座標依存性に表すグラフＢに基づいても明らかになる。その際、両方の半径ｒ１およびｒ２の、出力密度ｌ（ｒ１）および出力密度ｌ（ｒ２）への関連を具体的に示す。さらに、グラフＢでは、最大出力密度ｌｍａｘならびに平均出力密度ｌｍｅａｎの位置を明らかにする。
【００９６】
本発明による方法の出力密度分布は、特に、合焦放射線２の使用時に加工ゾーン１０を貫通するか、または加工ゾーン１０と交差する、光学軸に対して垂直な各面上で、材料９（ワークピース）が光線路にない自由伝播において、それぞれ、ビーム軸に対して垂直なそれぞれの面上の、２次モーメント法に基づいて定義した半径ｒ１を有する円に内含されている面積上にある平均出力密度ｌｍｅａｎの５倍の値よりも小さい、好ましくは２倍から３倍の値よりも小さい最大出力密度ｌｍａｘにより定義されることを特徴とする。
【００９７】
図７のグラフＣには、時間当たりの内含出力分率に相当する内含エネルギー分率を、０から１の単位で、ビーム半径座標依存性に、かつ特に任意単位のビーム半径ｒ１およびビーム半径ｒ２に対して示す。半径ｒ１およびｒ２の範囲内に内含されるエネルギーないしは出力の分率を点線で表す。本発明による方法の出力密度分布は、さらに、合焦放射線２の使用時に加工ゾーン１０を貫通するか、または加工ゾーン１０と交差する、光学軸に対して垂直な各面上で、材料９（ワークピース）が光線路にない自由伝播において、それぞれ、２次モーメント法に基づいて定義した第１の半径ｒ１により定義され、かつそれぞれ、第２の半径ｒ２を有することを特徴とし、ただし、第２の半径ｒ２を有する円の範囲内には、レーザビーム出力の少なくとも９０％、好ましくは９５％が、さらに好ましくは９９％から１００％の間で内含され、ただし、第２の半径ｒ２は、第１の半径ｒ１の最大限１．５倍の値、好ましくは１．１倍から１．３倍の間の値へと設定される。
【００９８】
図８Ａおよび８Ｂは、実際のビーム測定を示す。ビーム整形光学系５の、ＢＰＰｍｉｎおよびＢＰＰｍａｘに対する設定でのレーザビームプロファイルの診断結果を示す。測定の際は、ｚ軸と定義されたビーム軸３に沿った複数の面上で、ビームウエスト１１付近の測定範囲において、ビームの出力密度分布を測量する。
【００９９】
出力密度分布に基づき、２次モーメント法に基づいてビーム半径ｒを特定する。ｚ軸に沿ったビーム半径のプロットにより、ビーム焦線を再現できる。そのビーム焦線を、図８Ａおよび８Ｂの各図中の左図側に示し、詳細には、ビーム整形光学系５の、ＢＰＰｍｉｎ（図８Ａ）ならびにＢＰＰｍａｘ（図８Ｂ）に対する設定に関する。それぞれのビーム半径軸上には、ビームウエスト半径（ｒＦ）を別個に示してある。それぞれの図の右側には、２つの特徴的な測定位置での２つの出力密度分布を示してあり、一方はビームウエスト１１（ｚ＝０）であり、他方はビームウエスト１１後方のレイリー長（ｚ＝ｚ（ｚＲ））である。レイリー長（ｚＲ）は、ビーム半径が２１／２倍だけ大きくなった、伝播方向でのビームウエストからの距離と定義されている。ｘ軸およびｙ軸により、ｚ軸（ビーム軸３）に対して垂直な測定面のｘ方向およびｙ方向での横方向広がりを示す。表示スケールは、ビームウエスト半径ｒＦで指定してある。ラスタースケールは、ビーム軸３に対して位置依存性に測定し正規化した出力密度を示す。すべての座標軸には任意単位を使用している。さらに、焦線を出力密度分布と関連付ける矢印が、測定面のビーム軸ｚ上での帰属位置を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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