用于激光材料加工和/或激光修改的装置和方法与流程

背景技术：

1、激光材料加工通常具有可以在干燥环境下执行且无需使用化学物质的特别优点。此外，它通常是指也不会造成任何材料损伤的非接触式和/或无力加工方法。激光材料加工具有低操作成本，并且因此成本效益很高。

2、在对工件进行诸如切割或焊接的加工的激光材料加工装置中，优选在最佳激光加工条件下执行加工，使得以高速实现高加工准确性和高加工质量的结果。

3、几个因素确定对激光加工装置的需求。这些因素包括准确性、质量、可用性、灵活性和产量。由于产量对每件加工成本的直接影响，因此它是非常重要的考虑因素。系统产量取决于几个因素，包括材料去除率以及工件和激光束定位速度。

4、为了改变工作距离，尤其是在加工具有复杂几何形状的部件时，目前使用透镜(f-theta透镜，也称为远心透镜、平顶透镜或顶帽透镜)，其布置在部件与扫描头之间。

5、f-theta透镜——也称为扫描透镜或平场透镜——是用于许多扫描应用的透镜系统。它被插入到扫描头之后的光束路径中，并且执行各种任务。首先，透镜将激光束聚焦到焦点上，并且其次，它确保在扫描期间该焦点始终在透镜的工作平面中。此外，工作平面中的位置大致遵循f-theta条件，这意味着扫描长度(图像高度)与设定扫描角度大致成比例。f-theta透镜还用于在移动期间(例如在标记场中)保持经聚焦的激光束的焦平面恒定。在使用普通透镜时，一旦激光束离开标记场的中心，聚焦就将移动出焦平面，因为从透镜到标记场的距离会增加。

6、优质f-theta透镜的关键质量特征包括低像场弯曲、大像场以及跨整个像场良好且均匀的聚焦质量。这里，重要准则是聚焦是否受衍射限制。这些f-theta透镜具有多个透镜，这可能导致各种问题。示例包括所谓的内部鬼像和外部鬼像。

7、内部鬼像

8、鬼像或背反射由光线从透镜或其后面的保护玻璃表面反射造成。内部鬼像由透镜内的透镜元件上的聚焦表征。

9、抗反射涂层优化了从光学密度较低的介质空气到光学密度较高的介质玻璃的过渡，使得表面处损耗仅为约0.2%，而不是原来的4%。尽管吸收损耗低，但使用激光往往导致超过破坏阈值，并且对受影响的透镜元件造成损坏。

10、大多数透镜由两到六个透镜组成。解决方案是以一种方式设计透镜，使得透镜附近不存在背反射。对于高功率和中等功率激光(千瓦级)以及短脉冲激光，强烈推荐此类“无鬼像”透镜。短脉冲兼容、无鬼像的透镜由具有低温度系数的玻璃(最重要的是石英玻璃)组成，这些透镜是非胶合的。

11、外部鬼像

12、鬼像是来自透镜表面或保护玻璃的背反射。高功率激光可能在背反射聚焦中损坏光学元件。在内部背反射的情况下，聚焦位于透镜内部的透镜表面上。这些透镜通常不适用于高功率激光。

13、相反，外部鬼像位于透镜外部的物体侧。在这种情况下，可以安全地使用高功率激光。然而，必须仔细选择透镜与其余设置之间的距离。如果鬼像的聚焦在上游光学元件(通常是扫描头的反射镜)上，则那里可能发生损坏。

14、因此，f-theta透镜复杂且制造成本高，重量较大，并且尤其是在uv或uvc范围内，购买价格高。

15、目的

16、因此，本发明的目的是提供一种用于修改激光材料加工中的工作距离的方法，可以使用简单手段来可靠且成本效益高地执行该方法。

17、本发明的目的还在于提供一种激光材料加工装置，利用该激光材料加工装置可以可靠且成本效益高地调整和改变工作距离。

18、激光系统的工作距离通常被定义为从最后一个光学元件(通常是聚焦透镜)到激光聚焦到其上的物体或表面的物理距离。在某些应用(例如，医用激光)中，工作距离应尽可能小，例如，在切割应用(例如玻璃切割)中，而在其他应用中，工作距离范围应尽可能大，例如，对金属上的标记进行退火或对塑料或油漆进行颜色改变。工作距离a被定义为入射孔的中心轴线与工作平面之间的距离。a还由f-theta透镜(如果存在的话)的焦距和安装位置确定。在预聚焦系统中，距离a由处于零位置的动态聚焦单元确定。

19、利用根据本发明的用于加工具有复杂部件几何形状的部件的激光材料加工装置来解决该问题。同样在从属权利要求中阐述本发明的有利实施例。

20、根据本发明的用于加工具有复杂部件几何形状的部件的激光材料加工装置具有激光谐振器、用于偏转激光辐射的扫描头和透镜更换装置。

21、在本专利说明书的意义内的激光谐振器或光束源包括任何类型的(光束)源，诸如x射线装置、euv光束源等，其生成0.01 nm与400 nm之间的波长范围中的辐射。此外，如本文档中使用的术语“激光谐振器”还包括用于将0.01 nm与400 nm之间的波长范围中的辐射耦合到激光材料加工装置中的光导和/或耦合窗口，其中光束源布置在激光材料加工装置外部，并且因此不是激光材料加工装置的一部分。

22、出于本文档的目的，扫描头是用于偏转激光束的任何装置，其被设计用于且适用于将激光束引导到要加工的部件的不同位置以用于加工的目的。这些装置包括例如(激光)光束偏转单元，诸如声光偏转器、多面反射镜或扫描头(振镜扫描器)。

23、出于本文档的目的，术语“激光材料加工”涵盖其中通过激光作用改变材料结构的任何材料加工。这还包括所加工的材料的结构变化，其导致飞行物无法飞行。因此，在文档的意义内的激光材料加工装置是利用其可以使用激光辐射来执行激光材料加工的任何装置。

24、在本发明的意义内的具有复杂部件几何形状的部件是具有多个表面的部件。部件的表面可以由平坦表面部分或弯曲表面部分组成，和/或具有平坦界面和/或圆形界面或球形界面，这些界面彼此之间呈任意角度。此外，该部件可能具有底切和/或空腔。具体来说，这样的部件需要不同的工作距离用于激光谐振器的激光辐射。激光材料加工装置的工作距离通常被定义为从最后一个光学元件(此处：扫描头)到激光辐射聚焦到其上的物体或表面的物理距离。

25、出于本文档的目的，扫描头是适用于将激光束偏转到一个或多个方向和/或将其导向到要加工的部件的另一部分的任何偏转单元。这些偏转单元包括例如扫描头、多面扫描器、声光偏转器和/或一个或多个振镜扫描器。振镜扫描器是高度动态的电光部件，其使用可旋转的低惯性反射镜来以高准确度和高可重复性定位激光束，通常采用两个振镜扫描器来将激光束偏转到两个方向。

26、根据本发明，透镜更换装置优选布置在激光谐振器与扫描头之间。替代地，透镜更换装置也可以位于扫描头后面。

27、在本发明的替代实施例中，省去了使用布置在扫描头与部件之间且通常具有多个透镜的f-theta透镜。因此，激光材料加工装置价格低、体积小、重量轻且便于使用，而部件加工却精确且快速。

28、可以使用不同的激光来对许多不同的工件执行激光材料加工，从而实现各种工艺。激光材料加工的示例包括激光烧结、立体光刻、激光束弯曲和激光辅助弯曲、激光切割和钻孔、激光烧蚀、激光修整、激光束焊接、激光熔覆焊接和钎焊、激光标记、激光喷涂和激光束蒸发、激光抛光、激光(微)结构化和退火标记。

29、在本发明的可选实施例中，激光谐振器具有用于二倍频或倍频的非线性光学介质fv。

30、在本发明的进一步发展中，激光材料加工装置适用于通过在结构上改变部件的材料来加工该部件。这包括材料加工方法，诸如标记、激光焊接、激光写入、激光雕刻和激光切割。在可选实施例中，激光材料加工装置适用于对部件进行磨蚀加工。

31、在本发明的进一步实施例中，激光谐振器生成激光谐振器辐射，该激光谐振器辐射的波长为0.01 nm至400 nm，优选10 nm至315 nm，特别优选100 nm至280 nm，并且特别优选200 nm至280 nm。激光谐振器的激光介质包括所有已知的激光类型，诸如固态激光、气体激光(以及准分子激光、金属蒸气激光)、染料激光或自由电子激光。激光谐振器可以在脉冲或连续波模式下操作。这实现广泛范围的激光材料加工方法。

32、在本发明的有利实施例中，透镜更换装置适用于在从1000 mm至100,000 mm的范围中改变激光材料加工装置的最大焦距。

33、在本发明的有利实施例中，透镜更换装置适用于在从5 mm至50 mm的范围中改变激光材料加工装置的最小焦距。

34、在本发明的有利实施例中，透镜更换装置适用于在5 mm至100,000 mm (优选在20mm至10,000 mm的范围中，并且特别优选在50 mm至1,000 mm的范围中)的范围中改变激光材料加工装置的焦距。

35、在本发明的另一实施例中，透镜更换装置具有一个或多个透镜。具体来说，这些透镜可选地具有不同的焦距。这可以实现不同的工作距离。

36、在本发明的进一步发展中，可以在1 mm至15 mm、5 mm至500 mm、10 mm至1000 mm、15 mm至750 mm、25 mm至600 mm、35 mm至450 mm、50 mm至800 mm、75 mm至700 mm或100 mm至1200 mm和/或更远至5 km的范围中修改工作距离。

37、如本文档中定义的透镜是通过其可以改变光学系统的焦距的所有光学元件。因此，如本文档中使用的术语“透镜”也包括非球面透镜，利用该非球面透镜可实现受衍射限制的聚焦而无需完整的透镜系统，从而创建很小且重量轻的聚焦选项。此外，还包括其他透镜，诸如多焦点透镜或小透镜系统，诸如通常仅由两个透镜组成的消色差透镜或者优选具有空气间隙的消色差透镜等，以及所谓的微透镜。另外，还包括反射镜，以允许调节激光的功率。此外，还包括所谓的全息光学元件(hoe)，其中这些光学元件可以具有各种性质(透镜，也可以是反射镜、定向扩散器等)。在使用hoe时，例如，可以创建“连续”聚焦过渡(可以改变不同的聚焦距离，其中改变不是以“急动”/“跳跃”的方式而是从平滑过渡的角度发生)。此外，在使用hoe时，还可以将个体“光束几何形状”再现到工件上。例如，通常圆形或近似圆形的激光束然后为方形，或者激光束呈现更复杂的几何形状，其甚至也可以由达到照片级表示的几个个体结构组成。

38、在本发明的进一步实施例中，透镜更换装置的一个或多个透镜可以相对于光束路径可移动地定位。在本发明的进一步实施例中，透镜更换装置的一个或多个透镜可以定位到光束路径中。通过在不同时间于光束路径中布置不同的透镜，可以实现不同的工作距离。

39、在本发明的进一步实施例中，可以通过旋转移动和/或平移移动来移动一个或多个透镜。透镜以一种方式布置在透镜更换装置上或在透镜更换装置处，使得通过旋转移动和/或平移移动，可以将透镜和/或几个透镜的组合(透镜系统)布置在光束路径中。

40、在本发明的进一步实施例中，透镜更换装置和激光谐振器和/或扫描头布置为可相对于彼此移动。在本发明的另一方面，透镜更换装置和激光谐振器和/或扫描头可通过平移移动相对于彼此移动。在本发明的进一步实施例中，平移移动平行于光束路径发生。激光谐振器可以是可移动的，或者透镜更换装置可以是可移动的。本发明的唯一相关方面是激光谐振器和透镜更换装置可以执行平行于光束路径的相对于彼此的移动。通过激光谐振器和/或激光束以及透镜更换装置的平行于光束路径的相对移动，调整部件上的焦点，以实现工作距离an的小变化(<50 mm)。

41、还通过用于在激光材料加工期间修改工作距离的发明方法来实现该目的。同样在从属权利要求中阐述本发明的有利实施例。

42、根据本发明的用于在激光材料加工期间修改工作距离的方法具有五个步骤：在第一步骤，在激光谐振器中生成激光辐射。激光谐振器的激光介质包括所有已知的激光类型，诸如固态激光、气体激光(以及准分子激光、金属蒸气激光)、染料激光或以及自由电子激光。激光谐振器可以在脉冲或连续波模式下操作。这实现广泛范围的激光材料加工方法。

43、在第二步骤中，将激光谐振器辐射从激光谐振器耦合出去。在第三步骤中，从激光谐振器光束生成的激光束被偏转到要加工的部件上，其中第一激光辐射具有第一工作距离。

44、在第四步骤中，第一工作距离被改变为第二工作距离，其中通过使用透镜更换装置以第二透镜交换布置在光束路径中的第一透镜来执行工作距离的改变，该透镜更换装置布置在激光谐振器与扫描头之间。透镜更换装置具有两个或更多个透镜，这些透镜可以由透镜更换装置交替或组合地布置在光束路径中，使得在任何给定时间，透镜和/或多个透镜的组合(透镜系统)布置在光束路径中。

45、在第五步骤中，以第二工作距离将激光辐射偏转到要加工的部件上，其中第一工作距离和第二工作距离相差至少50 mm。在优选实施例中，第一工作距离和第二工作距离相差至少100 mm，更优选地相差至少200 mm，并且更优选地相差至少1000 mm。

46、通过扫描头偏转激光辐射，该扫描头可选地为振镜扫描器。透镜更换装置位于激光谐振器与扫描头之间。这省去了对定位在扫描头与部件之间且通常具有多个透镜的f-theta透镜的需要。因此，激光材料加工装置价格低、体积小、重量轻且便于使用，而部件加工却精确且快速。

47、在本发明的进一步实施例中，激光谐振器生成激光谐振器辐射，该激光谐振器辐射的波长为0.01 nm至400 nm，优选10 nm至315 nm，特别优选100 nm至280 nm，并且特别优选200 nm至280 nm。激光谐振器的激光介质包括所有已知的激光类型，诸如固态激光、气体激光(以及准分子激光、金属蒸气激光)、染料激光或自由电子激光。激光谐振器可以在脉冲或连续波模式下操作。这实现广泛范围的激光材料加工方法。

48、在本发明的进一步实施例中，由透镜更换装置改变激光谐振器辐射的焦距，以生成第一激光辐射。使用透镜更换装置，可以将具有第一焦距的第一透镜定位在光束路径中。在本发明的进一步实施例中，用于将具有激光谐振器焦距的激光谐振器辐射改变为具有第一焦距的第一激光辐射的透镜更换装置将第一透镜定位在光束路径中。透镜更换装置具有两个或更多个透镜，这些透镜可以由透镜更换装置布置在光束路径中，使得在任何给定时间，透镜和/或多个透镜的组合(透镜系统)布置在光束路径中。

49、在本发明的进一步实施例中，用于将具有激光谐振器焦距的激光谐振器辐射和/或具有第一焦距的第一激光辐射改变为具有第二焦距的第二激光辐射的透镜更换装置将第二透镜定位在光束路径中。第二焦距与第一焦距不同，因此第一透镜和第二透镜的工作距离也彼此不同。

50、在本发明的进一步发展中，在5 mm至500 mm、10 mm至1000 mm、15 mm至750 mm、25mm至600 mm、35 mm至450 mm、50 mm至800 mm、75 mm至700 mm或100 mm至1200 mm的范围中修改工作距离。因此，可以从仅几mm至100 mm、几米并且甚至更大的距离几乎连续地改变聚焦。

51、在本发明的进一步发展中，当将第二透镜定位在光束路径中时，将第一透镜从光束路径移除。因此，在任何给定时间，仅一个透镜定位在光束路径中。

52、在本发明的进一步实施例中，通过旋转移动和/或平移移动实现定位。透镜以一种方式布置在透镜更换装置上或在透镜更换装置处，使得通过旋转移动和/或平移移动，可以将透镜分别布置在光束路径中。

53、在本发明的进一步实施例中，透镜更换装置包括被布置为可相对于光束路径移动的一个或多个透镜。可选地，布置在透镜更换装置上的所有透镜和/或透镜组合具有不同的焦距。这使得各种各样的不同工作距离成为可能。除了不同的焦距之外，透镜也可以在其他性质上有所不同，诸如具有特殊纳米结构的透镜。

54、在本发明的另一方面，透镜更换装置执行与激光谐振器和/或扫描头的位置有关的平移移动。在本发明的进一步发展中，平移移动平行于光束路径发生。激光谐振器可以是可移动的，或者透镜更换装置可以是可移动的。本发明的唯一相关方面是激光谐振器和透镜更换装置可以执行平行于光束路径的相对于彼此的移动。通过激光谐振器和透镜更换装置的平行于光束路径的相对移动，调整部件上的焦点，以实现工作距离an的小变化。

55、在本发明的进一步实施例中，第一激光辐射和/或第二激光辐射由扫描头偏转。可选地，扫描头可以是振镜扫描器。振镜扫描器是高度动态的电光部件，其使用可旋转的低惯性反射镜来以高准确度和高可重复性定位激光束。

56、根据本发明的激光材料加工装置和用于修改工作距离的方法的示例性实施例在附图中以简化形式示意性地示出，并且在以下描述中更详细地进行解释。

57、具体来说：

58、图1：示出了激光材料加工装置

59、图2：示出了激光材料加工装置、具有四个透镜的透镜更换装置

60、图3：示出了激光材料加工装置、部件的激光钻孔

61、图4a：示出了激光材料加工装置、被布置为可平移移动的激光谐振器

62、图4b：示出了激光材料加工装置、被布置为可平移移动的透镜更换装置

63、图4c示出了激光材料加工装置、可平移移动地布置的透镜更换装置以及透镜更换装置前面的附加光学元件

64、图4d示出了激光材料加工装置、可平移移动地布置的透镜更换装置以及透镜更换装置后面的附加光学元件

65、图5示出了激光材料加工装置以及彼此平行可移动地布置的两个透镜更换装置。

66、图6示出了激光材料加工装置以及彼此可移动地布置的两个透镜更换装置。

67、图7a：示出了透镜更换装置的示例性实施例

68、图7b：示出了透镜更换装置的示例性实施例

69、图7c：示出了透镜更换装置的示例性实施例

70、图1示出了激光材料加工装置lmb的示例性实施例。激光材料加工装置lmb具有激光谐振器lr。激光谐振器lr具有激光晶体lk，在本实施例中，该激光晶体为nd掺杂的晶体。原则上，其他激光介质(例如，气体激光、染料激光、二极管激光、准分子激光等)也是可能的。激光谐振器lr附加地具有用于二倍频的非线性光学介质fv，以及两个端反射镜，其中一个端反射镜是部分透明的，以用于将激光谐振器辐射lsr耦合出去。激光谐振器lr本身是二极管泵浦的。由于非线性光学介质fv的二倍频，激光谐振器lr发射具有532 nm波长以及激光谐振器焦距的激光谐振器辐射lsr。激光谐振器lr生成激光谐振器辐射lsr，该激光谐振器辐射的波长为0.01 nm至400 nm，优选10 nm至315 nm，特别优选100 nm至280 nm，并且特别优选200 nm至280 nm。

71、在此处所示的所有示例性实施例中，部件的材料加工类型是磨蚀性的和/或导致材料的结构变化。这包括材料加工方法，诸如标记(例如，退火标记或产生颜色变化)、激光焊接、写入、雕刻和切割。

72、激光谐振器辐射lsr沿光束路径朝向具有复杂几何形状的部件bt传播，其中激光谐振器辐射lsr由可移动扫描头sk偏转以加工部件bt。sk扫描头是

73、振镜扫描器。振镜扫描器是高度动态的电光部件，其使用可旋转的低惯性反射镜来以高准确度和高可重复性定位激光束。

74、透镜更换装置lwv布置在激光谐振器lr与扫描头sk之间，并且在本实施例中，它仅具有一个透镜l1，该透镜具有固定焦距。因此，激光材料加工装置lmb仅具有一个工作距离a1，但要高效加工部件bt，将需要至少两个不同的工作距离a1、a2。

75、图2示出了根据本发明的激光材料加工装置lmb的示例性实施例。激光材料加工装置lmb与已经在前述示例性实施例中描述的激光材料加工装置相对应(参见图1)，不同之处在于，透镜更换装置lwv布置在激光谐振器lr与扫描头sk之间，在本示例性实施例中，该透镜更换装置具有四个透镜l1、l2、l3、l4，这些透镜具有相互不同的焦距bwn。透镜l1具有焦距l1，透镜l2具有焦距l2，透镜l3具有焦距l3，并且透镜l4具有焦距l4。除了不同的焦距之外，透镜也可以在其他性质上有所不同，诸如具有特殊纳米结构的透镜。

76、为了修改工作距离a1、a2，在激光谐振器lr中生成激光谐振器辐射lsr并将其耦合出去。在第一时间点，第一透镜l1布置在光束路径中并生成具有第一焦距的第一激光辐射ls1，该第一激光辐射由扫描头sk以第一工作距离a1导向到部件bt上。在第二时间点，以一种方式移动透镜更换装置lwv，使得固定到其的透镜ln执行垂直于激光谐振器辐射lsr的光束路径的移动。这将第一透镜l1从光束路径移除，并将第二透镜l2定位在光束路径中。通过该第二透镜l2，激光材料加工装置lmb生成具有第二焦距的第二激光辐射ls2，该第二激光辐射由扫描头sk以第二工作距离a2导向到部件bt上。

77、在第三时间点，以一种方式移动透镜更换装置lwv，使得固定到其的透镜ln执行垂直于激光谐振器辐射lsr的光束路径的移动。这将第二透镜l2从光束路径移除，并将第三透镜l3定位在光束路径中。通过该第三透镜l3，激光材料加工装置lmb生成具有第三焦距bw3的第三激光辐射ls3，该第三激光辐射由扫描头sk以第三工作距离a3导向到部件bt上。

78、在第四时间点，以一种方式移动透镜更换装置lwv，使得固定到其的透镜ln执行垂直于激光谐振器辐射lsr的光束路径的移动。这将第三透镜l3从光束路径移除，并将第四透镜l4定位在光束路径中。通过该第四透镜l4，激光材料加工装置lmb生成具有第四焦距bw4的第四激光辐射ls4，该第四激光辐射由扫描头sk以第四工作距离a4导向到部件bt上。

79、图3示出了根据本发明的激光材料加工装置lmb的进一步示例性实施例。激光材料加工装置lmb与前述示例性实施例中的激光材料加工装置相对应(参见图2)，在本示例性实施例中，使用激光钻孔工艺来加工部件bt。要产生的孔平行于激光材料加工装置lmb的光束路径布置，并且需要多个工作距离a1、a2，这些工作距离通过透镜更换装置lwv来实现。使用图2中描述的方法来改变工作距离a1、a2。

80、图4示出了根据本发明的激光材料加工装置lmb的示例性实施例。激光材料加工装置lmb与前述示例性实施例中的激光材料加工装置相对应(参见图2)。在本实施例中，激光谐振器lr和透镜更换装置lwv相对于彼此可移动地布置且平行于光束路径(图4a和图4b)。激光谐振器lr可以是可移动的(图4a)，或者透镜更换装置lwv可以是可移动的(图4b)。本发明的唯一相关方面是激光谐振器lr和透镜更换装置lwv可以执行平行于光束路径的相对于彼此的移动。使用图2中描述的方法来改变工作距离a1、a2，另外，在部件bt的加工期间，在激光谐振器lr被激活的情况下执行激光谐振器lr和/或透镜更换装置lwv的相对平移移动。通过激光谐振器lr和透镜更换装置lwv的平行于光束路径的相对移动，调整部件bt上的焦点，以实现工作距离a1、a2的附加变化。该移动也可以用于进行重新聚焦或对聚焦进行微调。

81、替代地，附加光学元件lx可以邻近透镜更换装置lwv布置，并且可相对于其到透镜更换装置的距离移动，这适用于执行平行于光束路径的相对于彼此的移动(参见图4c和图4d)。该附加光学元件可以是例如另一透镜、另一透镜系统和/或适用于改变激光束的焦点的另一光学元件。附加光学元件lx可以定位在激光谐振器lr与透镜更换装置lwv之间，或者在透镜更换装置lwv与扫描头sk之间。使用图2中描述的方法来改变工作距离a1、a2，另外，在部件bt的加工期间，在激光谐振器lr被激活的情况下执行附加光学元件lx的相对平移移动。通过平行于光束路径移动附加光学元件lx，以一种方式调整部件bt上的焦点，使得实现工作距离a1、a2的附加变化。该移动也可以用于进行重新聚焦或对聚焦进行微调。

82、图4a至图4d中描述的激光谐振器lr、透镜更换装置lwv和/或附加光学器件lx的相对移动优选通过压电驱动以有利(因为快速且精确到纳米级)的设计来执行。压电驱动可以快速移动，并且具有纳米级的可重复性/定位准确度。这对于相应光学元件的精确且可重复的定位是重要的，并且因此对于相应精确且快速的(微)材料加工也是重要的。在例如在几厘米厚的玻璃上执行激光钻孔操作时，可以通过移动激光谐振器lr、透镜更换装置lwv和/或附加光学元件lx，或者与透镜更换装置lwv的相应光学元件(例如l1 = 4c或4d)结合地通过相对移动来调整聚焦，使得可以以更大路径长度上的聚焦执行激光加工，无需更换透镜更换装置lwv中当前使用的透镜。

83、图5示出了根据本发明的激光材料加工装置lmb的进一步示例性实施例。激光材料加工装置lmb与前述示例性实施例中的激光材料加工装置相对应(参见图4d)。除了具有四个透镜l1.1、l2.1、l3.1、l4.1的第一透镜更换装置lwv1之外，还在此处第一透镜更换装置lwv与扫描头sk之间布置具有四个透镜l1.2、l2.2、l3.2、l4.2的第二透镜更换装置lwv2。透镜更换装置lwv1和lwv2两者是可移动的。透镜更换装置lwv1、lwv2两者可相对于激光谐振器lr移动布置，并且平行于光束路径可相对于彼此移动布置。借助这两个可独立移动的透镜更换装置lwv1、lwv2，相应透镜更换装置lwv1、lwv2的透镜l1.1、l2.1、l3.1、l4.1、l1.2、l2.2、l3.2、l4.2各自可以定位在光束路径中。这允许将多个透镜l1.1、l2.1、l3.1、l4.1、l1.2、l2.2、l3.2、l4.2组合，以设置不同的工作距离a1、a2。

84、在部件bt的加工期间，在激光谐振器lr被激活的情况下执行透镜更换装置lwv1、lwv2的相对平移移动。通过透镜更换装置lwv1、lwv2的平行于光束路径的相对移动，调整部件bt上的焦点，以实现工作距离a1、a2的附加变化。该移动也可以用于进行重新聚焦或对聚焦进行微调。

85、此外，在本实施例中，附加光学元件lx以可移动的方式邻近透镜更换装置lwv2且平行于光束路径布置。该附加光学元件可以是例如另一透镜、另一透镜系统和/或适用于改变激光束的焦点的另一光学元件，诸如反射镜。附加光学元件lx可以布置在激光谐振器lr与第一透镜更换装置lwv1之间、在两个透镜更换装置lw1、lw2之间或者在第二透镜更换装置lwv2与扫描头sk之间。替代地，也可以使用多个附加光学元件。

86、图6示出了具有与图5类似的设置的实施例。这里的重要区别在于，第二透镜更换装置lwv2的透镜l1.2、l2.2、l3.2、l4.2被设计为反射镜，这使得激光束ls被附加地偏转。与常规透镜或镀膜透镜相比，镀膜反射镜对高能量辐射具有更高的损坏阈值。这在操作中带来更长的使用寿命。

87、在本发明的替代实施例中，透镜或反射镜具有连续变化的折射率——类似于渐进透镜。这允许通过移动透镜更换装置lwv来对聚焦进行连续移位。

88、图4a至图4d，图5和图6中描述的激光谐振器lr、透镜更换装置lwv和/或附加光学器件lx的相对移动优选通过压电驱动以有利(因为快速且精确到纳米级)的设计来执行。压电驱动可以快速移动，并且具有纳米级的可重复性/定位准确度。这对于相应光学元件的精确且可重复的定位是重要的，并且因此对于相应精确且快速的(微)材料加工也是重要的。在例如在几厘米厚的玻璃上执行激光钻孔操作时，可以通过移动激光谐振器lr、透镜更换装置lwv和/或附加光学元件lx，或者与透镜更换装置lwv的相应光学元件(例如l1 = 4c或4d)结合地通过相对移动来调整聚焦，使得可以以更大路径长度上的聚焦执行激光加工，无需更换透镜更换装置lwv中当前使用的透镜。从下到上进行钻孔是有利的。

89、图7示出了透镜更换装置lwv的实施例。示图示出了平行于光束路径布置的透镜更换装置lwv。每个透镜更换装置lwv具有六个透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6，每个透镜具有不同焦距。根据本发明，透镜更换装置lwv中布置的透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6的数量不受限制，从而使得任何数量的不同工作距离变得可能。相应透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6布置在透镜更换装置lwv的载体元件te上。因此，根据本发明的激光材料加工装置lmb可以用于具有不同复杂几何形状的部件bt。载体元件用于保持各种透镜和/或将透镜与电机或致动器耦合，具有该电机或致动器执行移动。

90、图7a示出了透镜更换装置lwv的有利变体，其具有同轴布置在透镜更换装置lwv的载体元件te上的六个透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6。为了改变工作距离a1、a2，透镜更换装置lwv执行围绕透镜更换装置lwv的中心轴线的旋转移动，使得在任何给定时间，六个透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6中的一个透镜定位在光束路径中。

91、图7b示出了透镜更换装置lwv，其具有在透镜更换装置lwv的载体元件te上布置在彼此附近的六个透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6。为了改变工作距离a1、a2，垂直于光束路径平移移动透镜更换装置lwv，使得在任何给定时间，六个透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6中的一个透镜布置在光束路径中。

92、图7c示出了透镜更换装置lwv，其具有在透镜更换装置lwv的载体元件te上也布置在彼此附近的六个透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6。在本示例性实施例中，透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6不像所有前述示例性实施例中那样是圆形的(参见图1至图7b)，而是具有直侧边缘且在顶部和底部具有圆形部分。与透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6的圆形设计相比，透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6的这种有利设计允许在透镜更换装置lwv上每单位长度布置更大数量的透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6。此外，可以更快速地更换透镜，并且由于重量更轻，因此功率更小的致动器也可以用于更换透镜。为了修改工作距离a1、a2，垂直于光束路径平移移动透镜更换装置lwv，使得在任何给定时间，六个透镜l1、l2、l3、l4、l5、l6中的一个透镜布置在光束路径中。

93、在另一示例性实施例中，动态改变激光材料加工装置的工作距离。工作距离的改变发生在小于500 ms (优选小于200 ms，特别优选小于100 ms，并且特别优选小于10 ms)的时间内。这是通过在透镜更换装置改变布置在光束路径中的透镜时无需重新聚焦激光束来实现的。例如，这允许将激光标记、微结构化等应用于三维体，由于其几何形状，该三维体具有到激光材料加工装置的不同工作距离。

94、在另一实施例中，选择和/或交换和/或组合或彼此替换不同的光学元件，从而生成不同的布置(例如，与不同的聚焦透镜结合的拓宽因子)。应强调的是，除了动态聚焦(附图中的lx=针对不同的(高度)平面)之外，还同时使用几个透镜更换装置(lwv1、lwv2)，以使得能够使用光学元件(尤其是透镜)的多种组合。这允许实现各种各样的光学效果(例如，通过快速改变不同光学元件的组合，实现与相机的变焦镜头的效果类似的效果)、不同的工作区域(工作区域大小/标记场大小，可能通过附加地使用例如声光偏转器、多面反射镜或扫描头的形式的(激光)光束偏转单元、可变光斑大小)。

95、因此，在使用根据本发明的透镜更换装置时，通常可以省略使用f-theta透镜、远心透镜等。此外，还省去了此类透镜之间的(复杂)所需交换(例如，当从微材料加工或标记切换到宏材料加工或标记时)。

96、在本发明的另一实施例中，首先在玻璃上以例如50 mm至150 mm的距离钻孔和/或切割孔。轻微的聚焦跟踪(通常是从下往上)已经是必要的(附图中的lx)。由于聚焦跟踪而产生的工作距离的变化的范围为从1 mm至大约50 mm。在下一个步骤中，激光材料加工中断小于5秒，并且聚焦切换到不同平面，这里工作距离的范围为200 mm至500 mm或甚至1 m，以便使用激光材料加工装置来将照片嵌入到例如塑料材料等中，直到从几米且甚至更大的距离在门、房屋墙壁等上进行标记。

97、此外，对于小标记或微结构化区域，可以免除使用扫描器：通过在x和y方向上快速移动透镜，经聚焦的激光束在透镜之后被偏转。这使得使用扫描器变得过时。

98、附图标记列表

99、lmb激光材料加工装置

100、l1、l2、l3、l4、l5、l6、l1.1、l1.2、l2.1、l2.2、l3.1、l3.2、l4.1、l4.2透镜

101、lwv、lwv1、lwv2透镜更换装置

102、lr激光谐振器

103、lk激光晶体

104、fv非线性光学介质

105、ls激光辐射

106、sk扫描头

107、a1、a2工作距离

108、bt部件

109、lsr激光谐振器辐射

110、te载体元件

111、lx附加光学元件

技术实现思路