用于产生具有不同功率和亮度的激光辐射的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于产生具有较低功率和较高亮度的第一输出激光辐射或具有较高功率和较低亮度的第二输出激光辐射的设备和方法。
背景技术
由结构钢(例如S235)组成的具有大工件厚度(>5mm)的工件通常通过激光火焰切割、即在添加氧气的情况下进行切割。在这种结果钢板中的有效的火焰切割需要在差射束质量(射束参数乘积>16mm*mrad)的情况下的高激光功率。而尤其是由不锈钢或铝组成的具有小工件厚度(<5mm)的工件通过激光熔融切割进行切割，即借助氮气或氩气作为切割气体，该切割气体被驱动以2和20巴之间的压力通过切缝。
用于激光切割的密集波长耦合的DWM(Dense Wavelength Multiplexing，密集波复用)二极管激光器的当前发展的目标在于在尽可能好的射束质量(射束参数乘积<4mm*mrad)的情况下的高激光输出功率，这对于(不锈钢板的)激光熔融切割非常好地适用，但对于结构钢板中的火焰切割不那么理想。
DWM二极管激光器例如由US 6,192,062 B1、US 6,208,679 B1、US 6,327,292 B1、US 9,306,369 B2、US 9,391,713 B2、US 2016/0336714 A1、WO 2016/062758 A1和DE 102011 003 142 A1已知。
由US 2013/0215914 A1已知以下构造，在该构造中使用具有好射束质量的光纤激光器和具有差射束质量的固体激光器来进行加工。由光纤激光器产生的第一输入激光辐射仅耦入到纤维芯中，并且由固体激光器产生的第二输入激光辐射耦入到传输纤维中的纤维芯和纤维套中，并且二者共同作为输出激光射束耦出。
由EP 1 848 074 A1还已知一种激光源，在该激光源中这样控制泵浦辐射(Pumpstrahlung)，使得所述泵浦辐射位于激活介质的吸收最大值上并且输出激光辐射主要通过激活介质提供并且具有好的射束质量，或者所述泵浦辐射位于激活介质的吸收的外部并且输出激光辐射主要通过泵浦源提供并且具有差的射束质量。
最后，由US 8,008,600 B2已知具有光纤激光器的激光加工机，其中，由光纤激光器产生的输入激光辐射和在光纤激光器中未被吸收的泵浦激光辐射耦入到传输纤维中并且为了加工共同作为输出激光射束耦出。
发明内容
与此相对地，本发明的任务是，给出一种用于产生具有较低功率和较高亮度的第一输出激光辐射或具有较高功率和较低亮度的第二输出激光辐射的设备和方法。
根据本发明，该任务通过用于激光材料加工的设备解决，该设备具有用于尤其通过第一二极管激光器单元的多个二极管激光器射束的密集波长耦合产生具有较高亮度的第一输入激光辐射的第一二极管激光器单元、用于尤其通过第二二极管激光器单元的多个二极管激光器射束的几何叠加产生具有较低亮度的第二输入激光辐射的第二二极管激光器单元、呈具有至少一个第一和第二纤维芯的双芯或多芯纤维的形式或呈梯度折射率纤维的形式的光学纤维和用于将第一输入激光辐射耦入到双芯或多芯纤维的第一纤维芯中并且将第二输入激光辐射耦入到第二纤维芯中或者用于将第一输入激光辐射耦入到梯度折射率纤维的第一区域中并且将第二输入激光辐射耦入到第二区域中的至少一个光学元件，使得第一输入激光辐射作为第一输出激光辐射并且第一和第二输入激光辐射作为第二输出激光辐射从光学纤维的纤维端部耦出。
二极管激光器单元可以分别包括多个二极管激光器模块。在此，二极管激光器模块可以具有一个或多个信号发射器或者具有多个发射器的一个或多个二极管棒。信号发射器或二极管棒布置在一维或二维的阵列中，其中，所述阵列由信号发射器或二极管棒的竖直的和/或水平的堆组成。
根据本发明，第一二极管激光器单元是密集波长耦合的DWM二极管激光器并且第二二极管激光器单元是具有低射束质量的二极管激光器。通过将由第二二极管激光器单元产生的第二输入激光辐射耦入到第二纤维芯中，对于火焰切割提供较高的激光功率。较高的激光输出功率能够实现较高的进给，并且可以分割较大的板材厚度。降低的射束质量(约16mm*mrad)在火焰切割时导致较好的切割棱边质量。在切割较薄的工件时所需的激光功率较低。因此，可以关断第二二极管激光器单元并且机器可以节能地运行。
根据本发明，遵循下列基本思想：
非波长耦合的(非DWM)输入激光射束的激光功率以降低的射束质量添加给密集波长耦合的DWM射束的激光功率，这整体上导致较高的输出功率并且导致输出激光射束的较低的射束质量并且尤其在火焰切割具有大厚度的工件时既有利地影响切割速度也有利地影响切割棱边质量。
在双芯或多芯纤维的情况下特别优选的是，第一纤维芯构造为内部纤维芯并且第二纤维芯构造为外部纤维芯，该外部纤维芯环形地围绕内部纤维芯。因此，第一输入激光辐射耦入到内部纤维芯中，并且第二输入激光辐射耦入到外部纤维芯中。
所述至少一个光学元件、例如共同的透镜或分别用于两个输入激光辐射的各一个透镜还可以构造成用于将第一和第二输入激光辐射以不同的入射角度和/或以不同的发散度耦入到光学纤维中。
如试验已经示出，对于薄板和厚板加工，第一输入激光辐射应具有最高4mm*mrad的射束参数乘积并且第二输入激光辐射应具有至少16mm*mrad的射束参数乘积。
优选地，在第一和第二输出激光辐射的光路中布置有聚焦装置，该聚焦装置将第一和第二输出激光辐射聚焦到焦平面中。如试验已经示出，对于薄板和厚板加工，第一输出辐射在焦平面中的焦斑直径应位于30μm和500μm之间，并且第二输出辐射在焦平面中的焦斑直径应位于700μm和900μm之间。
第二输入激光辐射的波长范围优选位于第一输入激光辐射的波长范围的外部，即例如第一输入激光辐射位于900nm至950nm的波长范围中，并且第二输入激光辐射位于960nm和965nm的波长范围中。
有利地，在第一和第二输入激光辐射的光路中，在一方面的第一二极管激光器单元和第二二极管激光器单元和另一方面的光学纤维之间布置有耦合光学器件，该耦合光学器件使第一输入激光辐射和第二输入激光辐射叠加。耦合光学器件例如可以是波长选择的镜(多层镜)，该镜对于第一输入激光辐射而言穿透地构造并且对于第二输入激光辐射而言反射地构造，反之亦然。为此，两个二极管激光器单元必须在两个不同的波长范围中发射。替代地，两个输入激光辐射也可以通过偏振耦合。在该情况下，耦合光学器件构造为偏振分束器，该偏振分束器对于第一输入激光辐射的偏振方向而言是反射的并且对于第二输入激光辐射的偏振方向而言是透射的，反之亦然。
本发明在另一方面中也涉及一种用于激光材料加工的、用于产生具有较低功率和较高亮度的第一输出激光辐射或具有较高功率和较低亮度的第二输出激光辐射的方法，所述方法具有以下步骤：
通过多个二极管激光器射束的密集波长耦合产生具有较高亮度的第一输入激光辐射，
通过多个二极管激光器射束的几何叠加产生具有较低亮度的第二输入激光辐射，并且，
将第一输入激光辐射耦入到构造为双芯或多芯纤维的光学纤维的第一纤维芯中并且将第二输入激光辐射耦入到第二纤维芯中，或者将第一输入激光辐射耦入到构造为梯度折射率纤维的光学纤维的第一区域中并且将第二输入激光辐射耦入到第二区域中，
通过所耦入的第一输入激光辐射从光学纤维的纤维端部的耦出产生第一输出激光辐射，并且
通过所耦入的第一和第二输入激光辐射从光学纤维的纤维端部的共同耦出产生第二输出激光辐射。
优选地，通过第一输出激光辐射切割具有小于5mm的板材厚度的薄工件，并且通过第二输出激光辐射切割具有大于5mm的板材厚度的厚工件、尤其是结构钢板。
在优选的方法变型中，使第一和第二输出激光辐射聚焦到焦平面中，其中，在焦平面中第一输出辐射的焦斑直径位于30μm和500μm之间并且第二输出辐射的焦斑直径位于700μm和900μm之间。在替代的方法变型中，使第一和第二输出激光辐射这样聚焦，使得它们焦点的位置沿射束传播方向位于两个不同的焦平面中。
附图说明
本发明的主题的其他优点和有利构型由说明书、权利要求和附图得出。前面提到的和还要进一步提出的特征同样可以分别自身地或者多个任意组合地使用。示出的和描述的实施方式不理解为最终的列举，而是具有对于本发明的描述的示例性特性。
在附图中：
图1示意性示出根据本发明的用于产生用于激光材料加工的不同激光辐射的设备；
图2a、2b示出双芯纤维(图2a)和梯度折射率纤维(图2b)的输入侧的端侧。
具体实施方式
在图1中示出的设备1用于产生用于激光材料加工的不同激光辐射，以便例如加工不同板材厚度的板材。
设备1包括用于产生具有较高亮度的第一输入激光辐射3的第一二极管激光器单元2、用于产生具有较低亮度的第二输入激光辐射5的第二二极管激光器单元4、呈具有内部纤维芯7和环形地围绕内部纤维芯7的外部纤维芯8的双芯纤维6的形式的光学纤维(图2a)以及用于在双芯纤维6的纤维端部6a处将第一输入激光辐射3耦入到内部纤维芯7中并且将第二输入激光辐射5耦入到外部纤维芯8中的各一个第一透镜9。输入激光辐射3、5到双芯纤维6中的耦入也能够以另外的方式进行，例如借助于另外的光学纤维，二极管激光器单元2或4的输入激光辐射3或5分别被耦入到所述另外的光学纤维中并且所述另外的光学纤维被拼接到双芯纤维6的内部和外部纤维芯7、8上并且因此被视为用于耦入的光学元件。第二输入激光辐射的耦入也可以在不同于双芯纤维的纤维端部6a的部位处进行。
如在图2a中示出的那样，在这里示出的示例中，在输入侧的纤维端部6a处第一输入激光辐射3仅耦入到内部纤维芯7中并且第二输入激光辐射5仅耦入到外部纤维芯8中。两个透镜9可以构造成用于将第一和第二输入激光辐射3、5以不同的耦入角度和/或以不同的发散度耦入到双芯纤维6中。
两个二极管激光器单元2、4可以分别包括多个二极管激光器模块，所述二极管激光器模块又具有一个或多个信号发射器或者带有多个发射器的一个或多个二极管棒(Diodenbarren)。各个发射器形成激光源，在此信号发射器或二极管棒布置在一维和/或二维的阵列中。所述阵列由信号发射器或二极管棒的竖直的或水平的堆组成。第一二极管激光器单元2通过第一二极管激光器单元2的多个二极管激光器射束10的密集波长耦合产生具有较高亮度的第一输入激光辐射3，并且第二二极管激光器单元4通过第二二极管激光器单元4的多个二极管激光器射束11的几何叠加产生具有较低亮度的第二输入激光辐射5。第一输入激光辐射3例如可以具有最高4mm*mrad的射束参数乘积并且第二输入激光辐射5具有至少16mm*mrad的射束参数乘积。优选地，第二输入激光辐射5的波长范围位于第一输入激光辐射3的波长范围的外部，即例如第一输入激光辐射3位于900nm至950nm的波长范围中并且第二输入激光辐射5位于960nm至965nm的波长范围中。
在第一和第二输入激光辐射3、5的光路中，在一方面的第一和第二二极管激光器单元2、4和另一方面的双芯纤维6之间布置有耦合光学器件12，该耦合光学器件使第一和第二输入激光辐射3、5彼此叠加。在示出的实施例中，耦合光学器件12构造为波长选择的镜，该镜对于第一输入激光辐射3而言反射地并且对于第二输入激光辐射5而言穿透地构造。替代地，耦合光学器件12也可以构造为偏振分束器，该偏振分束器对于第一输入激光辐射3的偏振方向而言是反射的并且对于第二输入激光辐射5的偏振方向而言是透射的。
在另外的纤维端部6b处，要么使耦入的第一输入激光辐射3作为第一输出激光辐射13耦出，要么使第一和第二输入激光辐射3、5共同作为第二输出激光辐射14耦出，使得第一输出激光辐射13具有较高的射束质量和较低的功率，并且第二输出激光辐射14具有较低的射束质量和较高的功率。
在第一和第二输出激光辐射13、14的光路中布置有聚焦装置15(例如聚焦透镜)，该聚焦装置使第一和第二输出激光辐射13、14聚焦到焦平面16中。第一输出辐射13在焦平面中的焦斑直径例如可以位于30μm和500μm之间，并且第二输出辐射在焦平面中的焦斑直径例如可以位于700μm和900μm之间。在焦平面16中布置有要加工的板材，其中，可以通过第一输出辐射13切割具有小于5mm的板材厚度的薄板材，并且通过第二输出激光辐射14切割具有大于5mm的板材厚度的厚板材、尤其是结构钢板。替代于聚焦到相同的焦平面中，第一和第二输出激光辐射13、14也可以这样聚焦，使得它们的焦点的位置沿射束传播方向位于不同的焦平面中。
如在图2b中示出的那样，替代地也可以使用梯度折射率纤维16作为光学纤维，其中，第一和第二输入激光辐射3、5耦入到梯度折射率纤维16的进入侧的纤维端部6a的不同区域中。
在图1中两个相对彼此成90°地辐射的二极管激光器单元2、4中的每个二极管激光器单元后面布置有自己的透镜9，与图1不同，两个二极管激光器单元2、4也可以这样布置，使得它们沿相同的方向辐射。在该情况下，可以针对第一和第二输入激光辐射3、5使用共同的透镜。该共同的透镜可以构造成用于使第一和第二输入激光辐射3、5以不同的耦入角度和/或以不同的发散度耦入到光学纤维6、16中。
