DE102023133241A1

DE102023133241A1 - Processing head for variable adjustment of a laser intensity distribution and method for laser-based material processing therewith

Info

Publication number: DE102023133241A1
Application number: DE102023133241.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Häcker
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2023-11-28
Filing date: 2023-11-28
Publication date: 2025-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf (8) für eine Laserbearbeitungsanlage (10). Der Bearbeitungskopf (8) weist mehrere strahlformende Optikelemente (9) auf, von denen wenigstens eines keine konstante Brennweite aufweist. Diese Optikelemente (9) sind um eine gemeinsame Schwenkachse (6) schwenkbar gelagert, sodass sie darum in einen bestimmungsgemäßen Strahlengang (7) eines Laserstrahls (1) innerhalb des Bearbeitungskopfes (8) und aus diesem Strahlengang (7) heraus schwenkbar sind. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung (1), worin mittels eines entsprechenden Bearbeitungskopfes (8) jeweils eine bestimmte Intensitätsverteilung zum Bearbeiten eines jeweiligen Materials (11) erzeugt wird

The invention relates to a processing head (8) for a laser processing system (10). The processing head (8) has a plurality of beam-shaping optical elements (9), at least one of which does not have a constant focal length. These optical elements (9) are pivotally mounted about a common pivot axis (6), so that they can be pivoted into a designated beam path (7) of a laser beam (1) within the processing head (8) and out of this beam path (7). The invention further relates to a method for material processing using laser radiation (1), wherein a specific intensity distribution for processing a respective material (11) is generated by means of a corresponding processing head (8).

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Lasertechnik und betrifft einen Bearbeitungskopf bzw. eine Laseroptik für eine Laserbearbeitungsanlage, also ein Lasersystem. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur laserbasierten Materialbearbeitung damit.The present invention lies in the field of laser technology and relates to a processing head or laser optics for a laser processing system, i.e., a laser system. The invention also relates to a method for laser-based material processing therewith.

Eine laserbasierte Materialbearbeitung kann für verschiedene Anwendungen gegenüber anderen Verfahren vorteilhaft sein. Dabei können allerdings unterschiedliche Anforderungen bestehen, beispielsweise je nach Anwendungsfall bzw. Bearbeitungsaufgabe und zu bearbeitendem Material. Herkömmliche Laserlichtquellen erzeugen hingegen üblicherweise jeweils nur Laserlicht mit bestimmten fixen Eigenschaften. Diese können zwar mit einer nachgeschalteten Optik angepasst werden, wobei aber eine größere Flexibilität wünschenswert wäre als sie von bisherigen Lasersystemen geboten wird.Laser-based material processing can be advantageous over other methods for various applications. However, different requirements may exist, for example, depending on the application, processing task, and material to be processed. Conventional laser light sources, in contrast, typically only generate laser light with certain fixed properties. While these can be adjusted using downstream optics, greater flexibility than that offered by current laser systems would be desirable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte und flexiblere laserbasierte Materialbearbeitung zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable improved and more flexible laser-based material processing.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs bzw. der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.The problem is solved by the subject matter of the main claim and the subsidiary claim or the independent claims. Further possible embodiments of the invention are specified in the subclaims, the description, and the drawings. Features, advantages, and possible embodiments presented in the description for one of the subject matter of the independent claims are to be regarded at least analogously as features, advantages, and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims, as well as any possible combination of the subject matter of the independent claims, optionally in conjunction with one or more of the subclaims.

Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf kann in einer Laserbearbeitungsanlage bzw. einem Lasersystem eingesetzt werden, also beispielsweise als Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsanlage oder als Teil dafür ausgestaltet sein. Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf weist einen durch diesen hindurch verlaufenden Strahlengang für Laserlicht bzw. Laserstrahlung auf. Dieser Strahlengang ist ein bestimmungsgemäßer Lichtweg bzw. längserstreckter Lichtausbreitungsbereich, entlang dessen sich im bestimmungsgemäßen Einsatz des Bearbeitungskopfs Laserlicht bzw. Laserstrahlung oder ein Laserstrahl in dem Bearbeitungskopf bzw. durch den Bearbeitungskopf ausbreiten kann und soll. Der Strahlengang kann beispielsweise freie Raumbereiche oder offene Aperturen ebenso umfassen wie reflektive Oberflächen und/oder für das Laserlicht transparente bzw. Laserlicht transmittierende optische Elemente, insbesondere deren entlang ihrer optischen Achse verlaufende Bereiche. Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf weist mehrere, also zwei oder mehr strahlformende Optikelemente auf. Strahlformende Optikelemente können im vorliegenden Sinne die Winkelverteilung von Laserstrahlung so ändern, dass sich, insbesondere in Verbindung mit einer nachfolgenden Fokussieroptik, also etwa einer Fokussierlinse oder eines Fokussierspiegels, die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung bzw. eines entsprechenden Laserstrahls in dessen Fokus ändert. Die strahlformenden Optikelemente - im Folgenden auch kurz als Optikelemente bezeichnet - können also dazu ausgestaltet bzw. ausgelegt sein, darauf auftreffender bzw. dadurch hindurchtretender Laserstrahlung eine Winkeländerung bzw. eine Veränderung der Winkelverteilung aufzuprägen und somit - nach weiterer Propagation der Laserstrahlung - die im Querschnitt der Laserstrahlung gegebene Intensitätsverteilung zu verändern. Dies kann beispielsweise im Vergleich zu einer Propagation der Laserstrahlung entlang des ansonsten gleichen Strahlweges, jedoch ohne Auftreffen auf das Optikelement gelten. Mittels eines solchen Optikelements kann also letztlich bzw. zumindest in einem gewissen Abstand nach dem Optikelement das Strahlintensitätsprofil bzw. die Leistungsverteilung oder Leistungsdichteverteilung eines auf das jeweilige Optikelement auftreffenden bzw. durch das jeweilige Objektelement hindurchtretenden Laserstrahls oder Laserpulses beeinflusst werden. Die Optikelemente können also zur Strahlformung dienen, wobei sie beispielweise refraktiv und/oder reflektiv und/oder diffraktiv wirken bzw. ausgestaltet sein können.The processing head according to the invention can be used in a laser processing system or a laser system, i.e., it can be designed, for example, as a processing head for a laser processing system or as a part thereof. The processing head according to the invention has a beam path for laser light or laser radiation extending therethrough. This beam path is a designated light path or elongated light propagation region along which, when the processing head is used as intended, laser light or laser radiation or a laser beam can and should propagate in the processing head or through the processing head. The beam path can, for example, comprise free spatial regions or open apertures as well as reflective surfaces and/or optical elements that are transparent to the laser light or transmit laser light, in particular their regions extending along their optical axis. The processing head according to the invention has a plurality of, i.e., two or more, beam-shaping optical elements. Beam-shaping optical elements in the present sense can change the angular distribution of laser radiation in such a way that, particularly in conjunction with downstream focusing optics, such as a focusing lens or a focusing mirror, the intensity distribution of the laser radiation or of a corresponding laser beam in its focus changes. The beam-shaping optical elements – also referred to below as optical elements for short – can therefore be designed or configured to impart a change in angle or a change in the angular distribution to laser radiation impinging on them or passing through them and thus – after further propagation of the laser radiation – to change the intensity distribution present in the cross-section of the laser radiation. This can apply, for example, in comparison to propagation of the laser radiation along the otherwise identical beam path, but without impinging on the optical element. By means of such an optical element, the beam intensity profile or the power distribution or power density distribution of a laser beam or laser pulse impinging on the respective optical element or passing through the respective object element can therefore ultimately be influenced, or at least at a certain distance downstream of the optical element. The optical elements can therefore be used for beam shaping, whereby they can, for example, act or be designed to be refractive and/or reflective and/or diffractive.

Erfindungsgemäß sind in dem Bearbeitungskopf die strahlformenden Optikelemente um eine gemeinsame, also dieselbe Dreh- oder Schwenkachse drehbar bzw. schwenkbar gelagert, sodass die Optikelemente innerhalb des Bearbeitungskopfes um die gemeinsame Schwenkachse in den Strahlengang hinein und aus dem Strahlengang heraus drehbar oder schwenkbar sind. Die Optikelemente können also insbesondere relativ zu dem Strahlengang beweglich gelagert und in den Strahlengang sowie aus dem Strahlengang bewegbar, also verlagerbar. Die Optikelemente können dabei insbesondere in den Strahlengang sowie aus dem Strahlengang schwenkbar bzw. bewegbar sein, ohne den Bearbeitungskopf insgesamt, also etwa dessen Gehäuse oder dergleichen, oder eine mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf ausgestattete Laserbearbeitungsanlage zu bewegen. Dementsprechend kann der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf auch als Laseroptik bezeichnet werden.According to the invention, the beam-shaping optical elements in the processing head are mounted so as to be rotatable or pivotable about a common, i.e., the same, rotational or pivoting axis, such that the optical elements within the processing head can be rotated or pivoted into and out of the beam path about the common pivoting axis. The optical elements can therefore be mounted so as to be movable relative to the beam path and can be moved, i.e., displaced, into and out of the beam path. The optical elements can thereby be pivotable or movable, in particular, into and out of the beam path, without moving the processing head as a whole, i.e., its housing or the like, or a laser processing system equipped with the processing head according to the invention. Accordingly, the processing head according to the invention can also be referred to as laser optics.

Die gemeinsame Dreh- bzw. Schwenkachse kann hier die entsprechende geometrische Achse oder Richtung und/oder ein entsprechendes physisches Achsenbauteil meinen. Durch die hier vorgeschlagene Anordnung bzw. Lagerung der strahlformenden Optikelemente mit einer gemeinsamen bzw. identischen Dreh- oder Schwenkachse kann eine besonders einfache, kostengünstige, wartungsarme und robuste Realisierung des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes ermöglicht werden. So kann dann beispielsweise ein einziger mit dieser einen Dreh- oder Schwenkachse gekoppelter Antrieb zum angetriebenen oder motorischen Bewegen der Optikelemente ausreichen. Zudem kann damit beispielsweise besonders einfach eine konstante Lagebeziehung bzw. Entfernung der Optikelemente zueinander, insbesondere bei ihrer Anordnung in dem Strahlengang ermöglicht bzw. sichergestellt werden. Damit können bestimmte durch die Auswahl und Ausgestaltung der Optikelemente vorgegebene Intensitätsverteilungen besonders zuverlässig und präzise erzeugt bzw. reproduziert werden.The common rotation or swivel axis can be the corresponding geometric axis or direction and/or a corresponding physical cal axis component. The arrangement or mounting of the beam-shaping optical elements with a common or identical rotation or pivot axis proposed here enables a particularly simple, cost-effective, low-maintenance, and robust implementation of the processing head according to the invention. For example, a single drive coupled to this one rotation or pivot axis may then be sufficient for the driven or motorized movement of the optical elements. In addition, this makes it particularly easy to enable or ensure a constant positional relationship or distance between the optical elements, particularly when arranging them in the beam path. This allows certain intensity distributions predetermined by the selection and design of the optical elements to be generated or reproduced particularly reliably and precisely.

Die gemeinsame Dreh- oder Schwenkachse kann in einer senkrecht zu dieser und senkrecht zur Längsrichtung des Strahlengangs im Bereich der Optikelemente bzw. innerhalb des Bearbeitungskopfes stehenden Richtung außerhalb des Strahlengangs bzw. neben dem Strahlengang positioniert sein. Letzteres kann eine Störung der Laserstrahlung durch die Schwenkachse bzw. durch eine dort angeordnete Halterung oder Lagerung der Optikelemente vermeiden. Das hier vorgeschlagene Drehen oder Schwenken als Modus für das Bewegen der Optikelemente kann, beispielsweise im Vergleich zu einem rein translatorischen linearen Verschieben der Optikelemente eine besonders einfache und robuste Realisierung der vorliegenden Erfindung bzw. eine entsprechende besonders einfache und robuste Positionierung der Optikelemente ermöglichen. Die hier vorgeschlagene Drehung oder Verschwenkung der Optikelemente kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Drehwechslers, an dem die Optikelemente gehalten oder gelagert sind, realisiert werden.The common rotation or pivot axis can be positioned outside the beam path or next to the beam path in a direction perpendicular to this axis and perpendicular to the longitudinal direction of the beam path in the region of the optical elements or within the processing head. The latter can prevent interference with the laser radiation by the pivot axis or by a holder or bearing of the optical elements arranged there. The rotation or pivoting proposed here as a mode for moving the optical elements can, for example, enable a particularly simple and robust implementation of the present invention or a correspondingly particularly simple and robust positioning of the optical elements compared to a purely translational linear displacement of the optical elements. The rotation or pivoting of the optical elements proposed here can be implemented, for example, by means of a corresponding rotary changer on which the optical elements are held or mounted.

Erfindungsgemäß weist wenigstens eines der strahlformenden Optikelemente keine konstante Brennweite auf. Ein solches Optikelement kann also eine variable oder einstellbare Brennweite aufweisen. Dies ist beispielsweise im Gegensatz zu einfachen Linsen zu sehen. Mittels eines solchen Optikelements mit variabler bzw. nicht-konstanter Brennweite kann eine besonders flexible, komplexe oder vielfältige Variation der Intensitätsverteilung ermöglicht werden. Damit können entsprechend vielfältigere oder anspruchsvollere Bearbeitungsaufgaben mittels der erfindungsgemäßen Laseroptik realisiert werden. Dies kann in entsprechend erhöhtem Maße gelten, wenn der Bearbeitungskopf zwei oder mehr solche Optikelemente aufweist.According to the invention, at least one of the beam-shaping optical elements does not have a constant focal length. Such an optical element can therefore have a variable or adjustable focal length. This can be seen, for example, in contrast to simple lenses. Using such an optical element with a variable or non-constant focal length, a particularly flexible, complex, or diverse variation of the intensity distribution can be enabled. This allows correspondingly more diverse or demanding processing tasks to be realized using the laser optics according to the invention. This can apply to a correspondingly greater extent if the processing head has two or more such optical elements.

Das Bewegen, insbesondere Drehen oder Schwenken, der Optikelemente in den Strahlengang bzw. aus dem Strahlengang ermöglicht die flexible Erzeugung von mehreren unterschiedlichen Intensitätsverteilungen, ohne einen Umbau oder Wechsel des verwendeten Lasersystems oder auch nur einen Austausch von dessen Optik oder Bearbeitungskopf zu erfordern. Damit kann ein einziger Bearbeitungskopf bzw. eine einzige damit ausgestattete Laserbearbeitungsanlage für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für die Bearbeitung unterschiedlicher Materialien oder für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben. Diese können beispielsweise ein Schneiden oder Bohren oder Schweißen oder Gravieren oder eine generative Fertigung oder dergleichen - gegebenenfalls in unterschiedlichen Breiten oder Ausprägungen - umfassen. Ebenso können dann mittels eines einzigen Bearbeitungskopfes bzw. mittels einer einzigen damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage unterschiedliche Formen oder Details bei einer bestimmten Bearbeitung ermöglicht werden, wie beispielsweise unterschiedliche Schnittkantenformen oder Schnittkantenradien oder unterschiedliche Schnittspaltbreiten bzw. Bohrlochdurchmesser an verschiedenen Stellen entlang der Strahl- bzw. Lichtausbreitungsrichtung oder unterschiedliche Temperaturprofile in dem jeweils zu bearbeitenden Material im Bereich einer jeweiligen Bearbeitungsstelle.Moving, in particular rotating or pivoting, the optical elements into or out of the beam path enables the flexible generation of several different intensity distributions without requiring a modification or change of the laser system used, or even a replacement of its optics or processing head. This means that a single processing head or a single laser processing system equipped with it can be used for different applications, for example, for processing different materials or for different processing tasks. These can include, for example, cutting, drilling, welding, engraving, generative manufacturing, or the like – possibly in different widths or forms. Likewise, a single processing head or a single laser processing system equipped with it can then enable different shapes or details for a specific processing operation, such as different cutting edge shapes or cutting edge radii, different cutting gap widths or borehole diameters at different locations along the beam or light propagation direction, or different temperature profiles in the material to be processed in the area of a particular processing point.

Die hier vorgeschlagene Bewegung bzw. Verschwenkbarkeit nur der Optikelemente und nicht etwa des gesamten Bearbeitungskopfes ist besonders effizient und schnell möglich. Zudem kann dadurch die Gefahr für unerwünschte Nebeneffekte, wie etwa Erschütterungen oder Dejustierungen der Laserbearbeitungsanlage bei einem Wechsel der ausgangsseitigen Intensitätsverteilung, also der Intensitätsverteilung im Fokus bzw. an der Bearbeitungsstelle minimiert werden.The proposed movement or pivoting of only the optical elements, rather than the entire processing head, is particularly efficient and quick. Furthermore, it minimizes the risk of undesirable side effects, such as vibrations or misalignment of the laser processing system when changing the output intensity distribution, i.e., the intensity distribution at the focus or at the processing point.

Als die Optikelemente zur Strahlformung, also zum Beeinflussen oder Verändern der ausgangsseitigen Intensitätsverteilung können beispielsweise Blenden, Zonenoptiken, Linsenarrays, Homogenisierer, etwa zur Umschaltung zwischen Gauß- und Top-Hat-Strahlprofilen oder dergleichen, Axicone, Axoconstümpfe, Axiconarrays, facettierte Optiken bzw. facettierte optische Elemente, oder optische Elemente, die dem Laserlicht einen strahlformenden Phasenverlauf aufprägen, und/oder dergleichen mehr verwendet werden.The optical elements used for beam shaping, i.e. for influencing or changing the output intensity distribution, can be, for example, apertures, zone optics, lens arrays, homogenizers, for example for switching between Gaussian and top-hat beam profiles or the like, axicons, axocon truncated elements, axicon arrays, faceted optics or faceted optical elements, or optical elements that impose a beam-shaping phase curve on the laser light, and/or the like.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind mehrere der strahlformenden Optikelemente individuell und unabhängig voneinander beweglich. Damit kann eine besonders große Vielfalt unterschiedlicher Intensitätsverteilungen und somit eine besonders große Flexibilität des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes ermöglicht werden. Es kann beispielsweise nur genau eines der Optikelemente unabhängig von dem Rest der Optikelemente beweglich sein oder es können mehrere oder alle der Optikelemente jeweils einzeln beweglich, insbesondere schwenkbar sein. Der Bearbeitungskopf kann also mehrere individuell und unabhängig voneinander bewegliche bzw. schwenkbare Gruppen von Optikelementen aufweisen, wobei jede dieser Gruppen von Optikelementen ein oder mehr Optikelemente umfassen kann. Die Optikelemente einer solchen Gruppe können dann beispielsweise in einer festen Lagebeziehung zueinander gehalten sein, sodass sie dann also beispielsweise nur gemeinsam beweglich sind. Letzteres kann beispielsweise sicherstellen, dass eine bestimmte Intensitätsverteilung, die mehrere gleichzeitig in den Strahlengang bewegte Optikelemente erfordert, stets zuverlässig und konsistent und besonders schnell und einfach eingestellt werden kann.In a further possible embodiment of the present invention, several of the beam-shaping optical elements are individually and independently movable. This allows for a particularly wide variety of different intensity distributions and thus a particularly high degree of flexibility in the processing according to the invention. processing head. For example, only one of the optical elements can be movable independently of the rest of the optical elements, or several or all of the optical elements can each be individually movable, in particular pivotable. The processing head can therefore have several groups of optical elements that are individually and independently movable or pivotable, wherein each of these groups of optical elements can comprise one or more optical elements. The optical elements of such a group can then, for example, be held in a fixed positional relationship to one another, so that they can then, for example, only be movable together. The latter can, for example, ensure that a specific intensity distribution, which requires several optical elements to be moved simultaneously into the beam path, can always be set reliably and consistently, and particularly quickly and easily.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können mehrere räumlich voneinander beabstandet angeordnete strahlformende Optikelemente gleichzeitig in den Strahlengang bewegt oder bewegbar bzw. schwenkbar sein. Dadurch können Intensitätsverteilungen, die mehrere in dem Strahlengang angeordnete Optikelemente erfordern, erzeugt werden, ohne dass die entsprechenden Optikelemente beispielsweise unmittelbar aneinander angeordnet oder deren Funktionen oder Eigenschaften in einem einzigen Optikelement kombiniert sein müssten. Dies kann eine entsprechend einfachere Fertigung und/oder Halterung der verschiedenen Optikelemente ermöglichen. Zudem kann dadurch die Austauschbarkeit der einzelnen Optikelemente verbessert bzw. vereinfacht werden, was ein mögliches Anwendungsspektrum des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes vergrößern und/oder dessen Wartungsfreundlichkeit bzw. Reparierbarkeit verbessern kann.In a further possible embodiment of the present invention, a plurality of spatially spaced-apart beam-shaping optical elements can be moved or moved or pivoted simultaneously into the beam path. This makes it possible to generate intensity distributions that require a plurality of optical elements arranged in the beam path without, for example, the corresponding optical elements having to be arranged directly next to one another or without their functions or properties having to be combined in a single optical element. This can enable correspondingly simpler production and/or mounting of the various optical elements. In addition, the interchangeability of the individual optical elements can be improved or simplified, which can expand the potential application spectrum of the processing head according to the invention and/or improve its ease of maintenance and repair.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können alle um die gemeinsame Schwenkachse schwenkbaren strahlformenden Optikelemente gleichzeitig aus dem Strahlengang heraus bewegt oder bewegbar, also insbesondere geschwenkt oder schwenkbar sein. Mit anderen Worten kann der Bearbeitungskopf bzw. eine Anordnung oder Verstelleinrichtung für die Optikelemente eine Transparenz- oder Neutralstellung aufweisen, in der den Bearbeitungskopf durchtretende Laserstrahlung nicht durch die schwenkbaren strahlformenden Optikelemente verändert oder beeinflusst wird. Damit kann eine entsprechende unveränderte Intensitätsverteilung ausgangsseitig des Bearbeitungskopfes zur Materialbearbeitung bereitgestellt werden. Dies kann die Flexibilität bzw. die Anwendungsmöglichkeiten weiter vergrößern. Auch hier kann der Bearbeitungskopf und/oder die damit ausgestatte Laserbearbeitungsanlage ein weiteres optisches Element oder mehrere weitere optische Elemente aufweisen, die stets in dem Strahlengang verbleiben, also insbesondere nicht verschwenkbar gelagert sein können. Dies können beispielsweise Linsen zur Kollimierung und/oder Fokussierung sein.In a further possible embodiment of the present invention, all beam-shaping optical elements pivotable about the common pivot axis can be moved or moved simultaneously out of the beam path, i.e., in particular, pivoted or pivotable. In other words, the processing head or an arrangement or adjustment device for the optical elements can have a transparent or neutral position in which laser radiation passing through the processing head is not changed or influenced by the pivotable beam-shaping optical elements. This makes it possible to provide a correspondingly unchanged intensity distribution on the output side of the processing head for material processing. This can further increase the flexibility and application possibilities. Here, too, the processing head and/or the laser processing system equipped therewith can have one or more further optical elements that always remain in the beam path, i.e., in particular, cannot be pivotably mounted. These can be, for example, lenses for collimation and/or focusing.

In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung steht die gemeinsame Dreh- bzw. Schwenkachse senkrecht zur Längsrichtung des Strahlengangs bzw. zumindest eines lokalen Abschnitts des Strahlengangs im Bereich der Optikelemente und/oder der Schwenkachse, also insbesondere des Strahlengangs in dem Bearbeitungskopf. Damit kann besonders einfach und zuverlässig sichergestellt werden, dass die Optikelemente in Längsrichtung der Schwenkachse genau in dem Strahlengang positioniert werden. Damit kann also ein entsprechender Freiheitsgrad der Bewegung der Optikelemente relativ zu dem Strahlengang eliminiert bzw. fixiert werden. Dies kann eine besonders große Zuverlässigkeit, Robustheit und Präzision des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes ermöglichen.In a possible further development of the present invention, the common rotation or pivot axis is perpendicular to the longitudinal direction of the beam path or at least a local section of the beam path in the region of the optical elements and/or the pivot axis, i.e., in particular, the beam path in the processing head. This makes it particularly easy and reliable to ensure that the optical elements are positioned precisely in the beam path in the longitudinal direction of the pivot axis. Thus, a corresponding degree of freedom of movement of the optical elements relative to the beam path can be eliminated or fixed. This can enable particularly high reliability, robustness, and precision of the processing head according to the invention.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind wenigstens zwei der strahlformenden Optikelemente so angeordnet und gehalten bzw. gelagert, dass ihre optischen Achsen stets parallel zueinander verlaufen oder identisch sind, also zusammenfallen. Die optische Achse eines Optikelements kann allgemein diejenige Richtung bezeichnen, aus oder in der auf das Optikelement einfallende Laserstrahlung dieses Optikelement bestimmungsgemäß treffen soll. Zwei optische Achsen zweier verschiedener Optikelemente können genau dann identisch sein, wenn sie in Lage und Richtung übereinstimmen. Die wenigstens zwei Optikelemente mit parallel zueinander verlaufenden oder identischen optischen Achsen können beispielsweise relativ zueinander lagefest miteinander verbunden oder gekoppelt sein. Eine solche Anordnung zweier Optikelemente kann eine besonders zuverlässige, robuste und präzise Erzeugung einer entsprechenden Intensitätsverteilung ermöglichen, die ein gleichzeitiges Beaufschlagen oder Durchstrahlen zweier Optikelemente mit Laserstrahlung erfordert, insbesondere wenn diese Intensitätsverteilung sensitiv auf die relative Lagebeziehung der beiden Optikelemente oder Unterschiede in deren optischen Achsen ist. In der hier vorgeschlagenen Anordnung zweier Optikelemente kann beispielsweise ein Doppelaxicon realisiert werden.In a further possible embodiment of the present invention, at least two of the beam-shaping optical elements are arranged and held or mounted such that their optical axes always run parallel to one another or are identical, i.e., coincide. The optical axis of an optical element can generally designate the direction from or in which laser radiation incident on the optical element is intended to strike this optical element. Two optical axes of two different optical elements can be identical precisely if they match in position and direction. The at least two optical elements with parallel or identical optical axes can, for example, be connected or coupled to one another in a positionally fixed manner relative to one another. Such an arrangement of two optical elements can enable a particularly reliable, robust, and precise generation of a corresponding intensity distribution, which requires the simultaneous application of laser radiation to or irradiation through two optical elements, in particular if this intensity distribution is sensitive to the relative position of the two optical elements or differences in their optical axes. In the arrangement of two optical elements proposed here, a double axicon can, for example, be realized.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind mehrere, insbesondere alle der Optikelemente an einem gemeinsamen Rahmen gehalten bzw. gelagert. Dieser Rahmen kann beispielsweise einen Teil eines Gehäuses des Bearbeitungskopfes bilden oder seinerseits an einem solchen Gehäuse befestigt oder gelagert sein. Die Dreh- bzw. Schwenkachse der strahlformenden Optikelemente können beispielsweise in dem Rahmen gelagert sein. Ebenso kann - zusätzlich oder alternativ - der Rahmen selbst verlagerbar bzw. beweglich, also etwa drehbar oder schwenkbar oder verschiebbar oder kippbar gelagert sein. Mittels eines solchen beweglichen Rahmens, der als Gerüst oder Halterung für die Optikelemente dient, kann ein Drehwechsler für die Optikelemente realisiert werden. Damit können verschiedene Optikelemente durch entsprechendes Drehen des Drehwechslers, also insbesondere des Rahmens, besonders einfach, zuverlässig, robust und präzise relativ zu dem Strahlengang, also in diesen oder aus diesem heraus, bewegt werden. Eine Drehachse des Drehwechslers kann dabei die Schwenkachse eines oder mehrerer der Optikelemente bilden. Mittels des hier genannten Rahmens kann die Flexibilität und/oder Wartungsfreundlichkeit des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes weiter verbessert werden. So kann der Rahmen beispielsweise als eine Art Magazin oder Halter für die Optikelemente dienen. Der Rahmen bzw. ein solches Magazin kann dann beispielsweise als eine zusammenhängende Einheit oder Baugruppe aus dem Bearbeitungskopf entnommen und in den Bearbeitungskopf eingesetzt werden. Dies kann beispielsweise eine separate Wartung oder einen Wechsel einer oder mehrerer der an dem Rahmen gehalten Optikelemente oder einen besonders einfachen und schnellen Austausch der Einheit aus Rahmen und mehreren darin oder daran gehaltenen Optikelementen gegen einen anderen Rahmen mit einer anderen Auswahl darin oder daran gehaltener Optikelemente ermöglichen. Damit kann der Bearbeitungskopf entsprechend schnell und einfach an unterschiedliche Anforderungen oder Bearbeitungsaufgaben angepasst werden.In a further possible embodiment of the present invention, several, in particular all, of the optical elements are held or mounted on a common frame. This frame can, for example, be part of a housing of the Processing head or be attached or mounted on such a housing. The rotation or pivot axis of the beam-shaping optical elements can, for example, be mounted in the frame. Likewise - additionally or alternatively - the frame itself can be displaceable or movable, i.e., rotatable, pivotable, displaceable, or tiltable. By means of such a movable frame, which serves as a framework or holder for the optical elements, a rotary changer for the optical elements can be realized. This allows different optical elements to be moved particularly easily, reliably, robustly, and precisely relative to the beam path, i.e., into or out of it, by appropriately rotating the rotary changer, i.e., in particular, the frame. An axis of rotation of the rotary changer can form the pivot axis of one or more of the optical elements. By means of the frame mentioned here, the flexibility and/or ease of maintenance of the processing head according to the invention can be further improved. For example, the frame can serve as a type of magazine or holder for the optical elements. The frame or such a magazine can then, for example, be removed from the machining head as a coherent unit or assembly and inserted into the machining head. This can, for example, enable separate maintenance or replacement of one or more of the optical elements held on the frame, or a particularly simple and quick replacement of the unit comprising the frame and several optical elements held in or on it with another frame containing a different selection of optical elements held in or on it. This allows the machining head to be adapted quickly and easily to different requirements or machining tasks.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung verlaufen die optischen Achsen der Optikelemente und der Strahlengang bzw. die lokale Längsrichtung des Strahlengangs zumindest im Bereich der Optikelemente bzw. in dem Bearbeitungskopf stets in derselben Ebene. Die optischen Achsen der Optikelemente und die Mittellängsachse des Strahlengangs können also unabhängig von der Positionierung, das heißt beispielsweise unabhängig von deren Dreh- oder Schwenkstellung in derselben gedachten bzw. geometrischen Ebene verlaufen. Dadurch kann eine entsprechende Einstellung oder Justierung des Bearbeitungskopfes einmalig durchgeführt werden und dann dauerhaft stabil erhalten bleiben. So kann also eine besonders einfache, konsistente und stabile Positionierung der Optikelemente relativ zu dem Strahlengang und damit eine entsprechend konsistente und präzise optische Performance des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes ermöglicht werden. Zudem kann hier die Bewegung der Optikelemente besonders einfach sein, sodass Komplexität und damit auch Kosten- und Fertigungsaufwand für den Bearbeitungskopf eingespart werden können. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise realisiert werden, indem die Optikelemente um eine senkrecht zu der genannten Ebene stehende Schwenkachse in den Strahlengang einschwenkbar und aus dem Strahlengang ausschwenkbar sind.In a further possible embodiment of the present invention, the optical axes of the optical elements and the beam path, or the local longitudinal direction of the beam path, always run in the same plane, at least in the region of the optical elements or in the processing head. The optical axes of the optical elements and the central longitudinal axis of the beam path can therefore run in the same imaginary or geometric plane, regardless of the positioning, i.e., for example, regardless of their rotational or pivoting position. This allows a corresponding adjustment or adjustment of the processing head to be carried out once and then maintained permanently. This enables particularly simple, consistent, and stable positioning of the optical elements relative to the beam path, and thus a correspondingly consistent and precise optical performance of the processing head according to the invention. Furthermore, the movement of the optical elements can be particularly simple, so that complexity and thus also cost and manufacturing effort for the processing head can be saved. The embodiment of the present invention proposed here can be realized, for example, by the optical elements being pivotable into and out of the beam path about a pivot axis perpendicular to the aforementioned plane.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Bearbeitungskopf eine Fokussieroptik auf. Diese Fokussierungsoptik ist dabei in bestimmungsgemäßer Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls in dem Bearbeitungskopf betrachtet nach den strahlformenden Optikelementen angeordnet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bearbeitungskopfes bzw. der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage kann der Laserstrahl also ausgehend von einer Strahlquelle eines der strahlformenden Optikelemente bzw. einen Bereich in dem Bearbeitungskopf, in den eines der strahlformenden Optikelemente geschwenkt werden kann, durchlaufen und erst danach auf die Fokussierungsoptik treffen. Die Fokussierungsoptik kann also beispielsweise ausgangsseitig bzw. an einem Ausgang des Bearbeitungskopfes angeordnet sein oder einen Ausgang des Bearbeitungskopfes bilden. Die Fokussierungsoptik kann beispielsweise eine oder mehr fokussierende Linsen umfassen. Der Fokuspunkt oder Fokusbereich der Fokussierungsoptik kann außerhalb des Bearbeitungskopfes liegen, insbesondere in einem bestimmungsgemäßen Bearbeitungsbereich des Bearbeitungskopfes bzw. der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage. Die Verwendung einer solchen Fokussierungsoptik kann eine besonders effektive, schnelle und genaue bzw. räumlich isolierte Materialbearbeitung ermöglichen. Dass die Fokussierungsoptik wie hier vorgeschlagen Teil des Bearbeitungskopfes ist, kann beispielsweise bedeuten, dass die Fokussierungsoptik an dem Bearbeitungskopf gehalten oder befestigt ist. Die Fokussierungsoptik kann dadurch also bei einer Bewegung des Bearbeitungskopfes ohne Weiteres mit diesem mitbewegt werden. Damit kann besonders einfach sichergestellt werden, dass durch den Bearbeitungskopf hindurchgestrahlte, insbesondere durch wenigstens eines der strahlformenden Optikelemente beeinflusste Laserstrahlung stets auch durch die Fokussierungsoptik läuft bzw. fokussiert wird. Damit kann insgesamt ein besonders einfacher Aufbau und ein besonders zuverlässiger Betrieb des Bearbeitungskopfes bzw. der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage ermöglicht werden.In a further possible embodiment of the present invention, the processing head has focusing optics. These focusing optics are arranged downstream of the beam-shaping optical elements in the processing head, viewed in the intended beam propagation direction of the laser beam. During intended operation of the processing head or the laser processing system equipped therewith, the laser beam can thus, originating from a beam source, pass through one of the beam-shaping optical elements or an area in the processing head into which one of the beam-shaping optical elements can be pivoted, and only then strike the focusing optics. The focusing optics can therefore, for example, be arranged on the output side or at an output of the processing head or form an output of the processing head. The focusing optics can, for example, comprise one or more focusing lenses. The focal point or focus area of the focusing optics can be located outside the processing head, in particular in a designated processing area of the processing head or the laser processing system equipped therewith. The use of such focusing optics can enable particularly effective, fast and precise or spatially isolated material processing. The fact that the focusing optics is part of the processing head, as proposed here, can mean, for example, that the focusing optics are held or attached to the processing head. The focusing optics can therefore easily be moved with the processing head when it moves. This makes it particularly easy to ensure that laser radiation transmitted through the processing head, in particular influenced by at least one of the beam-shaping optical elements, always passes through the focusing optics or is focused. This enables a particularly simple design and particularly reliable operation of the processing head or the laser processing system equipped with it.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Bearbeitungskopf eine Kollimierungsoptik zum Kollimieren hindurchlaufender Laserstrahlung sowie wenigstens ein in dem Strahlengang angeordnetes weiteres optisches Element zum Ändern eines Strahldurchmessers und/oder der Winkelverteilung des darauf auftreffenden bzw. dadurch hindurchtretenden Laserstrahls, also zur Strahlformung. Je nach Ausgestaltung bzw. Ausdehnung des wenigstens einen weiteren optischen Elements kann an oder in diesem bereits der Strahldurchmesser oder nur dessen Winkelverteilung bzw. Divergenz verändert werden. Der eigentliche Strahldurchmesser kann sich gegebenenfalls erst nach dem wenigstens einen weiteren optischen Element durch dieses beeinflusst signifikant ändern. Ebenso kann durch das wenigstens eine weitere optische Element die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung, insbesondere in deren Querschnitt, verändert werden. Die Kollimierungsoptik und das wenigstens eine weitere optische Element sind in bestimmungsgemäßer Strahlausbreitungs-, also Propagationsrichtung des Laserstrahls vor den schwenkbaren strahlformenden Optikelementen angeordnet. Die strahlformenden Optikelemente können also so angeordnet sein, dass sie in oder entlang der Längsrichtung des Strahlengangs betrachtet nach der Kollimierungsoptik und dem wenigstens einen weiteren optischen Element in den Strahlengang bewegbar sind. Mit anderen Worten können die Optikelemente also im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bearbeitungskopfes bzw. der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage in einen mittels der Kollimierungsoptik kollimierten und mittels des wenigstens einen weiteren optischen Elements geformten Laserstrahl bewegt werden. Die Kollimierungsoptik kann beispielsweise eine Linse oder eine Linsengruppe oder ein Spiegel sein bzw. umfassen. Das wenigstens eine weitere optische Element kann beispielsweise eine Linse oder ein Teil einer Linsenanordnung oder einer Strahlformungsoptik sein. Beispielsweise kann der Bearbeitungskopf hier eine Strahlformungseinheit oder eine Zoom-Optik umfassen, wie sie in der WO 2011 / 131 541 A1 beschrieben ist. Das wenigstens eine weitere optische Element oder auch die Kollimierungsoptik kann dann Teil davon sein. Durch die hier vorgeschlagene Anordnung der Optikelemente können bestimmte Intensitätsverteilungen der Laserstrahlung bzw. des Laserstrahls insbesondere im letztlichen Fokus bzw. im Bearbeitungsbereich besonders einfach erzeugt werden, da mittels der Kollimierungsoptik und des wenigstens einen weiteren optischen Elements eine jeweils passende Ausleuchtung oder Beleuchtung der Optikelemente mit der Laserstrahlung bzw. dem Laserstrahl erreicht bzw. sichergestellt werden kann. Zudem kann die mittels der Optikelemente beeinflusste oder letztlich, insbesondere im Fokus- oder Bearbeitungsbereich des Bearbeitungskopfes bzw. der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage, erzeugte Intensitätsverteilung dann besonders präzise ausgegeben werden, da sie bzw. das entsprechende Laserlicht dann nach den Optikelementen gegebenenfalls keine oder nur besonders wenige weitere optische Elemente durchlaufen muss, bevor es beispielsweise zu einem zu bearbeitenden Werkstück oder Material gelangt.In a further possible embodiment of the present invention, the processing head comprises a collimating optic for collimating passing laser radiation, and at least one further optical element arranged in the beam path for changing a beam diameter and/or the angular distribution of the laser beam impinging on it or passing through it, i.e. for beam shaping. Depending on the design or extent of the at least one further optical element, the beam diameter or only its angular distribution or divergence can be changed on or in it. The actual beam diameter can possibly only change significantly after the at least one further optical element has been influenced by it. Likewise, the intensity distribution of the laser radiation, in particular in its cross-section, can be changed by the at least one further optical element. The collimating optics and the at least one further optical element are arranged in the intended beam propagation, i.e. propagation direction of the laser beam, upstream of the pivotable beam-shaping optical elements. The beam-shaping optical elements can therefore be arranged such that, viewed in or along the longitudinal direction of the beam path, they can be moved into the beam path downstream of the collimating optics and the at least one further optical element. In other words, during the intended operation of the processing head or the laser processing system equipped therewith, the optical elements can be moved into a laser beam collimated by means of the collimating optics and shaped by means of the at least one further optical element. The collimating optics can be or comprise, for example, a lens or a lens group or a mirror. The at least one further optical element can be, for example, a lens or part of a lens arrangement or a beam-shaping optic. For example, the processing head can comprise a beam-shaping unit or a zoom optic, as described in the WO 2011 / 131 541 A1 is described. The at least one further optical element or also the collimating optics can then be part of it. The arrangement of the optical elements proposed here makes it particularly easy to generate specific intensity distributions of the laser radiation or the laser beam, particularly in the final focus or in the processing area, since the collimating optics and the at least one further optical element can be used to achieve or ensure appropriate illumination of the optical elements with the laser radiation or the laser beam. In addition, the intensity distribution influenced by the optical elements or ultimately generated, particularly in the focus or processing area of the processing head or the laser processing system equipped therewith, can then be output particularly precisely, since it or the corresponding laser light then possibly does not have to pass through any or only a very few further optical elements after the optical elements before it reaches, for example, a workpiece or material to be processed.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Bearbeitungskopf wenigstens einen Antrieb zum angetriebenen, also motorischen bzw. automatisierten oder teilautomatisierten Bewegen der strahlformenden Optikelemente in den Strahlengang und aus dem Strahlengang auf. Damit können also unterschiedliche Intensitätsverteilungen ohne manuelle Bedienung an des eigentlichen Bearbeitungskopfes eingestellt bzw. erzeugt werden. Dies kann Nutzungen des Bearbeitungskopfes in Situationen ermöglichen, in denen dieser nicht direkt zugänglich ist. Zudem kann damit manueller Arbeitsaufwand eingespart und gegebenenfalls eine Präzision oder Wiederholgenauigkeit beim Positionieren bzw. Bewegen der Optikelemente zum Einstellen verschiedener Intensitätsverteilungen verbessert werden. Dies kann letztlich beispielsweise auch einer mittels des Bearbeitungskopfes erreichbaren Bearbeitungsqualität und/oder einem damit ermöglichten Materialdurchsatz, also einer möglichst hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit zugutekommen. Als Antrieb kann beispielsweise ein Elektromotor bzw. ein elektrischer Schritt- oder Stellantrieb oder ein beispielsweise magnet- oder spulenbasierter elektromagnetische Feldantrieb oder ein Zahnstangenantrieb oder ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb oder dergleichen verwendet werden. Der Bearbeitungskopf kann - ebenso wie in anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung - auch hier eine entsprechende Steuereinrichtung zum Steuern oder Regeln des wenigstens einen Antrieb aufweisen oder zur Kopplung mit einer solchen Steuereinrichtung eingerichtet sein. Ebenso kann der Bearbeitungskopf beispielsweise eine Sensorik zum Erfassen oder Überwachen der Bewegungen und/oder Positionen der Optikelemente aufweisen. Entsprechende Bewegungs- oder Positionsdaten dieser Sensorik können dann beispielsweise von der Steuereinrichtung zum Steuern oder Regeln der Bewegung bzw. Positionierung der Optikelemente verwendet werden. Eine solche Sensorik kann beispielsweise optisch oder elektromagnetisch oder durch Überwachung oder Messung einer Drehstellung eines Zahnrads, das mit der an anderer Stelle genannten Dreh- oder Schwenkachse fest gekoppelt ist, oder dergleichen arbeiten.In a further possible embodiment of the present invention, the processing head has at least one drive for the driven, i.e., motor-driven, automated, or semi-automated movement of the beam-shaping optical elements into and out of the beam path. This allows different intensity distributions to be set or generated without manual operation on the actual processing head. This can enable the processing head to be used in situations where it is not directly accessible. Furthermore, manual labor can be saved and, if necessary, precision or repeatability when positioning or moving the optical elements to set different intensity distributions can be improved. This can ultimately also benefit, for example, the processing quality achievable using the processing head and/or the material throughput thus enabled, i.e., the highest possible processing speed. The drive can be, for example, an electric motor, an electric stepper or actuator drive, a magnet- or coil-based electromagnetic field drive, a rack and pinion drive, a pneumatic or hydraulic drive, or the like. As in other embodiments of the present invention, the machining head can also have a corresponding control device for controlling or regulating the at least one drive or be configured for coupling to such a control device. Likewise, the machining head can, for example, have sensors for detecting or monitoring the movements and/or positions of the optical elements. Corresponding movement or position data from these sensors can then, for example, be used by the control device to control or regulate the movement or positioning of the optical elements. Such sensors can, for example, operate optically or electromagnetically, or by monitoring or measuring a rotational position of a gear that is firmly coupled to the rotational or pivoting axis mentioned elsewhere, or the like.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens eines der strahlformenden Optikelemente, insbesondere mehrere oder alle der strahlformenden Optikelemente, zusätzlich zu dem Bewegen in den Strahlengang und aus dem Strahlengang heraus in Längsrichtung des Strahlengangs verstellbar ist bzw. sind. Das wenigstens eine Optikelement kann also in oder entlang der Längsrichtung des Strahlengangs beweglich gelagert, insbesondere mittels eines entsprechenden Antriebs verlagerbar sein. Dazu kann beispielsweise der an anderer Stelle genannte Rahmen, an dem das wenigstens eine Optikelement gehalten sein kann, entsprechend beweglich oder verstellbar ausgestaltet bzw. gelagert sein. Insbesondere kann das wenigstens eine in Längsrichtung des Strahlengangs verstellbare Optikelement in einen und aus einem divergenten oder konvergenten Bereich des Strahlengangs bewegbar sein. Dies sind also Bereiche des Strahlengangs, in denen ein im bestimmungsgemäßen Betrieb des Bearbeitungskopfes bzw. der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage den Bearbeitungskopf durchtretender Laserstrahl divergiert bzw. Konvergiert, also nicht zu einem Parallelstrahl kollimiert ist.In a further possible embodiment of the present invention, it is provided that at least one of the beam-forming optical elements, in particular several or all of the beam-forming optical elements, in addition to moving into and out of the beam path is/are adjustable in the longitudinal direction of the beam path. The at least one optical element can therefore be mounted so as to be movable in or along the longitudinal direction of the beam path, in particular can be displaced by means of a corresponding drive. For this purpose, for example, the frame mentioned elsewhere, on which the at least one optical element can be held, can be designed or mounted so as to be correspondingly movable or adjustable. In particular, the at least one optical element adjustable in the longitudinal direction of the beam path can be movable into and out of a divergent or convergent region of the beam path. These are therefore regions of the beam path in which a laser beam passing through the processing head during normal operation of the processing head or the laser processing system equipped therewith diverges or converges, i.e. is not collimated into a parallel beam.

Durch die Verstellung oder Bewegung des wenigstens einen strahlformenden Optikelements in Längsrichtung des Strahlengangs in einem solchen divergenten oder konvergenten Bereich kann eine Veränderung der Ausleuchtung oder Beleuchtung des Optikelements durch die Laserstrahlung bzw. den Laserstrahl, also deren bzw. dessen Spotgröße auf dem Optikelement verändert werden. Damit kann durch entsprechende Verstellung oder Bewegung des Optikelements in der Längsrichtung des Strahlengangs eine - gegebenenfalls zusätzliche - Beeinflussung der letztlichen Intensitätsverteilung und/oder einer oder mehrerer weiterer Licht- bzw. Strahleigenschaften bewirkt oder ermöglicht werden. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung einer Zonenoptik als Optikelement der Fall sein. Eine solche Zonenoptik kann beispielsweise in senkrecht zu der Längsrichtung des Strahlengangs stehender radialer Richtung, also mit zunehmender Entfernung von der Längsachse des Strahlengangs bei Positionierung der Zonenoptik bzw. des entsprechenden Optikelements in dem Strahlengang verschiedene Zonen aufweisen. Diese Zonen können unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen. Somit kann durch Verstellung des Optikelements in der Längsrichtung des Strahlengangs also bestimmt oder eingestellt werden, welche der Zonen mit Laserstrahlung beaufschlagt oder von Laserstrahlung durchstrahlt werden, was wiederum entsprechend unterschiedliche Beeinflussungen de Laserstrahlung, also des entsprechenden Laserstrahls bewirken kann.By adjusting or moving the at least one beam-shaping optical element in the longitudinal direction of the beam path in such a divergent or convergent region, a change in the illumination of the optical element by the laser radiation or the laser beam, i.e., its spot size on the optical element, can be changed. Thus, by adjusting or moving the optical element accordingly in the longitudinal direction of the beam path, a - possibly additional - influence on the final intensity distribution and/or one or more other light or beam properties can be brought about or enabled. This can be the case, for example, when using zone optics as the optical element. Such a zone optics can, for example, have different zones in a radial direction perpendicular to the longitudinal direction of the beam path, i.e., with increasing distance from the longitudinal axis of the beam path when positioning the zone optics or the corresponding optical element in the beam path. These zones can have different optical properties. Thus, by adjusting the optical element in the longitudinal direction of the beam path, it is possible to determine or adjust which of the zones are exposed to laser radiation or are irradiated by laser radiation, which in turn can cause different influences on the laser radiation, i.e. on the corresponding laser beam.

Mehrere der strahlformenden Optikelemente können hier gemeinsam, also in feststehender Lagebeziehung relativ zueinander bzw. mit feststehendem Abstand zueinander in der Längsrichtung des Strahlengangs bewegbar bzw. verstellbar sein. Ebenso kann wenigstens eines der Optikelemente individuell, also unabhängig von einem oder mehreren anderen der Optikelemente in der Längsrichtung des Strahlengangs bewegbar bzw. verstellbar sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Flexibilität oder Vielfalt der Beeinflussung der Laserstrahlung mittels des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes weiter verbessert werden, beispielsweise zum Einstellen oder Erzeugen weiterer Intensitätsverteilungen. Ebenso kann das hier vorgeschlagene Bewegen oder Verstellen wenigstens eines strahlformenden Optikelements in der Längsrichtung des Strahlengangs beispielsweise zur Feinjustierung bzw. zum Kompensieren von Dejustierungen des Bearbeitungskopfes oder der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage insgesamt oder zum Ausgleichen von Bewegungen eines jeweils zu bearbeitenden Materials oder Werkstücks dienen bzw. genutzt werden.Several of the beam-shaping optical elements can be moved or adjusted together, i.e. in a fixed positional relationship relative to one another or at a fixed distance from one another, in the longitudinal direction of the beam path. Likewise, at least one of the optical elements can be moved or adjusted individually, i.e. independently of one or more other optical elements, in the longitudinal direction of the beam path. The embodiment of the present invention proposed here can further improve the flexibility or variety of influencing the laser radiation by means of the processing head according to the invention, for example, for adjusting or generating further intensity distributions. Likewise, the movement or adjustment of at least one beam-shaping optical element in the longitudinal direction of the beam path proposed here can serve or be used, for example, for fine adjustment or to compensate for misalignments of the processing head or the laser processing system equipped therewith as a whole, or to compensate for movements of a material or workpiece to be processed.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Materialbearbeitung, insbesondere zum Laserschneiden oder Laserbohren, mittels Laserlicht bzw. Laserstrahlung. Dabei wird in einem Verfahrensschritt jeweils ein zu bearbeitendes Material oder Werkstück in einem Bearbeitungsbereich einer Laserbearbeitungsanlage positioniert, die den bzw. einen erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf aufweist. Der Bearbeitungsbereich kann dabei ein Flächen- oder Raumbereich sein, in dem ein Fokuspunkts der Laserstrahlung zur Materialbearbeitung positioniert bzw. bewegt werden kann.The present invention also relates to a method for material processing, in particular for laser cutting or laser drilling, using laser light or laser radiation. In each method step, a material or workpiece to be processed is positioned in a processing area of a laser processing system having the processing head(s) according to the invention. The processing area can be a surface or spatial area in which a focal point of the laser radiation can be positioned or moved for material processing.

In einem weiteren Verfahrensschritt kann eine zum Bearbeiten des Materials zu verwendende Intensitätsverteilung der Laserstrahlung bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise eine entsprechende Vorgabe oder Nutzereingabe bzw. Nutzereinstellung ausgelesen oder erfasst werden oder die zu verwendende Intensitätsverteilung beispielsweise abhängig von dem zu bearbeitenden Material und/oder einer vorgegebenen Bearbeitungsaufgabe automatisch ermittelt werden, etwa anhand einer entsprechenden vorgegebenen Tabelle oder dergleichen.In a further method step, an intensity distribution of the laser radiation to be used for processing the material can be determined. For this purpose, a corresponding specification or user input or user setting can be read out or recorded, or the intensity distribution to be used can be determined automatically, for example, depending on the material to be processed and/or a specified processing task, for example, based on a corresponding predefined table or the like.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Bearbeitungskopf, insbesondere automatisch oder teilautomatisch, durch Bewegen eines oder mehrerer der Optikelemente in den Strahlengang und/oder aus dem Strahlengang innerhalb des Bearbeitungskopfes zum Bearbeiten des jeweiligen Materials oder Werkstücks eingestellt, insbesondere zum Erzeugen der gegebenenfalls zuvor bestimmten Intensitätsverteilung auf oder in dem Material oder Werkstück.In a further method step, the processing head is adjusted, in particular automatically or semi-automatically, by moving one or more of the optical elements into the beam path and/or out of the beam path within the processing head for processing the respective material or workpiece, in particular for generating the possibly previously determined intensity distribution on or in the material or workpiece.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann mittels der Laserbearbeitungsanlage Laserstrahlung erzeugt und unter Beaufschlagung bzw. Durchstrahlung des Bearbeitungskopfes zum Bearbeiten des Materials auf dieses gestrahlt, also beispielsweise gelenkt oder fokussiert. Weitere im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf genannte Vorgänge, Maßnahmen oder Abläufe können weitere, gegebenenfalls optionale, Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden.In a further process step, laser radiation is generated by the laser processing system and irradiated onto the material by applying or irradiating the processing head to process the material, i.e. for example, guided or focused. Further processes, measures, or sequences mentioned in connection with the machining head according to the invention may constitute further, possibly optional, process steps of the process according to the invention.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Lasersystem, das eine Laserlichtquelle sowie eine dieser nachgeordnete und im Strahlengang des Lasersystems angeordnete erfindungsgemäße Laseroptik aufweist. Das erfindungsgemäße Lasersystem kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laseroptik und/oder im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Lasersystem sein oder diesem entsprechen. Das Lasersystem kann auch weitere Komponenten aufweisen, wie beispielsweise eine Fokussierungsoptik und/oder einen Verstärker und/oder einen Strahlverteiler bzw. eine Strahlweiche und/oder einen Absorber und/oder dergleichen mehr.The present invention also relates to a laser system comprising a laser light source and laser optics according to the invention arranged downstream of the laser light source and in the beam path of the laser system. The laser system according to the invention can in particular be or correspond to the laser system mentioned in connection with the laser optics according to the invention and/or in connection with the method according to the invention. The laser system can also comprise further components, such as focusing optics and/or an amplifier and/or a beam distributor or a beam switch and/or an absorber and/or the like.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can be derived from the following description of the figures and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures alone, can be used not only in the respective combinations specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.

Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer Konstruktion einer variablen Laseroptik für einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsanlage;
2 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines entsprechenden Bearbeitungskopfes in einer ersten Ausführungsform;
3 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines entsprechenden Bearbeitungskopfes in einer zweiten Ausführungsform;
4 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines entsprechenden Bearbeitungskopfes in einer dritten Ausführungsform;
5 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines entsprechenden Bearbeitungskopfes in einer vierten Ausführungsform; und
6 eine ausschnittweise schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage mit einem entsprechenden Bearbeitungskopf.

The drawing shows:

1 a schematic diagram illustrating a construction of a variable laser optics for a processing head of a laser processing system;
2 a partial schematic representation of a corresponding processing head in a first embodiment;
3 a partial schematic representation of a corresponding processing head in a second embodiment;
4 a partial schematic representation of a corresponding processing head in a third embodiment;
5 a partial schematic representation of a corresponding processing head in a fourth embodiment; and
6 a partial schematic representation of a laser processing system with a corresponding processing head.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.

1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung zur Veranschaulichung eines Aufbaus oder einer Konstruktion einer variablen Laseroptik für einen Bearbeitungskopf 8 (siehe 2 bis 6) zur variablen Beeinflussung eines hier angedeuteten Laserstrahls 1, insbesondere hinsichtlich der in dessen Querschnittsebene, insbesondere im letztlichen Fokus des Laserstrahls 1, gegebenen Intensitäts- oder Leistungsverläufe bzw. Intensitäts- oder Leistungsprofile. Neben dem Laserstrahl 1, also außerhalb von diesem ist hier eine ausgeschwenkte Position P1 für ein strahlformendes Optikelement 9 (siehe 2 bis 6) markiert. Ein an dieser ausgeschwenkten Position P1 positioniertes Optikelement 9 beeinflusst also den Laserstrahl 1 nicht. Zur weiteren Veranschaulichung ist hier für das Optikelement 9 in der ausgeschwenkten Position P1 dessen optische Achse OA angedeutet. 1 shows a schematic overview to illustrate a structure or construction of a variable laser optics for a processing head 8 (see 2 to 6 ) for the variable influencing of a laser beam 1 indicated here, in particular with regard to the intensity or power curves or intensity or power profiles given in its cross-sectional plane, in particular in the ultimate focus of the laser beam 1. Next to the laser beam 1, i.e. outside of it, there is a pivoted-out position P1 for a beam-shaping optical element 9 (see 2 to 6 ). An optical element 9 positioned at this pivoted-out position P1 therefore does not influence the laser beam 1. For further illustration, the optical axis OA of the optical element 9 in the pivoted-out position P1 is indicated here.

Als optische Achse OA eines Optikelements 9 kann hier die Richtung und Lage einer Längs- bzw. Strahlachse SA (siehe 2 bis 4) des Laserstrahls 1 in Bezug auf das jeweilige Optikelement 9 bezeichnet werden, wenn sich dieses Optikelement 9 zur bestimmungsgemäßen Strahlformung oder Strahlbeeinflussung in dem Laserstrahl 1 befindet. Die jeweilige optische Achse OA ist dabei eine Eigenschaft des jeweiligen Optikelements 9 selbst und nicht beispielsweise der Laseroptik bzw. des Bearbeitungskopfes 8 insgesamt. Wenn das Optikelement 9 also bewegt oder gedreht wird, bewegt oder dreht sich entsprechend dessen optische Achse OA mit. Deshalb verläuft hier die optische Achse OA des Optikelements 9 bei dessen Positionierung in der ausgeschwenkten Position P1 nicht in dem Laserstrahl 1, sondern hier beispielhaft in einem von 0° und 180° verschiedenen Winkel zu diesem. Dementsprechend schneidet die optische Achse OA des in der ausgeschwenkten Position P1 angeordneten Optikelements 9 den Laserstrahl 1 in einem hier ebenfalls markierten Schnittpunkt S. Hinsichtlich der optischen Achse OA ist nicht nur deren Richtung, sondern auch deren Lage in Bezug auf das jeweilige Optikelement 9 von Bedeutung. Die optischen Achsen OA zweier Optikelemente 9 sind also genau dann gleich, wenn sie in ihrer Richtung und Lage übereinstimmen.The optical axis OA of an optical element 9 can be the direction and position of a longitudinal or beam axis SA (see 2 to 4 ) of the laser beam 1 in relation to the respective optical element 9 when this optical element 9 is located in the laser beam 1 for the intended beam shaping or beam influencing. The respective optical axis OA is a property of the respective optical element 9 itself and not, for example, of the laser optics or the processing head 8 as a whole. If the optical element 9 is therefore moved or rotated, its optical axis OA moves or rotates accordingly. Therefore, the optical axis OA of the optical element 9, when positioned in the pivoted-out position P1, does not run in the laser beam 1, but here, for example, at an angle to it that is different from 0° and 180°. Accordingly, the optical axis OA of the optical element 9 arranged in the pivoted-out position P1 intersects the laser beam 1 at an intersection point S, which is also marked here. With regard to the optical axis OA, not only its direction but also its position in relation to the respective optical element 9 is important. The optical axes OA of two optical elements 9 are therefore equal if and only if they coincide in their direction and position.

Vorliegend ist das Optikelement 9 beweglich gelagert, insbesondere verschwenkbar. Dementsprechend kann es zwischen der ausgeschwenkten Position P1 und einer hier ebenfalls beispielhaft markierten, in den Laserstrahl 1 eingeschwenkten Position P2 hin und her bewegt werden. In der eingeschwenkten Position P2 kann der Laserstrahl 1 also durch das jeweilige Optikelement 9 hindurchtreten. Dabei kann dann die optische Achse OA dieses Optikelements 9 mit der Strahlachse SA des Laserstrahls 1 zusammenfallen.In this case, the optical element 9 is movably mounted, in particular pivotable. Accordingly, it can be moved back and forth between the pivoted-out position P1 and a position P2, also marked here as an example, in which it is pivoted into the laser beam 1. In the pivoted-in position P2, the laser beam 1 can thus pass through the respective optical element 9. The optical axis OA of this optical element 9 can then coincide with the beam axis SA of the laser beam 1.

Die ausgeschwenkte Position P1 kann für eine konkrete Umsetzung beispielsweise so gewählt werden, dass dort das entsprechende Optikelement 9 zuverlässig außerhalb des Laserstrahls 1 liegt. Die eingeschwenkte Position P2 kann beispielsweise je nach verfügbarem Bauraum oder optischen Anforderungen im Einzelfall gewählt, also vorgegeben werden. Anhand dieser Vorgaben und des Verlaufs des Laserstrahls 1, also des ebenfalls für den Laserstrahl 1 vorgegebenen Strahlengangs 7 kann dann ermittelt werden, um welche Position bzw. welchen Punkt das entsprechende Optikelement 9 verschwenkt werden muss bzw. verschwenkt werden kann, um eine Bewegung von der ausgeschwenkten Position P1 in die eingeschwenkte Position P2 und zurück zu ermöglichen.For a specific implementation, the pivoted-out position P1 can, for example, be selected such that the corresponding optical element 9 is reliably located outside the laser beam 1. The pivoted-in position P2 can, for example, be selected, i.e., specified, depending on the available installation space or optical requirements in the individual case. Based on these specifications and the path of the laser beam 1, i.e., the beam path 7 also specified for the laser beam 1, it can then be determined by which position or point the corresponding optical element 9 must or can be pivoted in order to enable movement from the pivoted-out position P1 to the pivoted-in position P2 and back.

Dazu kann für eine gedachte Verbindungsstrecke 2 zwischen der ausgeschwenkten Position P1 und der eingeschwenkten Position P2 deren Mittelsenkrechte 3 in der Ebene, in der auch der Laserstrahl 1 verläuft, hier also in der Zeichenebene, bestimmt werden. Weiter kann für einen ebenfalls in dieser Ebene liegenden Winkel 4 zwischen dem Laserstrahl 1 und der optischen Achse OA des Optikelements 9 in der ausgeschwenkten Position P1 eine Winkelhalbierende 5 bestimmt werden. Dort, wo sich diese Winkelhalbierende 5 und die Mittelsenkrechte 3 schneiden, kann dann eine Schwenkachse 6 positioniert werden. Diese Schwenkachse 6 kann dabei senkrecht zu der genannten Ebene, hier also senkrecht zur Zeichenebene stehen. Das Optikelement 9 kann dann direkt oder indirekt mit der entsprechend angeordneten Schwenkachse 6 mechanisch, also etwa über einen entsprechenden Schwenkarm, verbunden sein. Bei einer Drehung um die Schwenkachse 6 kann dann also das Optikelement 9 in der genannten Ebene von der ausgeschwenkten Position P1 in die eingeschwenkte Position P2 bzw. in umgekehrter Richtung bewegt werden. Dann kann insbesondere die optische Achse OA dieses Optikelements 9 mit der Strahlachse SA des Laserstrahls 1 zusammenfallen. Es können dann also insbesondere Positionen und Lagen der optischen Achse OA dieses Optikelements 9 und der Strahlachse SA identisch sein.For this purpose, for an imaginary connecting line 2 between the pivoted-out position P1 and the pivoted-in position P2, its perpendicular bisector 3 can be determined in the plane in which the laser beam 1 also runs, in this case in the plane of the drawing. Furthermore, an angle bisector 5 can be determined for an angle 4, also lying in this plane, between the laser beam 1 and the optical axis OA of the optical element 9 in the pivoted-out position P1. A pivot axis 6 can then be positioned where this angle bisector 5 and the perpendicular bisector 3 intersect. This pivot axis 6 can be perpendicular to the aforementioned plane, in this case perpendicular to the plane of the drawing. The optical element 9 can then be mechanically connected directly or indirectly to the correspondingly arranged pivot axis 6, for example via a corresponding pivot arm. Upon rotation about the pivot axis 6, the optical element 9 can then be moved in the aforementioned plane from the pivoted-out position P1 to the pivoted-in position P2 or in the opposite direction. Then, in particular, the optical axis OA of this optical element 9 can coincide with the beam axis SA of the laser beam 1. Thus, in particular, the positions and orientations of the optical axis OA of this optical element 9 and the beam axis SA can be identical.

Für den Fall, dass die optische Achse OA in dem vorgesehenen oder infrage kommenden Bereich keinen Schnittpunkt S mit dem Laserstrahl 1 hat, so kann stattdessen die Schwenkachse 6 im Mittelpunkt der Verbindungsstrecke 3 positioniert werden. Eine dort positionierte Dreh- bzw. Schwenkachse kann dann um einen Dreh- bzw. Schwenkwinkel von 180° gedreht werden, um das Optikelement 9 zwischen den Positionen P1 und P2 hin und her zu bewegen.In the event that the optical axis OA does not have an intersection point S with the laser beam 1 in the intended or potential area, the pivot axis 6 can instead be positioned at the center of the connecting line 3. A rotation or pivot axis positioned there can then be rotated through a rotation or pivot angle of 180° in order to move the optical element 9 back and forth between the positions P1 and P2.

2 zeigt eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung des entsprechenden Bearbeitungskopfes 8 in einer ersten Variante als Drehwechsler. Der Bearbeitungskopf 8 kann hier beispielhaft einen etwa würfelförmigen oder quaderförmigen Rahmen bzw. ein entsprechendes Gehäuse aufweisen. An verschiedenen Stellen bzw. Seiten davon können dann mehrere strahlformende Optikelemente 9 angeordnet sein. Jeweils gegenüber eines Optikelements 9 kann der Rahmen eine Öffnung oder beispielsweise eine für den Laserstrahl 1 transparente Planplatte aufweisen. Grundsätzlich könnte dort aber beispielsweise ebenso ein weiteres Optikelement 9 angeordnet sein, das dann mit dem jeweils gegenüberliegenden Optikelement 9 zusammenwirken kann, um eine bestimmten Intensitätsverteilung des Laserstrahls 1 zu erzeugen. 2 shows a partial schematic representation to illustrate the corresponding processing head 8 in a first variant as a rotary changer. The processing head 8 can, for example, have an approximately cube-shaped or cuboid-shaped frame or a corresponding housing. Several beam-shaping optical elements 9 can then be arranged at different points or sides thereof. Opposite each optical element 9, the frame can have an opening or, for example, a flat plate that is transparent to the laser beam 1. In principle, however, a further optical element 9 could also be arranged there, which can then interact with the respective opposite optical element 9 to generate a specific intensity distribution of the laser beam 1.

Die verschiedenen, jeweils wenigstens eines der Optikelemente 9 umfassenden Abschnitte des Rahmens bzw. des Bearbeitungskopfes 8 können oberhalb und/oder unterhalb der Ebene des Strahlengangs 7 bzw. des Laserstrahls 1, hier also oberhalb und/oder unterhalb der Zeichenebene, miteinander und mit der Schwenkachse 6 verbunden sein. Der Bearbeitungskopf 8 bzw. der Rahmen können wie hier durch einen entsprechenden gebogenen Pfeil angedeutet um die senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Schwenkachse 6 gedreht werden. Dabei werden die Optikelemente 9 entsprechend um die Schwenkachse 6 verschwenkt. In dem hier dargestellten Beispiel kann jeweils durch eine Drehung um 90° um die Schwenkachse 6, also in der Zeichenebene ein anderes der Optikelemente 9 in den Strahlengang 7 - im Betrieb also in den Laserstrahl 1 - geschwenkt werden. Die Optikelemente 9 sind hier unterschiedlich ausgestaltet, können also dem jeweils hindurchtretenden Laserstrahl 1 unterschiedliche Intensitätsverteilungen aufprägen.The various sections of the frame or processing head 8, each comprising at least one of the optical elements 9, can be connected to one another and to the pivot axis 6 above and/or below the plane of the beam path 7 or the laser beam 1, i.e., here above and/or below the plane of the drawing. The processing head 8 or the frame can be rotated about the pivot axis 6, which runs perpendicular to the plane of the drawing, as indicated here by a corresponding curved arrow. The optical elements 9 are pivoted accordingly about the pivot axis 6. In the example shown here, a different one of the optical elements 9 can be pivoted into the beam path 7—in operation, therefore into the laser beam 1—by rotating it by 90° about the pivot axis 6, i.e., in the plane of the drawing. The optical elements 9 are designed differently here and can therefore impart different intensity distributions to the laser beam 1 passing through them.

3 zeigt eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Bearbeitungskopfes 8 in einer anderen möglichen Ausgestaltung als Drehwechsler. Hier weist der Bearbeitungskopf 8 bzw. der Rahmen, an dem die verschiedenen strahlformenden Optikelemente 9 befestigt sind, eine zumindest im Wesentlichen hexagonale Grundform oder Querschnittsform auf. Damit können, beispielsweise im Vergleich zu der würfelförmigen bzw. quadratischen Form gemäß 2, mehr unterschiedliche Optikelemente 9 verwendet werden. Im hier dargestellten Beispiel ist ein möglicher Platz für ein Optikelement 9 freigelassen. Ist dann wie hier dargestellt die entsprechende Stelle des Bearbeitungskopfes 8 in den Strahlweg 7 eingeschwenkt, so kann der Laserstrahl 1 dann also den Bearbeitungskopf 8 durchtreten, ohne durch eines der strahlformenden Optikelemente 9 beeinflusst oder verändert zu werden. 3 shows a partial schematic representation illustrating the processing head 8 in another possible embodiment as a rotary changer. Here, the processing head 8 or the frame to which the various beam-shaping optical elements 9 are attached has an at least substantially hexagonal basic shape or cross-sectional shape. This allows, for example, in comparison to the cubic or square shape according to 2 , more different optical elements 9 can be used. In the example shown here, a possible place for an optical element 9 is left free. If the corresponding point of the processing head 8 is then pivoted into the beam path 7 as shown here, the laser beam 1 can then pass through the processing head 8 without passing through a the beam-forming optical elements 9 to be influenced or changed.

4 zeigt eine ausschnittweise schematische Darstellung des Bearbeitungskopfes 8 in einer weiteren möglichen Ausgestaltung als Drehwechsler. Hier weist der Bearbeitungskopf 8 zwei strahlformende Optikelemente 9 mit identischen bzw. zusammenfallenden optischen Achsen OA auf. Im hier dargestellten Zustand sind diese beiden Optikelemente 9 in den Strahlengang 7 bzw. den Laserstrahl 1 eingeschwenkt. Der Laserstrahl 1 durchtritt dann also diese beiden Optikelemente 9 nacheinander. Die beiden Optikelemente 9 stehen in einer festen räumlichen Lagebeziehung zueinander und erzeugen somit stets eine bestimmte Intensitätsverteilung des Laserstrahls 1, die sich aus den individuellen Beiträgen oder Effekten der beiden einzelnen Optikelemente 9 zusammensetzt oder ergibt. Die beiden Optikelemente 9 können dementsprechend auch als ein mehrteiliges oder kombiniertes Optikelement 9 bezeichnet werden. Beispielhaft bilden diese beiden Optikelemente 9 hier ein Doppelaxicon. Damit kann beispielsweise eine ringförmige Intensitätsverteilung des Laserstrahls 1 erzeugt werden. Dafür müssten die beiden Optikelemente 9 jedoch typischerweise hochpräzise relativ zueinander ausgerichtet werden bzw. sein. Dies wird hier dadurch vereinfacht, dass die beiden Optikelemente 9 nicht individuell bzw. nicht unabhängig voneinander bewegt bzw. verschwenkt werden können, sondern relativ zueinander lagefest in der Laseroptik 8 bzw. an dem gemeinsamen Rahmen fixiert sind. 4 shows a partial schematic representation of the processing head 8 in another possible embodiment as a rotary changer. Here, the processing head 8 has two beam-shaping optical elements 9 with identical or coincident optical axes OA. In the state shown here, these two optical elements 9 are pivoted into the beam path 7 or the laser beam 1. The laser beam 1 then passes through these two optical elements 9 one after the other. The two optical elements 9 are in a fixed spatial relationship to one another and thus always generate a specific intensity distribution of the laser beam 1, which is composed of or results from the individual contributions or effects of the two individual optical elements 9. The two optical elements 9 can accordingly also be referred to as a multi-part or combined optical element 9. For example, these two optical elements 9 form a double axicon here. This can be used to generate, for example, an annular intensity distribution of the laser beam 1. For this to happen, however, the two optical elements 9 would typically have to be aligned with high precision relative to one another. This is simplified here by the fact that the two optical elements 9 cannot be moved or pivoted individually or independently of each other, but are fixed in a fixed position relative to each other in the laser optics 8 or on the common frame.

5 zeigt eine ausschnittweise schematische Darstellung des Bearbeitungskopfes 8 in einer weiteren möglichen, besonders einfachen Ausgestaltung als Drehwechsler. Hier weist der Bearbeitungskopf 8 ähnlich wie in der in 4 gezeigten Variante zwei strahlformende Optikelemente 9 mit identischen bzw. zusammenfallenden optischen Achsen OA auf. Diese können also durch Drehung um die Schwenkachse 6 gleichzeitig in den Strahlengang 7 bzw. den Laserstrahl 1 eingeschwenkt werden. Bei weiterer Drehung um die Schwenkachse 6 von hier beispielhaft 90° können die beiden Optikelemente 9 gleichzeitig außerhalb des Strahlengangs 7 bzw. des Laserstrahls 1 angeordnet werden. Der Laserstrahl 1 kann dann durch entsprechende Öffnungen oder transparente Planplatten des Bearbeitungskopfes 8 hindurchtreten, ohne durch ein strahlformendes Optikelement 9 des Bearbeitungskopfes 8 beeinflusst zu werden. Aus diesen beiden Drehstellungen des Bearbeitungskopfes 8 können also unterschiedliche Intensitätsverteilungen des Laserstrahls 1 nach Durchlaufen des Bearbeitungskopfes 8 resultieren. 5 shows a partial schematic representation of the machining head 8 in another possible, particularly simple embodiment as a rotary changer. Here, the machining head 8 has a similar configuration to that shown in 4 The variant shown has two beam-shaping optical elements 9 with identical or coincident optical axes OA. These can therefore be pivoted simultaneously into the beam path 7 or the laser beam 1 by rotation about the pivot axis 6. Upon further rotation about the pivot axis 6, by 90° here as an example, the two optical elements 9 can be arranged simultaneously outside the beam path 7 or the laser beam 1. The laser beam 1 can then pass through corresponding openings or transparent flat plates of the processing head 8 without being influenced by a beam-shaping optical element 9 of the processing head 8. These two rotational positions of the processing head 8 can therefore result in different intensity distributions of the laser beam 1 after it has passed through the processing head 8.

Zur weiteren Veranschaulichung zeigt 6 eine ausschnittweise schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 10, die mit der beschriebenen Laseroptik bzw. dem beschriebenen Bearbeitungskopf 8 ausgestattet ist. Die Laserbearbeitungsanlage 10 kann beispielsweise zum Bearbeiten eines hier schematisch angedeuteten Werkstücks 11 verwendet werden. Die Laserbearbeitungsanlage 10 weist eine Strahl- bzw. Laserquelle 12 und dieser nachgeordnet eine Kollimierungsoptik 13 und eine ausgangsseitige Fokussierungsoptik 14 auf.Sowohl die Kollimierungsoptik 13 als auch die Fokussierungsoptik 14 können von dem Laserstrahl 1 auf seinem Weg von der Laserquelle 12 zu dem Werkstück 11 durchstrahlt werden. Damit ergeben sich entlang des Strahl- oder Lichtweges des Laserstrahls 1, also entlang des Strahlengangs 7 ausgehend von der Laserquelle 12 mehrere verschiedene Bereiche oder Abschnitte. Dies sind ein Divergenzbereich 15, in dem sich der Laserstrahl 1 aufweitet, ein kollimierter Bereich 16, in dem der Laserstrahl 1 durch die Kollimierungsoptik 13 kollimiert ist, und ein Konvergenzbereich 17, in dem der Laserstrahl 1 durch die Fokussierungsoptik 14 fokussiert wird, also sich bis hin zu einem Fokuspunkt verjüngt. Der Fokuspunkt kann im bestimmungsgemäßen Betrieb beispielsweise auf oder in dem jeweils zu bearbeitenden Werkstück 11 positioniert sein.For further illustration, 6 A partial schematic representation of a laser processing system 10 equipped with the described laser optics or the described processing head 8. The laser processing system 10 can be used, for example, to process a workpiece 11 indicated schematically here. The laser processing system 10 has a beam or laser source 12 and, downstream of this, a collimating optics 13 and an output-side focusing optics 14. Both the collimating optics 13 and the focusing optics 14 can be irradiated by the laser beam 1 on its path from the laser source 12 to the workpiece 11. This results in several different regions or sections along the beam or light path of the laser beam 1, i.e., along the beam path 7 starting from the laser source 12. These are a divergence region 15, in which the laser beam 1 expands, a collimated region 16, in which the laser beam 1 is collimated by the collimating optics 13, and a convergence region 17, in which the laser beam 1 is focused by the focusing optics 14, thus narrowing to a focal point. During normal operation, the focal point can be positioned, for example, on or in the workpiece 11 to be machined.

Im hier dargestellten Beispiel ist die Laseroptik 8 so angeordnet, dass die Optikelemente 9, die hier der Übersichtlichkeit halber schematisch durch ein einziges Optikelement 9 repräsentiert sind, in dem Divergenzbereich 15 in den Strahlengang 7 bzw. den Laserstrahl 1 eingeschwenkt werden können.In the example shown here, the laser optics 8 are arranged such that the optical elements 9, which are represented schematically here by a single optical element 9 for the sake of clarity, can be pivoted into the beam path 7 or the laser beam 1 in the divergence region 15.

Zusätzlich zu der Dreh- bzw. Schwenkbewegung um die Schwenkachse 6 weist das Lasersystem 10 hier eine weitere Verstellmöglichkeit für eine hier durch einen entsprechenden Doppelpfeil angedeutete Längsverstellung 18 auf. Bei einer solchen Längsverstellung 18 kann das in den Strahlengang 7 bzw. den Laserstrahl 1 eingeschwenkte Optikelement 9 entlang der Strahlachse SA, also in Lichtausbreitungsrichtung des Laserstrahls 1 vor und zurück bewegt werden. Zur Veranschaulichung ist hier mit durchgezogener Linie die Laseroptik 8 in der eingeschwenkten Position P2 und zusätzlich gestrichelt in einer längsverschobenen Position P3 dargestellt. In dieser längsverschobenen Position P3 ist das jeweilige Optikelement 9 ebenso wie in der eingeschwenkten Position P2 in den Strahlengang 7 bzw. den Laserstrahl 1 eingeschwenkt, befindet sich dabei jedoch an einer anderen Längsposition. Somit weist der Laserstrahl 1 an der eingeschwenkten Position P2 und an der längsverschobenen Position P3 unterschiedliche Strahldurchmesser auf, die eine unterschiedliche Ausleuchtung oder Beleuchtung des jeweiligen Optikelements 9 bewirken.In addition to the rotational or pivoting movement about the pivot axis 6, the laser system 10 has a further adjustment option for a longitudinal adjustment 18, indicated here by a corresponding double arrow. With such a longitudinal adjustment 18, the optical element 9 pivoted into the beam path 7 or the laser beam 1 can be moved back and forth along the beam axis SA, i.e. in the direction of light propagation of the laser beam 1. For illustration purposes, the laser optics 8 is shown here with a solid line in the pivoted-in position P2 and additionally with a dashed line in a longitudinally displaced position P3. In this longitudinally displaced position P3, the respective optical element 9 is pivoted into the beam path 7 or the laser beam 1 just as in the pivoted-in position P2, but is located in a different longitudinal position. Thus, the laser beam 1 has different beam diameters at the pivoted position P2 and at the longitudinally shifted position P3, which cause a different illumination or lighting of the respective optical element 9.

In entsprechender Weise kann der Bearbeitungskopf 8 ebenso angeordnet sein oder werden, um die Optikelemente 9 in dem kollimierten Bereich 16 oder in dem Konvergenzbereich 17 in den Strahlengang 7 bzw. den Laserstrahl 1 einzuschwenken. Ebenso kann die Laserbearbeitungsanlage 10 mehrere, beispielsweise entsprechend unterschiedlich entlang der Längsrichtung positionierte Bearbeitungsköpfe 8 aufweisen. Damit könnten dann beispielsweise noch mehr unterschiedliche Kombinationen von Optikelementen 9 in dem Strahlengang 7 bzw. dem Laserstrahl 1 angeordnet werden, sodass entsprechend mehr unterschiedliche Intensitätsverteilungen des Laserstrahls 1 erzeugt werden könnten. Ebenso kann die Laserbearbeitungsanlage 10 mit weiteren optischen Elementen oder Einrichtung ausgestattet sein oder werden. So könnte die Laserbearbeitungsanlage 10 beispielsweise eine Zoom-Optik oder Relay-Optik umfassen. In a corresponding manner, the processing head 8 can also be or become arranged to pivot the optical elements 9 in the collimated region 16 or in the convergence region 17 into the beam path 7 or the laser beam 1. Likewise, the laser processing system 10 can have a plurality of processing heads 8, for example, positioned differently along the longitudinal direction. This would then allow, for example, even more different combinations of optical elements 9 to be arranged in the beam path 7 or the laser beam 1, so that correspondingly more different intensity distributions of the laser beam 1 could be generated. Likewise, the laser processing system 10 can be or become equipped with further optical elements or devices. For example, the laser processing system 10 could comprise zoom optics or relay optics.

Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Strahlformungsoptik für Laserlicht beispielsweise als Drehwechsler realisiert und angewendet werden kann.Overall, the examples described show how beam shaping optics for laser light can be realized and applied, for example as a rotary changer.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

11: Laserstrahllaser beam
22: Verbindungsstreckeconnecting route
33: Mittelsenkrechteperpendicular bisector
44: Winkelangle
55: Winkelhalbierendeangle bisector
66: SchwenkachseSwivel axis
77: StrahlengangBeam path
88: Bearbeitungskopfmachining head
99: Optikelementoptical element
1010: LaserbearbeitungsanlageLaser processing system
1111: Werkstückworkpiece
1212: LaserquelleLaser source
1313: KollimierungsoptikCollimation optics
1414: FokussierungsoptikFocusing optics
1515: DivergenzbereichDivergence area
1616: kollimierter Bereichcollimated area
1717: KonvergenzbereichConvergence area
1818: LängsverstellungLongitudinal adjustment
P1P1: ausgeschwenkte Positionswung-out position
P2P2: eingeschwenkte Positionswiveled position
P3P3: längsverschobene Positionlongitudinally shifted position
OAOA: optische Achseoptical axis
SS: SchnittpunktIntersection
SASA: StrahlachseBeam axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2011 / 131 541 A1 [0021]

Claims

Processing head (8) for a laser processing system (10), comprising a plurality of beam-shaping optical elements (9), wherein at least one of the optical elements (9) does not have a constant focal length and the beam-shaping optical elements (9) are pivotally mounted about a common pivot axis (6) so that they can be pivoted about the common pivot axis (6) into a designated beam path (7) of a laser beam (1) within the processing head (8) and out of this beam path (7).

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that several of the optical elements (9) are individually and independently movable.

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that several beam-forming optical elements (9) arranged spatially spaced from one another can be moved simultaneously into the beam path (7).

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that all beam-forming optical elements (9) pivotable about the common pivot axis (6) can be moved out of the beam path at the same time.

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that the pivot axis (6) of the beam-forming optical elements (9) is perpendicular to the longitudinal direction of at least one local section of the beam path (7) of the laser beam (1) in the region of the optical elements (9).

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical axes (OA) of at least two of the beam-forming optical elements (9) always run parallel to one another or are identical.

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that several, in particular all, of the beam-forming optical elements (9) are held on a common frame.

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that the optical axes (OA) of the beam-forming optical elements (9) and the longitudinal direction of the beam path (7) always run in the same plane.

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that the processing head (8) has a focusing optics (14) downstream of the beam-forming optics elements (9) in the intended beam propagation direction of the laser beam (1).

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that the processing head (8) comprises a collimating optical system (13) and at least one further optical element for changing the beam diameter and/or the angular distribution of the laser beam (1) collimated by means of the collimating optical system (13) impinging thereon, wherein the collimating optical system (13) and the further optical element are arranged in front of the beam-shaping optical elements (9) in the beam propagation direction.

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that the processing head (8) has a drive for motor-driven movement of the beam-forming optical elements (9) into and out of the beam path (7).

Processing head (8) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the beam-forming optical elements (9), in particular each of the beam-forming optical elements (9), is additionally adjustable in the longitudinal direction of the beam path (7).

A method for material processing using laser radiation (1), wherein - a material (11) to be processed is positioned in a processing area of a laser processing system (10) having a processing head (8) according to one of the preceding claims, - the processing head (8) is adjusted for processing the material (11) by moving one or more of the beam-shaping optical elements (9) into the beam path (7) and/or out of the beam path (7) within the processing head (8), - laser radiation (1) is generated by the laser processing system (10), and this laser radiation (1) is irradiated onto the material (11) while penetrating the processing head (8) to process the material (11).