CN101802577A - 监视光学元件的温度 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监视光学元件(9)的温度和/或温度相关参数(尤其是折射率或导热率)的装置(26)，该光学元件设置在激光束的光束路径上且对于优选地在红外线范围内的激光波长λ_L的射线是透过性或部分透过性的，该装置包括：至少一个测量光源(28，34)，用于产生测量射线(29)并将其发送到光学元件(9)上；至少一个探测器(31，36)，用于探测已经通过光学元件(9，20)的测量射线(29)的至少一部分；以及连接到探测器(31，36)的评估机构(33)，其基于被探测的测量射线(29)强度与通道区域(37)中的温度和/或温度相关参数之间的预定关系来监视测量射线(29)的通道区域(37)中与被探测的测量射线(29)强度相关联的温度和/或温度相关参数。

Description

监视光学元件的温度

技术领域

本发明涉及一种用于监视光学元件的温度和/或温度相关参数(尤其是折射率或导热率)的装置和方法，该光学元件配置激光束的光束路径中且可透过或部分地透过优选在红外线范围内的激光波长λ_L的射线。本发明尤其适用于红外气体激光器的情形中，更具体地适用于具有激光波长λ_L为10.6μm的CO₂气体激光器。

背景技术

大功率CO₂激光器系统中的光束导向和光束整形系统的功能是将激光束导向得尽可能地不损失功率和质量、并将其整形以便在处理现场产生期望的功率密度分布。在选择光学元件时，必须考虑红外CO₂波长和高功率密度的具体需求。由于＞2μm的长波长，光束导向主要是借由反射、传导和部分地传导的光学元件而不是借由光导玻璃纤维(因为衰减损失太大)传播自由光束来实施。对于许多应用来说，可能使用同时反射和透过和/或部分透过的光学元件。

在功率密度高于1-2kW/cm²时，优选地使用反射性光学元件，由于能够更有效地冷却光学元件的整个后侧，所以反射性光学元件具有更高的损伤阀值并经历更少的热变形。传导和部分地传导光学元件的不利之处在于冷却仅能影响光学元件的边缘，然而在反射性光学元件中在光学元件的整个后侧可均匀冷却。在光轴上为最大值的光学元件的不均匀照射和整个装置在光学元件边缘的冷却会导致集中于光学元件中心的极度不均质热负载。与传导性光学元件相比，反射性光学元件的不利之处是调节的更高灵敏度。此外，透过或部分透过光学元件(例如透镜、分束器和输出镜)用作加工气体腔的封闭窗口和保护窗口以及对于光束耦合和解耦是必需的，因为例如气动窗口的替代件是相当昂贵的。

在CO₂激光束的红外线波长为10.6μm时，很少有光学材料可用于传导性光学元件。硒化锌(ZnSe)主要地用于传导性光学元件。该材料的益处是显著小的吸收系数和折射率对温度较低的相关性。与硒化锌相比，砷化镓(GaAs)具有更高的吸收系数，然而，该更高的吸收系数由更高的导热率和机械强度来补偿。用于传导性光学元件的其它光学材料是石英、BK7玻璃和锗。

光学元件对激光射线的吸收是不可避免的，且对于传导和部分传导光学元件来说是尤其重要的。入射激光束由在光学元件中或上的涂层和杂质中的光学元件基本材料吸收，并导致光学元件受热以及改变光学参数(折射率、导热率等)。在光束导向腔中存在的灰尘颗粒或其它污物(例如，磨屑)可能沉积在光学元件的表面上并导致增大吸收入射激光束，故因而导致光学元件额外受热。

由于光束导向和光束整形系统对加工结果有明显的影响，因此该吸收构成可观的误差源。这可通过制造高纯度的光学材料、冷却光学元件和定期作业维护来减少。监视系统提供及时发现误差并减少光学元件的停用的机会。

后文使用的用语“热透镜影响”是指导致光学参数变化和光束质量变差的光学元件上的吸收的影响。在两种现象之间存在区别：热失控和热光学变形。热失控包括吸收系数随温度呈指数增加，其结果是，在高于限定温度时比通过冷却驱散的能量更多的能量被吸收。持续加热同时增加吸收则最终导致光学元件损坏。由于极大增加的吸收与较差的光学质量相关联，因此在多数情形中热失控的危险能够被及时认识到并避免。热光学变形用于表示由作为温度的函数的体积膨胀和折射率变化引起的光学元件的几何变形。

折射率n是光学元件的温度相关属性。由于该温度相关性，光学元件的空间不均匀温度分布导致入射激光束被折射成不同的角度。采用光学材料后，在具有正折射率梯度(dn/dT＞0)的材料与具有负折射率梯度(dn/dT＜0)的材料之间将存在区别。在平面光学元件的情形中，在光轴上具有最大值的温度分布(例如，高斯温度分布)和正折射率梯度将导致入射激光束的会聚，而负折射率梯度产生激光束的发散。会聚光学元件在光学元件的焦点处产生具有很小束直径的激光束流(光束腰)，而在光束腰的下游处光束的直径增大。光学元件的受热在正折射率梯度的情形中导致在远到光束腰和光束腰的正下游的光学元件区域中的光束直径与冷却的光学元件相比减小，然而光束直径与冷却的光学元件相比在相对于光学元件的焦距较大的间隔时变得更大。负折射率梯度导致在受热光学元件的情形中相反的效果，即，远到光束腰和光束腰的正下游的光学元件区域中的光束直径与冷却的光学元件相比增大，然而光束直径与冷却的光学元件相比在相对于光学元件的焦距较大的间隔时变得更小。

硒化锌和砷化镓具有温度相关的导热率和折射率并具有正折射率梯度(dn/dT＞0)，且这导致光学元件的折射能力和因此的会聚属性随温度而变化。在高温时，导热率降低，这导致随着温度增加而更陡峭的温度梯度，是因为热驱散变差。由于硒化锌和砷化镓的正折射率梯度，更陡峭的温度梯度与冷却光学元件相比引起增加的折射能力和因此改变激光束在光学元件下游的传播。部分传导性解耦光学器件和会聚透镜遭受最高的热负载，部分传导性解耦光学器件将激光束从激光谐振腔解耦。

EP-A-1 398 612描述了一种用于监视光学元件的功能的装置，且该装置尤其适于诸如激光谐振腔的输出镜的部分传导性光学元件。监视装置包括探测器和光源，该光源的测量射线由面向探测器和光源的光学元件表面至少部分地反射。测量射线的一部分由探测器探测为反射的测量光束。光源和探测器关于所监视的光学元件直径彼此相对地设置，具体地说，它们设置成相同的角度且在光学元件的一侧。

DE-C 198 39 930描述了一种监视激光光学系统的传导保护性元件的功能的方法以及实施该方法的机构，该传导保护性元件对于激光波长是可传导的。目的是构造一种监视传导性激光光学系统的传导保护性元件的功能的方法和机构，使得尤其能够可靠地探测保护性元件的裂纹或破损。监视机构包括探测器和光源，该探测器接合到保护性元件的侧表面并探测离开侧表面的光线，而光源接合到侧表面并协同该探测器以形成挡光件。光源的测量射线以与激光束的入射方向成角度的方向耦合到保护性元件中，并经过该保护性元件。在经过该保护性元件之后，测量射线的一部分由探测器探测为已传导测量光束。为了监视传导保护性元件的温度，提供射线温度传感器，射线温度传感器用于通过探测从保护性元件发射的热射线来监视保护性元件的不同区域中的局部温度。采用不同类型的射线温度传感器，可能区分较慢和较快的温度变化。然而，虽然由传导本体发出的热射线也取决于光学元件内部的体积部分，但是在很大程度上由表面温度来确定，这就是为什么难以仅根据由射线传感器提供的数据来确定光学元件内部的温度的原因。

发明目的

本发明的目的是提供在技术领域中提及类型的装置及方法，该装置及方法能够快速地、尤其局部地监视光学元件中温度或尤其是随时间变化的温度相关参数。

发明内容

该目的通过根据本发明的装置来获得，该装置包括：用于产生测量射线并将其发送到光学元件上的至少一个测量光源；用于探测已经通过光学元件的测量射线的至少一部分的至少一个探测器；以及连接到探测器的评估机构，该评估机构基于被探测的测量射线强度与通道区域中的温度和/或温度相关参数之间的预定关系来监视测量射线的通道区域中与被探测的测量射线强度相关联的温度和/或温度相关参数。

根据本发明，构想由已经通过光学元件的测量射线的被测强度来推断光学元件的温度和/或温度相关光学参数。这是可能的，因为在通道区域中光学元件的光学材料的吸收是温度相关的，使得被探测的测量射线强度取决于温度。从强度与温度或温度相关参数之间的存储在评估机构中的预定(即，在先确定的)关系，因而可能几乎立即确定光学元件的当前操作状况，以便针对变化作出快速反应、和如果需要的话启动校正措施，例如如果根据温度变化探测到已经发生折射率变化时，那么这在光学元件用作会聚镜头或用作输出镜的情形时会导致焦点的偏移。

在测量中，在通道区域的整个长度上，温度或温度相关参数是以综合信息的形式获得的。在该情形中探测器优选地配置、定向和定尺寸成使得其探测在具体通道区域中通过光学元件的整个测量射线。应当理解的是，一般规则是测量光源和探测器均配置在激光束的光束路径之外。

在一个有利的实施例中，测量光源构造成产生不同于激光波长λ_L的测量波长λ_M或在测量波长范围λ_M±Δλ内的测量射线。借由测量射线和激光射线的不同波长，通过使用波长选择探测器可进行测量射线的探测，而不干扰影响在光学元件上散射的激光射线和照射探测器。应当理解的是，在此选择测量波长λ_M或测量波长范围λ_M±Δλ使得光学元件对于测量射线也是透过性或部分透过性的。

在进一步优选的实施例中，测量光源构造成产生测量波长λ_M的测量射线，测量波长λ_M相对于波长λ_max的偏差|λ_M-λ_max|/λ_max不大于10％、优选地不大于5％，在波长λ_max时作为温度的函数的光学元件传导率变化是最大值。在该情形中，测量光源构造成产生其光谱集中在测量波长λ_M的测量射线。

备选地，该至少一个测量光源还可构造成产生在波长范围λ_M±Δλ内的测量射线，其中该范围偏离波长λ_max不大于10％、优选地不大于5％，在波长λ_max时作为温度的函数的光学元件传导率变化是最大值。在该情形中使用宽频带测量光源，例如LED，其光谱超出光谱范围λM±Δλ，即完全在λ_max±10％或相应地λ_max±5％的区间内。探测器能够从该光谱滤波出合适的测量范围，以便确定强度。

在上述的两种情形中，可获得针对温度或温度相关参数变化的测量值的高灵敏度，故因而可推断出用于启动应对措施的反应时间。在通常用于透过性或部分透过性光学元件的基底材料处于在红外线范围内的激光波长的情形中，最大传导率变化的波长如下定义：对于硒化锌(ZnSe)，波长是λ_max＝520nm；对于锗，波长是λ_max＝2μm；对于砷化镓，波长是λ_max＝1000nm；对于BK7玻璃，波长是λ_max＝约330nm；以及对于石英玻璃，取决于玻璃的材料属性，波长在170-240nm或2.5-4μm。具体材料的测量波长λ_M或测量波长范围λ_M±Δλ应当尽可能地接近前述的波长，当配备增透或部分反射涂层的光学元件表面用测量射线照射时，在适用时考虑涂层的波长相关的影响是必要的，因为涂层可能地改变最大传导率变化的波长。

在一个优选的实施例中，为了监视包括至少在测量射线的通道区域中的硒化锌的光学元件的温度，测量光源构造成产生在510-535nm(优选地为532nm)的测量波长λ_M或在520nm±52nm范围内(优选地为520nm±26nm)的测量波长范围λ_M±Δλ内的测量射线。该波长范围接近硒化锌的吸收边缘处传导率的最大变化。532nm的测量波长是尤其优选的，因为尤其简易地用市售的激光二极管来产生处于该波长的测量射线。也可能将宽频带LED用作光源，其产生处于大约λ_max＝520nm的波长范围λ_M±Δλ内的测量射线。

在一个优选的实施例中，测量光源将测量射线发送到光学元件的侧表面(通常是围绕光学元件延伸的圆柱状侧表面)上，该侧面不配置在激光束的光束路径上。测量射线传送通过在该情形中垂直于或几乎垂直于激光束的主传播方向的光学元件。采用这种测量方法(在后文也称为径向透射)，给定垂直于激光束的光学元件的典型尺寸在应用中约为20-50mm时，那么可采用尤其大的吸收长度，结果是可容易地识别温度相关传导率变化。归因于对应于光学元件直径的通道长度综合信息，单个强度信号对于监视光学元件的温度来说是足够的。在测量射线的光束入口和光束出口区域处，光学元件的通常毛粗侧边缘被抛光。为了进一步增大吸收长度，测量射线在光束入口与光束出口之间光学元件的侧边缘处可另外至少部分地反射一次或多次。为了增大反射测量射线的部分，侧边缘在适当位置或适当情况下可配备反射性涂层，可选择允许全反射的测量射线到光学元件边缘上的入射角。

在进一步优选的实施例中，装置包括用于光学元件的固定件，在固定件中集成至少一个测量光源和/或至少一个探测器。这形成理想地适合于径向透射的紧凑测量装置，因为探测器和测量光源直接设置在光学元件附近在其侧面并还通过固定件保护不受激光射线。

在一个优选的实施例中，至少一个测量光源将测量射线发送到光学元件的光学表面上，其中光学表面至少部分地设置在激光束的光束路径上。在该情形中，光学元件可以几乎平行于大功率激光束的主传播方向被透射，这在后文中也称为轴向或几乎轴向透射。在该情形中，测量射线进入光学元件并在相同光学表面处作为激光束离开该元件。测量射线在该情形中可优选地以平行于激光束的主传播方向的导向方向发送到光学元件上，使得通过该光学元件的通道区域中的被探测整体强度大致取决于光学元件上可确定温度的点处的吸收。具体地说，在该情形中有利的是将光学元件的中心区域透射在其对称轴线的附近，因为正是在那里光学元件的温度才会尤其高，而在边缘处发生冷却。

通常应用到光学表面上的增透涂层一般包括具有许多高反射率和低反射率的交替层的多层系统，以便通过干扰作用来抑制处于激光波长的射线的反射。这种增透涂层通常具有在可见光范围内射线的高调制波长相关性，但是在该情形中不干扰测量、且如果合适的话在将要监视传导或温度上的相关变化时可采用该涂层，因为涂层可强化传导的温度相关性。

在进一步尤其优选的实施例中，配备至少又一个测量光源和/或用于测量光源的射线的至少一个分束机构，以便将测量射线在导向方向上发送到光学元件表面的至少两个点上。由此，在区域的多个点处的轴向测量情形中，光学元件的温度可局部确定；或在径向测量的情形中，可能确定光学元件中的温度梯度。

在一个优选的实施例中，至少一个测量光源构造成产生发散光束形式的测量射线。在该情形中，如果用相应大量的探测器或用面阵探测器来确定已经通过的测量射线强度，那么在光学元件的许多位置处可确定温度或温度相关参数。

在一个尤其优选的实施例中，至少一个探测器是面阵探测器、优选地是CCD相机。面阵探测器被理解为这样的探测器：其提供测量射线的被探测密度的空间分辨信息。通过对强度分布的合适校准，光学元件的热透镜在该情形中在较大区域、优选地在光学元件的整个区域上可被监视。

在一个尤其有利的实施例中，评估机构构造成通过将第一通道区域中已经通过光学元件的测量射线强度与第二通道区域中已经通过光学元件的测量射线强度进行比较来确定光学元件中的温度梯度和/或温度相关参数梯度。这样，当超出温度或温度相关参数的梯度的给定阀值时，可启动应对措施。

在一个尤其有利的实施例中，配置用于将光学元件的温度调节到预定操作温度的调节机构和用于冷却光学元件的冷却机构，该冷却机构由调节机构控制。光学元件的实际温度可用上述方式确定且可通过冷却机构调节到期望的温度。对于冷却机构，在光学元件的固定件中可配备冷却剂流经其的沟道。备选地，也可使用电气冷却元件，例如帕尔帖(Peltier)元件。

在一个尤其优选的实施例中，配备用于调节激光束的焦点位置的调节机构，该激光束由至少一个适应性镜进行对焦，其中为了调节焦点位置，适应性镜的对焦属性可由调节机构控制。具体地说为了该目的，适应性镜的曲率通过适应性镜由流体(例如水)作用在其后侧而可被改变，使得镜的曲率变化是水压力的函数。通过控制水压力，在该情形中可能补偿由光学元件中温度变化导致的焦点位置偏移。

在一个尤其有利的实施例中，装置具有用于产生激光束的激光束源，该激光束具有红外线波长范围内的波长λ_L(尤其是λ_L＝10.6μm)和优选在1kW/cm²或更高的功率密度。设置在这种激光束源的光束路径上的光学元件遭受尤其高的热负载，故因而监视温度或温度相关参数以及尤其是其局部偏差是可取的。

本发明还包括技术领域中提及的一种方法，包括以下步骤：产生测量射线并将测量射线发送到要监视的光学元件上；监视已经通过光学元件的测量射线的至少一部分；以及基于被探测的测量射线强度与通道区域中的温度和/或温度相关参数之间的预定关系来监视测量射线的通道区域中与被探测的测量射线强度相关联的温度和/或温度相关参数。在根据本发明的方法中还可能将通道区域中光学元件的温度相关吸收或传导(该吸收或传导证实被探测的测量射线强度变化)用来监视光学元件的温度和/或温度相关参数。该方法的有利变型在权利要求书中示出；对于与这些变型相关的益处，参考与用于监视温度的装置相关的上述说明。

附图说明

本发明的其它益处从说明书和附图将显而易见。前述特征和后文阐述的特征也可分开采用，或者可以将其中多个以任何期望组合来采用。所示和所描述的实施例不应被认为是限定性的，而是本质上用于描述本发明的示例。

在附图中：

图1示出了具有折叠激光谐振腔的CO₂气体激光器；

图2示出了具有外部光束导向器和加工头的CO₂气体激光器；

图3a、3b示出了根据本发明的装置的第一实施例，该装置用于以单径向或双径向透射来监视图1中输出镜的温度；

图4a示出了用于光学元件的轴向透射的根据本发明的装置的第二实施例；和

图4b示出了根据本发明装置的第三实施例，该装置具有分束器、两个探测器以及用于调节光学元件的温度的调节单元。

具体实施方式

在图1中示出的CO₂气体激光器具有方形折叠的激光谐振腔2，该谐振腔2具有四个相互结合的激光排出管3，激光排出管3用角壳体4、5彼此连接。用双点划线示出了在激光排出管3轴线的方向上延伸的激光束6。在角壳体4中的转向镜7在每种情形中用于将激光束6转向90°。设置在角壳体5中的是反射镜8和部分传导性输出镜9。反射镜8构造成是高反射性的并将激光束6反射180°，使得其在相反的方向上再次通过激光排出管3。激光束6的部分在部分传导性输出镜9处从激光谐振腔2解耦，同时其它部分保留在激光谐振腔2中并再次通过激光排出管3。经由输出镜9从激光谐振腔2解耦的激光束以10标记出。在折叠激光谐振腔2的中心，径向风扇11设置作为激光气体的压力源，该径向风扇11经由激光气体的供给管路12与角壳体4、5连通。抽取管路13在抽取器壳体14与径向风扇11之间延伸。在激光排出管3内部、供给管路12和抽取管路13中的激光气体的流动方向如图所示以箭头示出。激光气体经由电极15被激励，该电极15设置成邻近激光排出管3并连接到RF发生器16。

为了将从激光谐振腔2解耦的激光束10用作加工工具，如图2所示，激光束10经由反射性和传导性光学元件(例如，镜和透镜)在外部光束导向器17中被导向成从激光谐振腔2到加工头18中，在加工头18中发生激光束10的会聚。解耦激光束10借由构造成具有两个透镜20、21的望远透镜的光束望远镜19而加宽到期望的光束直径，且通过转向镜22转向到加工头18。如图2所示，加工头18可构造成透镜头并在此情形中包括转向镜23和会聚透镜24，会聚透镜24将激光束会聚成用于加工操作所需的光束直径。备选地，加工头18可构造成具有会聚镜的镜头，该会聚镜将激光束在工件的方向上转向并将其会聚到期望的光束直径(未示出)。

在图1的激光谐振腔2的输出镜9处，在激光谐振腔2中产生的激光束10照射输出镜9的第一光学表面，在此处激光束10的一部分(例如30％)被传送而其余约70％被反射、同时小部分也被吸收。为了使得激光束10传送通过输出镜9，输出镜9的基本材料包括在激光波长λ_L为10.6μm时透射的硒化锌。在输出镜的区域，激光束10具有相对小的光束截面，这是为什么可获取每个单位面积上的大功率密度大于1kW/cm²的原因，这导致输出镜9的基本材料在激光束10的通道区域中的极高热负载，而这是为什么输出镜9的温度表现应当被监视以避免由于过量高热应力和/或过量高温而损坏的原因。

在图3a、3b中示出了适用的监视装置26，该监视装置26集成在用于输出镜9的固定件27中。监视装置26具有集成在固定件27中的测量光源28，用于产生测量射线29并将其发送到输出镜9的侧表面30上；和与测量光源28直径相对地集成在固定件27中的探测器31，探测器31探测已经通过输出镜9在第一通道区域32中的测量射线29强度，且探测器31连接到评估机构33。测量射线29的被探测强度在此与在第一通道区域32中的输出镜9的传导率成比例，该传导率继而取决于输出镜9的基本材料的温度。因此，从测量射线29的强度，可能推断出第一通道区域32中的温度和/或进一步的温度相关参数。为此，测量射线29的强度与第一通道区域32中的温度和/或温度相关参数(例如，折射率或导热率)之间的关系例如以表格的形式存储在评估机构33中。可通过在输出镜9上实施的校准测量值的辅助下或根据输出镜9基本材料的温度相关的吸收表现的计算值或测量值可获得这种关系。如果以上述方式确定的参数背离期望的数值，那么可进行校正。

通过设置在横向表面30上的直径相对位置的测量光源28和探测器31，通过输出镜9的测量射线29的通道长度以及因此的吸收都最大化，从而使得能够实现监视装置26对温度变化尽可能高的灵敏度。如图3b所示，为了进一步增大通道的长度并因此增大装置26的灵敏度，由第二测量光源34产生的测量射线29在进入输出镜9之后也可在侧表面34上的位置35处被反射，且测量射线29的强度可由集成到固定件27中的第二探测器36探测到，第二探测器36邻近第二测量光源34。采用如图3b所示的设置，形成用于测量射线29的第二通道区域37，其通道长度几乎为图3a中第一通道区域32的通道长度的两倍，且可对第二通道区域37采用上述方式进行类似的评估。

通过将已经通过输出镜9在第一通道区域32中的测量射线29强度与已经通过输出镜9在第二通道区域37中的测量射线29强度进行比较，考虑到不同的通道长度后可确定输出镜9中的温度梯度和/或温度相关参数的梯度。折射率梯度允许推断关于在通过输出镜9后激光束10的光束直径方面可能发生的任何不期望变化。应当理解的是，为了确定这种梯度，第一测量光源28和第二测量光源34两者可同时进行操作。

监视装置26的灵敏度除了通过提供显著长的通道长度来增大之外，还可通过选择测量射线29的测量波长λ_M来增大，使得输出镜9的基本材料中的温度变化引起被探测的测量射线29的强度的显著较大变化。为此，测量光源28、36均构造成形成波长λ_M为532nm的测量射线的激光二极管，该波长接近该材料中传导为最大值的变化时硒化锌的吸收边缘的λ_MAX＝520nm。应当理解的是，当采用由其它材料制成的光学元件时，测量射线的测量波长λ_M必须合适地适应于最大传导率变化的相应波长。当通过光学元件表面上的增透涂层进行测量时，这种适应也是必要的，因为该涂层取决于波长可改变传导率。

除了如图3a、3b所示的输出镜9的径向透射外，也可能对光学元件实施轴向透射，这在图4a、4b中的示例并参考图2中的望远镜装置19的第一透镜20示出。

在图4a中，示出了用于监视温度的装置40，其具有测量光源41，测量光源41使得测量射线29以发散光束照射到透镜20的光学表面42上。已经通过透镜20的测量射线29由形成探测器43的CCD相机探测到，且其射线强度由评估机构44进行评估以便监视温度。监视装置40允许在由激光束10穿透的区域的大部分上对透镜20进行这种监视。借由将CCD相机用作位置相关探测器43，可能在许多阵列点处以在通道长度上的综合信息的形式来空间分辨地确定透镜20的温度或温度相关参数，并因此也可能确定温度梯度。

在图4b中示出了通过轴向透射来监视透镜20的温度的又一个监视装置50。在该情形中，提供测量光源51，测量光源51产生测量射线29，其以第一部分照射到透镜20上的第一点52处进行导向。在分束机构53中，测量射线29的第一部分例如通过偏振选择而解耦、且经由转向镜54平行于测量射线29的第一部分地照射到透镜20表面42上的第二点55处。相应地照射到透镜20上的两个点52、55的测量射线29的部分由两个探测器56、57进行探测并在用于监视温度的评估机构58中进行评估，两个探测器56、57配备用于探测测量射线29的相应部分。通过比较由探测器56、57测量的强度，可能如上所述来确定透镜20中的温度梯度或温度相关参数的梯度(例如折射率梯度)，且如果超过阀值的话启动应对措施以防止透镜20的折射属性发生过大的变化。

为此，附接到透镜20的外边缘并围绕其延伸的冷却机构59连接到调节机构60，在该冷却机构59中冷却剂传送通过冷却沟道(未示出)，调节机构60使用关于温度相关参数的评估机构58的信息来调节透镜20的温度并以该方式优化其参数。通过省略面阵探测器，图4b中的监视装置50的构造可比图4a所示的监视装置40的更为紧凑，故监视装置50因而适于例如尤其用于集成到图3a中的加工头18中，用于监视会聚透镜24。

除了在透镜20处直接调节温度相关参数外，还可能在其它光学元件处补偿由光束导向系统17中的变化(例如激光束10的焦点位置的变化)产生的影响。为此，例如转向镜23可构造成是适应性的且可由来自后侧的冷却水起作用，以便转向镜23改变其曲率并因而改变作为冷却水压力的函数的其会聚属性。借由控制冷却水压力的调节单元(未示出)，可能以此方式补偿由透镜20的不同受热引起的焦点位置偏移。当然，还可能以不同的方式补偿焦点位置的温度相关改变，例如通过将影响焦点位置的光学元件(例如，望远镜装置19的第二透镜21或透镜20自身)沿着激光束10的传播方向进行移动。为了调节焦点位置，尤其合适的是监视会聚透镜24的温度相关属性、且如果必要的话通过合适的移动单元将该透镜也沿着激光束10的传播方向进行移动。

应当注意的是，监视装置26、40、50不仅可用于监视输出镜9或可能是望远镜装置19的透镜20，当然还可用于监视其它透过性或部分透过性光学元件，以结合一个或相同的光学元件来实施轴向或径向透射。当采用上述这种类型的监视装置或合适修改用于相关应用的监视装置时，可能差不多立即对温度变化和/或温度相关参数的变化作出反应。当提供在大功率激光系统的光束导向系统中的光学元件的温度被监视时，因此可增加在激光加工操作中获得的质量。

Claims (19)

1.一种用于监视光学元件(9，20)的温度和/或温度相关参数、尤其是折射率或导热率的装置(26，40，50)，该光学元件(9，20)设置在激光束(10)的光束路径上且对于优选地在红外线范围内的激光波长λ_L的射线是透过性或部分透过性的，所述装置(26，40，50)包括：

-至少一个测量光源(28，34；41；51)，用于产生测量射线(29)并将其发送到光学元件(9，20)上；

-至少一个探测器(31，36；43；56，57)，用于探测已经通过光学元件(9，20)的测量射线(29)的至少一部分；和

-连接到探测器(31，36；43；56，57)的评估机构(33；44；58)，其基于被探测的测量射线(29)强度与通道区域(32，37)中的温度和/或温度相关参数之间的预定关系来监视测量射线(29)的通道区域(32，37)中与被探测的测量射线(29)强度相关联的温度和/或温度相关参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个测量光源(28，34；41；51)构造成产生处于不同于激光波长λ_L的测量波长λ_M或在测量波长范围λ_M±Δλ内的测量射线。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个测量光源(28，34；41；51)构造成产生处于测量波长λ_M的测量射线，所述测量波长λ_M相对于作为温度的函数的光学元件(9，20)传导率变化为最大值的波长λ_max的相对偏差|λ_M-λ_max|/λ_max不大于10％、优选地不大于5％。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述至少一个测量光源(28，34；41；51)构造成产生处于测量波长范围λ_M±Δλ内的测量射线，其中该范围偏离作为温度的函数的光学元件(9，20)传导率变化为最大值的波长λ_max不大于10％、优选地不大于5％。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的装置，其特征在于，为了监视包括至少在测量射线(29)的通道区域(32，37)中的硒化锌的所述监视光学元件(9，20)的温度，所述测量光源构造成产生处于从510nm至535nm、优选地为532nm的测量波长λ_M或者在520nm±52nm范围内、优选地在520mn±26nm范围内的测量波长范围λ_M±Δλ内的测量射线。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个测量光源(28，34)将测量射线(29)发送到光学元件(9)的侧表面(30)上，所述侧表面(30)不设置在激光束的光束路径上。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，还包括用于光学元件(9)的固定件(27)，至少一个测量光源(28，34)和/或至少一个探测器(31，36)集成在所述固定件(27)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个测量光源(41；51)将测量射线(29)发送到光学元件(20)的光学表面(42)上，所述光学表面(42)至少部分地设置在激光束(10)的光束路径上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，配置至少又一个测量光源和/或用于该测量光源的光线的至少一个分束机构(53)，以便将测量射线(29)以导向方式发送到光学元件(20)的表面(42)的至少两个点(52，55)上。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个测量光源(41)构造成产生发散光束形式的测量射线。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个探测器(43)是面阵探测器，优选地是CCD相机。

12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述评估机构(33；44；58)构造成通过将已经通过光学元件(9)在第一通道区域(32)中的测量射线(29)强度与已经通过光学元件(9)在第二通道区域(37)中的测量射线强度进行比较来确定光学元件(9)的温度梯度和/或温度相关参数的梯度。

13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，配置用于将光学元件(9)的温度调节到预定操作温度的调节机构(60)和由所述调节机构(60)控制的用于冷却光学元件(9)的冷却机构(59)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，配置用于调节激光束(10)的焦点位置的调节机构，所述激光束(10)借由至少一个适应性镜(23)来对焦，其中为了调节焦点位置，所述适应性镜(23)的会聚属性可由调节机构来控制。

15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于产生激光束(10)的激光束源(2)，所述激光束(10)具有在红外线波长范围内的波长λ_L、优选地λ_L＝10.6μm；以及优选地为1kW/cm²或更高的功率密度。

16.一种用于监视光学元件(9；20)的温度和/或温度相关参数、尤其是折射率或导热率的方法，该光学元件(9；20)设置在激光束(10)的光束路径上且对于优选地在红外线范围内的激光波长λL的射线是透过性或部分透过性的，所述方法包括以下步骤：

-产生测量射线并将所述测量射线发送到光学元件(9；20)上；

-监视已经通过光学元件(9；20)的测量射线(29)的至少一部分；和

-基于被探测的测量射线(29)强度与通道区域(32，37)中的温度和/或温度相关参数之间的预定关系来监视测量射线(29)的通道区域(32，37)中与被探测的测量射线(29)强度相关联的温度和/或温度相关参数。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，选择测量射线(29)的不与激光波长λ_L相冲突的测量波长λ_M或测量波长范围λ_M±Δλ。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，选择测量射线(29)的测量波长λ_M，其相对于作为温度的函数的光学元件(9，20)的传导率变化为最大值时的波长λ_max的相对偏差|λ_M-λ_max|/λ_max不大于10％，优选地不大于5％。

19.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，选择测量射线(29)的测量波长范围λ_M±Δλ，其中该范围与作为温度的函数的光学元件(9，20)的传导率变化为最大值时的波长λ_max偏离不大于10％，优选地不大于5％。

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