CN117782309A - 用于监测激光光束特性的装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于在激光材料加工光学系统中监测高功率激光光束的系统和方法，并提供了用于监测高功率激光光束的装置和方法。与现有技术中已知的装置和方法相比，根据本公开，对高功率激光光束的特性的详细确定发生在光纤或激光光束进入连接到激光源的激光加工头的方向上，并且这些测量可以在加工操作期间进行。根据本公开的装置具有用于测量强度和相应的当前激光功率的光学传感器。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2023年6月22日提交的德国专利申请No.DE 10 2022 125129.2的优先权。上述申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于监测高功率激光光束的特性的系统和方法。
背景技术
用于测量高功率激光光束的特性的各种方法和装置在现有技术中是已知的。一方面，存在用于测量激光光束的功率的装置，另一方面，也存在用于确定光束的几何特性的装置。所述几何特性包含光束轮廓、焦点直径、发散角以及光束质量的其他关键指标。当使用激光光束进行比如切割、熔焊、表面处理或钎焊等材料加工时，这些参数与光束功率一样会对激光加工工艺产生影响，因此对加工结果的质量起着决定性作用。因此，这些参数的测量结果是激光材料加工中质量保证的必要部分。
已公开的德国专利申请DE 42 43 902 A1和已公开的德国专利申请DE 102 53905A1公开了用于测量功率的装置，所述装置收集例如在吸收器中的整个光束，并根据吸收器的温度变化来确定功率。
已公开的德国专利申请DE 35 10 937 A1公开了一种装置，其中，通过快速移动针状探测器穿过光束来产生信号，其时间过程反映了光束强度的空间分布。
在已公开的德国专利申请DE 101 29 274A1中示出了对光束轮廓进行空间分辨测量的另一种可能性，其中，多个金属线网平面穿过光束，并且能够从发热和由此产生的单个金属线的电阻变化中推断出局部强度。
已公开的德国专利申请DE 10 2008 022 015 A1公开了用于对光束轮廓进行空间分辨测量的温度敏感传感器阵列，其中，通过将所述传感器阵列放置在可反射大部分光束的部分透明的镜子之后来使该传感器阵列接收小部分光束功率。
现有技术中已知的装置和方法的缺点是，它们必须介入光束，因此既不能在加工过程的同时进行测量，又存在污染的风险。因此，本公开的任务是以较低的设计成本提供一种替代方法。
发明内容
本公开提供了一种用于监测进入激光加工头的激光光束的特性的系统，其包括：
激光光束的进入口；
第一偏转镜，其在激光光束路径的方向上布置在所述进入口之后，用于反射激光光束；
第一透镜或透镜组，其在光束路径的方向上布置在所述第一偏转镜之后；
二色镜，其在光束路径的方向上布置在所述第一透镜或透镜组之后，用于将激光光束部分地耦出；
第二透镜，其在被部分地耦出的激光光束路径的方向上布置在所述二色镜之后；以及
传感器，其在被部分地耦出的激光光束路径的方向上布置在所述第二透镜之后，所述被部分地耦出的激光光束碰到所述传感器。
根据本公开，进一步提出，激光光束的进入口是连接到激光光束源的激光光缆。
本公开进一步提出，第一透镜或透镜组使激光光束聚焦。
在另一个实施例中，第二透镜或透镜组使激光光束的被部分地耦出的部分聚焦到传感器上。
本公开的另一方面涉及第一和/或第二透镜或透镜组，其中，所述透镜是所谓的可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜，所述可调透镜包括液体透镜、液晶透镜和由弹性体制成的透镜，这些透镜的光学特性能够通过外部激励、例如机械变形或流体静力变形来改变。
根据本公开的系统还包括连接到第一移位元件的第一透镜或透镜组，以及连接到第二移位元件的第二透镜或透镜组，以用于在光束轴线上将相应的透镜或透镜组移位。
根据本公开，还提出，所述传感器连接到第三移位元件以用于沿着光束轴线移位。
另一个实施例涉及一种系统，其中，光学滤光器布置在二色镜与传感器之间。
本公开的另一个方面涉及一个实施例，其中，在二色镜与第二透镜之间设置有光阑。
此外，光阑的孔可以与激光光束的轴线偏置布置。
在本公开的另一个实施例中，保护玻璃在激光光束路径的方向上布置在光纤的末端之后，第三透镜或透镜组布置在所述保护玻璃之后。第三透镜也可以是所谓的可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜。
此外，可以在激光光束路径中附加地布置光束整形元件。
对于第一镜，还可以将其设想为倾斜镜或可变形镜。
本公开的另一个目的涉及一种用于确定高功率激光光束的特性或进入激光加工头的激光光束的特性的方法，其中，传感器接收高功率激光光束的被耦出的部分，其中，高功率激光光束或激光光束的所述被耦出的部分已经由二色镜耦出。
该方法还可以包括通过布置在二色镜之前的第一透镜形成高功率激光光束或激光光束的步骤，其中，所述第一透镜是所谓的可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜。
在该方法中，高功率激光光束或激光光束可以由布置在二色镜与传感器之间的第二透镜来整形，所述第二透镜是所谓的可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜。
此外，在根据本公开的方法的一个实施例中，高功率激光光束或激光光束能够被布置在第一透镜或透镜组之前的偏转镜朝向第一透镜或透镜组的方向偏转。
高功率激光光束或激光光束能够穿过布置在传感器之前的滤光器。
根据本公开的方法的另一个方面涉及：高功率激光光束或激光光束穿过与光束轴线偏置布置且布置在第二透镜或透镜组之前的光阑。
最终，在该方法中，高功率激光光束或激光光束还可以在高功率激光光束的出口光阑与偏转镜之间穿过盖光阑和第三透镜。
本公开的其他方面、特征和优点将很容易地在下面的详细描述中被示出，以下示出了简单的优选实施例和实施方式。本公开还可以在其他的或不同的实施例中实现，并且在不脱离本公开的教导和范围的情况下，可以在各种明显的方面修改实施例的各种细节。因此，附图和描述被认为是说明性的而非限制性的。本公开的附加的目的和优点在以下描述中部分示出，并将从描述中部分显现出来，或者可以从本公开的实施例中推断出来。
附图说明
下面将参考附图更详细地说明本公开。对于本领域的技术人员来说，这些示例只是可能的实施例，而不是将本公开限制于所示的实施例。
图1示出了根据本公开的一个实施例中的光学元件的布置；
图2示出了在传感器之前具有滤光器的实施例；
图3示出了在第二透镜之前具有光阑的实施例；以及
图4示出了具有附加的光学元件的实施例。
具体实施方式
本公开的独立权利要求的特征解决了该技术问题。从属权利要求覆盖了本公开的进一步具体实施例。
本公开提供了一种用于监测激光光束源的特性的系统和方法，所述激光光束源例如是高功率激光光束源或者甚至是准直激光光束、即来自激光器的原始光束。根据本公开的系统用于确定进入激光加工头的激光光束的特性。与现有技术中已知的装置和方法相比，根据本公开，在光纤连接到激光源的方向上进行对高功率激光光束的特性的详细确定，并且这些测量可以在加工过程中进行。根据本公开的装置具有用于测量强度和相应的当前激光功率的光学传感器。
可以在激光光束在x和y方向上的位置、激光光束的直径、激光光束中的能量分布以及能量分布中心的确定、波前和激光光束沿其光束轴线的其他物理特性(包括例如光束直径和传播角)方面确定激光光束的空间分辨率。
此外，根据本公开的设备和方法允许在光强度的意外变化或传感器信号的变化方面确定激光光束的时间分辨率。
根据本公开的设备和方法允许测量和补偿在z方向上移位的光纤末端。也可以测量和补偿激光光束的重心在z方向以及侧向的x和y方向上的偏移。
该装置包括可调透镜或透镜组，所述透镜组包括至少一个可调透镜，其中，透镜的特性可被调节；或者包括用于改变透镜或透镜组在光束路径中的位置的线性驱动器。透镜或透镜组可以通过与之相应连接的包括驱动器的移位元件来在光束路径中移位。这也包括透镜或透镜组相对于彼此的移动。
根据本公开，传感器是相机、夏克-哈特曼(Shack-Hartmann)波前传感器、偏振相机、高光谱相机、或光束敏感传感器、以及矩阵分束器。
图1示出了根据本公开的装置的第一实施例中的光学元件的布置。高功率激光光束5离开连接到激光光束源(未示出)的光纤1，并被第一镜2反射。光纤1可以是光纤缆，第一镜2可以是可变形镜或可倾斜镜。
高功率激光光束5由第一透镜3聚焦。二色镜(dichromatic mirror)4布置在第一透镜3与第二透镜7之间，高功率激光光束5的一部分6由二色镜4耦出。激光光束的被耦出的部分6通过第二透镜7成像到布置在第二透镜7之后的传感器8上。高功率激光光束的被二色镜4反射的部分用于激光材料加工。
第二透镜7可移动地布置成能够补偿第一透镜的移动。第二透镜7可与第一透镜3异步地移动，以便聚焦在另一个光束位置上或测量激光光束的特性。
传感器8和第一透镜3被布置为使得它们可以彼此异步地移动。传感器8测量上述激光光束的特性。在本公开的一个实施例中还提出，传感器8形成为矩阵分束器与相机系统的组合。
图2示出了一个实施例中的光学元件的布置，其中，滤光器9布置在第二透镜(透镜组)7与传感器8之间。可替代地，滤光器也可以布置在二色镜4与第二透镜7之间。根据本公开，至少一个滤光器布置在光束的被耦出的部分6的光束路径中。例如，提供吸收、反射或偏振滤光器作为滤光器9。
图3示出了一个实施例，其中，光阑10布置在第二透镜7之前。在这个实施例中，光阑10中的孔相对于光束轴线偏置。当光束在z方向上偏移时，这使光束的重心在作为检测器的传感器8上偏移。这个实施例允许在固定设置中测量焦点偏移。
图4以示例的方式示出了一个实施例中的附加的光学元件的布置，其中，保护玻璃13布置在光纤1与第一镜2之间，以保护光学器件免受污染。此外，第三透镜或透镜组14可以布置在第一镜2之前。第一透镜3后方的波束整形器15也可以布置在光束路径中的其他位置处。波束整形器能够影响工件上的焦点，从而影响切割质量、切割速度或切割形状。假设采用钎焊或熔焊工艺，焊缝的质量会被正向影响。
上述对本公开的优选实施例的描述是出于说明和描述的目的。这并不意味着详尽无遗地举例或将本公开精确地限制于所公开的形式。鉴于上述教导，修改和变化是可能的，或者可以在实施本公开时进行修改和变化。选择和描述实施例是为了解释本公开的原理及其实际应用，以使本领域技术人员能够在适合于预期特定用途的各种实施例中使用本公开。本公开的范围旨在由所附权利要求及其等同物来限定。前述每篇文献的全部内容通过引用并入本文。
Claims (20)
1.一种用于监测进入激光加工头的激光光束的特性的系统，其包括：
激光光束的进入口；
第一偏转镜，其在激光光束路径的方向上布置在所述进入口之后，用于反射激光光束；
第一透镜或透镜组，其在光束路径的方向上布置在所述第一偏转镜之后；
二色镜，其在光束路径的方向上布置在所述第一透镜或透镜组之后，用于将激光光束部分地耦出；
第二透镜，其在被部分地耦出的激光光束路径的方向上布置在所述二色镜之后；以及
传感器，其在被部分地耦出的激光光束路径的方向上布置在所述第二透镜之后，所述被部分地耦出的激光光束碰到所述传感器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述激光光束的进入口是连接到激光光束源的激光光缆。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一透镜或透镜组使激光光束聚焦。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述第二透镜或透镜组使所述激光光束的被部分地耦出的部分聚焦到所述传感器上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述第一透镜或透镜组和/或所述第二透镜或透镜组是可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜，可调透镜的光学特性能够通过外部激励来改变。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述第一透镜或透镜组连接到第一移位元件，所述第二透镜或透镜组连接到第二移位元件，以用于在光束轴线上将相应的透镜或透镜组移位。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述传感器连接到第三移位装置，其用于沿着光束轴线将所述传感器移位。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，光学滤光器设置在二色镜与传感器之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其中，光阑设置在二色镜与第二透镜之间。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光阑的孔相对于激光光束的光束轴线偏置。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，保护玻璃在激光光束的光束路径的方向上设置在光纤的末端之后，第三透镜或透镜组设置在保护玻璃之后。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，所述第三透镜是可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，在光束路径中附加地布置有光束整形元件。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的系统，其中，所述第一镜是倾斜镜或可变形镜。
15.一种用于确定高功率激光光束或进入激光加工头的激光光束的特性的方法，其中，传感器接收高功率激光光束或激光光束的被耦出的部分，其中，高功率激光光束或激光光束的所述被耦出的部分由二色镜耦出。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述高功率激光光束或激光光束通过布置在二色镜之前的第一透镜或透镜组形成，其中，所述第一透镜是所谓的可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述高功率激光光束或激光光束通过布置在二色镜与传感器之间的第二透镜或透镜组形成，其中，所述第二透镜是所谓的可调透镜，或者所述透镜组包括至少一个可调透镜。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中，所述高功率激光光束或激光光束被布置在所述第一透镜或透镜组之前的偏转镜朝向所述第一透镜或透镜组偏转。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，所述高功率激光光束或激光光束穿过布置在所述传感器之前的滤光器。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述高功率激光光束或激光光束穿过与光束轴线偏置布置且布置在所述第二透镜或透镜组之前的光阑。
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