DE102005038587A1

DE102005038587A1 - Measuring system and method for laser beam has detector and beam deflecting system with controller to reflect beam onto measuring sensor

Info

Publication number: DE102005038587A1
Application number: DE102005038587A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Kramer; Klaus G. Hänsel
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-02-22

Abstract

A measuring system for a laser beam comprises a detector (7) to measure the beam (3,6), a guiding system (2) to deflect the beam and a control to adjust the guiding system. The guiding system comprises a reflecting arrangement in the beam and the control is so directed that the beam is turned or guided over the detector in a given pattern. An independent claim is also included for a measuring method as above.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem mit einer Detektoranordnung zum Vermessen eines Laserstrahls, einem Ablenksystem zum Ablenken des Laserstrahls und einer Steuerung zum Einstellen des Ablenksystems. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Vermessen eines Laserstrahls, bei dem der Laserstrahl mittels des Ablenksystems auf eine Detektoranordnung ausgerichtet wird.The The invention relates to a measuring system with a detector arrangement for Measuring a laser beam, a deflection system for deflecting the Laser beam and a controller for adjusting the deflection system. Furthermore, the present invention relates to a corresponding method for measuring a laser beam, wherein the laser beam by means of Deflection system is aligned with a detector array.

Lasersysteme bilden bei modernen Herstellungsverfahren wichtige Arbeitsmittel zum Bearbeiten von Materialien und Werkstücken. Häufig werden derartige Lasermaterial-Bearbeitungssysteme, wie bspw. Laser-Bohrsysteme, Laser-Abtragsysteme, Laser-Härtesysteme, Laser-Beschrifter, Laser-Marker oder sonstige Laser-Remote-Bearbeitungsverfahren, wie das Laser-Remote-Schweißen, das Laser-Remote-Löten, das Laser-Remote-Schneiden oder die Laser-Remote-Oberflächenbehandlung, zum Durchführen von Mikroarbeiten eingesetzt. Bei diesen Verfahren wird das Härten, Abtragen, Erhitzen oder dgl. des bearbeiteten Materials durch einen Laserstrahl ausgeführt, der mittels Scannerspiegeln auf der zu bearbeitenden Oberfläche bewegt werden kann.laser systems are important tools in modern manufacturing processes for working on materials and workpieces. Frequently, such laser material processing systems, such as laser drilling systems, laser ablation systems, laser hardening systems, Laser markers, laser markers or other remote laser processing methods, like laser remote welding, the laser remote soldering, Laser Remote Cutting or Laser Remote Surface Treatment, for Carry out used by microfabrication. In these processes hardening, ablation, Heating or the like. Of the machined material by a laser beam executed which moves by means of scanner mirrors on the surface to be processed can be.

Dazu können eine oder mehrere Scannerachsen verwendet werden, um eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl zu erzeugen, obwohl das Werkzeug und der Laser selbst oft ortsfest angeordnet sind. Bei einem derartigen Ablenksystem zum Ablenken des Laserstrahls werden reflektierende Scannerspiegel um Scannerachsen bewegt und die Laserstrahlung dadurch entsprechend abgelenkt. Je nach Anordnung der Scannerspiegel und -achsen können dadurch in der Fokusebene hohe Relativgeschwindigkeiten erzeugt werden, mit denen sich der Laserstrahl über das ruhende Werkstück bewegt.To can One or more scanner axes are used to move relative between the workpiece and the laser beam, though the tool and the laser itself often arranged stationary. In such a deflection system For deflecting the laser beam are reflective scanner mirrors moved around scanner axes and the laser radiation accordingly distracted. Depending on the arrangement of the scanner mirrors and axes can thereby high relative velocities are generated in the focal plane, with which the laser beam over the stationary workpiece emotional.

Für eine hohe Arbeitsqualität der Laserbearbeitungssysteme ist es notwendig, die Strahlparameter des Laserstrahls innerhalb vorgegebener Grenzwerte zu halten. Dazu ist es notwendig, die Strahlparameter zu messen bzw. zu bestimmen.For a high quality of work Of the laser processing systems, it is necessary to use the beam parameters of the laser beam to keep within predetermined limits. To it is necessary to measure or determine the beam parameters.

Die DE 100 43 727 C2 beschreibt eine Ablenkeinheit zur Lenkung eines Laserstrahls, bei der ein zur Lenkung des Laserstrahls auf ein Medium verwendeter Ablenkspiegel als Strahlteiler ausgebildet ist, der eine Messkomponente von dem Laserstrahl abtrennt und einer an einem anderen Ort angeordneten Messeinrichtung zuführt. Dazu ist der Ablenkspiegel teilweise transparent und für die Messkomponente des Laserstrahls durchlässig. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass für die Vermessung der Strahleigenschaften des Laserstrahls ein Teil der Laserstrahlleistung aus dem Strahl ausgekoppelt werden muss, die dann nicht für die Bearbeitung zur Verfügung steht. Ferner werden die Strahleigenschaften nicht am Bearbeitungsort, d.h. im Fokus des Laserstrahls, gemessen. Dadurch werden nicht die tatsächlichen Laserstrahlparameter am Einsatzort bestimmt und müssen mittels optischer Annahmen zurückgerechnet werden. Dies ist aufwendig und führt zu Fehlern bei der Parameterbestimmung.The DE 100 43 727 C2 describes a deflection unit for guiding a laser beam, in which a deflecting mirror used for guiding the laser beam onto a medium is designed as a beam splitter which separates a measuring component from the laser beam and feeds it to a measuring device arranged at another location. For this purpose, the deflection mirror is partially transparent and permeable to the measurement component of the laser beam. Here, however, there is the disadvantage that for the measurement of the beam properties of the laser beam, a part of the laser beam power has to be coupled out of the beam, which is then not available for processing. Furthermore, the beam properties are not measured at the processing location, ie in the focus of the laser beam. As a result, the actual laser beam parameters are not determined at the place of use and must be calculated back by means of optical assumptions. This is complicated and leads to errors in the parameter determination.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache Möglichkeit zur Messung der tatsächlichen Strahlparameter an dem Arbeitsort des Laserstrahls zu schaffen.task Therefore, the present invention is a simple possibility to measure the actual To create beam parameters at the working of the laser beam.

Diese Aufgabe wird bei einem Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 insbesondere dadurch gelöst, dass das Ablenksystem ein den Laserstrahl insbesondere vollständig reflektierendes System ist und die Steuerung derart eingerichtet ist, dass der reflektierte Laserstrahl in einem Messmodus in einem vorgebbaren Muster über die Detektoranordnung lenkbar und/oder verfahrbar ist, so dass während des Verfahrens bzw. Abscannens des Laserstrahls über der Detektoranordnung ein räumlich aufgelöstes Profil des Laserstrahls messbar ist. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Messsystems liegt darin, dass der Laserstrahl durch das vollständig reflektierende Ablenksystem auf den Detektor gelenkt wird, welches auch zur Bearbeitung des Werkstücks verwendet wird. Indem die Detektoranordnung zur Messung des Laserstrahls an genau der Position angeordnet wird, an der sich sonst das zu bearbeitende Werkstück befindet, werden die Laserstrahleigenschaften in der Fokusebene gemessen und bestimmt, in der auch das Werkstück bearbeitet wird. Dadurch ist das erfindungsgemäße Messsystem universell einsetzbar, weil die gemessenen Strahleigenschaften – im Gegensatz zu einem System, bei dem der Laserstrahl zur Messung der Strahlparameter aus dem eigentlichen Strahlengang ausgekoppelt wird – nicht unter Anwendung optischer Gesetzmäßigkeiten auf die Strahlparameter am Arbeitsort umgerechnet werden müssen. Daher eignet sich das Messsystem sowohl zur Bestimmung der Eigenschaften unfokussierter und fokussierter Laserstrahlen, wobei es insbesondere bei dem Einsatz fokussierter Laserstrahlen von Vorteil ist, dass der Laserstrahl an der selben Stelle vermessen werden kann, an der er später zur Bearbeitung des Werkstücks eingesetzt wird. Ferner kann sowohl eine gepulste als auch eine kontinuierliche Laserstrahlung vermessen werden. Das Messsystem ist auch universell für verschiedene Wellenlängen der Laserstrahlung einsetzbar, wobei ggf. die Detektoranordnung an die jeweilige Wellenlänge angepasst werden muss.This object is achieved in a measuring system having the features of claim 1, in particular in that the deflection system is a laser beam in particular completely reflecting system and the controller is set up such that the reflected laser beam in a measuring mode in a predetermined pattern on the detector assembly steerable and / or is movable, so that during the process or scanning of the laser beam over the detector array, a spatially resolved profile of the laser beam is measurable. An essential advantage of the measuring system according to the invention is that the laser beam is directed onto the detector by the completely reflecting deflection system, which is also used for machining the workpiece. By arranging the detector arrangement for measuring the laser beam at exactly the position at which the workpiece to be processed is otherwise located, the laser beam properties are measured and determined in the focal plane, in which the workpiece is also machined. As a result, the measurement system according to the invention can be used universally, because the measured beam properties - in contrast to a system in which the laser beam for measuring the beam parameters from the actual beam path is coupled - do not have to be converted using optical laws on the beam parameters at the workplace. Therefore, the measuring system is suitable both for determining the properties of unfocused and focused laser beams, wherein it is particularly advantageous when using focused laser beams that the laser beam can be measured at the same location where it is later used for machining the workpiece. Furthermore, both a pulsed and a continuous laser radiation can be measured. The measuring system can also be used universally for different wavelengths of the laser radiation, with the detector arrangement optionally being adapted to the respective wavelength got to.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems weist die Detektoranordnung einen Messsensor auf, der hinter einer Blende angeordnet ist. Die Blende kann bspw. als Loch, Schlitz, Messerschneide oder dgl. ausgebildet sein. Die Blendenöffnung ist insbesondere wesentlich kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls, so dass bei einer Einzelmessung mit dem Detektorsystem ein Ausschnitt aus dem Gesamtlaserstrahl aufgenom men wird. Die Blende kann ruhend oder über zusätzliche Bewegungsachsen im Messsystem bewegbar ausgebildet sein. Im Gegensatz zu bisher bekannten Laserstrahldiagnostiksystemen, wie Dioden-Arrays, FBAs, Detektoren oder scannende Systeme, ist das erfindungsgemäße Messsystem auch zum Messen hoher Pulsspitzenleistungen geeignet, ohne dass zusätzliche Abschwächer vor dem Detektor verwendet werden müssen, die die üblichen Leistungsdichten der Strahlung der Eigenschaft der Detektoren anpassen. Insbesondere eignet sich das Messsystem auch zum Messen im Infrarot-Bereich mit Wellenlängen zwischen 1 μm und 12 μm Wellenlänge.According to one preferred embodiment of measuring system according to the invention the detector arrangement has a measuring sensor behind one Aperture is arranged. The aperture can, for example, as a hole, slot, Knife blade or the like. Be formed. The aperture is in particular substantially smaller than the diameter of the laser beam, so that in a single measurement with the detector system a section taken from the total laser beam. The aperture can be dormant or about additional Motion axes be designed to be movable in the measuring system. In contrast to previously known laser beam diagnostic systems, such as diode arrays, FBAs, detectors or scanning systems, is the measuring system according to the invention also suitable for measuring high pulse peak powers without additional attenuator must be used in front of the detector, which is the usual Adjust the power densities of the radiation to the property of the detectors. In particular, the measuring system is also suitable for measuring in the infrared range wavelength between 1 μm and 12 μm Wavelength.

Vorzugsweise sind in dem Ablenksystem des Messsystems mindestens ein motorisch und/oder elektromagnetisch verstellbarer Scannerspiegel als Ablenkelement vorgesehen. Bei zwei Spiegeln, die in verschiedenen Bewegungsrichtung verstellt werden können, kann über die Steuerung des Ablenksystems eine Verstellung der Laserstrahlen in jede beliebige Richtung erreicht werden. Ein derartiges Ablenksystem ist daher sowohl für die Materialbearbeitung als auch für das vorliegende Messsystem besonders geeignet. Im Bedarfsfall können das Ablenksystem, ein Bearbeitungssystem und/oder das Detektorsystem auch lineare Bewegungsachsen aufweisen, um einen größeren Arbeitsbereich analysieren zu können.Preferably are at least one motor in the deflection system of the measuring system and / or electromagnetically adjustable scanner mirror as a deflection intended. At two mirrors, in different directions of movement can be adjusted can over the control of the deflection system an adjustment of the laser beams be reached in any direction. Such a deflection system is therefore both for the material processing as well as for the present measuring system particularly suitable. If necessary, the deflection system, a Processing system and / or the detector system also linear axes of motion exhibit a larger workspace to be able to analyze.

Die Steuerung kann zum Abfahren von vorzugsweise linearen Messspuren durch den Laserstrahl eingerichtet sein, wobei mehrere, parallel verlaufende Messspuren abgefahren werden können. Während des Abfahrens der Messspuren werden dann Einzelmessungen durchgeführt, welche einen Teil des gesamten Laserstrahls vermessen. Daraus kann dann ein ortsaufgelöstes Profil des Laserstrahls ermittelt werden.The Control can be used for tracing preferably linear measuring tracks be set up by the laser beam, with several, parallel running measuring tracks can be traversed. During the departure of the measuring tracks then individual measurements are carried out, which are part of the measure the entire laser beam. This can then be a spatially resolved profile be determined of the laser beam.

Die Messgeschwindigkeit zur Vermessung des gesamten Laserstrahlprofils kann dadurch beschleunigt werden, dass die Detektoranordnungen mehrere Messsensoren und/oder mehrere Blenden in einer definierten räumlichen Anordnung zueinander aufweisen.The Measuring speed for measuring the entire laser beam profile can be accelerated by the fact that the detector arrangements a plurality of measuring sensors and / or multiple apertures in a defined spatial arrangement to one another exhibit.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Vermessen eines Laserstrahls gelöst, wobei der Laserstrahl in dem Ablenksystem insbesondere vollständig reflektiert und in einem vorgebbaren Muster über die Detektoranordnung gelenkt und/oder verfahren wird. Während des Verfahrens bzw. Abscannens des Laserstrahls werden Einzelmessungen durch die Detektoranordnung durchgeführt. Dabei werden die sogenannten Scannerachsen des Ablenksystems genutzt, um den Laserstrahl im Fokus bzw. im fokusnahen Bereich ortsaufgelöst abzutasten und die Dimension der Strahlung in der Fokusebene und in den benachbarten Bereichen zu ermitteln. Dazu können im Ablenksystem vorhandene Scannerspiegel und/oder lineare Bewegungsachsen verwendet werden, welche die Scannerspiegel im Bedarfsfall unterstützen. Durch eine zusätzliche Nutzung linearer Bewegungsachsen, die unter Umständen bereits vorgesehen sind oder auch mit in das Detektorsystem integriert werden können, besteht die Möglichkeit, einen größeren Arbeitsbereich ggf. in einem Automatikmodus zu analysieren oder in verschiedenen Bereichen des Arbeitsbereichs Messungen durchzuführen. Bei den Messungen können auch die Fokuslage sowie die Leistungsdichte und die Leistungsdichteverteilung der jeweiligen Laserstrahlung ermittelt werden, so dass neben den Strahleigenschaften des Laserstrahls auch dessen Arbeitsposition in dem Ablenksystem bestimmt werden kann. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren sowie das dazugehörige Messsystem nicht nur zur Ermittlung der Strahlparameter eines Laserstrahls, sondern auch zur Positionsbestimmung des zur Bearbeitung vorgesehenen Laserstrahls in einem Verarbeitungssystem, in welchem der Laserstrahl durch ein Ablenksystem auf einem zu bearbeitenden Gegenstand hin und her bewegt wird.The inventive task is also solved by a method for measuring a laser beam, wherein the laser beam in the deflection system in particular completely reflected and in a predeterminable pattern the detector arrangement is directed and / or moved. During the procedure or scanning the laser beam are individual measurements by the Detector arrangement performed. The so-called scanner axes of the deflection system are used, in order to scan the laser beam in the focus or in the near-focus area in a spatially resolved manner and the dimension of the radiation in the focal plane and in the neighboring ones Determine areas. Can do this scanner mirrors and / or linear axes of motion present in the deflection system used, which support the scanner levels if necessary. By an additional Use of linear motion axes, which may already be provided or can be integrated into the detector system, there is the possibility, a larger workspace if necessary in an automatic mode to analyze or in different Areas of the work area to perform measurements. In the measurements can also the focus position as well as the power density and the power density distribution the respective laser radiation are determined, so that in addition to the Beam properties of the laser beam and its working position can be determined in the deflection system. Therefore, this is suitable inventive method as well as the associated Measuring system not only for determining the beam parameters of a laser beam, but also for determining the position of the intended for editing Laser beam in a processing system in which the laser beam through a deflection system on an object to be processed and is moved here.

Um extrem hohe Leistungsdichten des Laserstrahls zu vermessen, kann der Laserstrahl erfindungsgemäß über eine Blende der Detektoranordnung verfahren werden, die nur einen Teil des Laserstrahls durchlässt. Durch ein gesteuertes Verfahren des Laserstrahls kann so ein Scanmuster erzeugt und der gesamte Strahlenbereich mit gleichmäßig verteilten Messpunkten abgedeckt werden. Dazu kann der Strahlquerschnitt bspw. linienweise abgefahren werden, wobei mehrere, parallel zueinander angeordnete Messlinien mit jeweils mehreren Messpunkten entlang der Messlinie vorgesehen sind. Das Verfahren eignet sich sowohl für eine ruhende als auch eine bewegte Blende. Bei einer ruhenden Blende wird die Ortsauflösung allein durch die Ablenkelemente des Ablenksystems, insbesondere die Scannerspiegel, erreicht. Bei einer zusätzlich bewegten Blende können zur Ortsauflösung auch vorhandene Linearachsen des Verarbeitungssystems mit herangezogen werden, so dass sich die Ortsauflösung durch eine Kombination des Ablenksystems und der bewegten Blende ergibt. Häufig ist das erreichbare Abtastfeld viel größer als die eigentlichen Laserstrahlabmessungen. Durch eine Software-basierte Vorgabe für die Steuerung des Ablenksystems kann dann die gewünschte abzuscannende bzw. abzutastende Laserstrahlfläche ausgewählt und auf die gewünschte Fenstergröße konvertiert werden.In order to measure extremely high power densities of the laser beam, the laser beam can be moved according to the invention via a diaphragm of the detector arrangement, which only transmits part of the laser beam. By a controlled method of the laser beam, a scan pattern can be generated and the entire beam area can be covered with uniformly distributed measuring points. For this purpose, the beam cross-section, for example, can be traversed line by line, wherein a plurality of measuring lines arranged parallel to one another are provided, each with a plurality of measuring points along the measuring line. The method is suitable for both a stationary and a moving aperture. In the case of a stationary diaphragm, the spatial resolution is achieved solely by the deflection elements of the deflection system, in particular the scanner mirrors. In the case of an additionally moved diaphragm, existing linear axes of the processing system can also be used for the spatial resolution, so that the spatial resolution results from a combination of the deflection system and the moving diaphragm. Often, the achievable scanning field is much larger than the actual laser beam dimensions. By means of a software-based specification for the control of the deflection system, the desired laser beam surface to be scanned or scanned can then be selected and converted to the desired window size.

Bei einer gepulsten Laserstrahlung ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass pro Einzelpuls eine ortsaufgelöste Messung des Laserstrahls durchgeführt wird. Dabei können die Abtastraten des Messsystems entsprechend den Laserpulsen und der Dynamik der Bewegung des Abtastsystems synchronisiert werden. Vorzugsweise kann dann mit Hilfe eingebauter Trigger-Mechanismen auf eine elektrische Kopplung zwischen der Laserstrahlquelle und dem Messsystem verzichtet werden, die einen zusätzlichen elektronischen Aufwand bedeuten würde. Dazu kann nach jedem Puls eine neue Relativposition zwischen dem Strahl und der Detektoreinheit durch die Steuerung des Ablenksystems ange fahren werden. Bei dem nächsten Puls wird dann automatisch die nächste Position vermessen.at a pulsed laser radiation, it is also possible according to the invention that one spatially resolved per single pulse Measurement of the laser beam is performed. The can Sampling rates of the measuring system according to the laser pulses and the Dynamics of the movement of the scanning system are synchronized. Preferably can then use built-in trigger mechanisms on an electrical No coupling between the laser beam source and the measuring system be that extra would mean electronic effort. This can be done after each pulse a new relative position between the beam and the detector unit to drive the control of the deflection system. At the next pulse then automatically becomes the next Measure position.

Erfindungsgemäß kann beim Verfahren des Laserstrahl über die Detektoranordnung eine Anzahl von mehreren, vorzugsweise parallel zueinander verlaufenden Messspuren zur Bestimmung der Strahlparameter verwendet werden. Diese können im Interlace-Betrieb zur Berechnung der Strahldaten genutzt werden. Damit können beliebige Pausen in den Scanprozess eingefügt werden, um das thermische Verhalten der Messvorrichtung zu verbessern und die thermische Beanspruchung der Detektoren zu verringern. Das Messergebnis wird durch diese Messweise nicht beeinflusst.According to the invention Procedure of the laser beam over the detector array a number of a plurality, preferably in parallel mutually extending measuring tracks for determining the beam parameters be used. these can be used in interlace mode for calculating the beam data. With that you can Any breaks in the scanning process can be inserted to the thermal behavior improve the measuring device and the thermal stress reduce the detectors. The measurement result is determined by this measurement method unaffected.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, das bevorzugt mit dem zuvor beschriebenen Messsystem durchgeführt werden kann, können als Strahlparameter die Fokuslage, die Fokusabmessung, die Leistungsdichte, die Leistungsdichteverteilung, der Strahlpropagationsfaktor und/oder die Strahlkennzahl bestimmt werden. Daraus können weitere Strahlparameter oder Informationen abgeleitet werden.With the method according to the invention, which are preferably carried out with the measuring system described above can, can the focal position, the focus dimension, the power density, the power density distribution, the beam propagation factor and / or the beam index can be determined. This can be further beam parameters or information derived.

Ferner ist es besonders vorteilhaft, auch die optischen Eigenschaften der in dem Messsystem bzw. dem Ablenksystem verwendeten Fokussieroptiken unter optischer Last zu messen, wie sie beim verarbeitenden Betrieb der Laserstrahl-Bearbeitungssysteme auftritt. So können auch Ausgleichsdaten von korrigierten F-Theta-Objektiven oder Abbildungsfehler von Systemen, in denen die Fokussierung vor der Scannerachse erfolgt, dargestellt werden.Further It is particularly advantageous, the optical properties of the Focusing optics used in the measuring system or the deflection system under optical load to measure, as in the processing operation the laser beam processing systems occurs. So can also compensation data of corrected F-theta lenses or aberrations of systems that focus in front of the scanner axis, being represented.

Bevorzugter Weise wird zur Bestimmung der Strahlparameter oder der sonstigen Informationen bei einer Einzelmessung während des Abfahrens der Detektoranordnung mit dem Laserstrahl die Laserleistung in dem gerade erfassten Strahlpunkt gemessen. Aus dieser ortsaufgelösten Intensitätsverteilung können dann einfacherweise auch weitere Strahlparameter, die Strahllage oder dgl. ermittelt werden.preferred Way is to determine the beam parameters or the other Information in a single measurement during the departure of the detector array with the laser beam, the laser power in the currently detected beam spot measured. From this spatially resolved Intensity distribution can then simply also other beam parameters, the beam position or Like. Be determined.

Insbesondere bei bereits laufenden Laser-Remote-Verfahren sind die beschriebenen Ablenksysteme zum Ablenken des Laserstrahls für eine Bearbeitung bereits bekannt. Die Erfindung betrifft daher auch die Verwendung eines solchen Ablenksystems mit bewegbaren, insbesondere voll reflektierenden Ablenkelementen für das Ablenken eines Laserstrahls zum Vermessen des Laserstrahls, indem das Ablenksystem den Laserstrahl in einem vorgebbaren Muster über eine Detektoranordnung verfährt oder ablenkt. Derartige Ablenksysteme weisen häufig einen oder mehrere Scannerspiegel auf, welche den für die Bearbeitung zu nutzenden Laserstrahl ablenken, und erzeugen auf diese Weise eine schnelle Relativbewegung zwischen Laserstrahl und zu bearbeitendem Material. Das Ablenksystem kann sowohl zum Bearbeiten als auch zum Positionieren des Laserstrahls bspw. auf der Detektoranordnung verwendet werden. Die Hochgeschwindigkeits-Scannerachsen eines Laserbearbeitungssystems, die ohnehin zur Verfügung stehen, werden daher erfindungsgemäß auch zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Strahl und der Messeinheit bzw. dem Detektorsystem benutzt.Especially with already running laser remote procedures are those described Deflection systems for deflecting the laser beam for processing already known. The invention therefore also relates to the use of a Such deflection with movable, in particular fully reflective Baffles for the deflection of a laser beam for measuring the laser beam, by the deflection system the laser beam in a predetermined pattern on a Detector arrangement moves or distracting. Such deflection systems often have one or more scanner levels on which the for Distract the processing laser beam to use and produce in this way a fast relative movement between the laser beam and material to be processed. The deflection system can be used for both Edit as well as for positioning the laser beam, for example on the detector arrangement can be used. The high-speed scanner axes a laser processing system that are available anyway, Therefore, according to the invention for Generating a relative movement between the beam and the measuring unit or the detector system used.

Bei Verwendung eines herkömmlichen Laser-Remote-Systems mit bewegbaren Scannerspiegeln ist es besonders vorteilhaft, wenn die Detektoranordnung zum Vermessen des Strahls an der Position des zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet wird.at Using a conventional Laser remote system with movable scanner mirrors is special advantageous if the detector arrangement for measuring the beam is arranged at the position of the workpiece to be machined.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further Features, advantages and applications of the invention result also from the following description of an embodiment and the drawings. All are described and / or illustrated illustrated features for itself or in any combination the subject matter of the invention, also independent from their summary in the claims or their dependency.

Die einzige 1 zeigt schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Messsystems zum Vermessen eines Laserstrahls.The only 1 shows schematically the structure of the measuring system according to the invention for measuring a laser beam.

Das schematisch dargestellte Messsystem 1 weist ein Ablenksystem 2 zum Ablenken eines einfallenden Laserstrahls 3 auf, von dem nur die Einfallsrichtung als Pfeil dargestellt ist. Dazu ist in dem Ablenksystem ein den einfallenden Laserstrahl 3 vollständig reflektierender Scannerspiegel 4 vorgesehen, der um eine Achse 5 drehbar gelagert ist. Durch Verwendung des Scannerspiegels 4 in dem Ablenksystem 2 kann durch einen vergleichsweise kleinen Stellweg des Scannerspiegels 4 eine große Ablenkwirkung des ausfallenden Laserstrahls 6 erreicht werden. Die Ansteuerung des bzw. der mehreren Scannerspiegel 4 erfolgt über eine nicht dargestellte Steuerung, die auch zum Abfahren bestimmter Scanmuster durch den Laserstrahl 3 eingestellt werden kann. Dazu werden entsprechende Stellbefehle an die zur Erzeugung des Musters notwendigen Anlenkelemente 4 ausgegeben.The schematically illustrated measuring system 1 has a deflection system 2 for deflecting an incident laser beam 3 on, of which only the direction of incidence is shown as an arrow. For this purpose, an incident laser beam is in the deflection system 3 completely reflective scanner mirror 4 vorgese hen around an axis 5 is rotatably mounted. By using the scanner mirror 4 in the deflection system 2 can by a comparatively small travel of the scanner mirror 4 a large deflection effect of the outgoing laser beam 6 be achieved. The control of the or more scanner mirror 4 takes place via a controller, not shown, which also for departing certain scanning patterns by the laser beam 3 can be adjusted. For this purpose, appropriate control commands to the necessary to generate the pattern hinge elements 4 output.

Das Ablenksystem 2 ist Bestandteil eines Laserbearbeitungssystems, in dem der ausfallende Laserstrahl 6 zur Bearbeitung eines Werkstücks verwendet wird.The deflection system 2 is part of a laser processing system in which the outgoing laser beam 6 used for machining a workpiece.

Da es für die Bearbeitung des Werkstücks wichtig ist, die Position des ausfallenden Laserstrahls sowie dessen Strahleigenschaften zu kennen, kann an Stelle des zu bearbeitenden Werkstücks in oder nahe zu der Fokusebene des Laserstrahls 3, 6 eine Detektoranordnung 7 vorgesehen werden, mit der die Position und die Strahleigenschaften des ausfallenden Laserstrahls 6 bestimmt werden können.Since it is important for the machining of the workpiece to know the position of the emergent laser beam as well as its beam properties, instead of the workpiece to be machined in or close to the focal plane of the laser beam 3 . 6 a detector arrangement 7 provided with the position and the beam characteristics of the outgoing laser beam 6 can be determined.

Die Detektoranordnung 7 weist eine Blende 8 mit einem darin ausgebildeten Pinhole 9 auf, dessen Durchmesser kleiner ist als der Strahldurchmesser des ausfallenden Laserstrahls 6. Der ausfallende Laserstrahl 6 wird in definierter Weise über das Pinhole 9 der Blende 8 verfahren, wobei in bestimmten Positionen des ausfallenden Laserstrahls 6 die Intensität des durch das Pinhole 9 einfallenden Teils des Laserstrahls 6 vermessen wird. Dazu wird das einfallende Laserlicht über eine Strahlführung 10 einem Messsensor 11 zugeführt, erfasst und ausgewertet.The detector arrangement 7 has an aperture 8th with a pinhole formed therein 9 whose diameter is smaller than the beam diameter of the emergent laser beam 6 , The failing laser beam 6 is defined over the pinhole 9 the aperture 8th method, wherein in certain positions of the outgoing laser beam 6 the intensity of the pinhole 9 incident part of the laser beam 6 is measured. For this, the incident laser light is transmitted via a beam guide 10 a measuring sensor 11 supplied, recorded and evaluated.

Zur Durchführung der vollständigen Messung ist das Ablenksystem 2 derart eingerichtet, dass der gesamte Laserstrahl 6 in Messspuren über die Blende 8 mit dem Pinhole 9 gefahren bzw. gelenkt wird, wobei in vorzugsweise gleichmäßigen Abständen eine Intensitätsmessung des durch das Pinhole 9 eintretenden Teils des Laserlichts durchgeführt wird. Dadurch wird eine ortsaufgelöste Vermessung des Laserstrahls erreicht, die sowohl auf die Strahleigenschaften als auch auf die Strahlposition schließen lassen. Zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen der Detektoranordnung 7 und dem Laserstrahl 6 können sowohl Scannerspiegel 4 als auch nicht dargestellte, möglicherweise vorhandene Linearachsen eines Material-Bearbeitungssystems bzw. eines Ablenksystems genutzt werden. Sollten in einem System keine Linearachsen vorhanden sein, kann im Bedarfsfall auch die Detektoranordnung mit Linearachsen ausgerüstet werden.To perform the complete measurement is the deflection system 2 set up so that the entire laser beam 6 in measuring tracks over the aperture 8th with the pinhole 9 is driven or steered, wherein in preferably uniform intervals an intensity measurement of the pinhole 9 incoming part of the laser light is performed. As a result, a spatially resolved measurement of the laser beam is achieved, which suggests both the beam properties and the beam position. For generating the relative movement between the detector arrangement 7 and the laser beam 6 can both scanner levels 4 as well as not shown, possibly existing linear axes of a material processing system or a deflection system can be used. If no linear axes are present in a system, if necessary the detector arrangement can also be equipped with linear axes.

Die Messfolge kann den Laserstrahl 6 dabei systematisch abtasten, bspw. in der Reihenfolge links oben, rechts oben, mitte, links unten, rechts unten. Es sind natürlich auch andere Scanabläufe denkbar.The measuring sequence can be the laser beam 6 thereby systematically scanning, for example in the order upper left, upper right, middle, lower left, lower right. Of course, other scanning processes are conceivable.

Durch das erfindungsgemäße Messsystem und das damit durchzuführende Messverfahren ist es daher möglich, die tatsächlich auf das Material einwirkende Laserstrahlung mit den Strahlparametern in der Position genau zu vermes sen, ohne dass eine geänderte Strahlführung notwendig wird. Daher ist mit dem erfindungsgemäßen System auch die Prüfung der verwendeten und im Strahlengang befindlichen optischen Komponenten und deren Abbildungseigenschaften auf einfache Weise möglich.By the measuring system according to the invention and the to be carried out with it Measuring method it is therefore possible actually on the material acting laser radiation with the beam parameters to be measured accurately in the position without the need for a modified beam guidance becomes. Therefore, with the system according to the invention, the test of used and located in the optical path optical components and their imaging properties in a simple manner possible.

11: Messsystemmeasuring system
22: Ablenksystemdeflection
33: einfallender Laserstrahlincident laser beam
44: Scannerspiegel, AblenkelementScanner mirror, deflector
55: Achseaxis
66: ausfallender Laserstrahlfailing laser beam
77: Detektoranordnungdetector array
88th: Blendecover
99: Pinholepinhole
1010: Strahlführungbeamline
1111: Messsensormeasuring sensor

Claims

Measuring system with a detector arrangement ( 7 ) for measuring a laser beam ( 3 . 6 ), a deflection system ( 2 ) for deflecting the laser beam ( 3 . 6 ) and a controller for adjusting the deflection system ( 2 ), characterized in that the deflection system ( 2 ) a laser beam ( 3 . 6 ) is reflective system and the controller is set up such that the laser beam ( 3 . 6 ) in a measuring mode in a predeterminable pattern via the detector arrangement ( 7 ) is steerable and / or movable.

Measuring system according to claim 1, characterized in that the detector arrangement ( 7 ) a measuring sensor ( 11 ), which behind a diaphragm ( 8th ) is arranged.

Measuring system according to claim 1 or 2, characterized in that the deflection system ( 2 ) at least one motor and / or electromagnetically adjustable scanner mirror ( 4 ) as a deflecting element.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the control for traversing preferably linear measuring tracks by the laser beam ( 3 . 6 ) is set up.

Measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the detector arrangement ( 7 ) several measuring sensors ( 11 ) and / or multiple apertures ( 8th ) in a defined spatial arrangement.

Method for measuring a laser beam ( 3 . 6 ), in which the laser beam ( 3 . 6 ) by means of a deflection system ( 2 ) to a detector array ( 7 ), characterized in that the laser beam ( 3 . 6 ) in the deflection system ( 2 ) is reflected and in a predeterminable pattern on the detector array ( 7 ) is directed and / or moved.

Method according to claim 6, characterized in that the laser beam ( 3 . 6 ) via a diaphragm ( 8th ) of the detector arrangement ( 7 ).

A method according to claim 6 or 7, characterized in that with pulsed laser radiation per individual pulse, a spatially resolved measurement of the laser beam ( 3 . 6 ) is carried out.

Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that in the process of the laser beam ( 3 . 6 ) via the detector arrangement ( 7 ) a number of measuring tracks are used to determine the beam parameters.

Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that the beam parameter focus position, focus dimensions, power density, power density distribution, Beam propagation factor and / or beam characteristic can be determined.

Method according to one of claims 6 to 10, characterized that the optical properties of focusing optics under optical load be measured.

Method according to one of claims 6 to 11, characterized that for determining the beam parameters in a single measurement while of shutdown the laser power is determined in a beam spot.

Use of a deflection system ( 2 ) with movable deflecting elements ( 4 ) for deflecting a laser beam ( 3 . 6 ), the deflection system ( 2 ) for measuring the laser beam ( 3 . 6 ) is used by the deflection system ( 2 ) the laser beam in a predeterminable pattern via a detector arrangement ( 7 ) moves or steers.

Use according to claim 13, characterized in that the deflection system ( 2 ) a conventional laser remote system with movable scanner mirrors ( 4 ) for generating fast relative movements of laser beam ( 3 . 6 ) and machined workpiece.

Use according to claim 13 or 14, characterized in that the detector arrangement ( 7 ) is placed at the position of the workpiece to be machined.