DE102006055595A1

DE102006055595A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102006055595A1
Application number: DE102006055595A
Authority: DE
Inventors: Peter Von Jan; Erwin Wagner; Alistair Baillie Gill
Original assignee: Raylase GmbH
Current assignee: Raylase GmbH
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-05-29
Also published as: GB2444163A; GB2444163B; ITMI20072190A1; US20080123704A1; GB2444163B8; GB0722851D0

Abstract

Gezeigt wird eine Vorrichtung (10) zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls (12). Die Vorrichtung (10) umfasst eine erste lichtdurchlässige Platte (16), die im Lichtweg des Laserstrahls (12) angeordnet und um eine erste Achse (18) drehbar ist, welche senkrecht zum Lichtweg steht, eine erste Antriebseinrichtung (20) zum Drehen der ersten lichtdurchlässigen Platte (16) um die erste Achse (18), eine Messeinrichtung (34) zur Erfassung der Leistung des Laserstrahls (12') stromabwärts der ersten lichtdurchlässigen Platte (16) und Erzeugen eines Leistungs-Istwerts, und einer Regeleinrichtung (44) mit einem Eingang (46a), der mit der Messeinrichtung (34) verbunden ist, und einem Ausgang (46b), der mit der ersten Antriebseinrichtung (20) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung (44) den Leistungs-Istwert und einen Leistungs-Sollwert erhält und einen Stellwert erzeugt und ausgibt, wobei die erste Antriebseinrichtung (20) die erste lichtdurchlässige Platte (16) in Abhängigkeit von dem Stellwert dreht, um die Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert zu minimieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls.
Laserstrahlen werden in einer Vielzahl von Anwendungen zum Bearbeiten von Werkstücken verwendet, beispielsweise zum Schneiden, Markieren oder Beschriften derselben. Bei einigen solcher Anwendungen muß die Leistung des Laserstrahls geregelt werden. Beispielsweise ist eine der größten Schwierigkeiten bei der Verwendung von CO₂-Lasern, die in großem Um fang bei der Bearbeitung von Werkstücken verwendet werden, die inhärente Instabilität ihrer Ausgangsleistung. Diese Instabilität wird durch eine Vielfalt von Faktoren verursacht, beispielsweise durch eine Änderung der Kühlwassertemperaturen oder die Expansion und Kontraktion des Laserhohlraums. Es werden also beispielsweise Vorrichtungen benötigt, die die Leistung eines CO₂-Lasers auf einen konstanten Wert regeln können.
In anderen Anwendungen soll die Leistung nicht auf einen konstanten Wert sondern entsprechend einem vorbestimmten Leistungsprofil geregelt werden. Dies ist beispielsweise bei Markierungen mit unterschiedlichen Graustufen der Fall. Auch kann eine Anpassung der Laserstrahlintensität nötig sein, um bei einer variierenden Scangeschwindigkeit auf der Werkstückoberfläche, beispielsweise beim Zeichnen oder Schneiden von Ecken oder engen Kurven, gleichförmige Linien oder Schnittbreiten zu erhalten.
Im Stand der Technik ist es bekannt, optische Filter oder akustooptische Modulatoren zu verwenden, um die Laserausgangsleistung zu modulieren.
Ferner ist aus dem Deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2004 009 U1 derselben Anmelderin eine Vorrichtung zum Regeln der Leistung eines Laserstrahls bekannt, die ein drehbares Brewster-Element verwendet, das im Brewster-Winkel zum Lichtweg des Laserstrahls angeordnet ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist das auf das Brewster-Element auftreffende Laserlicht ist polarisiert. Ferner ist das Brewster-Element um eine Achse, die parallel zur Richtung des Laserstrahls ist, drehbar. Wenn das Brewster-Element in eine Position gedreht wird, in der der Polarisationsvektor in der Einfallsebene liegt, wird gemäß dem Brewster'schen Gesetz sämtliches Licht durch das Brewster-Element hindurchgelassen und kein Licht reflektiert. Wenn andererseits das Brewster-Element in eine Position gedreht ist, in der der Polarisationsvektor senkrecht zur Einfallsebene steht, wird nahezu das gesamte einfallende Licht reflektiert und nahezu kein Licht durch das Brewster-Element hindurchgelassen. Durch Verdrehen des Brewster-Elementes zwischen diesen beiden extremen Positionen läßt sich der Anteil des durchgelassenen Laserlichts und somit die Intensität des ausgehenden Laserstrahls einstellen.
Diese bekannte Vorrichtung hat sich in der Praxis äußerst gut bewährt. Dennoch wäre es vorteilhaft, bei der bekannten Vorrichtung die Herstellungskosten zu senken und die Geschwindigkeit, mit der die Leistung geregelt werden kann, zu erhöhen. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sich kostengünstiger herstellen läßt, und eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die schnellere Regelung ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 19 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine erste lichtdurchlässige Platte, die in einem Abschnitt des Lichtweges des Laserstrahls angeordnet ist und um eine erste Achse drehbar ist, die senkrecht zum genannten Abschnitt des Lichtweges ist. Die Vorrichtung umfaßt eine erste Antriebsvorrichtung zum Drehen der ersten lichtdurchlässigen Platte um die erste Achse und eine Meßeinrichtung zur Erfassung der Leistung des Laserstrahls stromabwärts der ersten lichtdurchlässigen Platte und zum Erzeugen eines Leistungs-Istwertes. Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Regeleinrichtung mit einem Eingang, der mit der Meßeinrichtung verbunden ist, und einen Ausgang, der mit der ersten Antriebseinrichtung verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung den Leistungs-Istwert und einen Leistungs-Sollwert erhält und einen Stellwert erzeugt und ausgibt. Die erste Antriebseinrichtung dreht die erste lichtdurchlässige Platte in Abhängigkeit von dem Stellwert, um die Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert zu minimieren.
Während also beim obengenannten Stand der Technik das Brewster-Element (welches ebenfalls eine lichtdurchlässige Platte ist) stets im Brewster-Winkel zum Laserstahl steht und lediglich die Einfallsebene bezüglich der Polarisationsrichtung des Laserlichtes verstellt wird, wird bei der Vorrichtung nach der Erfindung durch Drehung der lichtdurchlässigen Platte um die erste Achse der Einfallswinkel des Laserlichts auf diese verändert. Gemäß den Fresnel' schen Gesetzen ändert sich dabei der Anteil des von der lichtdurchlässigen Platte reflektierten und des durchgelassenen Lichtes, so daß sich durch Drehen der lichtdurchlässigen Platte die Intensität des durchgelassenen Laserlichts einstellen läßt.
Es hat sich gezeigt, daß sich diese Art der Drehung der lichtdurchlässigen Platte einfacher und kostengünstiger realisieren läßt als die Drehung einer lichtdurchlässigen Platte im Brewster-Winkel um eine zum Laserstrahl parallele Achse, wie sie im obengenannten Stand der Technik verwendet wird. Bei dem erwähnten Stand der Technik wird ein jedes Brewster-Element in einem Kugellager gehalten und ist es an einem inneren Ring des Kugellagers montiert. Mit den Brewster-Elementen ist ein Hebel verbunden, der auf der Spindel eines Motors gedreht wird. Im Vergleich zu diesem Stand der Technik benötigt die Vorrichtung der Erfindung weniger Teile und ist daher kostengünstiger. Außerdem hat die Kombination aus der lichtdurchlässigen Platte und der zugehörigen Antriebseinrichtung bei Ausführungsformen der Erfindung tendenziell ein geringeres Trägheitsmoment, als sich bei den drehbaren Brewster-Elementen aus dem Stand der Technik erreichen läßt, so daß die Reaktionszeit der Vorrichtung nach der Erfindung geringer ist als beim Stand der Technik.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, daß das System sehr flexibel ist und insbesondere mit sehr geringem Aufwand an unterschiedliche Strahldurchmesser angepaßt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen System muß im wesentlichen lediglich die Größe der lichtdurchlässigen Platte an den Strahldurchmesser angepaßt werden. Die herkömmlichen Brewster-Elemente aus dem Stand der Technik sind hingegen für spezielle Strahldurchmesser ausgelegt, auf die die Größe der verwendeten Kugellager angepaßt sind, so daß diese nur gerade so groß wie für die angestrebte Anwendung nötig sind. Dies bedeutet aber, daß ein für einen bestimmten Strahldurchmesser konzipiertes System für andere Strahldurchmesser nicht oder nicht optimal verwendbar ist.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung ferner eine zweite lichtdurchlässige Platte, die im Lichtweg des Laserstrahls zwischen der ersten lichtdurchlässigen Platte und der Meßeinrich tung angeordnet und um eine zweite Achse drehbar ist, die senkrecht zum Lichtweg steht, und eine zweite Antriebsvorrichtung zum Drehen der zweiten lichtdurchlässigen Platte um die zweite Achse. Dabei werden die erste und die zweite Antriebsvorrichtung vorzugsweise von der Regeleinrichtung so angesteuert, daß sich die erste und die zweite lichtdurchlässige Platte gegensinnig synchron um den gleichen Winkelbetrag drehen.
Durch die Verwendung zweier drehbarer lichtdurchlässiger Platten multiplizieren sich die angestrebten Effekte, das heißt, eine bestimmte Erhöhung oder Absenkung der Transmission kann durch zwei kleinere Bewegungen der zwei lichtdurchlässigen Platten erreicht werden, anstatt durch eine größere, wodurch die Reaktionszeit der Vorrichtung erhöht wird. Durch die gegensinnig synchrone Ansteuerung der beiden Antriebsvorrichtungen kann erreicht werden, daß ein Versatz, der aufgrund von Lichtbrechung beim Durchlaufen der ersten lichtdurchlässigen Platte erzeugt wird, durch einen entgegengerichteten Versatz beim Durchlaufen des zweiten lichtdurchlässigen Elementes kompensiert wird, wie unten anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert wird. Dies ist wichtig, damit der Laserstrahl nicht im Zuge der Intensitätsregelung verschoben wird.
Vorzugsweise enthält der Winkelbereich, innerhalb dessen die erste und gegebenenfalls die zweite lichtdurchlässige Platte gedreht werden, den Brewster-Winkel bezüglich des Lichtweges. Wenn die lichtdurchlässigen Platten den Brewster-Winkel einnehmen, wird sämtliches parallel zur Einfallsebene polarisierte Licht durchgelassen. Diese Einstellung stellt somit die maximale Transmissivität der Vorrichtung dar. Beim Verstellen der lichtdurchlässigen Platten aus dem Brewster-Winkel heraus nimmt die Reflexion des auftreffenden Lichts zu und die Transmission ab. Vorzugsweise ist der Laserstrahl, der auf die erste lichtdurchlässige Platte einfällt, linear polarisiert. Ferner ist vorzugsweise die erste und gegebenenfalls die zweite Achse senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Laserstrahls. Bei diesem Aufbau ergibt sich eine Transmission von nahezu 100 %, wenn die beiden lichtdurchlässigen Platten im Brewster-Winkel zum einfallenden Laserstrahl stehen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste und/oder die zweite Antriebsvorrichtung durch einen galvanometrischen Motor gebildet. In diesem Fall ist die Kombination aus lichtdurchlässiger Platte und galvanometrischem Motor sehr ähnlich zu einem Ablenkelement in einer X-Y-Ablenkeinheit. Diese konstruktive Ähnlichkeit ist äußerst vorteilhaft, weil die Komponenten gut aufeinander abgestimmt sind. Wenn beispielsweise die Intensität des Laserstrahls beim X-Y-Scannen in Abhängigkeit vom Auftreffort des Laserstrahls auf einer Zielfläche variiert werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zum Einstellen der Intensität ein ähnliches dynamisches Verhalten hat, wie die Ablenkvorrichtung, und nicht etwa langsamer ist als diese.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung einen Energieabsorber, der so angeordnet und ausgebildet ist, daß er den von der ersten und/oder der zweiten lichtdurchlässigen Platte reflektierten Anteil des Laserlichts empfangen und die Lichtenergie zumindest teilweise abführen kann. Man beachte, daß das reflektierte Licht, welches dem Nutzstrahl entzogen wird, in Abhängigkeit von der gegenwärtigen Stellung des ersten und zweiten lichtdurchlässigen Elementes in unterschiedliche Richtungen reflektiert wird. Der Energieabsorber muß also so bemessen sein, daß er das in sämtlichen dieser Stellungen reflektierte Licht aufnehmen kann. Vorzugsweise ist der Energieabsorber ein fluidgekühltes Metallelement.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfaßt die Meßeinrichtung einen Strahlteiler, vorzugsweise einen teildurchlässigen Spiegel, der einen definierten Teil des Laserstrahls als Meßstrahl auf eine Leistungsmeßvorrichtung lenkt. Zwischen dem Strahlteiler und der Leistungsmeßvorrichtung ist vorzugsweise ein Brewster-Element angeordnet, das im Brewster-Winkel relativ zum Meßstrahl steht. Mit diesem Brewster-Element kann die Intensität des Meßstrahls weiter verringert werden, wodurch ermöglicht wird, daß ein Lichtsensor verwendet wird, der eine hohe zeitliche Auflösung hat, aber typischerweise nur geringe Strahlungsintensitäten aushält. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Brewster-Element um eine zum Meßstrahl parallele Achse drehbar, so daß die Intensität des auf den Lichtsensor auftreffenden Teils des Meßstrahls eingestellt werden kann.
Vorzugsweise umfaßt die Regeleinrichtung einen PID-Regler. Die lichtdurchlässigen Platten bestehen vorzugsweise aus ZnSe und sind mit einer Antireflexschicht beschichtet.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im folgenden auf das in den Zeichnungen dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel Bezug genommen, das anhand spezifischer Terminologie beschrieben ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll, da derartige Veränderungen und weitere Modifizierungen an der gezeigten Vorrichtung und dem Verfahren sowie derartige weitere Anwendungen der Erfindung, wie sie darin aufgezeigt sind, als übliches derzeitiges oder künftiges Fachwissens eines zuständigen Fachmanns angesehen werden.
Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich
1 eine Draufsicht auf wesentliche Komponenten einer Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls,
2 eine Seitenansicht zweier lichtdurchlässiger Platten, wie sie in der Vorrichtung von
1 verwendet werden,
3 ein Blockdiagramm eines Laserscannsystems mit einer CO₂-Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, einer Vorrichtung zur Regelung der Leistung des Laserstrahls und einer Ablenkeinrichtung, und
4 eine schematische perspektivische Ansicht der Ablenkeinrichtung von 3.
In 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls 12 gezeigt, der in der Darstellung von 1 von rechts nach links durch die Vorrichtung 101 läuft. Die Vorrichtung 10 umfaßt ein Gehäuse, von dem in der Darstellung von 1 lediglich eine Grundplatte 14 gezeigt ist. Die Vorrichtung 10 umfaßt eine erste lichtdurchlässige Platte 16, die um eine erste Achse 18 drehbar gelagert ist und von einer ersten Antriebseinrichtung 20 um die erste Achse 18 drehbar ist. In der gezeigten Ausführungsform wird die erste Antriebsvorrich tung 20 durch einen galvanometrischen Motor gebildet, der im Stand der Technik auch als "Galvo-Scanner" oder "Galavanometerscanner" bezeichnet wird.
In Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12 betrachtet hinter der ersten lichtdurchlässigen Platte 16 ist eine zweite lichtdurchlässige Platte 22 angeordnet, die um eine zweite Achse 24 drehbar ist und zur Drehung um die zweite Achse 24 von einem zweiten galvanometrischen Motor 26 antreibbar ist. Der Laserstrahl 12 tritt als gedämpfter Laserstrahl 12' aus der zweiten lichtdurchlässigen Platte 22 aus, wobei der Dämpfungsgrad von der Transmission der lichtdurchlässigen Platten 16, 22 in ihrer gegenwärtigen Stellung abhängt.
Dem Verlauf des Laserstrahls 12' folgend ist als nächstes ein teildurchlässiger Spiegel 28 angeordnet, der den größten Teil des Laserstrahls 12' (z.B. 99 %) als Nutzstrahl 30 durchläßt und einen kleinen, aber definierten Anteil des Laserstrahls 12' als Meßstrahl auf eine Leistungsmeßvorrichtung 34 lenkt.
Die Leistungsmeßvorrichtung 34 umfaßt ein Brewster-Element 36, welches stets im Brewster-Winkel zum Meßstrahl 132 steht aber um eine zum Meßstrahl 32 parallele Achse drehbar ist. Die Leistungsmeßvorrichtung 34 umfaßt ferner einen Lichtsensor (nicht gezeigt), der in der Darstellung von 1 von einem Kühlelement 38 verdeckt ist, und eine Linsenanordnung 40, die den Meßstrahl 32 auf den Lichtsensor fokussiert.
Die Vorrichtung 10 umfaßt ferner einen Energieabsorber 42, der aus Metall besteht und durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Der gezeigte Absorber 42 befindet sich unterhalb der lichtdurchlässigen Platten 16 und 22. Ein ähnlicher Absorber ist auch oberhalb der lichtdurchlässigen Platten 16, 22 angeordnet, in der Darstellung von 1 jedoch weggelassen, um die Sicht auf die lichtdurchlässigen Platten 16, 22 freizulassen.
Schließlich umfaßt die Vorrichtung 10 eine Regeleinrichtung 44, die über eine Signalleitung 46a mit der Leistungsmeßvorrichtung 34 verbunden ist und über Signalleitungen 46b, 46c mit dem ersten bzw. zweiten galvanometrischen Motor 20 bzw. 26 verbunden ist. Schließlich ist die Regeleinrichtung 44 mit einer Signalleitung 46d verbunden, über die sie mit einem externen Gerät (nicht gezeigt), beispielsweise einem Computer, verbunden ist.
Im folgenden wird die Funktion der Vorrichtung 10 unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. In der Darstellung von 1 tritt der Laserstrahl 12 am rechten Ende der Vorrichtung 10 in diese ein. Der Laserstrahl 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel linear in einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene polarisiert. Diese lineare Polarisierung kann entweder der Laserquelle (z.B. einer CO₂-Laserquelle) inhärent sein oder durch einen vorgeschalteten Polarisator (nicht gezeigt) erreicht werden. Der Laserstrahl 12 trifft als erstes unter einem Winkel α auf die erste lichtdurchlässige Platte 16 auf, die aus ZnSe besteht und mit einer Antireflexschicht beschichtet ist. Ein Anteil 12a des einlaufenden Laserstrahls 12 wird von der ersten lichtdurchlässigen Platte 16 reflektiert (siehe 2) und wird auf den Energieabsorber 42 gelenkt, der die Lichtenergie absorbiert. Der reflektierte Anteil des Lichtes entspricht dem Leistungsanteil, der dem Laserstrahl 12 im Zuge der Leistungsregelung entzogen werden soll. Ein Anteil 12b des Laserstrahls 12 wird von der lichtdurchlässigen Platte 16 durchgelassen. Dieser durchgelassene Anteil 12b wird beim Eintritt in und Austritt aus der lichtdurchlässigen Platte 16 gebrochen, so daß die Ausbreitungsrichtung des durchgelassenen Strahls 12b dieselbe ist wie die des einfallenden Laserstrahls 12, aber der durchgelassene Laserstrahl 12b um einen Versatz d (siehe 2) verschoben ist.
Der durchgelassene Strahl 12b trifft dann auf die zweite lichtdurchlässige Platte 22 auf. Der Einfallswinkel β des Strahls 12b ist dem Betrage nach gleich dem Einfallswinkel α, jedoch liegen die Winkel α und β auf unterschiedlichen Seiten des jeweiligen Lotes auf die erste bzw. zweite lichtdurchlässige Platte 16, 22 und haben daher unterschiedliche Vorzeichen (α = -β). Ein Teil des auf die zweite lichtdurchlässige Platte 22 auftreffenden Strahls 12b wird von dieser als Strahl 12c reflektiert und vom Energieabsorber 42 absorbiert. Der andere Teil des Lichtstrahls 12b wird von der zweiten lichtdurchlässigen Platte 22 als gedämpfter Strahl 12' durchgelassen. Beim Eintritt und Austritt des Strahls 12b in und aus der lichtdurchlässigen Platte 22 wird der Strahl 12' wiederum gebrochen, und wegen der symmetrischen Anordnung der lichtdurchlässigen Platten 16, 22 (d.h., α = -β) wird der Versatz d bei dieser Brechung kompensiert. Man beachte, daß der Versatz d vom Winkel α abhängig ist und daher bei einer asymmetrischen Anordnung schwierig zu kompensieren wäre.
Das Verhältnis zwischen durchgelassenem und reflektiertem Licht, d.h., das Verhältnis der Intensitäten der Strahlen 12b zu 12 und 12' zu 12b hängt vom jeweiligen Winkel der lichtdurchlässigen Platte 16, 22 ab. Die galvanometrischen Motoren 20, 26 werden über die Signalleitungen 46b, 46c stets so angesteuert, daß sich die erste und zweite lichtdurchlässige Platte 16, 22 synchron gegensinnig drehen, so, daß stets gilt α = -β. Durch Verstellung der Winkel α und β kann somit die Intensität des Laserstrahls 12' eingestellt werden, welcher sowohl die erste als auch die zweite Platte 16, 22 durchlaufen hat. Wenn insbesondere α und β den Brewster-Winkel annehmen, wird kein Licht reflektiert (d.h., die Intensität der reflektierten Lichtstrahlen 12a, 12c ist Null) und die Intensität des auslaufenden Lichtstrahls 12' ist gleich der Intensität 12 des einlaufenden Laserstrahls. Mit anderen Worten ist die Anordnung aus den lichtdurchlässigen Platten 16, 22 auf maximale Transmission eingestellt, wenn die Winkel α und β gleich dem Brewster-Winkel sind.
Werden die lichtdurchlässigen Platten 16, 22 jedoch aus dem Brewster-Winkel herausgedreht, nimmt der reflektierte Anteil zu und der durchgelassen Anteil ab, wodurch die Leistung des auslaufenden Laserstrahls 12' beliebig klein gemacht werden kann. Man beachte, daß sich die Effekte der ersten und zweiten Platte 16, 22 multiplizieren. Dies bedeutet, daß um eine bestimmte Dämpfungsänderung des durchgelassenen Laserstrahls 12' zu erreichen, eine geringere Verstellung der einzelnen lichtdurchlässigen Platten 16, 22 nötig ist, als wenn die selbe Dämpfungsänderung durch Verstellung nur einer lichtdurchlässigen Platte erreicht werden sollte. Dies gestattet wiederum eine kürzere Reaktionszeit der Vorrichtung 10 und eine schnellere Regelung der Leistung.
Wie weiterhin in 1 zu sehen ist, wird der von den lichtdurchlässigen Platten 16, 22 durchgelassene Laserstrahl 12' am Strahlteiler 28 in einen Nutzstrahl 30 und einen Meßstrahl 32 aufgeteilt. Die Intensität des Meßstrahls 32 beträgt einen geringen, aber fest definierten Bruchteil der Intensität des Strahls 12', beispielsweise 1 %. Auch dieser verhältnismäßig kleine Anteil des Laserstrahls 12' hat aber bei Verwendung leistungsstarker Laser, wie beispielsweise einem CO₂-Laser, oft eine immer noch zu große Intensität, als daß ein Lichtsensor sie aushalten würde. Bei dem Lichtsensor (nicht gezeigt) kann es sich beispielsweise um ein CMOS-Element handeln, das sich durch eine sehr schnelle Reaktionszeit auszeichnet, was im Hinblick auf eine schnelle Regelzeit vorteilhaft ist, jedoch durch zu hohe Lichtenergien beschädigt würde. Um den Meßstrahl 32 weiter zu dämpfen, wird dieser durch ein Brewster-Element 36 geleitet, welches um eine zum Meßstrahl 32 parallele Achse drehbar ist. Durch Drehung des Brewster-Elements 36 wird auf an sich bekannte Weise ein einstellbarer Teil des Meßstrahls 32 durchgelassen und der Rest des Meßstrahls 32 reflektiert und absorbiert. Auf diese Weise kann ein gedämpfter Meßstrahl 32 erhalten werden, dessen Intensität weit unter 1 % der Intensität des Laserstrahls 12' liegt.
Ferner wird der gedämpfte Meßstrahl 32 durch eine Linsenanordnung 40 auf den Lichtsensor (nicht gezeigt) fokussiert. Die Fokussierung mag auf den ersten Blick im Widerspruch zu dem obengenannten Ziel zu stehen scheinen, die Intensität des Meßstrahls 32 auf dem Lichtsensor (nicht gezeigt) zu begrenzen. Tatsächlich haben Untersuchungen der Erfinder jedoch ergeben, daß eine derartige Fokussierung vorteilhaft ist, da dadurch sichergestellt werden kann, daß sämtliche Energie des Meßstrahls 32 auch wirklich vom Lichtsensor (nicht gezeigt) erfaßt wird. Wäre der Meßstrahl 32 nicht fokussiert, kann es in der Praxis aufgrund eines Versatzes des Meßstrahls 32 passieren, daß ein Teil des Querschnitts des Meßstrahls 32 außerhalb des Lichtsensors liegt und bei der Regelung nicht berücksichtigt wird. Durch Verwendung des Brewster-Elementes 36 in Verbindung mit dem halbdurchlässigen Spiegel 28 kann der Meßstrahl 32 soweit gedämpft werden, daß dessen Intensität trotz Fokussierung auf den Lichtsensor für diesen unschädlich ist.
Die Intensität des Meßstrahls 32 wird über die Signalleitung 46a als Ist-Wert der Laserstrahlintensität in die Regeleinrichtung 44 eingegeben. Über die Signalleitung 46d wird ein Soll-Wert der Laserleistung in die Regeleinrichtung 44 eingegeben. Beim Soll-Wert kann es sich beispielsweise um eine zeitlich konstante erwünschte Ausgangsleistung des Nutzstrahls 30 handeln, der somit durch die Regeleinrichtung 10 zeitlich stabilisiert wird. Bei dem eingegebenen Soll-Wert kann es sich aber auch um ein zeitabhängiges Leistungsprofil handeln, wie nachfolgend unter Bezugnahe auf 3 und 4 näher erläutert wird.
Die Regeleinrichtung 44 vergleicht den Leistungs-Istwert von der Leistungsmeßvorrichtung 34 mit dem Leistungs-Sollwert, und ein PID-Regler ermittelt aus diesem Vergleich ein Stellsignal, welches dem ersten und dem zweiten galvanometrischen Motor 20, 26 über Signalleitungen 46b bzw. 46c zugeleitet wird. Die Stellsignale sind dabei so geartet, daß die beiden lichtdurchlässigen Platten 16, 22 stets gegensinnig synchron gedreht werden, so daß die Beziehung α = -β (siehe 2) stets beibehalten wird.
3 zeigt ein Laserscannsystem 48 mit einer Laserquelle 50, die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen CO₂-Laser gebildet wird und einen Laserstrahl 12 ausgibt, und der Regelvorrichtung 10 von 1, die den Laserstrahl 12 empfängt und einen Nutzstrahl 30, dessen Leistung auf einen Soll-Wert geregelt ist, in eine Ablenkeinrichtung 52 leitet. Die Ablenkeinrichtung 52 lenkt den Nutzstrahl 30 in einen abgelenkten Strahl 30' ab und scannt mit diesem eine Oberfläche eines Werkstücks 54. Die Vorrichtung 10 und die Ablenkeinrichtung 52 sind mit einem Computer 56 verbunden.
In 4 sind wesentliche Elemente der Ablenkeinheit 52 gezeigt. Die Ablenkeinheit 52 umfaßt einen Y-Ablenkspiegel 58, der von einem galvanometrischen Motor 60 angetrieben wird, und einen X-Ablenkspiegel 62, der von einem galvanometrischen Motor 64 angetrieben wird. Die galvanometrischen Motoren 60, 64 der Ablenkvorrichtung 52 werden vom Computer 56 angesteuert, um die Oberfläche des Werkstücks 54 mit dem abgelenkten Laserstrahl 30' abzuscannen. Beim Scannen des Werkstücks 54 wird die Intensität des Nutzstrahls 30 geregelt. Beispielsweise kann die Intensität des Nutzstrahls 30' erhöht werden, um einer Defokussierung des abgelenkten Nutzstrahls 30' entgegenzuwirken, die auftritt, wenn der Auftreffpunkt auf die Zielfläche des Werkstücks 54 vom Mittelpunkt derselben weit entfernt ist. Diese Art der Defokussierung ist unter dem Stichwort "Field-Flattening" bekannt. Durch Erhöhen der Intensität des Nutzstrahls 30' an Stellen, an denen die Fokussierung weniger scharf ist, kann dieser Defokussierung entgegengewirkt werden. Auch kann die Leistung des Nutzlaserstrahls 30 an die Scann-Geschwindigkeit angepaßt werden. Bei einer hohen Scan-Geschwindigkeit wird diese erhöht, bei einer niedrigen Scan-Geschwindigkeit, beispielsweise bei Richtungsänderungen beim Zeichnen oder Schneiden von Ecken, wird sie abgesenkt. In der gezeigten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, daß der Computer 56 während des Scannens über die Signalleitung 46d ein geeignetes Soll-Wertprofil in die Vorrichtung 10 eingibt.
Wie aus 4 ersichtlich ist, ist der Antrieb der X- und Y-Spiegel 62, 58 ähnlich dem Antrieb der ersten und zweiten lichtdurchlässigen Platte 16, 22. Im Idealfall können sogar identische galvanometrische Motoren verwendet werden. Durch diese bauliche Ähnlichkeit können nicht nur Kosten gespart werden, sondern die Reaktionszeit der Ablenkvorrichtung 52 und der Regelvorrichtung 10 ist sehr ähnlich, so daß diese Komponenten optimal zueinander passen und eine Geschwindigkeit der Regelung der Laserlichtintensität erreicht wird, wie sie mit herkömmlichen Brewster-Elementen kaum erreichbar scheint.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren gezeigten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in den verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

10: Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls
12, 12': Laserstrahl
14: Bodenplatte
16: erste lichtdurchlässige Platte
18: erste Achse
20: erster galvanometrischer Motor
22: zweite lichtdurchlässige Platte
24: zweite Achse
26: zweiter galvanometrischer Motor
28: teildurchlässiger Spiegel
30: Nutzlaserstrahl
32: Meßlasterstrahl
34: Leistungsmeßeinrichtung
36: Brewster-Element
38: Kühlelement
40: Linsenanordnung
42: Energieabsorber
44: Regeleinrichtung
46a-46d: Signalleitungen
48: Laserscannsystem
50: CO₂-Laser
52: Ablenkeinrichtung
54: Werkstück
56: Computer
58: Y-Spiegel
60: galvanometrischer Motor
62: X-Spiegel
64: galvanometrischer Motor

Claims

Vorrichtung (10) zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls (12), mit einer ersten lichtdurchlässigen Platte (16), die in einem Abschnitt des Lichtweges des Laserstrahls (12) angeordnet und um eine zum genannten Abschnitt des Lichtweges senkrechte erste Achse (18) drehbar ist, einer ersten Antriebseinrichtung (20) zum Drehen der ersten lichtdurchlässigen Platte (16) um die erste Achse (18), einer Meßeinrichtung zur Erfassung der Leistung des Laserstrahls (12') stromabwärts der ersten lichtdurchlässigen Platte (16) und Erzeugen eines Leistungs-Istwertes, einer Regeleinrichtung (44) mit einem Eingang (46a), der mit der Meßeinrichtung verbunden ist, und einem Ausgang (46b), der mit der ersten Antriebseinrichtung (20) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung (44) den Leistungs-Istwert und einen Leistungs-Sollwert erhält und einen Stellwert erzeugt und ausgibt, wobei die erste Antriebseinrichtung (20) die erste lichtdurchlässige Platte (16) in Abhängigkeit von dem Stellwert dreht, um die Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert zu minimieren.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, die ferner folgendes umfaßt: eine zweite lichtdurchlässige Platte (22), die im Lichtweg des Laserstrahls zwischen der ersten lichtdurchlässigen Platte (16) und der Meßeinrichtung angeordnet und um eine zweite Achse (24) drehbar ist, die senkrecht zum Lichtweg steht, und eine zweite Antriebsvorrichtung (26) zum Drehen der zweiten lichtdurchlässigen Platte (22) um die zweite Achse (24).
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der die erste und die zweite Antriebsvorrichtung (20, 26) von der Regeleinrichtung (44) so angesteuert werden, daß sich die erste und die zweite lichtdurchlässige Platte (16, 22) gegensinnig synchron um den gleichen Winkelbetrag drehen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, bei der die erste und die zweite Achse (18, 24) parallel zueinander sind und der Winkel (α) zwischen der ersten lichtdurchlässigen Platte (16) und dem Lichtweg und der Winkel (β) zwischen der zweiten lichtdurchlässigen Platte (22) und dem Lichtweg den gleichen Betrag und unterschiedliche Vorzeichen haben.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Winkelbereich, innerhalb dessen die erste und gegebenenfalls die zweite lichtdurchlässige Platte (16, 22) drehbar sind, den Brewster-Winkel bezüglich des Lichtweges enthält.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Laserstrahl (12), der auf die erste lichtdurchlässige Platte (16) einfällt, polarisiert ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, bei der die erste Achse (18) und gegebenenfalls die zweite Achse (24) senkrecht zur Polarisationsebene des Laserstrahls (12) ist bzw. sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste und/oder die zweite Antriebsvorrichtung (20, 26) durch einen galvanometrischen Motor (20, 26) gebildet wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Energieabsorber (42), der so angeordnet und ausgebildet ist, daß er den von der ersten und/oder der zweiten lichtdurchlässigen Platte (16, 22) reflektierten Anteil (12a, 12c) des Laserlichtes empfangen und die Lichtenergie zumindest teilweise abführen kann.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, bei der Energieabsorber (42) ein fluidgekühltes Metallelement ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Strahlteiler, vorzugsweise einem teildurchlässigen Spiegel (28), der einen definierten Teil des Laserstrahls (12') als Meßstrahl (36) auf eine Leistungsmeßvorrichtung (34) lenkt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, bei der zwischen dem Strahlteiler (28) und der Leistungsmeßvorrichtung (34) ein Brewster-Element (36) angeordnet ist, das im Brewster-Winkel relativ zum Meßstrahl (32) steht.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, bei der das Brewster-Element (36) um eine zum Meßstrahl (32) parallele Achse drehbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Leistungsmeßvorrichtung (34) einen Lichtsensor und eine Fokussiereinrichtung (40) umfaßt, die den Meßstrahl (32) auf den Lichtsensor fokussiert.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Regeleinrichtung (44) einen PID-Regler umfaßt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Eingabevorrichtung (56) zum Eingeben eines konstanten Leistungs-Sollwerts oder eines Leistungs-Sollwertprofils in die Regeleinrichtung (44).
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste und/oder die zweite lichtdurchlässige Platte (16, 22) aus ZnSe besteht und mit einer Antireflexschicht beschichtet ist.
Laserscannsystem (48) mit einer Laserquelle (50), insbesondere einer CO₂-Laserquelle, zum Erzeugen eines Laserstrahls (12), einer Vorrichtung (10) zur Regelung der Leistung des Laserstrahls (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und einer Ablenkeinrichtung (52) mit mindestens einem Ablenkspiegel (58, 62), der durch einen galvanometrischen Motor (60, 64) gedreht werden kann.
Verfahren zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls (12), bei dem der Laserstrahl (12) durch eine erste lichtdurchlässige Platte (16) geleitet wird, die um eine erste Achse (18) drehbar ist, welche senkrecht zum Lichtweg des Laserstrahls (12) ist, und bei dem die Leistung des Laserstrahls (12') stromabwärts der ersten lichtdurchlässigen Platte (16) mit einer Meßeinrichtung ermittelt und ein Leistungs-Istwert erzeugt wird, der Leistungs-Istwert einer Regeleinrichtung (44) zugeführt wird, ein Leistungs-Sollwert von der Regeleinrichtung (44) empfangen wird, ein Stellwert erzeugt wird, und die erste lichtdurchlässige Platte (16) in Abhängigkeit von dem Stellwert gedreht wird, um die Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert zu minimieren.